Динамика процесса экструзии при брикетировании стружки алюминиевых сплавов

Костин, Николай Анатольевич

Динамика процесса экструзии при брикетировании стружки алюминиевых сплавов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Костин, Николай Анатольевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамика процесса экструзии при брикетировании стружки алюминиевых сплавов»

Автореферат диссертации на тему "Динамика процесса экструзии при брикетировании стружки алюминиевых сплавов"

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Костин Николай Анатольевич

ДИНАМИКА ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ ПРИ БРИКЕТИРОВАНИИ СТРУЖКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 01.02.06 — динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КУРСК 1998

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете на кафедре теоретической механики.

Научный руководитель — Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Рыжков Ф.Н.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

Гордон В.А. (г. Орел) — кандидат технических наук Ельников H.H. (г. Курск)

Ведущая организация — Воронежский авиационный завод

Защита состоится: декабря 1998 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 064.50.01 при Курском государственном техническом университете (305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94, к. 216, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан /£_ ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Общая характеристика работы

Производственная деятельность любого металлообрабатывающего предприятия связана со значительными отходами металла в стружку, несмотря на применение прогрессивных способов получения заготовок.

Проблема рационального использования металлической стружки самого распространенного металлосодержащего и, металлоемкого промышленного отхода содержит многие аспекты, такие как технические организационно-экономические, экологические и др. Однако научные основы передела стружки недостаточно разработаны. Это подтверждается тем, что организованно перерабатывается только 35-40% всей образующейся стружки.

Трудность решения этой проблемы на сегодняшний день обусловлена: физическим состоянием металлической стружки (развитая поверхность, низкая насыпная масса, высокая степень наклепа ее элементов); низкой культурой организации сбора, транспортировки и хранения стружки, отсутствием оптимальной технологии ее переработки.

Современные способы переработки металлической стружки, как шихтового материала, несмотря на многолетний опыт и традиции нерентабельны, несовершенны и неперспективны. Основные их недостатки: низкий уровень вышеназванных мероприятий по подготовке стружки к предварительному переделу, что приводит к ее смешиванию по химическому составу, и степени окисления; значительный угар металла (до 20-25%) при выплавке из стружки черных и цветных металлов; высокая металло- и энергоемкость оборудования для подготовки стружки к переплаву; прерывность технологических процессов.

Известно, что удельные капитальные вложения на сбор и переплавку металлических брикетов в 10 раз меньше, чем на производство нового металла из руд.

Поэтому исследование и внедрение процессов экструзии при брикетировании - стружки для последующей переплавки в металлургии является

актуальной проблемой.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом РАН 1.11.1 «Теория машин и систем машин».

Цель работы: повышение эффективности технологического оборудования и разработка технологического процесса для брикетирования стружки алюминиевых сплавов методом экструзии.

Для достижения заданной цели решаются следующие основные задачи:

- изучение закономерностей поведения стружки в зоне прессования.

- разработка математической модели процесса экструзии при брикетировании, адекватно описывающей поведение перерабатываемого материала с учетом его взаимодействия с рабочим органом.

- разработка пакета программ и проведение численного моделирования методом крупных частиц, позволяющая изучить влияние различных реологических свойств на поведение материала в зоне прессования, выявить закон движения, обеспечивающий оптимальные параметры прессования.

- разработка технологического процесса брикетирования стружки методом экструзии.

- утилизация вторичных металлических отходов, в частности стружки алюминиевых сплавов путем ее брикетирования с последующей плавкой в металлургических печах.

Методика исследования. Динамическая модель технологического процесса брикетирования построена на основе законов теоретической механики и динамики машин. Для анализа динамики системы применяются различные численные методы интегрирования системы дифференциальных уравнений.

Для исследования процессов экструзии при брикетировании металлической стружки разработан экспериментальный участок с использованием пресс-формы с открытой рабочей зоной.

Научная новизна. Разработана обобщенная математическая модель технологического процесса брикетирования металлической стружки методом

экструзии, в частности стружки алюминиевых сплавов на основе нового подхода к реологии с учетом изменения объемной концентрации в широких пределах. Данная модель позволяет учитывать взаимодействие перерабатываемого материала с рабочим профилем пресс-формы. Разработан пакет программ и проведено численное моделирование методом крупных частиц, позволившее исследовать динамику течения пластически сжимаемого материала (стружки), выявить закономерность формирования полей плотности и скорости в условиях внешнего трения в различных точках объема деформируемого материала.

Практическая реализация результатов работы. На основании результатов, полученных в диссертации, разработана пресс-форма с открытой рабочей полостью матрицы, обеспечивающей равномерное течение уплотняемого материала, в частности стружки алюминиевых сплавов и применение ее в металлургической промышленности.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладыв&тась на научных конференциях: «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1997), «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 1998 г.), на юбилейной конференции ученых Курского политехнического института (Курск, 1994) и на городском семинаре по теоретической механике и ТММ (Курск, 1996—1998).

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 6 публикациях, в том числе защищены патентом на изобретение и положительным решением на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст состоит из 120 страниц, включая 13 рисунков и 7 таблиц, список литературы, содержащий 110 наименований, а также приложения на 14 страницах.

В первой главе дан анализ современного состояния теории и практики брикетирования, рассмотрено влияние различных физико-механических свойств сыпучего материала на процесс брикетирования. Формируется цель и

задачи диссертации.

Во второй главе рассмотрена математическая модель технологического процесса брикетирования стружки методом экструзии, основанная на позициях механики сплошных сред и нового реологического подхода.

На основании метода крупных частиц разработана методика и алгоритм расчета процесса брикетирования.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования процесса брикетирования стружки алюминиевых сплавов в матрице с открытой рабочей лолостыо. Выполнен анализ результатов экспериментальных и численных исследований.

В четвертой главе разработан технологический процесс брикетирования стружки цветных металлов, в частности стружки алюминиевых сплавов методом экструзии. Показана практическая реализация полученных результатов.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность диссертации, кратко изложено основное содержание работы, показана ее практическая ценность.

В первой главе дан анализ технологических процессов переработки и брикетирования стружки. Рассмотрено влияние различных физико-механических свойств материала на процесс прессования. Проведен литературный обзор математических моделей прессования сыпучего материала.

В связи с тем, что запасы богатых руд ограничены, важнейшей чертой современного этапа развития металлургии является вовлечение в производство и использование металлосодержащих вторичных отходов.

До недавнего времени разработка новых технологических процессов переработки стружки в черной и цветной металлургии методом брикетирования считалась малоперспективной. Общий удельный вес использования брикетов в мировой металлургической практике не превышал 2%. Однако с появлением

высокопроизводительного и экономичного оборудования, с разработкой новой технологии, хорошими результатами плавок на брикетах в различных металлургических печах, перспективным опытом эксплуатации зарубежных промышленных установок интерес к брикетированию значительно возрос. Результаты большинства исследований подтвердили высокую эффективность использования процесса брикетирования для переработки металлической стружки. Большой вклад в разработку теории пластичности внесли В.В. Соколовский, А.А. Ильюшин, Ю.Н. Работнов, Л.И. Седов, Д.Д. Ивлев, Б.А. Друянов, Г. Генки, Г.Г. Гун. Механика течения пластически сжимаемого материала остается одной из немногих наук, и в настоящее время еще недостаточно изучена.

Существуют следующие подходы к моделированию поведения стружки при брикетировании — рассмотренные на уровне отдельных частиц и с позиций механики сплошных сред. Последний подход при описании стружки представляется более целесообразным по сравнению с феноменологическими моделями, которые не позволяют изучать явления массопереноса.

Нелинейность свойств стружки, изменение в широких пределах объемной концентрации, вносят большие сложности при моделировании процесса брикетирования. Так, например, исследования по брикетированию стружки в открытой матрице (методом экструзии) необходимы при проектировании технологического оборудования и позволяют выявить закон движения и характер взаимодействия перерабатываемого материала с поверхностью матрицы.

Во второй главе рассмотрена математическая модель процесса экструзии при брикетировании стружки алюминиевых сплавов.

Разработанная математическая модель процесса экструзии состоит из законов сохранения массы и импульса, полученных в условиях не изменяющегося объема и реологического уравнения, устанавливающего связь тензора напряжений с тензором скоростей деформаций и объемной концентрацией:

•'9 V;

¿31

ЗУ, дг д\

ах ,

эу, _ 1

ах

■ + V

эх,

, 3(уу,) , 3(УУ2)

л эх, ах,

ЭУ2 дХ .

■ „ 1

УР о

зр„ , эр,2

эх, дХ г

зр.2 , зр22

дХ , ЭХ 2

Ур о 1

Ур о

Р,; -к,

Р» = Ро +

„•Г

эх.

/ „ ,\зу, эу2 + (а о + а \)-!---— -

4 0 ''эх, ах2

- а

,(эу,' эу^ эу, ,( эу,

п -!-+-- + а ,-*- + а -—

Ч.зх 2 ах,, 1 ах, \эх,

'+ а

4 зу,

эх,

ау-эх.

а„зу, Г зу 1

1 эх,^эх 2

эу,

2 + эх

Р22 = Р0 + «о

эу, эу. эх, * ах

зу2 ^ ,\зу, зу

-+ (а л + а )-!---

дХ2) У 0 [уэх, эх

- а,

эу, эу. -2-+-1

эх, эх 2

ЗУ2 + а ,-—+ а!

1 ЭХ.

эу.

,эх'

ЭУ^Г^ _ ЭУ^ ,дХ1{дХ2) 'дХг

зу2 , зу,

эх, ах.

i зу, эу 12 = « —+

эх

эх ,

+ а

зу, , зу,

дХ.

эу2 эу, --—

дХ, эх 2

+ а

эу, эу2 ( эу, эу

2 Л

эу, эу2 эх 2 + эх,

(1)

(2)

эх, эх2 ^эх2 эх,

где У^Уг — проекции скорости по соответствующим координатам; Рп; Р22; Рп — компоненты тензора напряжений; V — объемная концентрация; Р^ — объемные силы;

Ро = - а-у — равновесная составляющая, зависящая от объемной концентрации;

а'о; а"о; а^ а'ь а'\—реологические коэффициенты. Анализ проведенных теоретических и экспериментальных исследований, многочисленные расчеты позволили определить эти коэффициенты так, что

реологическое уравнение удовлетворительно описывает течение среды при плоском напряженном состоянии. Анализ численных методов показал, что наиболее подходящим является метод крупных частиц, разработанный Давыдовым Ю.М. Важным преимуществом его по сравнению с другими методами является высокая математическая технологичность. Основная идея метода состоит в возможности расщеплять процесс течения на эйлеров и лагранжев этапы. При этом среда разрабатывается на множество элементов, между которыми допускается обмен массами. Достоинство МКЧ состоит в том, что он позволяет определить параметры и их распределение в любом материальном элементе. Среда моделируется системой из крупных частиц, совпадающей в данный момент времени с ячейкой эйлеровой сетки. Расчет каждого временного шага разбивается на три этапа: Эйлеров, Лагранжев и заключительный. На первом, эйлеровом этапе пренебрегаем всеми эффектами, связанными с перемещением эйлеровой ячейки (масса через границу ячеек не протекает). На втором, ла-гранжево.м этапе при движении спрессованной стружки вычисляются эффекты переноса, учитывающие обмен между ячейками при их перестройке на прежнюю эйлерову сетку. На третьем, заключительном этапе определяем в момент t"+1=t"+At окончательное значение компонента скорости и плотности на основе законов сохранения массы и импульса.

Метод крупных частиц применялся в работах Яцуна С.Ф., Мищенко В.Я., Моргуновой H.A., Локтионовой О.Г., Новофастопского A.A., Каташинского В.П., и показал достаточно высокую эффективность.

Область интегрирования покрывается фиксированной в пространстве Эйлеровой расчетной сеткой с прямоугольными и дробными ячейками (рис.1) со сторонами в плоской декартовой системе координат Axi;Ax2. Таким образом моделируемая среда состоит из N и М частиц, которые распределены па эйлеровой сетке в начальный момент времени в соответствии с начальными условиями.

Движение такой системы частиц за время At осуществляется сначала в

1*1

■ Г''

- х<

ь V?' ¡-и

¡,¡-1 ц Ц+1

•ХА &

ХЛ ЛХ, |

-г ЛХ. II

хх уч

С : 1 м 1 ! ! , | ! !

1 1 ! ! п Т 1 •ЛЛ » т 1*2 Т ♦

Рис.1. Расчетная схема процесса экструзии

АВ; СД - открытые границы; АС - ось симметрии;

ВК - твёрдая непротекаемая граница дробных ячеек; ВД - твёрдая непротекаемая граница целых ячеек; VI - скорость материала на входе в зону прессования; У2 - скорость материала на выходе из зоны прессования;

I - участок с дробными ячейками;

II - участок с целыми ячейками.

виде изменения внутреннего состояния, в предположении их недвижимости, далее рассматривается смешение всех частиц, без изменения внутреннего состояния, а далее производится пересчет расчетной сетки в исходное состояние. Особенностью разработанной математической модели по сравнению с работами посвященными прессованию сыпучих материалов состоит б том, что расчетная область является в процессе брикетирования неизменной, в тоже время, в силу граничных условий на отрезке ВК происходит увеличение объемной концентрации за счет угла наклона на отрезке ВК и за счет перетекания материала на границе ЕК. На-,отрезке ДК осуществляется перемещение плотно упакованного брикета. Разработанный алгоритм позволяет исследовать динамику течения пластически сжимаемого материала (стружки), выявить закономерность формирования полей плотности и скорости в условиях внешнего трения в различных точках объема деформируемого материала (рис.2).

Расчеты выполнены для граничных условий, характеризующих взаимодействие металлической стружки с внутренней поверхностью матрицы пресс-формы с открытой полостью.: Расчеты показали, что изменение плотности и напряжения материала основы различаются в зависимости от геометрических параметров пресс-формы (входной и выходной диаметр, угол наклона матрицы).

В третьей главе проведен анализ численного и экспериментального исследований. Основные закономерности теории прессования основываются на взаимосвязи между перемещениями и деформированным и напряженным состоянием прессуемого металла по всему его объему. Сложность закономерностей и зависимость их от множества технологических и иных факторов привело к тому, что было проведено большое число работ по исследованию названных взаимосвязей.

Для проверки адекватности разработанной математической модели проведены экспериментальные исследования технологического процесса брикетирования стружки методом экструзии. Для этой цели была разработана

Вертикальная составляющая скорости движения стружки

Объемная концентрация стружки

а)

б)

■ я • § 3» ! ÄÜ «3 а

i И 1 я я й в &

■ ■ ■

■

в)

Рис.2 Распределение скорости перемещения материала и объемной концентрации стружки при брикетировании методом экструзии

□ — min значение скорости (0,16 м/мин) и объемной концентрации (0,52); В — тах значение скорости (0,46 м/мин) и объемной концентрации (0,81);

а) — распределение скорости перемещения и объемной концентрации материала в начальный момент времени t=0 на границе AB.

б) — распределение скорости перемещения и объемной концентрации материала в момент времени t=0,5 мин. на границе ЕК.

в) — распределение скорости перемещения и объемной концентрации материала при t=0,76 мин. на границе СД.

пресс-форма, содержащая пуансон 1, матрицу, состоящую из двух частей: верхней цилиндрической 2 и нижней 3, имеющей профиль усеченного конуса, переходящего в цилиндр, при этом высота конусной части составляет 0,5—0,7 высоты нижней части, а угол наклона конуса равен 1,5—2,2 град. Схема пресс-формы представлена на рис.3.

Пресс-форму устанавливали на гидравлический универсальный пресс Р-160. Номинальное усилие — 1600 кН, мощность привода — 30 кВт.

В качестве прессуемого материала использовали стружку алюминиевых сплавов со следующими механическими свойствами:

1. Размер фракции — 0-40 мм.

2. Насыпная масса — 0,2-0,3 т/м3.

3. Относительная влажность — 3-5%.

Стружка засыпается в матрицу пресс-формы, а формирование брикета

является результатом последовательного протекания процесса уплотнения и упрочнения материала под влиянием наложенного давления и прохождения материала через очаг деформации — конусную матрицу с открытым дном, и ослабление структуры брикета после снятия давления (рис.4).

В качестве исследуемого параметра была выбрана плотность брикетов, для определения которой после получения образцов проводились измерения высоты и массы.

При исследовании влияния угла наклона матрицы на плотность материала, как в натуральном, так и в численном эксперименте по разработанной методике оптимальное уплотнение брикета выявлено при угле наклона 7=1,5°— 3°. Результаты расчетов показывают, что расхождение данных экспериментальных исследований и численного моделирования не превышает 16%.

По результатам исследований определены рациональные параметры технологического процесса брикетирования, установлено влияние этих параметров на плотность и пористость брикетов.

Таким образом, математическая модель достаточно хорошо отражает реальные процессы движения уплотняемого материала через матрицу с открытой полостью, позволяет исследовать технологические процессы брикетирования металлической стружки методом экструзии, осуществить выбор оптимальных параметров при проектировании технологического оборудования, может быть рекомендовано для металлообрабатывающих предприятий, предприятий порошковой металлургии и др.

В четвертой главе разработан технологический процесс для брикетирования стружки алюминиевых сплавов методом экструзии, Расчет технологии позволил выявить потенциальные возможности рабочих органов и контролировать качество выполняемого ими процесса на стадии проектирования и в производственных условиях.

Технологическая схема для переработки и брикетирования стружки включает в себя дробление, очистку стружки от примесей, брикетирование. В

Рис.4. Диаграмма прессования

результате разработанного технологического процесса и специальной пресс-формы на ОАО «Электроагрегат» (Курск) внедрен экспериментальный участок по брикетированию стружки цветных металлов. Проект участка выполнен на базе серийно выпускаемого отечественной промышленностью оборудования с применением специальной пресс-формы (рис.5).

Проведеные испытания показали, что брикеты полученные методом экструзии при прессовании в матрице с открытой рабочей зоной обладают достаточной плотностью, что позволяет использовать их в собственном литейном производстве.

На основе комплексного подхода к изучению процесса экструзии с позиций механики сплошных однофазных сред в условиях переменной плотности и анализа взаимодействия перерабатываемого материала с рабочим профилем пресс-формы получены следующие результаты.

1. Разработана математическая модель процесса экструзии при брикетировании стружки, в основе которой заложены гипотеза сплошности перерабатываемого материала и реологическое уравнение, устанавливающее связь тензора напряжений с объемной концентрацией перерабатываемого мате-

Рис.5. Экспериментальный участок

Заключение

риала и тензором скоростей деформаций.

2. Разработана инженерная методика расчета на ЭВМ на основе метода крупных частиц, позволяющая исследовать процесс экструзии при брикетировании стружки алюминиевых сплавов.

3. Разработан технологический процесс брикетирования стружки алюминиевых сплавов методом экструзии, позволяющий выявить потенциальные возможности рабочих органов, контролировать качество выполняемого процесса на стадии проектирования.

4. Разработана пресс-форма с открытой рабочей зоной матрицы, защищенная авторским свидетельством, позволяющая применять универсальное оборудование для переработки стружки алюминиевых сплавов.

5. Результаты разработок внедрены на ОАО «Электроагрегат» (Курск) в виде участка по переработке металлической стружки.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Миркин JI. В., Костин H.A. Брикетирование металлической стружки // Тезисы докладов юбилейной конференции ученых Курского политехнического института. Курск, 1994. С. 198—199.

2. Пресс-форма для брикетирования металлической стружки / Ф.Н. Рыжков, Ю.П. Хахулин, H.A. Костин, Л.В. Миркин: Сб. научных трудов конференции / Вибрационные машины и технологии. Курск, 1997. С. 106— 107.

3. Яцун С.Ф., Локтионова О.Г., Костин H.A. Моделирование процесса брикетирования стружки алюминиевых сплавов // Медико-экологические информационные технологии — 98: Сборник материалов международной технической конференции. Курск, 1998. С. 234—239.

4. Яцун С.Ф., Локтионова О.Г., Костин H.A. Моделирование процесса: деформирования сыпучего материала // Современные проблемы механики и

прикладной математики: Тезисы докладов школы. Воронеж.: ВГУ, 1998. С.

5. Патент 2112657 Россия. МКИ В 30 В 9/32, 11/00, 15/00. Пресс-форма для брикетирования стружки I Л.В. Миркин, Н.А. Костин, Ю.П. Хахулин и др. — № 96124207/02, заявлено 24.12.96; Опубл. 10.06.98; Бюл. № 16. 2 с.

6. Положительное решение по заявке на изобретение № 97107704/02 от от 19.08.98. Установка для брикетирования / Миркин Л.В., Хахулин Ю.П., Костин

298.

Н.А.

Подписано в печать 4.11.98. Формат 60x84 1/16. Печл. 1,21. Тираж 100 экз. Заказ 172. Курский государственный технический университет. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Костин, Николай Анатольевич, Курск

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Костин Николай Анатольевич

ДИНАМИКА ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ ПРИ БРИКЕТИРОВАНИИ СТРУЖКИ

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Рыжков Ф.Н.

. / /( !

¡/Л КУРСК 1998

/V /

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................4

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И

ПРАКТИКИ БРИКЕТИРОВАНИЯ.....................................................................................8

1.1. Сущность и способы брикетирования...............................................................................8

1.2. Анализ отечественных и зарубежных разработок 19

1.3. Влияние физико-механических свойств сыпучих материалов на процесс брикетирования.......................................................................................................26

1.4. Анализ математических моделей прессования.........................................................33

1.5. Выводы........................................................................................................................................36

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ ПРИ БРИКЕТИРОВАНИИ СТРУЖКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.........................................................................................38

2.1. Метод реологического моделирования.........................................................................38

2.2.Расчет сил внешнего трения 43

2.3. Математическое моделирование процесса прессования стружки методом экструзии..................................................................................................................46

2.4. Метод крупных частиц для интегрирования дифференциальных уравнений....................................................................................................................................50

2.5. Численное моделирование процесса экструзи..........................................................59

2.6. Вывод...........................................................................................................................................66

3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННЫХ РАСЧЕТОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ СТРУЖКИ АЛЮМИНИЕВЫХ

СПЛАВОВ...................................................................................................................................67

3.1. Описание экспериментальных исследований 67

3.2. Результаты экспериментальных исследований........................................................73

3.3. Анализ результатов экспериментальных и численных исследова-

ний..................................................................................................................................................78

3.4. Выводы........................................................................................................................................81

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ И БРИКЕТИРОВАНИЯ СТРУЖКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ.................................82

4.1. Разработка технологии брикетирования......................................................................82

4.1.1. Экспериментальная оценка производительности участка...............................85

4.1.2. Энергетические показатели участка...........................................................................86

4.1.3. Расчет конструкции пресс-формы...............................................................................86

4.2. Практическая реализация результатов..........................................................................89

4.3. Выводы........................................................................................................................................91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................92

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................93

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................................................................105

ВВЕДЕНИЕ

Проблема рационального использования металлической стружки самого распространенного металлосодержащего и металлоемкого промышленного отхода содержит многие аспекты, такие как технические, организационно-экономические, экологические и др. Однако научные основы передела стружки недостаточно разработаны. Это подтверждается тем, что организованно перерабатывается только 35-40% всей образующейся стружки /2, 19, 75/.

Известно, что удельные капитальные вложения на сбор и переплавку металлических брикетов в 10 раз меньше, чем на производство нового металла из РУД-

Поэтому исследование и внедрение процессов экструзии при брикетировании стружки для последующей переплавки в металлургии является

актуальной проблемой.

Для достижения заданной цели решаются следующие основные задачи:

- изучение закономерностей поведения стружки в зоне прессования.

- разработка технологического процесса брикетирования стружки методом экструзии.

Научная новизна. Разработана обобщенная математическая модель технологического процесса брикетирования металлической стружки методом экструзии, в частности стружки алюминиевых сплавов на основе нового подхода к реологии с учетом изменения объемной концентрации в широких

пределах. Данная модель позволяет учитывать взаимодействие перерабатываемого материала с рабочим профилем пресс-формы. Разработан пакет программ и проведено численное моделирование методом крупных частиц, позволившее исследовать динамику течения пластически сжимаемого материала (стружки), выявить закономерность формирования полей плотности и скорости в условиях внешнего трения в различных точках объема деформируемого материала.

Практическая реализация результатов работы. На основании результатов, полученных в диссертации, разработана пресс-форма с открытой рабочей полостью матрицы, обеспечивающей равномерное течение уплотняемого материала, в частности, стружки алюминиевых сплавов и применение ее в металлургической промышленности.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научных конференциях: «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1997), «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 1998 г.), на юбилейной конференции ученых Курского политехнического института (Курск, 1994) и на городском семинаре по теоретической механике и ТММ (Курск, 1996—1998).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст состоит из 104 страницы, включая 13 рисунков и 7 таблиц, список литературы, содержащий 110 наименований, а также приложения на 14 страницах.

Во второй главе рассмотрена математическая модель технологического

процесса брикетирования стружки методом экструзии, основанная на позициях механики сплошных сред и нового реологического подхода.

На основании метода крупных частиц разработана методика и алгоритм расчета процесса брикетирования.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования процесса брикетирования стружки алюминиевых сплавов в матрице с открытой рабочей полостью. Выполнен анализ результатов экспериментальных и численных исследований.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ БРИКЕТИРОВАНИЯ СТРУЖКИ

1.1. Сущность и способы брикетирования стружки.

Брикетирование представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия разнообразных твердых частиц и основывается на свойствах сыпучих материалов уплотняться и упрочняться под действием давления, возникающие при этом силы сцепления между сближаемыми частицами обуславливают образование прочного куска-брикета. Брикетированию подвергаются стальная стружка, окалина, чугунная пыль и известь. Процесс брикетирования применяется также для окускования различных видов цветных металлов и рудных концентратов. Структура брикетов образуется путем непосредственных контактов частиц между собой или через прослойки связующих за счет прилагаемых усилий прессования. Разнообразие технологических приемов, статических состояний брикетируемых материалов представляет определенные трудности в создании единой теории взаимодействия сыпучих материалов, рассмотрения агдезионных свойств, пластичности материалов при высоких давлениях и т. п. При резании образуется наклепанный поверхностный слой. Механические и физические свойства поверхностного слоя отличны от свойств металла вдали от поверхности. На поверхности находится оксидный слой, затем слой адсорбированных жидкостей, слой адсорбированных газов. Эти пленки являются энергетическим барьером, который нужно преодолеть для наступления сцепления. Для сцепления необходимая определенная степень пластической деформации, которая должна разрушить пленки. Степень пластической деформации, необходимой для возникновения схватывания, неодинакова для различных металлов. Существующую роль при сцеплении играют соотношения между механическими свойствами пленки и основного металла. При пластическом деформировании оксидные пленки либо выдавливаются из зоны соединения, либо в силу своей хрупкости разобщаются на

отдельные небольшие участки. При повышении пластичности и чрезмерном увеличении толщины оксидных пленок их роль в предотвращении схватывания возрастает, так как затрудняется выход на поверхность "свежих" участков металла. Формирование структуры брикетов из шихты со связующими следует рассматривать как склеивание разнообразных твердых материалов с помощью клеев (адгезивов). Прочность любой многофазной системы (без структурных и химических изменений) в результате применения, склеивания и приложения давления прессования характеризуется на начальном этапе адгезией. В зависимости от интенсивности контактов между связующими и твердым телом может происходить расслаивание из-за следующих типов разрывов: адгезионный разрыв происходит строго по границе раздела фаз; разрыв из-за наличия зон с различными местными напряжениями - наличие полос и поверхностей скольжения при пластическом деформировании.

Как бы тщательно не перемешивалась брикетная смесь, обеспечить равномерное покрытие клеевой пленкой невозможно. В период взаимодействия

субстата и связующих происходит определенное объединение твердых зерен

вокруг тонкодисперсных частиц связующих. По мере повышения вязкости (с повышением давления) образуются более крупные объединения, происходит взаимодействие крупных частиц между собой и для уплотнения частиц требуются большие давления. Давление прессования вызывает контактирование клеевой пленки и высокое внутреннее трение всей системы.

Процесс брикетирования проходит по следующим стадиям:

1 .Соприкосновение разнообщенных частиц и образование связи между ними за счет клеевых контактов.

2.Приложение давления и начало процесса самоуправления брикетной смеси. Объемный слой связующего начинает переходить в места пустот, что способствует дополнительному упрочнению брикета.

3 .Дальнейшее нарастание давления приводит к сближению твердых зерен на расстояние меньше суммы толщин клеевых слоев. К этому времени происходит заполнение пустот объемным связующим, выполняющим роль упругого

демпфера

Существующие виды брикетирования стружки можно разбить на две группы/2, 75/ (рис. 1.1.):

- холодное брикетирование;

- горячее брикетирование.

Холодное брикетирование распределяется на два вида:

- без связующих веществ;

- с добавлением связующих веществ.

По виду применяемого оборудования и формообразованию:

- брикетирование на штемпельных прессах;

- брикетирование на вальцевых прессах.

Метод холодного брикетирования без связующих веществ основан на последовательно протекающих процессов уплотнения и упрочнения сыпучего материала под действием приложенного давления.

При холодном брикетировании стружку, поступающую на перерабатывающий пункт, подвергают грохочению, дроблению, отделяют от охлаждающей жидкости и повторно дробят; затем она брикетируется или ее отправляют россыпью на предприятия для переработки. При горячем брикетировании, в отличии от холодного, стружка углеродистых сталей после вторичного дробления обжигается и сушится в сушильном барабане, к которому пристроена камера для поджигания газов при температуре 550—700°С; вслед за этим брикетируется на прессах, причем при этом способе брикеты получают более высокого качества, чем при холодном.

Брикетировать стружку легированных сталей надлежит на установке, в которую входит линия подготовки стружки, состоящая из накопительного бункера, вибросита, молотковой дробилки, конвейера подачи готовой стружки и загрузочного бункера с толкателем, загрузочной коробки с патрубком для отвода газов в систему очистки, вращающийся барабанной печи, огневой коробки и горизонтального гидравлического пресса.

Все существующие методы переработки стружки можно разделить на

1—ч

1 .2 3 4

Рт I Ь

|-н Т н

I ? .4 .1

-Ц .... ч

-н _н

1.- Опорная плита; 2.- Матрица; 3.- Контейнер; 4.- Пуансон; 5,- Брикет 1. Холодное брикетирование в закрытой матрице

ИР

1.- Пуансон; 2.- Матрица; 3.- Брикет

2. Холодное брикетирование в открытой матрице

\ | 380У|

1,- Пуансон верхний; 2,- Пуансон нижний; 3. Матрица; 4,- Устройство эл. обогрева; 5.-брикет

Я. Электробрикетирование.

7-' Г

1« 17 16 15 14 13

1- Магнитная шайба; 1 - Бункер; 3 - Ленточный питатель; 4 - Ленточный конвей^о; 5 - Течка; 6 - Дымовая коробка; 7 - Барабанная печь; : - Огневая коробка; 9, 10 - Горелки; 11, 17, 18 - Пневмоц^.-индры; 12, 13 - Моло. с бабкой; 14 Пресс-форма; 15 - Стакан; 16 - Толкатель.

4. Горячее брикетирование.

Рис. 1.1. Виды брикетирования металлической стружки

следующие: а) механические методы — дробление, пакетирование и брикетирование в холодном и горячем состоянии (брикетирование взрывом, под молотом с вибратором и с электроконтактным упрочнением); б) металлургические методы — переплав в дуговых и индукционных электропечах, вагранках и других агрегатах; в) теплошлаковые методы переплава — электрошлаковый и факельно-шлаковый (рис. 1.2.).

Основным методом переработки стружки является ее дробление для увеличения насыпной массы стружки и облегчения ее переплава. Широко применяют двухстадийное дробление стружки. Существующий технологический процесс переработки стружки, состоящий из первичного (предварительного) и вторичного (оконч�