Введение к работе
Актуальность работы. Большое влияние на интенсивность развития народного хозяйства оказывает увеличение использования вторичного сырья, как источника дополнительных материальных ресурсов, фактора снижения себестоимости продукции и уменьшения капитальных затрат. Наиболее важное значение как по размерам ресурсов, так и по своей ценности имеют вторичные черные металлы. В настоящее время из лома и отходов черных металлов выплавляется около половины всей стали и больше половины чугунного литья.
Основными технологическими машинами, с помощью которых в промышленности осуществляется подготовка металлолома к переплавке, являются: пакетировочные и брикетировочные прессы, гидравлические ножницы и прессовые установки для переработки чугунного лома. Конструкция этих прессов выполнена на довольно высоком техническом уровне. Однако они еще далеки от совершенства с точки зрения производительности, энергопотребления, затрат на эксплуатацию, качества продукции и улучшения условия труда.
В научно-технической литературе почти нет трудов, касающихся расчета и конструирования прессов для переработки металлолома. Поэтому проектирование новых прессов, особенно когда их конструкция отлична от действующих моделей прессов, весьма затруднительно. При этом не исключены случаи значительных ошибок при назначении основных параметров прессов.
Примером неправильного назначения усилий пакетирования может служить пресс ЧПА-І00О с усилием прессования 10 МН на предварительной ступени и 6,3 МН на окончательной ступенях прессования. При исследовании процесса пакетирования на этом прессе установлено, что усилие предварительной ступени прессования завышено, более чем вдвое, а усилия 6,3 МН окончательной ступени не всегда достаточно- для получения пакетов плотностью 2000 кг/ма, как это требует ГОСТ 2787-75.-
Примером нерационального назначения усилий прессов переработки чугунного лома может служить установка, для переработки чугунного лома конструкции Днепропетровского завода прессов. При проектировании усилие главного пресса было назначено БО МН, вспомогательного - 16 МН. Опыт эксплуатации этих прессов показал, что усилие главного пресса завышено на 10-12 МН, и наоборот, усилие вспомогательного пресса должно быть на 5 МН больше принятого. В результате ошибки в назначении усилий на главно^ прессе
увеличилась длительность цикла, а на вспомогательном проссе не Ёсе куски чугуна поддаются измельчению.
Приведенные примеры показывают актуальность разработки научно-обоснованных методов расчета прессов для переработки лома и отходов черных металлов, для разработки которых необходимо проведение дальнейших теоретических и экспериментальных исследований прессования и резки металлического лома.
Работа выполнялась в соответствии с постановлением Совета Министров СССР "Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов" и рекомендациями комиссии Приднепровского научного центра Академии наук УССР "Современные проблемы технических наук" .о вопросу "Улучшения использоваїїия вторичных металлов и ресурсов на предприятиях региона" от 10 ноября 1982 г.
Цель работы.Разработать на научной основе методы расчета усилий и рекомендации по совершенствованию конструкций гидравлических прессов для переработки металлолома, обеспечивающих высокую производительность и надежность в работе при минимальном расходе электроэнергии.
Идея работы заключается в использовании вновь установленных закономерностей процессов прессования и резки металлического лома для создания новых и реконструкции действующих прессов для переработки лома и отходов черных металлов с целью повышения их производительности и уменьшения энергопотребления.
Методика исследований. В теоретических исследованиях использовались фундаментальные положения и методы теории механики деформируемого твердого тела, теории трения, теории случайных процессов и моделирования. В экспериментальных исследованиях использовались методы с применением современной тензометрической аппаратуры, средств измерения параметров гидросистем, а также методы планирования экспериментов, методы лабораторных исследования физических моделей и промышленных испытаний.
Научные положения, выносимые на защиту.
I. Давление, реализуемое в камере пакетировочного или матри-' це брикетировочного пресса при сжатии металлического лома, зависит от коэффициента бокового давления,, представляющего собой отношение приращения бокового давления к приращению давления прессования. В процессе прессования коэффициент бокового' давления возрастает пропорционально степени уплотнения металлолома.
2. На плотность спрессовки существенное влияние оказывает
трение пакета (брикета) о стенки пресс-камеры (матрицы). С увели
чением давления прессования коэффициент трения убывает по биноми
альному закону и зависит от вида лома и состояния облицовочных
плит пресс-камеры. ,
3. Уменьшение плотности пакета после его выталкивания из ка
меры пакетировочного пресса, происходящее вследствие реализации
упругих сил сопротивления при прессовании, определяется коэффици
ентом уменьшения плотности пакета, который зависит от давления
прессования,, формы и соотношения сторон сечения пакета, а также'
от вида лома. С увеличением давления прессования коэффициент
уменьшения плотности пакета увеличивается, с увеличением длины -
уменьшается. Максимальное значение достигается при квадратной
форме сечения пакета.
4.- Разрушение чугунного массива на прессовых устаровках происходит в два этапа: вначале образуются две макроскопические трещины, которые качественно изменяют .напряженно-деформируемое состояние массива, в результате чего на втором этапе происходит разделение массива на части вследствие отрыва, поэтому при определении рабочей нагрузки пресса на стадии отрыва необходимо учитывать структурные изменения в массиве, вызванные сдвигом.
-
Методы расчета гидравлических прессов для переработки лома и отходов черных металлов, учитывающие установленные автором закономерности процессов прессования_и резки металлолома.
-
Метод физического моделирования процесса прессования металлического лома при неидентичности напряженных состояний и физико-механических свойств металлолома модели и натуры, позволяющий с минимальными затратами на стадии проектирования прогнозировать параметры и контролировать достоверность их расчетов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: принятыми предпосылками, базирующимися на фундаментальных положениях и законах механики, теории деформируемого тела, теория упругости и случайных процессов.
' Достоверность результатов подтверждается данными большого объема лабораторных исследований на моделях, специальных устройствах и промышленных исследований,' выполненных на действующих прессах, с учетом специфики их эксплуатации, современных методик испытаний, оборудования и приборов, что обеспечивало требуемую точность измерений всех исследуемых параметров.
Сопоставление параметров, полученных в результате исследований, с результатами промышленных испытанна показало, что качественно они идентичны, а количественно отличаются не более,чем на 5-Ю Ж.
Достоверность теоретических исследований успешно подтверждена при проектировании, изготовлении ті. длительной промышленной эксплуатации пакетировочных прессов ББ-І338, Б-І345, ПГ-450 при реконструкции пресса для переработки чугунного лома усилием 55 МН и эксплуатации гидравлических ножниц НО-340. Так например, расчетные усилия предварительных ступеней прессования у пакетировочных прессов ББ-І338 и ПГ-450 отличались от фактических не более, чем на 5-10.
Н -'чная новизна проведенных исследований состоит в том, что в работе впервые:
разработаны научно обоснованные методы расчета усилия гидравлических прессов для переработки металлолома, которые учитывают установленные автором зависимости, описывающие характер процессов уплотнения, дробления и резки металлического лома;
установлено, что коэффициент трения пакета (брикета) о стенки пресс-камеры (матрицы) при прессовании металлического лома изменяется по биномиальному закону и зависит от вида лома, давления прессования и состояния поверхностей облицовочных плит прессовой камеры (стенок матрицы);
показано, что коэффициент бокового давления при прессовании металлолома является переменной величиной, изменяющейся прямо пропорционально степени уплотнения металлолома в процессе прессования; '
установлено, что разрушение чугунного лома на прессовых установках происходит в два этапа: вначале образуются две макроскопические трещины, которые качественно изменяют напряженно-деформированное состояние массива, в результате чего на втором этапе происходит разделение куска чугуна на части вследствие отрыва;
показано, что изменение плотности пакета после его выталкивания из камеры пакетировочного пресса, следует учитывать с помо- щью коэффициента уменьшения плотности пакета, который зависит от давления прессования, формы и соотношения размеров сторон сечения;
разработан метод физического моделирования ' процесса прессования металлического лома при неидоптичности напряженных
состояний и физико-механических свойств металлолома модели и натуры;
показано, что в станинах рамного типа прессовых установок для переработки чугунного лома при ассиметричном приложении технологических нагрузок возникают напряжения значительно# меньше, чем в станинах колонного типа.
Научное значение- работы заключается в дальнейшем развитии теории пакетирования и брикетирования металлического лома. Впервые показано, что коэффициенты трения и бокового давления при прессовании металлического ломавеличины переменные, причем пер-' вый изменяется по биномиальному закону, а второй - пропорционально степени уплотнения металлолома.
Для проведения дальнейших научных исследований на основе теории подобия разработана методика моделирования процесса пакетирования стального лома при ноидентичности напряженных состояний модели и натуры, а также в случае различных прочностных характеристик металлолома.
Исследования механизма разрушения чугунных массивов на прессовых установках показали, что процесс разрушения, инициирующийся как срез, качественно изменяет напряженно-деформированное состояние массива и в дальнейшем распространяется как отрыв, что позволило уточнить расчетную схему определения разрушающего усилия.
Практическая ценность. Разработаны научно-обоснованные методы расчета усилия пакетировочных и брикетировочных прессов, позволяющие при проектировании назначать рационально силовые пара- метры этих машин, исходя из заданных плотности и размеров пакетов и брикетов.
Предложены методы расчета усилий резки стального лома на гидравлических ножницах и раскалывания чугунного лома на прессах для переработки чугунного лома, которые позволяют эффективно использовать мощность ножниц и рационально расходовать электроэнергию, при переработке чугунного лома.
Сформулированы основные направления по дальнейшему совершенствованию прессов для переработки металлолома и предложен 'ряд , принципиально новых конструкций прессов, позволяющих значительно сократить расход электроэнергии при их эксплуатации.
Впервые разработана методика расчета инструмента гидравлических прессов для переработки чугунного лома.
Апробация работы. Материалы работы были доложены,'обсуждены и одобрены на Всесоюзной секции КТО Вторчермет./Горький,1974/; на
Всесоюзном научно-техническом совещании по повышению качества ме-таллоыихты для сталеплавильного производства /Челябинск,1976/; на секции Вторичных черных металлов Украинского НТО черной металлургии /Днепропетровск, 1981,1992; Ровно, 1983; Севастополь, 1984; Львов, 1985; Киев ,1990, 1991/; на республиканской научно-технической конференции "Повышение надежности и долговечности металлургического оборудования" /Днепропетровск, 1970, 1972, 1973. 1977/; на республиканской научно-технической конференции "Техническое перевооружение и внедрение новых ресурсосберегающих технология в электростзлеплавильном производстве" /Днепропетровск, 1989/; на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы теории и технологии' подготовки железорудного сырья для доменного произв чства / бозкоксовои металлургии" /Днепропетровск, 1990/; в Приднепровском научном центре АН УССР /Днепропетровск, 1982/.
Реализация результатов работы. Установленная автором зависимость плотности пакетов от давления прессования и конструктивных особенностей пресса использована Новосибирским заводом "Тяжстан-когидропресс" при проектировании пакетировочных прессов усилиями 31,5 и 16.0 МН.
Формулы для определения усилий по ступеням прессования для пакетировочных проссов использоваїш Днепропетровским заводом проссов при проектировании пресса усилием 6,3 МН. Назначение усилий, прессования по предложенным формулам позволило снизить установочную мошдость электродвигателей с 403 до 303 кВт и сократить продолжительность цикла пакетирования с 105 до 92 секунд, что дало годовой экономический эффект 51 тыс. руб. для каждого из прессов данной серии.
Методика расчета усилий прессов для переработки чугунного лома и рекомендации по совершенствованию конструкция прессов использованы Днепропетровским заводом "Вторчермет" при реконструкции пресса "5600" для переработки чугунного лома. Годовой экономический эффект составил 180 тыс. руб.
Рекомендации по совершенствованию конструкций прессов ис
пользованы Днепропетровским объединением "Вторчермет" при проек
тировании и изготовлении гидравлического пресса усилием 4,5 МН.
Создание пресса по новой конструктивной схеме, .разработанной ав
тором, позволило увеличить плотность пакетов и снизить расход
электроэнергии. Годовой экономический эффект составил "257 тыс.
руб. .'
Результаты исследования автора по установлению зависимости между усилием резания металлолома и его количеством, одновременно находящимся в процессе резки на гидравлических ножницах, использованы Днепропетровским объединением "Вторчермет". Они позволили разработать мероприятия по обеспечению использования в полном объеме мощностей двух гидравлических ножниц НО-340, в результате чего их проектная мощность была освоена на 122,5 Ж, что дало годовой экономический эффект 340 тыс. руб.
Экономические эффекты указаны в ценах 1988 г.
Публикации. По основному содержанию диссертации опубликовано' 3 монографии, 28 статей и получено 5 авторских свидетельств.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы из 283 наименования, приложений и содержит 259 листов машинописного текста, 8 таблиц и 48 рисунков .-