CC BY
21
The article deals with calculation and analysis of a pneumatic impact cylinder dynamics, basing on the initial data on kinetic energy and working stroke of a cylinder.
УДК 669.713 А. А. Асаинов
магистрант, Инновационный Евразийский университет, г. Павлодар
АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДОВЫХ И БОРТОВЫХ ОГНЕУПОРОВ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ
В данной статье, исследуется качество образцов углеродистых и кремнеземистых огнеупоров на экспериментальном стенде.
Ключевые слова: алюминиевый элетролизер, элетролиз, анод, футеровка, огнеупорность, термическая нагрузка, эксперимент.
Алюминиевые электролизеры (с обожженными электролизерами и самообжигающимися анодами), футеруются огнеупорными материалами. Срок службы алюминиевых электролизеров, во многом, определяется сроком службы футеровки. При термическом воздействии на футеровку печи возникают такие физические явления, как термическое расширение, пластическая деформация и растрескивание, которые определяют возможность осуществления термотехнологического процесса, стойкость футеровки без нарушения геометрических форм рабочей камеры, длительность эксплуатации и технико-экономические показатели процесса получения целевого продукта [1].
Огнеупорные материалы - изделия на основе минерального сырья, отличающиеся способностью сохранять свои свойства в условиях эксплуатации при высоких температурах, и которые служат в качестве конструкционных материалов и защитных покрытий [2].
Функционально любое огнеупорное изделие может выполнять от одной до четырёх основных задач:
1 удерживать расплавленный металл или раскалённые газы (а также их потоки) в заданном объёме или пространстве;
2 предотвращать вторичное окисление и загрязнение металла неметаллическими включениями;
3 служить тепловой изоляцией металлических частей агрегатов;
4 поддерживать заданную температуру металла (газов) или заданные минимальные потери из агрегата.
Конструкторы, строители электролизеров, изготовители огнеупоров и инженеры-эксплуатационники это хорошо понимают. Целесообразный выбор футеровки электролизеров только тогда возможен, если с одной стороны, известны как можно точнее особенности характеристик огнеупорных материалов и с другой - нагрузки материалов на реальном производстве. Связь между различными
видами термических нагрузок в промышленных электролизерах и важнейшими эксплуатационными характеристиками огнеупоров (таблица 1) образуют основу для классификации их свойств и выбора испытательных методов. Эти методы также важны для контроля качества и разработки новых огнеупорных материалов.
Термическая стойкость - это способность огнеупорных изделий выдерживать резкие колебания температур, не растрескиваясь и не разрушаясь.
Растрескивание или разрушение огнеупорных изделий при резких изменениях температуры объясняется возникновением в них напряжений при уменьшении или увеличении объема.
При нагревании температура наружных слоев огнеупорных изделий (до наступления теплового равновесия) значительно выше, чем внутренних, причем эта разница тем больше, чем меньше их теплопроводность и чем выше скорость повышения температуры при нагревании.
Под влиянием термического расширения при нагревании, т. е. увеличения объема, наружные слои огнеупорных изделий расширяются значительно больше, чем более холодные внутренние слои, при этом в определенных слоях огнеупорных изделий появляются скалывающие напряжения; если по своей величине они превосходят силы сцепления частиц между собой, то в них появляются трещины и отколы.
Таблица 1 - Эксплуатационные характеристики огнеупоров
Вид испытания Важные для практики свойства
Термическое и термомеханическое Огнеупорность Температура деформации под нагрузкой Ползучесть под нагрузкой Предел прочности при высоких температурах Термическое расширение Дополнительная усадка / расширение (огнеупоров в процессе службы) Термостойкость
Термотехническое Теплопроводность Удельная теплоёмкость Плотность сырого материала Температуропроводность
При охлаждении наружные слои огнеупорных изделий остывают быстрее, чем внутренние, причем уменьшение объема наружных слоев всегда происходит с опережением изменения объема внутренних, более нагретых слоев. Возникающие при этом растягивающие напряжения, так же как и при нагревании огнеупоров, приводят к их растрескиванию и разрушению.
На рисунке 1 изображено устройство для термомеханических испытаний материалов.
Устройство содержит печь 1, в которой находятся верхняя 2 и нижняя 3 плиты. Для нагружения имеется пресс 4, который посредством силовой тяги 5 воздействует на верхнюю плиту 2. Измерение создаваемой нагрузки определяется по силоизмерительному устройству 6. Для вычисления температуры 1 используется вторичный прибор - сумматор 7. 12
Рисунок 1 - Устройство для термомеханических испытаний материалов
К сумматору 7 подключены термопары 8 и 9. Термопары 8 и 9 расположены в контрольном образце 10 из исследуемого материала, расположенном на нижней плите 3. Горячий спай термопары 8 максимально приближен к геометрическому центру. Например, это может быть канал 11, просверленный по вертикальной оси симметрии до половины высоты контрольного образца. Термопара 9 расположена на любой боковой поверхности контрольного образца 10. Испытуемый образец 12 располагается в печи 1 между верхней 2 и нижней 3 плитой.
Способ осуществляется следующим образом.
Из исследуемого материала изготавливаются два одинаковых образца в форме цилиндра или прямоугольного параллелепипеда: контрольный 1 и испытуемый 2. В контрольном образце 1 размещают термопару 4, горячий спай которой максимально приближен к геометрическому центру (по вертикальной оси симметрии высверливают канал 3 до половины высоты контрольного образца). Термопару 5, для измерения температуры на поверхности контрольного образца 1, устанавливают в любой точке на боковой поверхности. Контрольный образец 1 с закреплёнными термопарами и испытуемый образец 2 помещают в печь 6 на нижнюю плиту 7. При этом цилиндрические образцы устанавливают на любое основание, а образцы в виде прямоугольного параллелепипеда - на любую грань.
Термопары подключают к вторичному прибору для измерения температуры - сумматору 8, который показывает значение температуры 1, определяемое по формуле:
г = -
(1.1)
где ^ - показания термопары внутри контрольного образца;
^ - показания термопары на поверхности контрольного образца. Затем включают печь и начинают нагрев образцов.
2
Предел прочности при сжатии осж (Н/м2) испытуемого образца вычисляют по формуле:
(1.2)
где осж - предел прочности при сжатии, Н/м2;
Р - наибольшая нагрузка, при которой произошло разрушение образца, Н;
F - площадь поперечного сечения образца, м2.
Предлагаемый способ позволяет получить значение предела прочности на сжатие различных материалов при повышенных температурах материала с меньшей погрешностью.
В соответствии с данным способом был использован экспериментальный стенд (рисунок 2) и произведены исследования зависимости предела прочности на сжатие огнеупоров от температуры.
Рисунок 2 - Экспериментальный стенд
Для измерения давления в цилиндре пресса с рабочей жидкостью используется манометр. Для повышения точности измерений была проведена поверка этого прибора.
В качестве исследуемых образцов использовались огнеупоры состава углеродистые и кремнеземистые. При этом заявляемый предел прочности на сжатие равен 40 МПа (паспортные данные завода-изготовителя).
Характерным для прочности реальных тел является так называемый масштабный фактор — зависимость прочности от размеров тела. При стандартных испытаниях материала на образцах различных размеров для приведения результатов в сопоставимый вид используются переводные коэффициенты. Масштабный фактор объясняется в основном статистической природой процессов
разрушения, связанной с влиянием неоднородностей макроструктуры и дефектов материала на процесс возникновения и развития трещин. С увеличением размеров образцов вероятность неоднородностей структуры возрастает и среднее значение предела прочности материала уменьшается.
Следует отметить, что циклы скалывания зависят от расположения изделий относительно уровня металла.
На рисунке 3 показано хрупкое разрушение периклазоуглерода при комнатной температуре.
Рисунок 3 - Разрушение катодного образца при комнатной температуре
Определение предела прочности проводилось в диапазоне температур 18-500 оС. Результаты измерений приведены на рисунке 4.
Кривая зависимости предела прочности от температуры имеет следующие тенденции: начиная с температуры ~90 оС предел прочности огнеупора растёт, доходя до значения 51,2 МПа (при температуре ~ 200 оС), затем значение предела прочности начинает плавно снижаться, доходя до 40 МПа (при ~400 оС).
Таким образом, значение предела прочности на сжатие в интервале температур 150-300 оС увеличивается на 18-28 %, что даёт дополнительный резерв для повышения скорости разогрева и снижения времени и энергоресурсов на разогрев.
Анализируя полученные значения, можно сделать следующие выводы:
1 Скачок значений термических напряжений возникает вследствие резкого повышения температур при разогреве.
2 При значении предела прочности на сжатие 40 МПа скорость разогрева футеровки не должна 8-10 оС/мин.
3 При разогреве футеровки определяющим критерием из пределов прочности (на сжатие и растяжение) является предел прочности на сжатие. Именно его величина, в первую очередь, определяет темп разогрева.
Рисунок 4 - Зависимость предела прочности от температуры
Кроме того, можно однозначно считать, что при разогреве футеровки нельзя допускать скачкообразного подъёма и особенно снижения температуры, а также неравномерного нагрева огнеупоров на разных участках (как по высоте, так и по окружности).
Всё сказанное позволяет сделать вывод о необходимости рационализации графика разогрева, который должен быть рассчитан из условия недопущения градиентов температур, вызывающих появление термических напряжений выше допустимых, с учётом найденной зависимости предела прочности на сжатие от температуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Антипин, В. Г., Чухаль, П. А., Вяткин, Ю. Ф. Служба огнеупоров в сталеплавильных агрегатах // Сталь, 1991. - № 8. - С. 21-27.
2 Кузнецов, А. Т., Кокушкин, И. В., Сенявин, Н. К., Шершнёв, А. А.
Напряжённо - деформированное состояние и разрушение огнеупоров при тепловом воздействии // Огнеупоры, 1987. - № 2. - С. 52-56.
3 http://www.magnezit.biz/ru/about/press/news/index.php?from4=2&id4=719.
Материал поступил в редакцию 01.06.15
А. А. Асаинов
Откатез1мд1 алюминийд1 электролизердщ пеш тYбiнiц жене ернеушщ пайдалану шарттарына талдау
Еуразияльщ инновацияльщ университет^ Павлодар к.
Материал 01.06.15 баспаFа тYстi
A.A. Asainov
An analisys of the operating conditions of the hearth and board refractories in aluminium electrolyzers
Innovative University of Eurasia, Pavlodar.
Material received on 01.06.15.
Аталган мацалада, эксперименталдъщ стендтерде KeMipmeKmi жэне кремнезимЫ om^ame.3iMÖi улгшертщ сапалары зерттелiнедi.
Thi paper examines the quality of the carbon and siliceous refractories samples on the experimental stand.
УДК 621.929.2
С. Т. Бабланов1, Р. И. Сержанов2
'магистрант; 2к.т.н., профессор, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ЛОПАСТНЫЕ СМЕСИТЕЛИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ
В данной работе экспериментально устанавливают оптимальные геометрические и режимные параметры центробежно лопастного смесителя типа ЦЛ. Ключевые слова: смеситель, фракция, двухкомпонентная смесь.
Общие сведения о процессах смешивания. Процессы смешивания сыпучих материалов используются во многих химических производствах, в том числе в таких крупнотоннажных, как производства сложных удобрений, моющих средств, красителей, инсектофунгицидов, пластмасс, химикатов, резинотехнических изделий и т.д. Основная цель процесса смешивания - получение однородной смеси из отдельных компонентов. Соотношение масс компонентов, входящих в смесь, изменяется в различных производствах в широком диапазоне (иногда в соотношении 1:106 и более).
Обратный процессу смешивания является процесс сегрегации, приводящий к разделению смеси на отдельные фракции или компоненты. Процессы смешивания и сегрегации могут протекать одновременно в одном аппарате, но с разными скоростями.
В результате перемещений частиц отдельных компонентов внутри смешиваемого объема возможно бесконечное разнообразие их сочетаний в микрообъемах смеси, что позволяет считать соотношение компонентов величиной случайной. Поэтому большая часть известных методов оценки однородности (качества) смеси основаны на методах статистического анализа. Для упрощения расчетов многие исследователи процессов смешивания все смеси считают условно двухкомпонентными, состоящими из так называемого ключевого компонента и условного, включающего все остальные компоненты смеси. Это позволяет оценивать однородность смеси
