Действующие силы и механизм разрушения силикомарганца и ферромарганца в щековых дробилках Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.73 В.В. Гончаров

ДЕЙСТВУЮЩИЕ СИЛЫ И МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ СИЛИКОМАРГАНЦА И ФЕРРОМАРГАНЦА В ЩЕКОВЫХ ДРОБИЛКАХ

Семинар № 16

~шу настоящее время на мировом

М-З рынке ферросплавов востребована и конкурентоспособна только фракционированная продукция, следствием чего является значительное увеличение загрузки дробильного оборудования в смену (сутки). Поэтому на Никопольском заводе ферросплавов (НЗФ) применительно к различным маркам ферросплавов (см. табл) выполняется большой объем таких работ.

Дробление происходит на щековых дробилках со сложным и простым движением щек - СМД-110, Кие-Кеп СМД-111. Рабочий орган - дробящая плита, изготовленная из марганцовистой стали 110Г13Л. Объем перерабатываемого материала одной дробилкой 450-500 т/сутки.

Физико-механические

характеристики ферросплавов

Сплав °В, Нв, Абразив-

Мпа кг/мм2 ность, г/т

ФМн 75,2 1520 500

СМн 107,2 1170 300

При выполнении планового задания, а тем более при увеличении объема производства или проведении ППР одной из дробилок, возрастает коэффициент использования дробилок. Интенсификация работы дробилок приводит к быстрому износу их рабочих органов (дробящих плит), и как следствие - к выходу последних из оптимального рабочего профиля и

понижению эффективности дробильного парка завода.

Одним из путей повышения эффективности дробилок является выбор оптимального профиля рифлений дробящих плит применительно к перерабатываемому материалу и соответствующего механизма разрушения данного материала.

Анализируя результаты экспериментов, проведенных различными исследователями [1], можно допустить, что при работе дробилки нагрузки по дробящей плите распределяются близко к равномерному, а равнодействующая нагрузок условно может быть приближена к середине дробящей плиты и направлена перпендикулярно к ней.

Рассмотрим взаимодействие дробящих элементов плиты с куском материала (рис. 1).

При приложении внешних сил, направленных по нормали вдоль оси 2, за счёт деформации разрушающих элементов и дробимого материала, первоначально точечное касание их переходит в соприкосновение по некоторой площадке (поверхности давления или контакта) [2]. Деформирование поверхностей может быть достаточно точно описано, если известны закон распределения нагрузки на поверхности контакта, форма и площадь поверхности соприкосновения, а также сближение тел (сближение точек, достаточно удаленных в направлении оси 2 от поверхности соприкосновения).

Рис. 1. Схема нагружения

При нагружении дробящая плита (инструмент) приобретает поступательное перемещение в направлении оси 2. Для некоторой точки М, выбранной вблизи зоны контакта, в общем случае будут иметь место следующие перемещения: б, — сближение (перемещение не-деформированной части инструмента за счёт деформации зоны контакта) щ,, и ^

— упругие перемещения в направлении осей X и 2. Аналогично для точки N будет: б 2, щ2 и и2. Если точки М и N после деформации дробящего элемента и поверхности куска дробимого материала совпадут в точке М1 с абсциссой X, то для ординаты этой точки можно записать: с одной стороны 1;(х + и,)± щ, - б , и с другой стороны (со стороны материала) — 12 (х ± и2) + щ2 + б 2 , т.е. в рассматриваемом случае должно быть равенство ^(х + ц)± щ, - б , = -12 (х ± и2) + щ2 + б 2.

(1)

Для вывода основного расчётного уравнения рассмотрим условную полуплоскость, нагруженную нормальным давлением Р. Решение такой задачи хорошо известно [3,4], например, перемещение

упругой полуплоскости с абсциссой X в направлении оси Z при приложении силы Q в точке x = k С.П.Тимошенко получено в следующем виде 1

W =-Q 0 In — + const, (2)

n

где n — расстояние между точками X и К, n = |k-x|; 0 —

коэффициент эластичности, характеризующий упругие свойства соприкасающихся поверхностей, 0 = -2- (1 - ^ 2) ; Е — п E

модуль упругости; /и — коэффициент Пуассона.

Решение задачи для силы P(k)dk, приложенной к границе упругой полуплоскости в точке x = k, получено в виде 1

J P(k)ln ^_dk = f(x); f(x) = C - Ax2

k - x

(3)

1 1 —

где С - константа;------і---= Р .

Уравнение перемещений (3) - основное интегральное уравнение относительно неизвестного закона распределения давления Р по площадке контакта Б.

Решение интегрального уравнения для рассматриваемого случая соприкасающихся поверхностей, приняв площадь контакта Б ограниченной некоторым участком по оси X (-а<х<а), будет О + Аа2 -2Ах2

Р(х) =-------1-;------—,

-луїа2 - х2

при 01 + 0 2 = п , (4)

где а - полуширина площадки контакта; х

- текущая координата; Р — нагрузка, приложенная к дробящему элементу и связанная с давлением по площади контакта 2а соотношением О = } Р(х)с1х , [кг/см]; 01 и 0 2 модули эластично-

т

а2 2

1/ '

1 / /! '

° / у °2 Л / тах 2а 3а аз

X

Рис. 2. Эпюра распределения напряжений

сти соответственно для плиты и дробимого материала.

Полученная зависимость (4) полностью характеризует контактную напряжённость куска дробимого материала (плоская задача) при наличии начального соприкосновения рифления плиты с кусками в точке. Полученное выражение позволяет производить оценку напряжённого состояния дробимого материала, прочности дробящих элементов плит и определять значение действующих контактных напряжений а к [5].

Анализ распределения напряжений по зоне контакта.

Во время контакта инструмента с дробимым материалом все точки контакти-руемой поверхности внутри и вблизи контакта перемещаются к центру. Поэтому материал и разрушающие элементы в зоне контакта находятся в состоянии всесто-

роннего сжатия с максимальным давлением в центре площадки контакта (см. рис. 2)

По сечению вдоль горизонтальной оси сжимающие главные напряжения

а ,,а 2, а 3 (рис. 2) имеют максимальные значения в центре зоны контакта

(а, = а2 » 0,8Р0;а3 = Р0) и непрерывно убывают при подходе к границе площадки. Причём <у3 на границе зоны контакта уменьшается до нуля. Напряжение а, (оно направлено вдоль радиуса) на участке примерно х=0,95а меняет знак на противоположный, достигая на границе площадки значения

а, »0,20 Р0 . За пределами

площадки это напряжение сохраняет положительный знак и по мере удаления от границы площадки постепенно уменьшается до нуля. Напряжение а 2 (характеризует напряжение по главной площадке к радиусу, проведённому из центра зоны контакта), подобно а,

уменьшается к границе площадки, где а 2

~ 0,18 Р0 . В отличие от а, а 2 не меняет

знака и остаётся всё время отрицательным. Это напряжение распространяется и за пределы площадки, асимптотически приближаясь к нулю.

Таким образом, на границе площадки и за её пределами а, и -а 2 при а 3 =0, т.е.

имеет место плоская задача с двухосным напряжённым состоянием (чистый сдвиг). Наиболее напряжённым является участок контактирующей поверхности, расположенный в центре зоны контакта, где (при у =0,3) а, = а2 =-0,8Ро и а3 = -Ро.

По сечению вдоль вертикальной оси Ъ напряжения а, и а 2 имеют максималь-

ные значения на поверхности контакта и равны а, = а 2 » 0,8 Р0 . При проходе вдоль сечения эти напряжения довольно интенсивно убывают и на расстоянии равном ъ>2а приближаются к нулю ( а1 и а 2 —*0). Напряжение а 3 имеет максимум на поверхности контакта а 3 = а тах = Р0 . Изменение значений а 3 вглубь соприкасающихся поверхностей отличное от остальных главных напряжений. Вначале а 3 уменьшается медленно, затем, начиная примерно ъ=0,5а, а 3 резко падает и на глубине ъ ~ 3а приближается к нулю.

Максимальные касательные напряже-

а 3 - а,

ния т = —3---------ь по сечению вдоль

тах 2

оси Ъ изменяются от т и (0,1 ^ 0,2)Р0 на поверхности контакта и достигают максимального значения на глубине ъ^0,5а, где т тах = (0,30 ^ 0,35)Р0 . При дальнейшем увеличении расстояния от поверхности контакта т резко снижается и начиная с ъ >2а стремится к нулю. В случае контакта в виде полосы в т тах ~ 0,3 Р0 на глубине ъ =0,9Ь.

Механизм разрушения ферросплавов в щековых дробилках.

Разрушение куска ферросплавов дробящими элементами в виде полусферической (сферической) поверхности будет следующим. В начальный период нагружения происходит упругая деформация в зоне контакта, затем в месте их соприкосновения образуется небольшая вмятина (деформации сжатия, вызывающие микроразрушения дробимого материала). Разрушение начинается при сравнительно небольших нагрузках (10-40 % от нагрузки, необходимой для осуществления полного раскола деформируемого объема ферросплавов). С увеличением нагрузки до 3050 % от разрушающей формируются кольцевые трещины, распространяющиеся концентрическими окружностями вокруг зоны контакта, и сопровождающиеся вы-

давливанием породы по этим трещинам и хрупким сколом (растяжение). Одновременно начинает формироваться ядро всестороннего сжатия. При увеличении нагрузки появляются конические трещины, распространяющиеся вглубь дробимого куска от поверхности контакта с дробящими элементами щек дробилки (растяжение). Эти трещины разделяют нагруженный материал на два конуса (внутренний и наружный). Ядро всестороннего сжатия (предразрушения) полностью вписывается во внутренний конус. Дальнейшее увеличение нагрузки до 60-80 % вызывает рост площадки контакта, зарождение и распространение новых кольцевых трещин, хрупкое разрушение ферросплавов в ядре предразрушения (материал в объеме всестороннего сжатия истирается в порошок). По мере дальнейшего нагружения внутренний конус и ядро предразру-шения увеличиваются в объеме, испытывая всестороннее сжатие. Происходит интенсивное трещинообразование (сжатие). Конус и ядро, выполняющие роль клина, разрывают наружный конус (растяжение), происходит разрушение куска. Оно сопровождается взрывообразным разлетом отколовшихся частиц. Нагрузка, необходимая на разрушение внешнего конуса (разрушение деформированного объема дробимого материала), примерно в 20 раз меньше, чем нагрузка, приложенная к разрушаемому куску, т.е. до 80 % всей нагрузки расходуется на подготовку к разрушению внешнего конуса, формирование ядра предразрушения (ядра всестороннего сжатия) и развитие внутреннего конуса.

Рассмотренный механизм разрушения ферросплавов (упруго-хрупких материалов) и пород происходит по схеме «сжатие- растяжение- сжатие- растяжение» (С-Р-С-Р).

Общий механизм разрушения (как и большинства горных пород) при действии на них дробящих элементов сводится к следующему постадийному процессу, включающему:

- упругое деформирование куска ферросплавов и породоразрушающих элементов плит в зоне их соприкосновения;

- микроразрушение куска под контактом зоны действия внешних сил;

- зарождение кольцевых трещин (трещин отрыва), их развитие и хрупкое отделение небольших объемов нагруженного объема дробимого материала;

- формирование ядра предразруше-ния (всестороннего сжатия) и возникно-вение конических трещин;

- разрушение ферросплавов в ядре, развитие конических трещин и образование двух конусов под контактной площадкой (внутреннего и наружного);

- расширение внутреннего конуса и ядра предразрушения с образованием системы трещин как во внутреннем, так и наружном конусах;

- взрывообразное разрушение наружного конуса (разрушение куска дробимого

1. Клушанский Б.В., Косарев А.И., Муйземнек Ю.А. Дробилки. Конструкция, расчет, особенности эксплуатации. - М.: ’’Машиностроение”, 1990. - 320с.

2. Блохин В.С. Теория процесса разрушения горных пород: Учебное пособие. - Хабаровск, 1989. - 186с.

материала) с разлетом отколовшихся частиц;

- хрупкое разрушение внутреннего конуса и ядра предразрушения.

Изложенный механизм разрушения относится к нагрузкам, существенно превышающим предел прочности дробимых материалов. В противном случае развитие процесса разрушения ферросплавов останавливается на одной из разобранных ступеней в зависимости от действующих нагрузок.

Приведенные схемы разрушения и действующие силы позволяют провести анализ напряженно-деформиро-ванного состояния дробимого материала и рифлений плиты в зоне их контакта и выбор профиля рифления (разрушающего инструмента) более эффективно разрушающего дробимый материал, кроме того, - оптимальный профиль рифления по его износо-стойкости.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упругости. - М.: Наука, 1975. - 576с.

4. Галин Л.А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости.- М.: Наука, 1980.-304 с..

5. Блохин В.С., Малич Н.Г., Гончаров В.В. Дробилки. Расчет и обоснование основных конструктивных и технологических параметров. Часть 1. -Днепропетровск, НМетАУ, 2003. - 82 с

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Гончаров В.В. - аспирант, Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск.