CC BY
9
УДК 66.099.2:(62-83) DOI: 10.17213/0321-2653-2016-1-80-83
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ПРИВОДА БАРАБАННОГО АГРЕГАТА ГОРЯЧЕГО ОКОМКОВАНИЯ
DEFINITION OF THE DRIVE POWER OF THE DRUM UNIT HOT PELLETIZING
© 2016 г. Г.И. Свердлик, А.С. Выскребенец, В.Н. Хостелиди, Н.С. Орлова
Свердлик Григорий Иосифович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технологические машины и оборудование», Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), г. Владикавказ, Россия. Тел. (8672)40-73-58. E-mail: Grigory.Sverdlik@gmail.com
Выскребенец Александр Степанович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технологические машины и оборудование», Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), г. Владикавказ, Россия. Тел. (8672)40-73-58. E-mail: kafedratmo@ skgmi-gtu.ru
Хостелиди Виктор Николаевич - учебный мастер, кафедра «Технологические машины и оборудование», СевероКавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), г. Владикавказ, Россия. Тел. (8672)40-73-58.
Орлова Наталья Сергеевна - канд. техн. наук, ученый секретарь, Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алания (ЮМИ ВНЦ РАН и РСО-А); старший преподаватель, кафедра «Математика и информатика», Финансовый университет при Правительстве РФ. Тел. (8672)53-11-22. E-mail: norlova.umi.vnc@gmail.com
Sverdlik Grigory Iosifovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Manufacturing Machinery and Equipment», North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University), Vladikavkaz, Russia. Ph. (8672)40-73-58. E-mail: Grigory.Sverdlik@gmail.com
Viskrebenets Aleksandr Stepanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Manufacturing Machinery and Equipment», North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University), Vladikavkaz, Russia. Ph. (8672)40-73-58. E-mail: kafedra-tmo@skgmi-gtu.ru
Khostelidi Viktor Nikolaevich -master training, department «Manufacturing Machinery and Equipment», North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University), Vladikavkaz, Russia. Ph. (8672)40-73-58.
Orlova Natalya Sergeevna - Candidate of Technical Sciences, Scientific Secretary, South mathematical institute of VSC RAS and RNO-A; Senior Lecturer, Financial University under the Government of RF. Ph. (8672)53-11-22. E-mail: norlova.umi. vnc@gmail.com
Для проектирования агрегата горячего окомкования, совмещающего процессы окомкования и обжига окатышей, который позволяет сократить число агрегатов и повысить качество окатышей, разработана методика расчета мощности привода. Методика учитывает сопротивления вращению барабана, обусловленные движением в нем материала, а также изменение характеристик материала (насыпной плотности и угла естественного откоса) и его количество по длине в различных температурных зонах: окомкования, сушки, подогрева, обжига и охлаждения за счет происходящих в зонах процессов. В данной работе представлены результаты расчетов мощности привода агрегата горячего окомкования, полученные с использованием вышеуказанной методики.
Ключевые слова: методика расчета; барабанный агрегат горячего окомкования; мощность привода; сопротивления вращению барабана.
The drum unit hot pelletizing, combining processes ofpelletizing and firing pellets, reduces the number of components and improves the quality of the pellets. The methodology for calculation the drive power of drum unit hot pelletizing was developed. The methodology takes into account the resistance to rotation of the drum, caused by movement in the material therein, and changing the characteristics of the material (bulk density and angle of repose). Taken into account the amount of material along the length in different temperature zones: pelletizing, drying, heating, firing and cooling. This paper presents the results of calculations of the drive power unit hot pelletizing obtained using the above mentioned methodology.
Keywords: methodology for calculation; drum unit hot palletizing; drive power; resistance to rotation of the drum.
При проектировании барабанного агрегата горячего окомкования запатентованной конструкции [1 - 6], предназначенного для производства обожженных окатышей путем совмещения процессов окомкования
и обжига, и, в частности, при выборе привода, необходимо использование методики расчета его мощности.
В настоящей работе приведена разработанная методика расчета мощности агрегата горячего окомко-
вания, учитывающая сопротивление вращению барабана в зависимости от особенности движения в нем материала с изменяющимися характеристиками по длине барабана. В агрегате для реализации процесса получения обожженных окатышей создаются зоны рекомендуемой последовательности технологических операций (рис. 1): получение сырых окатышей (оком-кования), сушки, подогрева, обжига и охлаждения за счет размещения блока горелок внутри барабана на определенном расстоянии от разгрузочного конца. При движении шихты вдоль барабана меняется ее количество за счет удаления влаги и выгорания компонентов шихты, а также характеристики шихты на каждом участке (насыпная плотность, угол естественного откоса). Изменение плотности окатышей при сушке и обжиге отмечается в литературе [7]. Кроме этого, изменяется внутренний диаметр барабана за счет разной футеровки на участках I и П-У. Барабан футеруется в зоне I шероховатым бетоном, в зонах 11-У - огнеупорным кирпичом. Все эти параметры необходимо учитывать при расчете мощности, потребляемой на вращение барабана с загрузкой.
Суммарный момент сопротивления вращению барабанного агрегата может быть определен так же,
Шихта
как для барабанных агрегатов с пересыпающимся материалом (методика рассмотрена в [8] и рекомендована к использованию в [9]): М = Ма + Мин + Мх , где Ма - момент от силы тяжести поднятого (при вращении барабана на некоторый угол) материала; Мин - момент от силы инерции разгоняемой части загрузки барабана; Мх - момент от силы трения в
опорно-ходовой системе барабана.
При различном распределении площади сегментов и свойств загрузки в элементах агрегата по его длине моменты Ма и Мин должны быть вычислены для них отдельно (обозначим соответственно индексами 1, 2, 3, 4 и 5). Внутренние диаметры барабана (с учетом футеровки) обозначим D-i - для участка I и D2 - для участков II-V.
Для практических расчетов можно сделать следующие допущения, вносящие в результаты погрешность не более 5 %:
- рассматриваем движение загрузки при вращении барабана в каскадном режиме при частотах вращения корпуса в пределах 4 об/мин; при этом, как это делается для других барабанных агрегатов, представляем реальное сечение загрузки (рис. 2 а) в виде правильного равновеликого сегмента (рис. 2 б);
5
6
Окатыши
Рис. 1. Схема определения мощности привода барабанного агрегата горячего окомкования: I - зона окомкования; II - зона сушки; Ш - зона подогрева; IV - зона обжига; V - зона охлаждения; 1 - корпус; 2 - бандажи; 3 - зубчатый венец; 4 - футеровка в зоне I; 5 - футеровка в зонах П-У; 6 - труба с форсунками
- площади сегмента загрузки на участках изменяются, как показано на рис. 3: на участке I - остается постоянной; S2 = S1, но S2 изменяется по форме, вследствие увеличения толщины футеровки; на участках II, III и IV площади уменьшаются монотонно по линейному закону; на участке V - остается постоянной.
1 S2
Si II S3 III &t IV S5 V
¡1 ¡2 /3 ¡4 ¡5
Рис. 3. Схема расчета площадей сегментов загрузки на участках агрегата: Si - площадь сегментов в начале участков; и - длина участков
Площади сегментов загрузки и центральные углы сегментов а могут быть определены следующим образом: Для участка I.
По величине первоначального коэффициента заполнения барабана
«1 _ 4 «1
Vi =
л А2/4 лД2
откуда «1 — у^Д2 / 4 .
С другой стороны, площадь сегмента в зависимости от его центрального угла [10]
^2
лД2 а1
Д2
S1 =—^--—sin а
(1)
коэффициент заполнения у 2 =
4S 2 лД22
По величине у 2 по рис. 4 находятся а 2 и кя 2, и далее Яс2 аналогично (2). Для участка V.
Площадь сегмента «5 можно определить, зная коэффициент выхода обожженных окатышей [7]:
k=mL
mc
^0,88, где m0 - масса обожженных окатышей;
S2PÍ SlPí
р5
а ° 120
100
80
60
40
20
0
0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 у
Рис. 4. Зависимость центрального угла и коэффициента модуля радиус-вектора центра тяжести сегмента от коэффициента заполнения барабана
Для участков III и IV.
, ч S 2 S5
Для угла у (см. рис. 3) tan у =
а /
ts
/ Kr
/ /
/
I
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
¡2 +13 + ¡4
4 • 360 8
Трансцендентное уравнение (1) может быть решено (относительно а1) численным методом.
Для инженерных расчетов может использоваться номограмма (рис. 4) зависимостей угла а и коэффициента модуля радиус-вектора центра тяжести сегмента кя от коэффициента заполнения барабана.
Из номограммы определяются а1 и кя1 и далее
Яс1 = кК1 Д. (2)
Для участка II.
Площадь сегмента «2 в начале участка «1 —«2 и
В этом случае S3 = S2 -12 tan у; S4 = S3 -l3 tan y . Далее аналогично участку II и V определяются уз, аз , Res и у4 , а4, Rc4.
Средние величины площадей сегментов для вычисления моментов на участках II, III и IV
S = S2 + S3 . S = S3 + S 4 .
°2ср _ 0 ' °3ср _
S = S 4 + S5
4ср "
тс - масса сырых окатышей.
Данный коэффициент можно представить как отношение произведений площадей сегментов на насыпную плотность материалов р/ на участках II (нач Л7 1 «5р5 «5Р5 о к«1р1/ чало) и V: к——^-5 — 5 5 , откуда «5 ——, и далее
аналогично участку II определяются у5, а 5 и RC5.
2 ^ 2 2
Далее определяем момент MG и Мин на участках. Масса материала на участке I m1 = S^pj, и момент от силы тяжести [9]
MG1 = m1 gRc1sin Ф^
где Rc1 - модуль радиус-вектора центра тяжести сегмента; ф1 - угол внутреннего трения материала на участке I.
Момент от сил инерции разгоняемой части загрузки находим из уравнения
Mин1 = m1 £Д2n2 / (3600а1),
где n - частота вращения барабана, об/мин; m1 -
масса поднимающегося потока (в сечении загрузки (см. рис. 2 а) можно выделить два потока - поднимающийся и ссыпающийся; разделены штриховой линией): m1 = S1 l1p1, S1 - площадь сечения поднимающегося потока [9],
S1 = (лД2 /4)^(0,89 - 0,5у1 - 0,016п>/Д). По определенным значениям £2ср, £3ср, £4ср и S5 могут быть вычислены моменты MG и Мин на участках II, III, IV и V (при этом учитываются значения р и ф на участках) и моменты MG и M^ как суммы моментов на участках.
Момент от сил трения в опорно-ходовой системе барабана Мх может быть определен как для вращающихся барабанных агрегатов:
Mx = R5ZQi Ип+2 f) / d p,
где R5 - наружный радиус бандажа; '^Qi - суммар-
^ ^ GM
ное давление на опорные ролики, \Qi =-;
cos 5
Об - сила тяжести барабана с футеровкой; GM - сила тяжести материала в барабане; 5 - угол установки опорных роликов (см. рис. 2), обычно 5 = 30°; dp,dH-
соответственно диаметры роликов и их подшипников; ц, f - коэффициенты трения в подшипниках и трения
качения ролика по бандажу.
По вычисленному моменту сопротивления вращению барабана мощность его привода N=Mю / ^, где ю - угловая скорость барабана; п - КПД привода.
Выводы
Приведенная методика определения мощности привода барабанного агрегата горячего окомкования по величине суммарного момента сопротивления его вращению учитывает характер движения загрузки в барабане и изменение характеристик материала по длине барабана. Методику следует использовать при проектировании данных агрегатов.
Литература
1 Свердлик Г.И. Пат. 2163645 РФ С22В1/24. Барабанный агрегат для получения обожженных окатышей/
2. Свердлик Г.И., Хостелиди ВН. Пат. 2487953 РФ С22В1/24. Барабанный агрегат для получения обожженных окатышей.
3. Хостелиди В. Н. Разработка установки для исследования температурного поля барабанного агрегата горячего оком-кования // Тр. молодых ученых. Владикавказ. 2014. № 1.
4. Орлова Н. С. Хостелиди В. Н. Разработка методики расчета температурного поля в барабанном агрегате горячего окомкования // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: Материалы V Междунар. науч.-практ. конф. Владикавказ, 2014. 656 с.
5. Каменецкий Е.С., Свердлик Г.И., Орлова Н.С., Хостелиди В.Н. Расчетно-экспериментальное исследование распределения температурного поля в стационарной установке цилиндрической формы при радиальном расположении факела // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 4. С. 25 - 28.
6. Каменецкий Е.С., Свердлик Г.И., Орлова Н.С., Хостелиди В.Н. Определение конструктивных параметров барабанного агрегета горячего окомкования // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2015. № 2. С. 81 - 84.
7. Производство агломерата и окатышей: Справочник / С.В. Ба-зилевич, А.Г. Астахов, Г.М. Майзель [и др.]. М., 1984. 216 с.
8. Григорьев Г. Г., Свердлик Г. И. Определение момента вращения барабана с пересыпающимся материалом // Изв. вузов. Горный журнал. 1978. № 4. С. 81 - 83.
9. Притыкин Д.П. Механическое оборудование заводов цветной металлургии. В 3-х частях. Ч. 1. Механическое оборудование для подготовки шихтовых материалов. М., 1988. 392 с.
10. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т.1. М., 1982. 736 с..
References
1. Sverdlik G.I. Barabannyj agregat dlyapolucheniya obozhzhennyh okatyshej [The drum unit for the fired pellets.]. Patent RF, no. 2163645, 2001.
2. Sverdlik G.I., Khostelidi V.N. Barabannyj agregat dlya polucheniya obozhzhennyh okatyshej [The drum unit for the fired pellets]. Patent RF, no. 2487953, 2013.
3. Khostelidi V.N. Razrabotka ustanovki dlya issledovaniya temperaturnogo polya barabannogo agregata goryachego okomkovaniya [The development of systems for the study of the temperature field of hot-drum pelletizing]. Trudyi molodyih uchenyih. Vladikavkaz, 2014, no. 1.
4. Orlova N.S., Khostelidi V.N. Razrabotka metodiki rascheta temperaturnogo polya v barabannom agregate goryachego okomkovaniya [Development of the method of calculation of the temperature field in the drum unit hot pelletizing]. V Mezhdu-narodnaya nauch.-praktich. konf. «Molodye uchenye v reshenii aktual'nykh problem nauki»: sbornik rabot molodykh uchenykh [V International scientific-practical conference "Young scientists in solving actual problems of science": a collection of works of young scientists]. Vladikavkaz, 2014, pp. 38-41. [In Russ.]
5. Kamenetskij E.S., Sverdlik G.I., Orlova N.S., KHostelidi V.N. Raschetno-ehksperimental'noe issledovanie raspredeleniya temperaturnogo polya v statsionarnoj ustanovke tsilindricheskoj formy pri radial'nom raspolozhenii fakela [Design and experimental study of the distribution of the temperature field in the permanent installation of a cylindrical shape at a radial arrangement of the torch] Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. Nauki, 2014, no. 4, pp. 25-28. [In Russ.]
6. Kamenetskij E.S., Sverdlik G.I., Orlova N.S., KHostelidi V.N. Opredelenie konstruktivnyih parametrov barabannogo agregeta goryachego okomkovaniya [Determination of design parameters of hot pelletizing drum]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. Nauki, 2015, no. 2, pp. 81-84. [In Russ.]
7. Bazilevich S.V., Аstakhov А^., Majzel' G.M. i dr. Proizvodstvo aglomerata i okatyshej [Production of sinter and pellets]. Moscow, Metallurgiya, 1984, 216 p.
8. Grigorev G.G., Sverdlik G.I. Opredelenie momenta vrascheniya barabana s peresyipayuschimsya materialom [Determination of torque drum to pour material]. Izvestiya vuzov. Gornyiy zhurnal, 1978, no. 4, pp. 81-83. [In Russ.]
9. Prityikin D.P. Mehanicheskoe oborudovanie zavodov tsvetnoy metallurgii. Chastl. Mehanicheskoe oborudovanie dlya podgo-tovki shihtovyih materialov [Mechanical equipment of factories of ferrous metallurgy. Part 1. Mechanical equipment for the preparation of the raw materials.]. Moscow, Metallurgiya, 1988, 392 p.
10. Anur'ev V.I. Spravochnik konstruktora-mashinostroitelya [The reference book of the designer - the mechanician]. Moscow, 1982, 736 p.
Поступила в редакцию 30 декабря 2015 г.
