Взаимосвязь показателей механической прочности брикетированных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип. № 16

УДК 622.788.32:662

Ожогин В.В.*

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ БРИКЕТИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рассмотрена взаимосвязь ударной прочности и прочности на раздавливание брикетов, позволяющая сделать вывод о возможности репрезентативной оценки качества брикетов по одному показателю - работе ударного разрушения

Выбор показателей оценки механической прочности сырья определяется его свойствами и предъявляемыми к нему требованиями. Так, агломерат, имеющий большие различия по пористости и минералогическому составу, сильно различается по прочности на раздавливание. Поэтому оценку прочности агломерата ограничивают прочностью на удар и истирание, которые к тому же определяют в одном испытании [1]. Окатыши, имеющие практически сферическую форму, близкие размеры и плотность, при испытании в барабане дают высокие, мало различающиеся значения ударной прочности. Поэтому их подвергают менее затратному и более наглядному испытанию на раздавливание [2]. К тому же «горячая» прочность окатышей во многом определяется прочностью на раздавливание.

Брикеты испытывают на сбрасывание с высоты 2 м, раздавливание и истираемость [3]. Необходимость этой оценки вызвана такой взаимосвязью величин механической прочности, что достижение требуемого уровня одного показателя не считается достаточным для других показателей. То есть брикет, обладающий высокой прочностью на раздавливание, не обязательно будет иметь требуемую ударную прочность.

Существующая система оценки механической прочности по трём показателям имеет существенные недостатки. Основной из них - невозможность сопоставления прочности различного сырья при разных методах оценки. В частности, показатели раздавливания окатышей и плоских брикетов не сопоставимы. Барабанная проба агломерата не согласуется со сбрасыванием с высоты 2 м и т. д. Поэтому определение взаимосвязи между показателями механической прочности брикетированных материалов, прежде всего, ударной прочностью и прочностью на раздавливание, имеет большое значение. Задачей нашего исследования является выявление и определение обсуждаемой взаимосвязи различных характеристик брикетов.

Известно [4], что работа А, затрачиваемая на разрушение материалов, состоит из работы А3 образования новой поверхности 8, а также работы Ау упругих деформаций, переходящих в тепло Ад, работы Ап, затрачиваемой на перемещение разлетающихся частиц, и работы трения Ат, не приводящей к образованию новой поверхности, т. е.

А = А3 + Ау = А3 + Ад + Ап + Ат, (1)

где А3 = 5 • Д8; 5 - удельная поверхностная энергия дробимого тела; А8 - приращение поверхности в результате дробления.

Считается, что при дроблении хрупких материалов, к которым относят агломерат, окатыши и брикеты, значение Ау не велико и А ~ А3 [4].

Приращение поверхности А8 при дроблении тела на куски произвольной формы определить сложно. Однако, между фракционным составом и удельной поверхностью существует пропорциональная зависимость: большую удельную поверхность имеют частицы меньшей фракции. Определение фракционного состава раздробленного тела не вызывает трудности. Поэтому увеличением доли мелких фракций можно оценивать приращение поверхности А8.

*ПГТУ, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

Ударное разрушение имеет место при падении брикетов с некоторой высоты на стальную плиту или на другие брикеты. Особенностью удара является его точечное приложение, а импульс силы действует кратковременно. Результатом этого действия является раскалывание прочных тел на менее крупные фракции, причём в зоне удара образуется некоторое количество тонких и мелких фракций. Менее прочные брикеты рассыпаются на исходные фракции.

Для падающих тел величину работы разрушения удобно определять потенциальной энергией тела, падающего с высоты 2 м, т. е.

А! = т0 ё К, (2)

где А1 - работа ударного разрушения брикетов, падающих с высоты 2 м, выделяющаяся при первом сбрасывании, Дж; т0 - масса брикетов перед первым сбрасыванием, кг; § - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; Ь - высота падения, Ь = 2 м.

При ¿-том сбрасывании после отсева мелкой фракции принятого размера (в данном исследовании - менее 1 мм, т.к. это позволяет получить более точные характеристики процессов):

А = Мл (3)

где А - работа ударного разрушения брикетов, падающих с высоты 2 м, выделяющаяся при ь том сбрасывании, Дж; т | - масса брикетов фракции более 1 мм после первого сбрасывания, кг. Суммарная работа разрушения при п сбрасываниях равна

А = ¿А ^Ь £ т,: . (4)

7=1 1=1

Иногда удобнее пользоваться удельной работой ударного разрушения Ат:

п и

Ат = А : т0 = ё Ь I т : »ъ > § Ь I ом, (5)

1=1 1=1

где а, - выход фракции более 1 мм после ¿-го сбрасывания, д. ед.

В расчётах более удобна непрерывная форма представления зависимости. Учитывая, что О; есть некоторая функция количества сбрасываний п. т.е. с^ / (п), получаем:

и-1

Ат = А/д = еЬ \опФт. (6)

о

Количество сбрасываний с высоты 2 м определяют заданной степенью разрушения материала оп или общей высотой падения в реальных процессах.

Исследовали лабораторные брикеты, содержащие 80 % конвертерного шлама и 20 % гашёной извести (80КШ 20ИГ), диаметром 30 мм, высотой 18 мм с плоскопараллельными основаниями, спрессованные под давлением 50 МПа и высушенные в течение 0,5 ч при 250 °С до влажности менее 0,5 %. График разрушения их сбрасыванием с высоты 2 м приведен на рис. 1.

Количество сбрасываний с высоты 2 м, ед.

Рис. 1 - Выход брикетов фракции +1 мм, %, в зависимости от количества сбрасываний

Выход фракции +1 мм является функцией числа падений. Интеграл этой функции представляет собой величину работы ударного разрушения, определяемой по формуле (6).

Раздавливание брикетов в слое происходит под действием силы тяжести расположенных выше материалов. Поскольку промышленные брикеты имеют криволинейную поверхность и расположены хаотично, в реальных процессах обычно имеет место точечное раздавливание. В связи со сложностью получения нужной степени разрушения и эпюры раздавливания для брикетов с криволинейными основаниями испытанию подвергали брикеты с плоскопараллельными основаниями.

Усреднённая эпюра раздавливания брикетов состава 80КШ 20ИГ, полученная на универсальной испытательной машине типа ИМ-4А, приведена на рис. 2.

Усадка брикета, мм

Рис. 2 - Эпюра разрушения брикетов раздавливанием

Эпюра состоит из двух частей: восходящей линии упругого сжатия, близкой к прямой, образующей треугольник с координатами (0; 0), (1,8; 23,75), (1,8; 0) и нисходящей экспоненциальной кривой, образующей криволинейный треугольник разрушения. Он вызван высвобождением упругой деформации сжимающих брикет частей раздавливающего механизма, с координатами (1,8; 0), (1,8; 23,75), (2,8; ~ 0). Площадь этих частей, отнесённая к массе брикета, составляет удельную работу его разрушения раздавливанием, т. е.

1 Н1 Н2 АзразД = — ( [аН Ш1 + \ъеа НгёН2) вб, (7)

"'о 0 о

где т0 - масса брикета, кг; - усадка брикета к моменту разрушения, м; Н2 - усадка брикета во время разрушения, м; а, Ь, а - коэффициенты, учитывающие особенности разрушения; 8б -поперечное сечение брикета, м2.

Истирание даёт качественно иной характер измельчения материала, при котором фракция разрушенного материала не превышает 0,5 мм. При испытании в барабане брикеты при соударениях действуют подобно шарам в шаровой мельнице, измельчая отколовшиеся куски, состоящие из тонких фракций. Поэтому барабанная проба будет давать завышенную истираемость. Моделирование истирания на плоских поверхностях брикетов также не позволяет точно определить работу разрушения их истиранием, так как значительная её часть будет расходоваться на нагрев трущихся поверхностей. По данным работы [5] истираемость прочных брикетов обычно невелика и составляет через 15 мин 3-7 %. Поэтому основное разрушение брикетов происходит при ударе и раздавливании. В связи с этим сопоставление показателей прочности производили только для сбрасывания и раздавливания.

Исходя из законов сохранения и превращения энергии, в частности, принципа эквивалентности работы затрачиваемой на разрушение материала различными способами, вытекает, что полная энергия не зависит от способа разрушения, т.е. выполняется равенство

\¥уд = \¥разд . (8)

При падении брикета потенциальная энергия падающего брикета Ат переходит в эквивалентное количество кинетической энергии, которая затрачивается на преодоление сопротивления воздуха падающим телом Ас ,вуд и непосредственно на разрушение Аудразр. Тогда с учётом формулы (1)

= А,/д + Аудразр = Ас.вуд + А3уд + Апуд + Апуд

(9)

Аналогично энергия раздавливания \Уразд расходуется непосредственно на разрушение

брикетов А3разд, а также на упругую их деформацию А

разд

т. е.

Шразд = д^аэд + АураЗД = д^аэд + д^аэд + д^азд + д^азд (Ю)

Подставив значения формул (9) и (10) в (8) и преобразовав выражение, получаем

д^азд = А/Д + ^ то + (А(.уд _ А^разд )+ ^^ _ АпраЗД) + ^^д _ ^разд^ (]

Для хрупких материалов значение Ад +АП+ Ат мало по сравнению с А3 [4], следовательно, мала и их разность. Также малы потери на трение о воздух Ас вуд вследствие массивности и малого миделя брикетов, малой продолжительности падения с высоты 2 м (0,64 с) и малой её средней скорости (3,13 м/с). Принимая, что эти слагаемые пропорциональны работе разрушения, получаем

А3УД = к А3разд

(12)

где к - поправочный коэффициент, учитывающий потери энергии.

Подстановка значений А3УД из формул (5) или (6) и А3разд из формулы (7) в формулу (14) позволяет установить соотношение между оп, и Ртах:

Я,

ё Ь Еам =-( [</// с///, + \Ъеа11ЧНп ) §б.

' ///„ { „

(13)

В зависимости (13) неизвестными являются п и к. Определение эквивалентного количества сбрасываний п осуществляли сопоставлением фракционного состава гранул брикетов, полученных сбрасыванием и раздавливанием, см. рис. 3.

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Количество сбрасываний, ед.

Рис. 3 - Зависимость средневзвешенного размера образующихся гранул от количества сбрасываний брикетов состава 80КШ 20ИГ с высоты 2 м

Из рис. 3 видно, что совпадение средневзвешенного размера гранул, образующихся при сбрасывании и раздавливании, наступает при 23 сбросах и составляет 5,46 мм, см. табл. 1.

Таблица 1 - Сопоставление рассевов гранул брикетов состава 80КШ 20ИГ, полученных раздавливанием и сбрасыванием с высоты 2 м

Тип разрушения Ед. изм. Фракция, мм Средняя фракция, мм

15-10 10-7 7-5 5-3 3-1 1-0,5 -0,5

Сбрасывание о/ /о 11,96 18,93 17,16 23,73 15,15 7,98 5,09 5,46

Раздавливание о/ /О 12,14 17,47 19,97 20,74 17,88 8,15 3,65 5,46

Решая уравнение (13) с использованием данных рис. 1 и 2, находим, что к ~ 1,05. Для определения возможности использования формулы (13) выполнено испытание брикетов некоторых составов, см. табл. 2.

Таблица 2 - Согласование фактического и расчётного показателей брикетов

Состав брикета Ор, M Па Погрешность, %

фактическое расчётное

100 % конвертерный шлам (КШ) 12,6 12,81 1,7

100 % гашёная известь (ИГ) 20,7 20,28 -2,0

67 % КШ + 33 % ИГ 18,2 18,55 1,9

80 % КШ + 20 % ИГ 16,8 16,60 -1,2

Полученные результаты о согласовании фактических и расчётных значений раздавливания брикетов показывают, что погрешность расчёта составляет не более 2 %. Повышение точности измерений приводит к уменьшению погрешности.

Выводы

Для прочных брикетов показатели ударной прочности оуд, %, и на раздавливание ор, МПа, взаимосвязаны. Это позволяет отказаться от непосредственного определения прочности на раздавливание, при необходимости заменяя её расчётом, погрешность которого находится на уровне 2 %. Работа ударного разрушения Ат может служить в качестве обобщающего показателя механической прочности.

Дальнейшие исследования необходимо вести в направлении определения работы, затрачиваемой на истирание брикетов, совершенствования оценки их разрушения в барабане и разработки интегрального показателя механической прочности, комплексно оценивающего механическую прочность брикетов.

Перечень ссылок

1. Доменное производство: Справочное издание. В 2-х т. - М.: Металлургия, 1989. Т.1. Подготовка руд и доменный процесс. - 496 с.

2. Производство агломерата и окатышей: Справочное издание / C.B. Базилевич, А.Г. Астахов, Г.М. Майзелъ, Н.В. Федоровский и др. - М.: Металлургия, 1984. - 216 с.

3. Лурье Л.А. Брикетирование в чёрной и цветной металлургии. ! Л.А. Лурье. - М.: Металлург-издат, 1963. - 324 с.

4. Ефименко Г.Г. Металлургия чугуна //'./'. Ефименко, A.A. Гиммельфарб, В.Е. Левченко. - К.: Вища школа, 1970. - 487 с.

5. Равич Б.М. Брикетирование в цветной и чёрной металлургии / Б.М. Равич- М.: Металлургия, 1975. -232 с.

Статья поступила 21.02.2006