CC BY
29
карбонату ніколу на структуру та розмір кінцевого ніколу та концентрації її розчину; залежність типу
нікелевого пористого матеріалу: залежність розміру пористої структури відновленого нікелевого матеріалу
часток нікелевого металічного порошку від виду солі від виду осаджувача.
Література
1. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. - М.: Металлургия, 1980. - 496 с.
2. Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1987 - 208 с.
3. Кудрявцева А.А. Составление химических уравнений. - М.: Высшая школа - 320 с.
4. Вансовская К.М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом. - Л..: Машиностроение, 1985 - 103 с.
-----------------------□ □---------------------------
Досліджено вплив товщини бічного шунта на теплоенергетичний стан печі графітації Ачесона. Сформульовано енергетичний критерій, використання якого в системі керування дозволяє визначати оптимальну схему формування керна печі Ключові слова: графітація, піч Ачесона, бічний шунт, система керування
□--------------------------------------------□
Исследовано влияние толщины бокового шунта на теплоэнергетический состояние печи графита-ции Ачесона. Сформулирован энергетический критерий, использование которого в системе управления позволяет определять оптимальную схему формирования керна печи
Ключевые слова: графитация, печь Ачесона, боковой шунт, система управления
□--------------------------------------------□
The influence of the side shunt thickness on Heat-Power state of Acheson graphitation kiln is investigated. Energy criterion is formulated, it's using in control system allows to define the optimal scheme of forming the kiln core.
Keywords: grphitation, Acheson kiln, side shunt, control system -----------------------□ □---------------------------
УДК 661.666.2
ДОСЛІДЖЕННЯ БІЧНОГО ШУНТА ПЕЧІ ГРАФІТАЦІЇУ
М.В. Коржик
Кандидат технічних наук, доцент* Контактний тел.: (044) 236-57-97 E-mail: [email protected]
Г. І. Г у р ч и к
Магістрант* Контактний тел.: (044) 248-04-16 *Кафедра автоматизації хімічних виробництв Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут” пр. Перемоги, 37, м. Київ, 03056
Вступ
У вітчизнянній промисловості виробництво великогабаритної графітованої продукції здійснюється електричними печами за технологією Ачесона. Графі-тація - це процес утворенні кристалічної структури вуглецевого матеріалу під дією високих температу-рих (більше 2000°С) за рахунок джоулевого тепла, яке вивільнюється при проходженні електричного струму крізь керн печі графітації. Керн печі Ачесона формується з рядів вуглецевих заготовок, кернової пересипки, що заповнює міжрядовий простір, а також шунтівних областей (див. рис. 1). Для теплоізоляції керн оточено шаром шихти, питомий електричний опір (ПЕО) якої значно перевищує ПЕО матеріалів керна, що дозволяє вважати теплоізоляцію також і електрич-ч ним ізолятором [1].
Спосіб графітації великогабаритної продукції за технологією Ачесона характеризується істотними перепадами температур у виробах [1], що викликають термонапруження, які є обмежуючим швидквсть розігріву керна чинником, та призводять до деякої нерівномірності властивостей кінцевої продукції. Для вирівнювання температури в перерізі керна використовують таку схему укладки, при якій частина електричного струму при графітації переспрямовується до його периферії, що досягається введенням в керн шунтівних шарів, сформованих з гранульованих вуглецевих матеріалів (див. рис. 1).
Графітація вуглецевих виробів надзвичайно енергоємна (до 7000 кВт-год на тонну продукції [1]), тому зниження енерговитрат на кампанію графітації при забезпеченні високої якості кінцевої продукції є актуальною наукової та практичною задачею.
I 39
Рис. 1. Розрахунковий фрагмент печі Ачесона:
1 — вуглецеві заготовки; 2 — кернова пересипка; 3 — шунтівні шари; 4 — теплоізоляційна шихта; 5 — шамотна футеровка з повітряними охолоджувальними каналами
Постановка задачі
Метою роботи є дослідження впливу товщини бічного шунта на теплоенергетичний стан печі графітації. Результати дослідження дозволять зменшити енерговитрати на графітацію та підвищити якість кінцевої продукції шляхом застосування бічних шунтівних шарів оптимальної товщини в схемі формування керна печі графітації на підготовчому до кампанії етапі.
де і - індекс області, що визначена на просторових координатах х, у, z є О, м; с - ефективна масова ізобарна теплоємність, що враховує ефект сублімації вуглецю для відповідних просторових областей, Дж/(кгхК); у - густина, кг/м3; 1 - теплопровідність, Вт/(мК); р -питомий електричний опір матеріалу просторової області, Ом-м; J - вектор густини електричного струму, А/м2; ф - електричний потенціал, В; Т - розрахункова температура, К; т - час, с; V - диференціальний оператор Гамільтона.
Для замикання системи (1), (2) задаються початкові теплові (Т0) і граничні теплові та електричні умови. Причому керування піччю Щт) розглядається, як перепад потенціалів, заданих відповідними граничними умовами на струмопідводах печі.
Початкові умови задачі:
Т(Х,у,7)|т=о = То , (3)
де Т0 - початкова температура печі графітації.
Граничні умови на границях контакту із зовнішнім середовищем:
=-1(Т) Ш=а(Т -Т), (4)
де І - індекс зовнішньої поверхні, а - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2-К); Тс - температура зовнішнього середовища; п - зовнішня нормаль до поверхні.
Граничні умови на поверхнях симетрії:
Граничні умови на границях суміжних просторових областей:
Тк = Тк+1, ік(Т)^=-1к+1(Т)^, (6)
дп дп
де k - індекс внутрішньої поверхні.
Граничні умови на границях суміжних
електропровідних областей:
Математична модель стану печі
с,(Т)т,§^<Т) VI) Іт>о = :?Р,(Т),
і,
Vф2
"р.пу
(7)
В загальному вигляді опис термоелектричного стану печі графітації базується на спряженій системі диференціальних рівнянь теорії потенціалу та теплопровідності з відповідними крайовими умовами. Система містить нестаціонарне нелінійне неоднорідне рівняння теплопровідності і квазістаціонарне рівняння безви-хрового поля електричного потенціалу для кожної просторової області, що утворюють загальний об’єм печі О [2].
(1)
(2)
де Jи - нормальна складова вектора густини струму J; Еґ - тангенціальна складова вектора напруженості електричного поля Е, В/м, що визначається для кожної електропровідної області як:
Еі — ^фі.
(8)
Граничні умови на границях з електричним ізолятором:
і" = 0 . (9)
Граничні умови, що формують керуючий вплив:
ф| х=о = 0; ф| х=ь = ит(т), (10)
З
де h - довжина, м, ділянки керна печі, до якої прикладається напруга ит, В.
В термодинамічному сенсі випаровування вологи є фазовим переходом І-го роду, що супроводжується поглинанням теплоти. Для урахування цього явища представимо рівняння (1) для просторових областей, матеріал яких має істотний вміст вологи, в ентальпійній формі [2]:
-у(і,(Т) ут) 1^0 = ^(Т), (11)
Н,(Т) = |0Тс(Г) у (Т) ат; (12)
де Н - тепловміст відповідної просторової області, Дж/м3.
Числове дослідженя процесу графітації
При моделюванні впливу товщини бічного шунта а на теплоенергетичний стан було використано результати натурного експерименту, отримані при графітації електродів діаметром 555 мм та довжиною 1900 мм у печі графітації постійного струму (у відповідності з виробничим регламентом, бічний шунт в експерименті мав товщину а = 0.05 м). Для цього з О було виокремлено симетричний розрахунковий фрагмент, що описує 1/112 загального об’єму та відображує основні електричні і термічни процеси всієї печі графітації (див. рис. 1), а моделювання виконано методом скінченних елементів [3].
Перевірку адекватності числового розв’язку задачі (1) - (11) здійснено шляхом порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними. При цьому в числовій модел і використані теплофізичні властивості матеріалів завантаження печі, що відповідают експериментальним. Зокрема, для формування нижнього та бічного шунта використано матеріал кернової пересипки (сирий гранульований металургійний кокс) із середнім масовим вологовмістом и2 = и3 = 0.03 , а вологовміст теплоізоляційної шихти прийнято и4 = 0.08 .
На отриманій числовій моделі виконано ряд імітаційних розрахунків для різних значень параметра а (останню точку: а = 1.05 м розташовано біля бічної стіни печі). За критерій припинення розрахунку взято загальну витрату енергії на кампанію <2к, КВтхгод, що відповідає експериментальній.
На рис. 2 зображено динаміку температури Ті периферії заготовок верхнього ряда, яка є “найхолоднішим” місцем виробів і характеризує їх ступінь графітації [4].
Як видно з рис. 2, при використанні бічного шунта
з сирого коксу кінцевий рівень температур перевищує 2300°С, що дозволяє отримати продукцію задовільної якості за будь-якого значення параметра а. При цьому в період розігріву керна температура периферії збільшується із збільшенням параметра а, що дозволяє інтенсифікувати розігрв та пришвидшити кампанію графітації в цілому.
Цей висновок підтверджує і аналіз зображеної на рис. 3 динаміки перепаду температур між центром та периферією заготовок верхнього ряду, який визначається, як: ДТ = Т2 - Т4 (див. рис. 1).
Рис. 2. Динаміка температури характеристичної точки керна печі для різних значень а
Розглянемо динаміку середньої густини струму (див. рис. 4) у бічному шунті, яку можна визначити так:
1
J = 5 \ JdS,
° Б
де J - середня густина струму, А/см2; S - площа поперечного перерізу бічного шунта, см2.
Як видно з рис. 4, середня густина струму зменшується із збільшенням параметра а. Це, з урахуванням динаміки темпретури характеристичної точки (див. рис. 2), свідчить про нерівномірність розподілу густини струму у перерізі бічного шунта і означає, що із збільшенням параметра а частина шару шунта стає баластною і не бере участі у додатковому розігріві периферії керна.
І, год
Рис. 3. Динаміка перепаду температур заготовок верхнього ряду для різних значень а
Оскільки вологовміст теплоізоляційної шихти и4, зазвичай, істотно перевищує вологовміст матеріалу шунта и3, відносне зменшення об’єму теплоізоляції (при збільшенні а) дозволяє зменшити енерговитрати на
Е
випаровування вологи. При цьому втрати теплоти у оточуюче середовище бічною стіною печі будуть визначатись сумарною ефективністю теплоізоляції, утвореної матеріалом баластної частини шунта та шаром теплоізоляційної шихти.
Рис. 4. Динаміка середньої густини струму бічного шунта для різних значень а
555 мм в умовах, що відповідають експериментальній кампанії (и3 = 0.03, и4 = 0.08) , оптимальна товщина бічного шунта дорівнює аор1; = 0.41 м.
з, н
Рис. 5. Непродуктивні витрати теплоти розрахункового фрагмента печі
Визначення оптимальної товщини бічного шунта
За технологію Ачесона власне на графітацію виробів витрачається не більше 25 % загальних енерговитрат [1]. Для того, щоб оцінити непродуктивні витрати, пов’язані з впливом бічного шунта, сформулюємо енергетичний критерій у вигляді:
й(а) = 0,(а) + й(а) ; (13)
де Ос - втрати теплоти із зовнішніх поверхонь печі в оточуюче середовище; <2в - витрати теплоти на випаровування вологи з сипких матеріалів завантаження печі. Зазначені витрати визначаються так:
<2Аа) = | X Є:(а>Рі dт ;
X І
Qв(a)=х у,о)у ;
де g - середній тепловий потік, Вт/м2, через зовнішню поверхню площею F, м2, який визначається у відповідності з (4); V - об’єм просторової області, матеріал якої має істотний вміст вологи, м3; у - густина сухого матеріалу, кг/м3; L - теплота пароутворення, Дж/кг.
На рис. 5 зображено отримані на імітаційній моделі оцінки змінюваної частини цільової функцію (13) для різних комбінацій середнього масового вологовмісту матеріалів шунта та теплоізоляції (и3 / и4) у розрахунковому фрагменті.
Аналіз результатів показує, що у всіх випадках, коли для формування шунта використовується сухий матеріал, товщина бічного шунта може бути збільшена в порівнянні з сучасними регламентними вимогами. Зокрема при графітації електродних виробів діаметром
Відома система керування процесом графітації [5], що визначає оптимальне керування на основі поточного аналізу термопружного стану виробів, дозволяє зменшити енерговитрати кампанії графітації на 1012 %. Дооснащення цієї системи модулем, що мінімізує критерій (13) на основі попередніх оцінок вологості сипких матеріалів завантаження та розрахунків прогнозу енергетичного стану печі дозволить додатково зменшити енерговитрати на 1-2 % лише за рахунок застосування оптимальної схеми формування керна.
Висновки
Проведені на імітаційній моделі дослідження властивостей бічного шунта печі графітації дозволили зробити такі висновки:
- збільшення товщини бічного шунта не призводить до підвищення кінцевих рівнів температур керна, але зменшує перепад температур у виробах в період розігріву, що дозволяє інтенсифікувати процес та під-вищіти якість кінцевої продукції;
- у бічному шунті збільшеної товщини густина струму розподілена нерівномірно і частина об’єму шунта перестає виконувати роль елемента тепловиділення (стає баластною);
- на основі аналізу властивостей бічного шунта сформульовано енергетичний критерій, мінімізація якого системою керування процесом дозволить отримати додаткове зменшення загальних енерговитрат на кампанію графітації до 2 %.
Подальша робота в області вдосконалення промислового процесу графітації буде пов’язана із дослідженням впливу верхнього та нижнього шунтівного шару на теплоенергетичний стан печі Ачесона.
З
Література
1. Соседов В.П. Графитация углеродистых материалов / В.П. Соседов, Е.Ф. Чалых. - М. : Металлургия, 1987. - 176 с.
2. Коржик М.В. Модель температурного поля печі графітації / М.В. Коржик, С.В. Кутузов // Наукові вісті НТУУ „КПІ”. -2007. - № 1. - С. 17-23.
3. Коржик М.В. Керування стадією розігріву печі графітації / М.В. Коржик // Автоматизація виробничих процесів. - 2006. -№ 2. - С. 69-78.
4. Коржик М.В. Вдосконалення регламенту графітації електродних виробів / М.В. Коржик, І.Л. Шилович, А.І. Жученко, О.Ю. Уразліна // Наукові вісті НТУУ „КПІ”. - 2004. - № 2. - С. 107-109.
5. Коржик М.В. Розробка системи керування процесом графітації в печах Ачесона / М.В. Коржик, Г.І. Гурчик // Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. - 2010. - № 1. - С. 98-103.
Розглядаються питання оцінки пластичності металу і сплавів при обробці і впливу на неї різних факторів Ключові слова: формоутворення, пластична деформація, потенційна енергія, швидкість деформації
Рассматриваются вопросы оценки пластичности металла и сплавов при обработке и влияния на неё различных факторов
Ключевые слова: формообразование, пластическая деформация, потенциальная энергия, скорость деформации
The assessment questions of the metal plasticity and alloys processing and influence of different factors are considered Key words: morphogenesis, plastic deformation, the potential energy, the rate of deformation
УДК 621.7
ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ
А.А. Дудников
Кандидат технических наук, профессор, заведующий
кафедрой*
А.И. Беловод
Кандидат технических наук, доцент Кафедра общетехнических дисциплин**
А.А. Келемеш
Ассистент*
А.М. Погорецкий
Магистрант*
И.В. Перелит
Магистрант *Кафедра ремонта машин и технологии конструкционных материалов **Полтавская государственная аграрная академия ул. Сковороды, 1/3, г. Полтава, 36003
1. Введение
Формообразование обработкой давлением основано на способности изделий из металла и сплавов изменять свою форму без разрушения под действием приложенных внешних сил. Обработка давлением является одним из прогрессивных, экономических и высокопроизводительных способов придания металлу формы. Обработкой давлением могут быть получены детали из материала, обладающего как высокой, так и
низкой пластичностью, т.е. способностью необратимо деформироваться без разрушения.
2. Постановка проблемы
Способность металла и сплавов при некоторых условиях силового воздействия, независимо от его происхождения, устойчиво изменять свою форму без разрушения сплошности, используется с давних времён. Несмотря на это, механизм пластической деформации из-за сложности происходящих при этом явлений
Е
