CC BY
17
УДК 621.762
В. Н. КОКОРИН, В. Н. ЦЕМЕНКО, М. В. КОКОРИН
ПРЕССОВАНИЕ СТРУКТУРНОНЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ С РАЗЛИЧНЫМ АГРЕГАТНЫМ СОСТОЯНИЕМ ФАЗ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ УТИЛИЗАЦИИ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВЫХ ОТХОДОВ ЧЁРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Рассмотрены проблемные вопросы прессования двухкомпонентных смесей, одна из фаз которых является жидкой. Установлены основные закономерности формирования структурнонеоднородного тела при прессовании тонкодисперсных отходов чёрной металлургии.
Анализ техногенных отходов ряда металлургических комбинатов (ОАО «ММК», ОАО «Северсталь», ОАО «Носта») [1] привел к выводу, что твёрдыми железосодержащими отходами этих предприятий, образующимися на стадии выплавки стали, прокатки листа и агломерации, являются: доменная и конвертная пыль, прокатная окалина с массовой долей Fe-oc до (50-60) %, а также неметаллическая пыль доломита и известняка. Так, на конец 90-х годов на ОАО «Северсталь» в сутки изымалось из оборота и терялось в виде пыли до 300 тонн доломита. 150 тонн известняка, 800 тонн конвертного шлама.
Следует отметить, что в технической литературе отсутствуют корректные технологические рекомендации по практическому освоению технологий утилизации материалов, что во многом определяется сложностью процессов прессования плотноупако-ванной механической смеси.
На кафедре «Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ проблемы прессования тонкодисперсных отходов находятся в центре внимания с конца 80-х годов. Рассмотрены и реализованы в производстве процессы утилизации железосодержащих и неметаллических отходов широкого спектра [2-5], определены условия прессования струк-турнонеоднородной смеси на основе тонкодисперсных отходов с использованием жидких связующих сред (ЖСС).
В общем случае уплотнение сыпучей среды сопровождается двумя процессами: межчастичным смещением (структурной деформацией) и деформацией самих частиц с образованием и расширением зон контактов. Структурная деформация преобладает на начальной стадии уплотнения и может быть достаточно протяжённой.
Установление количественной зависимости между давлением уплотнения и плотностью среды в
© Кокорин В. Н., Цеменко В. Н., Кокорин М.В., 2004
рамках дискретно-контактной теории осуществляется на основе моделирования этого процесса с использованием представительного элемента самой среды и условия пластичности Губера-Мизеса. В работах [7, 10] обоснована концепция стадийности процесса уплотнения порошков в замкнутых объёмах, описаны стадии процесса уплотнения с точки зрения контактного взаимодействия и консолидации уплотняемой среды.
Многостадийность и сложность процессов консолидации (прессования) двухкомпонентных шихт являются причинами малой разработанности представлений о механизме прессования, описывающем процесс уплотнения. Установлено, что введение в шихту жидких неметаллических компонентов (ЖСС) оказывает сложное влияние на характер уплотнения [7]. Предложены две модели уплотнения и стадийности прессования: а) брикета в целом; б) приконтакт-ной зоны. При малом давлении (< 400 МПа) присутствие второго (жидкого) компонента способствует интенсивному снижению пористости материала брикета, при давлении свыше 400 МПа повышается его пористость. Это можно объяснить тем, что при низких давлениях прессования уплотнение происходит в основном за счёт скольжения частиц относительно друг друга, а введение жидкого компонента облегчает этот процесс, способствует лучшей укладке частиц; при повышенных давлениях уплотнение происходит главным образом за счёт деформации прнконтактных областей при гидростатистическом сжатии жидкой фазы. При этом снижается интенсивность уменьшения порового пространства при росте давления прессования - наличие жидкой фазы способствует повышению пористости (по сравнению с однокомпонент-ной шихтой).
Первая стадия уплотнения (структурная) характеризуется значительным преобладанием автономной деформации, нарушающей контакты насыпки. После снятия нагрузки формовка превращается в несвязанное сыпучее тело. При необходимости ограничения
первой стадией уплотнения следует вводить в формуемую шихту ЖСС. При использовании двухкомпо-нентной шихты, содержащей жидкую фазу, «арки» заполняются как твёрдыми частицами, так и жидкой фазой, причем преимущественное перемещение наблюдается прежде всего у жидкой фазы.
Вторая стадия уплотнения характеризуется пластической деформацией частиц твёрдой среды приконтактных областей. Препятствием для образования контактов являются плёнки ЖСС, при этом жидкая фаза частично или полностью выдавливается в поры.
При использовании смеси с наличием жидкой фазы третья стадия прессования отсутствует, что отличает процесс прессования шихты, имеющей в своем составе жидкий компонент, от прессования однофазных структур. Этот механизм коренным образом отличается от классических теорий прессования порошковых тел (заполнения пор фракцией твёрдой фазы не наблюдается, создается гидростатическое давление).
Таким образом, изучение влияния второго компонента на уплотняемость двухкомпонентных смесей позволяет выявить область перехода от одной стадии прессования к другой.
В экспериментальных исследованиях процессов прессования была использована односторонняя схема прессования в закрытых пресс-формах. Давлением прессования варьировали от 50 до 400 МПа, что соответствует силовым режимам валкового роторного пресса. В качестве ЖСС использовали натриевое жидкое стекло, обладающее всеми свойствами коллоидных растворов. В качестве исходного материала использовали: а) механическую смесь пыли доломита (СаСОз - ГУ^СОз) и конверторного шлама (70-30) % по массе; б) пыль доломита. С целью выявления закономерности формоизменения уплотнения и энергосиловых параметров прессования исследовали: насыпную плотность, удельный объём и плотность утряски шихты (ГОСТ 19440-74). Установлен среднестатистический размер Дер фрагментов фракций: а) доломита - 10 < Дср < 50 мкм; б) шлама - 100 < Дср <500 мкм.
Установлено, что при уменьшении массовой доли ЖСС в шихте на 1 % усилие выпрессовывания брикетов из пресс-форм уменьшается, в 1,5-2 раза, увеличивается массовая доля отсева. Увеличение содержания ЖСС способствует росту хрупкости отпрессованного брикета, так как соединения металлической матрицы и ЖСС имеют аморфную структуру. С целью обеспечения достаточной прочности брикета на сжатие и удар, а также минимизации энергосиловых параметров прессования и выталкивания рекомендовано применять в качестве ЖСС натриевое жидкое стекло модулем М = 2,5-2,7; плотностью (1,35-45) г/см3 при массовой доле от 1,5 до 2,5 %.
С целью выявления функциональной связи показателей, характеризующих процесс прессования
двухкомпонентиной шихты - плотность брикета 0 предел прочности при сжатии а сж, геометрические характеристики брикета Ьф / с!бр, усилие выталкивания брикета из пресс-формы Рпыт, величина отсева брикета Д Потс (как функция от массовой доли ЖСС, давления прессования р, времени перемешивания шихты Т), был поставлен полнофакторный эксперимент и получена комплексная параметрическая модель в виде степенного полинома множественного порядка [6].
При исследовании процесса прессования использовали двухкомпонентную смесь (шихту), состоящую из твёрдой (металлический порошок) и жидкой (ЖСС) фаз. При прессовании этой шихты обнаружен эффект интенсивного разрыхления (пыле-ния) приконтактной зоны (глубиной до 2 мм) отпрессованного брикета при значительных давлениях прессования (> (300...400) МПа) [7], что существенно снижает потребительское качество конечного продукта.
Уплотнение порошкового тела за счёт взаимного перемещения частиц переходит в уплотнение вледст-вие деформации самих часшц при условии [8,9]:
АП АУ - -- , (1)
II о V о
где А П, П0 - соответственно абсолютное и относительное изменение доли объёма, занимаемого в порошке порами; А V, У0 -.соответственно абсолютное и относительное изменение объёма уплотняемой среды:
АУ = У0-У, ДП = П0-П;
где У0, Г10 - исходные значения объема и пористости до уплотнения; V, П - их текущие значения.
Граничным (критическим) является такое состояние уплотняемого порошкового тела, когда объём Пкрз занимаемый порами, становится равным доле объёма <Зо, которую частицы занимали до уплотнения:
(2)
о
или
тогда
^ кр ~т 1 П о;
®кр = 1-00*
(3)
(4)
где 0 q — относительная плотность до приложения нагрузки.
Зависимость пористости от давления прессования и начальной пористости шихты представлена в экспоненциальном виде [10]:
П = П0<Гар, (5)
где а = SH / т = const для рассматриваемого материала и условий прессования; m - масса шихты; SH -площадь поперечного сечения тела.
Выразив пористость П через относительную плотность G с учётом уравнения (4), зависимость (5) привели к виду
При давлении прессовании р = 0
е =е0, P=aJ? G->I.
Таким образом, введение в уравнение (6) крити-ческой плотности позволяет производить оценку границы и протяжённости этапов структурного и пластического деформирования, а величина критической плотности шихты определяется по зависимости [6]:
0.. = 0,585(%ЖСС)°"013 (р)0,058 -(Т)0'003 .(7)
Рассчитав критическую плотность двухкомпо-нентной среды, одна из фаз которой является жидкой, можно оценить основной уровень деформирования, влияющий на процесс уплотнения и формирования физико-механических свойств отпрессованного брикета.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кокорин, В. Н. Анализ промышленого рецик-линга твёрдых техногенных отходов предприятий черной металлургии // Экономика, экология и общество России в 21-м столетии. - С-Петербург: СПбГТУ, 2003. -С. 273 - 274.
2. Патент 2083694 РФ, МКИ3 В 22 12/01. Способ переработки металлосодержащих отходов / Е. М. Булыжев, В. Н. Кокорин. - 1998. - Бюл. № 24.
3. Патент 2097166 РФ? МКИ3 В 22 12/01. Способ переработки металлосодержащих шламов / Е. М. Булыжёв, В. Н. Кокорин. -1998. - Бюл. № 2.
4. Кокорин, В. Н. К проблеме прессования шламовых металлосодержащих отходов / В. Н. Кокорин, М. В. Кокорин // Материалы всероссийской научно-техн. конф. «Ресурсосберегающие технологии листовой и объёмной штамповки». - Ульяновск: УлГТУ, 2003. -С. 21 -23.
5. Кокорин, В. Н. Промышленный рецик-линг техногенных отходов ОАО «Северсталь» / В. Н. Кокорин, Е. М. Булыжев, М. В. Храмков // Прогрессивные процессы и оборудование металлургиче-
ского производства: Сб. трудов IV межд. научно-техн. конф. - Череповец: ЧГУ, 2003. - С. 202 - 203.
6. Совершенствование технологического комплекса утилизации доломитного производства и железосодержащих отходов: Отчет о НИР / ЗАО «Экорос». № ГР 2100002231. - Ульяновск, 1998. - 50 с.
0
7. Кокорин. В. Н. К стадийности прессования двухкомпонснтных смесей с различным агрегатным состоянием / В. Н. Кокорин, М. В. Кокорин // Вестник УлГТУ. - 2002. - № 1.-С. 38-41.
8. Смирнов, В. С. Исследование соотношения П + 9=1. отражающего переход от структурной к упру-гопластической деформации зернистой среды / В. С. Смирнов, Н. Н. Павлов, Н. Н. Целееин // Труды ЛПИ. - 1969. - № 296. - С. 37 - 41.
9. Цеменко, В. Н. Деформирование порошковых сред / В. Н. Цеменко. - С-Петербург: СПбГТУ, 2001. - 104 с.
10. Радомысельский, И. Д. Некоторые особенности уплотнения порошков на разных стадиях прессования / И. Д. Радомысельский, Н. И. Щербань // Порошковая металлургия. - 1980. -№11. - С. 12-19.
Кокорин Валерий Николаевич, кандидат технических неук, доцент кафедры «Материаловедение и обработка металлов давлением» УлГТУ. Имеет публикации в области промышленного рециклинга техногенных тонкодисперсных отходов.
Цеменко Валерий Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Порошковая металлургия и композиционные материалы» Санкт-Петербургского государственного технического университета. Имеет публикации в области деформирования порошковых материлов.
Кокорин Максим Валерьевич, аспирант, ведёт исследования структурнонеоднородных порошковых материалов.
