CC BY
118
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2007 р. Вип. № 17
УДК 622.788.32:662
Ожогин В.В.*
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ УДАРНОЙ ПРОЧНОСТИ БРИКЕТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ИХ ИСПЫТАНИЙ
Найдена взаимосвязь показателей ударной прочности брикетов при различных способах разрушений, высотах падений и количестве сбрасываний, позволяющая производить сопоставление и анализ данных с целью минимизации процессов разрушения материалов
Механическая прочность является важным критерием оценки пригодности материала к металлургической обработке. Отсюда вытекает необходимость объективной её оценки. Механическую прочность металлургических материалов определяют по трём показателям: ударной прочности, прочности на раздавливание и истираемости [1]. При этом основным показателем считается ударная прочность. Её определяют сбрасыванием с различной высоты или разрушением в барабанах различных конструкций.
Для металлургических материалов используют различные методы оценки. Так, агломерат и кокс обычно испытывают на ударную прочность и истирание в соответствии с ГОСТ 15137-77 [2]. Для испытания кокса на ударную прочность ранее использовали сбрасывание с высоты 2 м (так называемый «британский способ»). Этот способ четырёхкратного сбрасывания с высоты 2 м используют в качестве альтернативного при испытаниях агломерата. Хороший агломерат после таких испытаний содержит не более 10-11 % мелочи фракции менее 5 мм. Окатыши обычно испытывают на раздавливание [3], при необходимости определяют ударную прочность и истираемость по ГОСТ 15137-77. Менее прочные материалы, например, сырые окатыши испытывают на раздавливание и сбрасывание с высоты 0,3-0,5 м, равной высоте падения в реальных условиях [3]. Прочность на сбрасывание ферросплавов определяют по выходу фракции +10 мм после 5 падений с высоты 1,5 м [4].
Прочность на сбрасывание брикетов обычно находят путём их пятикратного сбрасывания с высоты 2 м [5, 6]. При этом брикеты считают годными для доменного производства, если выход фракции менее 5 мм при таком испытании составляет менее 5 %. Брикеты для сталеплавильного производства, изготовленные из вторичных металлов, включая окалину и металлическую стружку, проверяют в соответствии с ГОСТ 2787-75 на осыпаемость путём трёхкратного сбрасывания с высоты 1,5 м. При этом осыпаемость должна быть менее 10 %. Из 5 брикетов испытание должны выдерживать 4 [7].
В научных исследованиях используют и другие способы оценки механической прочности, основанные на работе ударного разрушения [8]. При этом возникает необходимость их сопоставления с данными промышленных испытаний, что не всегда возможно. В частности, способ определения механической прочности в барабане по ГОСТ 15137-77 может быть использован для испытаний больших партий материалов, т.к. для репрезентативной оценки требуется навеска массой 15 кг.
В лабораторных исследованиях, когда количество материала мало, такой способ испытания не является рациональным. Также невозможно сопоставление малопрочных материалов, дающих нулевой выход фракций +5 мм. Кроме того, отсутствует взаимосвязь между показателями ударной прочности при испытании в барабане и при сбрасывании с высоты 2 м.
Поэтому определение различными способами показателей ударной прочности металлургических материалов и из взаимосвязи друг с другом представляет собой важную научную и практическую задачу, решение которой для брикетированных материалов является целью настоящего исследования.
*ПГТУ, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.
На практике ударную прочность брикетов суд определяют выходом фракции +5 мм, выраженной в процентах, к исходной массе, обычно после 5 сбрасываний с высоты 2 м на стальную плиту. В настоящем исследовании принят усиленный вариант испытаний - 20 сбрасываний с высоты 2 м. Количество сбрасываний соответствует общей высоте падения брикетов в реальном процессе, составляющей 40 м или 20 сбросов. Расчёт общей высоты падений вели от места выдачи брикетов из сушила до места их потребления в доменном производстве, учитывая доставку их в вагонах и включая падение на поверхность засыпи в печи и падение на них следующего слоя брикетов. Средняя высота падения брикетов составляет 2,3-2,5 м, при наличии склизов - 1,6-2,0 м.
При проведении исследований такой способ оценки оказывается недостаточным, т.к. не позволяет сопоставлять прочность материалов, измельчаемых различными способами: ударом, раздавливанием, истиранием и т.п. В этом случае целесообразно оценивать прочность материалов работой, затраченной на его разрушение [8].
Степень разрушения брикетов зависит от их особенностей удара о поверхность и свойств поверхности. Если падение происходит на перпендикулярную, наклонную, обрезинен-ную, недеформирующуюся или рифлёную поверхность, или на слои нижерасположенных брикетов, то разрушение брикета будет различным. Худший результат даёт падение на острые выступы. Для обеспечения сопоставимости условий и соответствия общепринятым методикам оценки ударной прочности, сбрасывание производили на горизонтальную стальную плиту.
Показатель ударной прочности зависит также от высоты и количества падений, величины разрушения (до фракции -5 мм) и массы разрушаемого куска материала. В нашем случае наиболее важными являются такие характеристики, как способ испытания, высота и количество падений, а также масса (размер) материала.
Для определения закономерностей оценки ударной прочности были выбраны брикеты двух видов: средней прочности, изготовленные из аглодоменных шламов, и повышенной прочности - из сталеплавильной пыли. Для их упрочнения в качестве связующего использовали гашёную известь в количестве 20 % от массы брикета. В качестве альтернативных материалов приняты агломерат и окатыши.
Фракционный состав материалов был следующим: брикеты цилиндрической формы диаметром 30 мм и высотой 18 мм, агломерат - куски фракции 30-40 мм, окатыши - фракции 10-20 мм. Кажущая плотность: агломерата - 3,17 т/м3, окатышей - 3,48 т/м3, брикетов - 2,12-2,17 т/м3.
В производственных процессах при перегрузках материал подвергается многократным падениям с различной высоты. Для определения ударной прочности выбранных материалов в зависимости от высоты падений их сбрасывали с высоты 0,25 м, 0,5 м, 1,0 м, 2 м и 4 м. Количество сбрасываний - 20. Результаты испытаний приведены на рис. 1.
1 2 3
Высота сбрасывания, м
♦ - окатыши; А - брикеты повышенной прочности; ■ - агломерат; ▲ - брикеты средней прочности
Рис. 1 - Особенности разрушения материалов различной прочности
Из рис. 1 следует, что минимальной высотой, при которой стабилизируются кривые разрушения, является 1,5-2 м. Для прочных материалов на этих высотах разрушение становится существенным, что позволяет производить их уверенное сравнение. Как отмечалось выше, средневзвешенная высота падения брикетов в реальных процессах также находится в пределах 1,5-2 м. Поэтому в испытаниях на сбрасывание в качестве базовой принята высота 2 м.
Зависимость степени разрушения от высоты падения вызвано особенностью вещества, из которого состоит материал. Окатыши очень прочны, поэтому при падении с небольших высот они ведут себя как упругое тело, энергия их падения большей частью расходуется на упругое соударение. При увеличении высоты падения выделяется больше энергии, которая пропорциональна произведенному разрушению. Агломерат представляет собой спёкшиеся небольшие гранулы, высокой прочности. Они подобны материалу окатышей, соединённые между собой тонкими и хрупкими связями, которые активно разрушаются уже при небольших усилиях. При падениях даже с небольших высот они быстро разрушаются, а затем начинается разрушение прочных гранул. Их прочность близка к прочности окатышей, на что указывает практическая параллельность линий разрушения агломерата и окатышей на интервале от 2 до 4 м, см. рис. 1.
В брикетах связи частиц гораздо менее прочные, чем в гранулах агломерата и окатышах. Поэтому их разрушение с ростом высоты падения происходит гораздо активнее, чем агломерата и окатышей. При спекании брикетов при 1250 °С их прочность становятся близкой прочности окатышей. Они гораздо прочнее агломерата, т.к. в них очень мало пор.
Особенность прочных брикетов такова, что, если их падение осуществляется с высоты, при которой упругая деформация не будет большой, то они будут разрушаться незначительно, несмотря на появление в их объёме микротрещин, связанных с неоднородностью материала. Для уменьшения разрушения брикетов следует предусмотреть многоступенчатое падение.
Для определения взаимосвязи между ударной прочностью, полученной при испытании в барабане, и такой же прочностью при сбрасывании с высоты 2 м, провели сопоставление обоих способов по агломерату и брикетам средней и повышенной прочности. Ударную прочность определяли по выходу фракции +5 мм. Барабанную пробу агломерата и брикетов выполнили в соответствии с ГОСТ 15137-77. Количество брикетов для оценки механической прочности принято в соответствии с методикой [5, 6], обеспечивающей точность примерно равную 3 %, т.е. 10 брикетов. Полученные данные представлены на рис. 2.
Количество оборотов барабана, ед.
0 50 100 150 200 250 300 400
100
^ 90 л"
§ 80 х
I 70 с к
га 60
о.
ГС
£ 50 40
0 3 6 9 12 15 18 21
Количество сбрасываний, ед.
□ - барабанная проба агломерата; 0 - то же, брикетов средней прочности; А - то же, брикетов повышенной прочности; ■ - прочность агломерата на сбрасывание; ♦ - то же, брикетов средней прочности; А - то же, брикетов повышенной прочности
Рис.2 - Динамика ударной прочности металлургических материалов, измеренной различными способами
Из рис. 2 следует, что испытание на прочность в барабане для двух видов брикетов и агломерата хорошо согласуется с прочностью на сбрасывание с высоты 2 м. Погрешность измерения - 0,54-0,71 % (отн.). Корреляционное отношение парных зависимостей составляет: для агломерата г] = 0,92, брикетов средней прочности г| = 0,96, брикетов повышенной прочности т| = 0,97.
Пересечение кривых испытаний агломерата и брикетов в барабане и сбрасыванием и совпадение линий для окатышей позволяет сделать вывод о том, что барабанная проба исследуемых материалов практически эквивалентна 12 сбрасываниям с высоты 2 м.
Как следует из сопоставления ударной прочности, определяемой сбрасыванием с высоты 2 м и испытанием в барабане, первый способ в целом оказывается более «жёстким», чем второй. В последнем случае средняя высота падения с учётом скорости вращения, угла откоса материала, расположенного на полке и толщины его слоя в нижней части барабана, находится в пределах 0,5 м.
Агломерат и прочные брикеты после 5 падений дробятся практически равномерно по мере роста количества падений. Поэтому для репрезентативной оценки прочных брикетов достаточно 5 сбрасываний с высоты 2 м.
Характер разрушения брикетов при падении существенно отличается от материалов, упрочнённых термообработкой. В частности, это объясняется неоднородной структурой брикета, наличием в них крупных включений, по поверхностям которых и происходят сколы и разрушения. Мало разрушающиеся при первых падениях брикеты показывают высокий уровень прочности. Затем, по мере накопления трещин, они значительно теряют прочность и начинают сильно разрушаться. В связи с этим оценку прочности брикетов необходимо вести по большему количеству падений.
Брикеты обладают существенными отличиями от другого металлургического сырья, окускованного агломерацией или окатыванием. В частности, они имеют одинаковый размер и форму, а поверхностный слой вследствие особенностей прессования имеет большую плотность и прочность по сравнению с внутренними слоями. Поэтому из брикетов одинаковой массы (объёма), состава и способа прессования более прочными являются те, у которых удельная поверхность больше, т.е. более тонкие брикеты, преимущественно плоской формы.
Для изучения зависимости ударной прочности брикетов на сбрасывание от их размера было выполнено исследование по определению оптимальной фракции брикетов.
Чтобы исключить эффект поверхностного упрочнения брикетов при прессовании, при испытаниях из внутренней части крупных опытно-промышленных брикетов вырезали образцы необходимого размера. Ударную прочность брикетов определяли сбрасыванием с высоты 2 м. Максимальное количество сбрасываний - 20. Зависимость ударной прочности брикетов на сбрасывание от их размера представлена на рис. 3.
100
л"
I-
о 90 х т
0 о. с
1 80
70
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Фракция брикетов, мм
□ - для брикетов после 5 падений с высоты 2 м; А - то же, для 12 падений;
0 - то же, для 20 падений
Рис.3 - Зависимость ударной прочности брикетов от их размеров
Л Т
Г / -Х-
/ ( / >
1 7
/ /
/
Зависимость рис. 3 показывает, что размер брикетов существенным образом влияет на их ударную прочность. Анализ полученных данных позволяет установить, что оптимальный размер брикетов составляет 35-60 мм при массе 50-250 г. Это хорошо согласуется с работами авторов [5, 6]. Такие брикеты обладают максимальной прочностью. При проведении исследований целесообразно использование брикетов минимальной фракции 30 мм, лишь незначительно отличающихся по прочности от оптимальной, но позволяющей существенно минимизировать затраты. Предельный размер брикетов может достигать 100 мм и более, что регламентируется лишь заданным фракционным составом сырья для металлургического агрегата, обеспечивающего эффективную его переработку.
Выводы
Для двух рассмотренных видов шламовых брикетов - прочных и непрочных, и агломерата установлена следующая взаимосвязь: прочность на сбрасывание, определяемая в барабане, практически равна ударной прочности, получаемой после 12-го сбрасывании с высоты 2 м. При этом погрешность сравнения составляет 0,54-0,71 % (отн.).
Ударная прочность брикетов, определяемая сбрасыванием с некоторой высоты, в пределах общей постоянной высоты падения 40 м зависит от выбранной высоты единичного падения. Т.е. чем выше высота падения, тем меньшее количество падений, и тем большую степень разрушения она вызывает.
Установлено, что оптимальный размер брикетов, обеспечивающий наибольшую прочность, должен составлять 35-60 мм при массе 50-250 г.
Дальнейшие исследования следует вести в направлении накопления фактических данных, подтверждающих репрезентативность выявленных закономерностей в оценке ударной прочности для других видов материалов, используемых в металлургическом производстве.
Перечень ссылок
1. Доменное производство: Справочное издание. В 2-х т. Т. 1. Подготовка руд и доменный процесс / Под ред. Вегмана Е.Ф. - М.: Металлургия,- 1989,- 496 с.
2. ГОСТ 15137-77. Руды железные и марганцевые, агломераты и окатыши: Метод определения прочности.
3. Производство агломерата и окатышей : Справ, изд. / C.B. Базилееич, А.Г. Астахов, Г.М. Майзелъ, Н.В. Федоровский и др. - М.: Металлургия. - 1984. - 216 с.
4. ГОСТ 25471-82. Прочность на сбрасывание ферросплавов.
5. Лурье Л.А. Брикетирование в чёрной и цветной металлургии. / Л.А. Лурье - М.: Металлург-издат, 1963. - 324 с.
6. Равич Б.М. Брикетирование в цветной и чёрной металлургии / Б.М. Равич. - М.: Металлургия, 1975. -232 с.
7. ГОСТ 2787-75. Металлы вторичные. Общие технические условия.
8. Ефименко Г.Г. Металлургия чугуна //'./'. Ефименко, A.A. Гиммелъфарб, В.Е. Левченко. - К.: Вища школа, 1970. - 487 с.
9. Ожогин В.В. Взаимосвязь показателей механической прочности брикетированных материалов // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Mapiyno.ib. 2006. - Вип. 16. - С. 17-21.
Рецензент: В.П.Тарасов д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 15.02.2007
