Исследование работы прессов при холодном и горячем прессовании стальной стружки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Буренко, А. С.

• Буренко, А. С.
• 1952

Оглавление диссертации Буренко, А. С.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I - ОБЗОР СШСТВУЙШ: СПОСОБОВ ПОДГОТОВКИ ЮМЛДОЕСКОЙ СТРУЖИ ДЛЯ ПЕРЕПЛАВА В СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ

1. Обжиг стружки с последующим-дроблением

2. Дробление с тру ?кки во время ее образования.*. 5'

3. Дробление стружки в стружкодробин ках различных конструкций.

4. Пакетирование стружки вместе с доу-♦ гими легковесными отходами металла при помощи пакетировочных прессов.»

5. Брикетирование стружки при помощи различных связывающих веществ(жидкого стекла,пека,цемента и т.д.).

6. Брикетирование стружки под высоким давлением ( до 3000*4000 кг/см?)на , специальных брикетировочных прес

7. Брикетирование с электрическим подогревом по способу инж»М.Ф.Васильева

8* Непрерывное брикетирование металлической стружки в открытой матрице на фрикционных прессах, разработанное заводом ВДМ

9. Пакетирование металлической стружки на установке,разработанной проф.

Чукмасовым С.Ш.,проф,Семыкиньм И.Д» доц.Скрыпкиным П.П. ,асс.Немудрым А. а. и инж.Мельчуговым К.Н.

ГЛАВА П - ТЕОРИЯ ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ

СТРУЖКИ

1. Основные сведения о брикетах ( пакетах ) из металлической стружки.

- п

4; 2* Прессование металлической стружки в холодном состоянии.

3* Давление прессования.

4. Боковое давление

5. Потеря давления на трение о стенки пресс камеры

6. Неравномерная плотность по высоте и сечению брикетов.—

7. Явления,происходящие после снятия давления.Упругое последействие. 40,

В. Прессование металлической стружки в горячем состоянии

ГЛАВА Ш - ЭКСПЕШМЕКТ/ШЬЮЕ ЖСЛЕПОВАМЕ

УСИЛИЙ ПРИ ХОЛОДНОМ ПРЕССОВАНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ

1. Цель исследования

2. Методика проведения исследований.

3« Обобщение экспериментальных данных

4, Лабораторные опыты по прессованию стружки с предварительным ее на -грев ом

ГЛАВА 1У - 8К(ЖРИМЕИТАЛЬН0Е ПРЕССОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ С ПРВДГВАРИ -ТЕЛЬНЫМ ПОДОГРЕВОМ

1 * Цель исследования .,.

2. Описание экспериментальной установки

3. Экспериментальное исследование изменения удельного веса пакета стружки в процессе прессования.

4. Экспериментальное исследование усилий, возникающих в процессе прес -сования стружки ' - Ш - '

5. Тарировка датчиков.

6. Анализ осциллограмм,полученных при экспериментальных исследованиях.

7. Прессование в холодном состоянии предварительно отожженной стружки на пакетпрессе ПГ

8. Экспериментальное пакетирование легковесного металлолома на прессе ПР

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование работы прессов при холодном и горячем прессовании стальной стружки»

За годы сталинских пятилеток наша страна превратилась в могучую индустриальную державу. Черная металлургия,составляющая основную силу народного хозяйства,представляет у нас мощную, технически передовую отрасль народного хозяйства. Успешное претворение в жизнь планов капитального строительства, работ по сооружению гидроэлектростанций и каналов -- великих строек коммунизма, рост всех отраслей промышлен -ности, транспорта и сельского хозяйства требуют дальнейшего подъема работы черной металлургии.

Черная металлургия должна полностью обеспечить растущие потребности народного хозяйства в металле.

Грандиозные задачи перед металлургами нашей Родины поставил товарищ И.В.Сталин в своей исторической речи на предвыборном собрании избирателей Сталинского избирательного округа города Москвы 9 февраля 1946 года: и Нам нужно добиться того, чтобы наша промышленность могла производить ежегодно до 50 миллионов тонн чугуна,до 60 миллионов тонн с тали, до 500 миллионов тонн у гля, до 60 миллионов тонн нефти. Только при этом условии можно считать,что наша Родина будет гарантирована от всяких случайностей. На это дело уйдет»пожалуй, три новых пятилетки,если не больше. Но это дело можно сделать и мы должны его сделать" .

Одним из важнейших резервов,позволяющих двинуть вперед металлургическое производство, является переработка и подготовка металлолома для переплавки в сталеплавильных печах.

Металлический лом - важнейшее сырье для металлургии. Чем больше в мартеновской шхте металлического лома, тем короче продолжительность плавки, больше стали выплавляется в мартеновских; печах.

Переплавка металлолома дает большую экономию общее® -венного труда.

Для получения одной тонны стали из чугуна требуется предварительно добыть и переплавить в домне две с половиной тонны руды, израсходовать две тонны первоклассного коксую -щегося угля. Для получения сади из металлического лома не требуется добывать и плавить руду, расходовать кокс»

Если принять, что на долю мартеновского и электросталеплавильного производства придется выпуск стали около 50 миллионов тонн в год и считать наиболее целесообразный за -давать в металлическую часть шихты мартеновских печей при -мерно 50 % лома, то да выплавки 50 миллионов тонн стали потребуется 50 х 0,5 - 25 миллионов тонн в год разделанного и пригодного для переплавки металлолома.

В ломе, заготовляемом организациями и Главвторчер -мет", значительную долю составляет металлическая стружка, достигающая 22^25% от общего количества лома.

Вовлечение в сферу утилизации в наиболее качествен -ном виде всей стружки и рациональное ее использование являются одной из важных задач, стоящих перед нашим народным хозяйством»

Витая стружка при малом объемном весе ( от 0,2 до 0,3 т/м9) [з] требует для хранения больших площадей, длительное хранение ведет к ее слеживанию и окислению с образованием комков, затрудняющих последующее транспортирование и пере -работку.

При отгрузке витой стружки невозможно полностью ис -пользовать грузоподъемность железнодорожных вагонов. При переплавке витой стружки не используется полностью объем плавильных агрегатов и загрузочных устройств, что связано с удлинением продолжительности плавки и с уменьшением произ -водительности плавильных агрегатов. Кроме того, в процессе плавки стружка окисляется, угар достигает 30% [2] при этом зачастую ухудаетея качество получаемого металла.

Вопрос о рациональной подготовке металлической стружки для ее передела в сталеплавильных печах, имеющий большое значение для металлургического производства, до сих пор не получил удовлетворительного разрешения.

Разработке и исследованию рационального метода под -готовки металлической стружки для переплава ее в сталепла -вильных печах посвящена тема настоящей диссертации. ооооо----с я а ь а

ОБЗОР СУШЕСТВЖШИХ СПОСОБОВ ПОДГОТОВКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРЖИ ЖЯ ПЕРЕПША В стшташьшх речах

В настоящее время известны и применяются следующие способы переработки стружки ( фиг И ).

1, Обжиг стежки с последующим дроблением

Данный способ имел временное и ограниченное примене-ние, обусловленное недостатком в стружко-перерабатывающем оборудовании. При этом методе стружка превращалась в монолит, который с большим трудом разделывали на габаритные куски для отгрузки доменному цеху или для переплавки в вагранках. стоимость ручной разработки 1 тонны обожженной стружки составляла около 8,3 руб.

В результате обжига стружка в значительной степени окислялась, требовала для своего восстановления затраты большого количества тепла и становилась пригодной лишь как шихта доменных печей, заменяя руду. Применение в качестве шихты для доменных печей даже необожженной мелкой габарит-ф ной стружки нельзя считать экономически целесообразным,так как при этом сталь вновь превращается в чугун.

Coceara /с^ассисрикации cnocoSoê

7GpejOCÓa/r>A: с/ С/прудки.

2, Дробление стружки во время ее образования

Дробление осуществляется непосредственно в процессе резания с помощью резцов со стружкодробящими канавками и порожками на пластинках из твердых сплавов> с накладными или наварными стружколоматеяями и резцами с отрицательным пе -редним углом. В этом случае не требуется устаговш специальных стружкодробилок. Если заготовительная цена за тонну дробленной стружки составляет 100%, за недробленную - 80%, то сбытовая цена за дробленную стружгсу - 140% и за недробленную - 90%. Таким образом, операция по дроблению стружки увеличивает ее стоимость примерно в 1,6 раза.

Дробленная стружка более транспортабельна и может быть без затруднения загружена в мульды. В печи, как и в мульдах, дробленная стружка ложится плотнее недробяенной, но поверхность окисления ее остается большой, при этом угар металла все же высок.

3« Дробление стр.ужки в стружкодробилках различных конетрушиЙ [д]

Недостатки, присущие этому методу,, таковы:

1) насыпной вес дробленной стружки мал ( 1, 0 -- 1,2 т/м8); [2]

2) производительность стружкодробилок незначительна ( до 1,5 т/час ),* [з]

3) расход мощности на тонну стружки велик ( до 15 квт ); [б]

4) при возможном и, практически, довольно частом попадании в стружку различных стержней, массивных обрезков металла, болтов и т.д. происходят частые и серьезные аварии стружкодробилок.

4. Пакетирование стружки вместе с другими легковесными отходами металла при по -мощи пакетировочных прессов

Технология пакетирования стружки заключается в еле дующем.

В загрузочный бункер пакетир-пресса магнитным электрокраном загружают сначала небольшую порцию листовой обре-зй, затем стружку и сверху последней вновь листовую обреаь. Давлением обжатия стружка заключается в оболочку из листовой обрези. Получаемые пакеты при размерах 500x500x600 т ^ 800 мм имеют вес до 0,5 т. Удельный вес пакета доходит до 2,5.

Затраты на пакетирование стружки значительны и стоимость пакетированной стружки повышается до стоимости лома для сталеплавильных цехов, в 2,3 раза превышающей стоимость стружки, идущей в доменный цех [?] .

Недостаток этого способа заключается в относительно малом количестве стружки в пакете ( до 30 % от веса пакета), в связи с ее большой упругостью и малой прочностью пакета.

Такой метод применим только на предприятиях, располагающих листовой обрезью.

Брикетирование стружки при помощи различных связывающих веществ ( жидкого стекла, пека« цемента и т.д. )

Брикетирование таким способом является весьма трудоемким процессом при низкой производительности, требует де -Фвдитйых материалов и дает высокую себестоимость переработки. Введение неметаллических добавок в брикет увеличивает время расплавления, расход топлива и количество шлака при плавке.

6. Брикетирование стружки под высоким давлением ( до 8000*4000 кг/см2 ) на специальных брЕкетисювочных прессах

Брикеты, получаемые из чугунной и стальной стружки с содержанием углерода до 0,7 %, должны отвечать следующим условиям [б] :

1) объемный вес ( плотность ) не менее 4,5 кг/дцм3;

2) вес одного брикета не менее 1 кг;

3) брикеты должны быть высококачественными и обла -дать большой прочностью»

Проверка качества брикетов производится тщательным их осмотром и испытанием путем трехкратного сбрасывания двух брикетов от каждой партии весом 20 т с высоты 1,8 м на стальную плиту. При этом допускается разламывание брикетов на отдельные куски весом не менее 0,5 кг.

Стружку перед брикетированием дробят в стружкодро -билках и обезжиривают в центрофугах или обжигают в бара -банных печах.

Конструкции и типы брикетировочных прессов довольно разнообразны. Применяются прессы с электрическим и гидравлическим приводом, с вертикальным и горизонтальным движе -нием брикетирующего пуансона.

Наиболее удачной конструкцией является гидравлический брикетировочный пресс с вертикальным движением пуансона ( фиг.2 ).

Станина пресса, воспринимающая полностью усилие брикетирования, состоит из фигурного литого башмака 1, внутренняя полость которого образует рабочий цилиндр,двух колонн 2 и литой траверсы 3.

Прессование стружки производят поочередно в одном из четырех формовочных стаканов поворотного стола 4, вращаю -щегося вместе с подставкой 5 вокруг одной из колонн пресса,

Стружку прессуют в том формовочном стакане, ось которого, при данной установке стола,совпадает с осью рабочего цилиндра в башмаке 1. Верхнее отверстие при прессовании закрыто непо -движньш пуансоном 6, укрепленным на траверсе 3 станины, Шж нее отверстие формовочного стакана закрыто шайбой 7. Шайба 7 опирается на внутренний бурт формовочного стакана, который препятствует выпаданию ее вниз; шайба удерживает от высыпа -ния из стакана загруженную в него стружку и может свободно перемещаться вверх под давлением нижнего пуансона 3.

При брикетировании рабочую жидкость подаю® в цилиндр башмака 1. Под давлением рабрчей жидкости плут-ер 9 подни -мается вместе с пуансоном 8 и шайбой 7, которая производит сжатие стружки. Шайба при этом защищает пуансон от износа, который имел бы место при непосредственном соприкосновении пуансона с брикетируемой стружкой.

Получаемые брикеты имеют плотность от 4,5 до 7кг/дцм3 и являются высококачественным сырьем для сталеплавильного производства. Брикеты в печах плавятся постепенно без рас -падения, кроме обычного окисления на поверхности, никакого окисления внутри брикета не происходит.

Однако, для этого способа брикетирования трубется весьма большое давление, наличие мощных прессов, что свяэа -но с высокими первоначальными затратами и с квалифицирован -ным уходом за оборудованием. Кроме topo, брикетировочные прессы отличаются малой производительностью ( от 0,5 до 6 тонн в час ), при значительном расходе электроэнергии ( от 16 до 88 квт в час ) [з] .

7» Брикетирование с электрическим подогревом по способу инж.М«Т«Васильева

Схема брикетирования стружки с электрическим подогревом представлена на фиг.З. От вторичной обмотки трансформатора с напряжением на зажимах 12-24 вольта электрический ток идет к пуансонам, изолированным от машины, и, проходя через стружку, нагревает ее до пластического состояния. После нагрева этими же пуансонами стружку спрессовывают в брикет [5].

Пресс системы инж,М.Т.Васильева ( фиг. 4 ) по своему конструктивному оформлению напоминает обычный брикетировоч-ный пресс.

Чугунная плита 1, литая станина 2, две стальные стойки 3 и траверса 4 образуют станину пресса, в которой замы -каются усилия, возникающие при брикетировании.

Прессование производят поочередно в одной из четырех матриц 5 поворотного стола ь» В рабочем положении стол за -крепляют пружинным фиксатором 7, который при повороте стола

Фиг.4 отводят нажатием педали 8.

Прессование стружки производят пуансоном 9, который прикреплен к концу штока 10 поршня 11. Поршень 11 переме -щается под действием сжатого воздуха в пневматическом ци -линдре 12, прикрепленном к плите 1.

Во время брикетирования матрица закрыта сверху пуансоном 13 гидравлического упора, установленного на траверсе 4, эта траверса одновременно является масляным резервуаром. Пуансон 13 гидравлического упора укреплен на конце штока поршня 14, который перемещается под давлением масла в ци -линдре 15 гидравлического упора. Масло подается из резер -вуара в цилиндр под давлением сжатого воздуха. Во время брикетирования выход масла из цилиндра закрыт клапаном.

Электрический ток для нагрева стружки подведен к пуансонам» которые изолированы от штоков и от всей машины. Матрицы собраны из стальных колец, разделенных изоляционными прокладками. При такой конструкции матриц подводимый к пуансонам ток может проходить от одного пуансона к другому только через брикетируемую стружку, разогревая ее. При разогреве сначала подают воздух под поршень 11 и стружку немного сжимают, чтобы ее омическое сопротивление не было слишком велико. Затем воздух подают на другую сторону поршня 11, что препятствует его дальнейшему движению. После того, как стружка разогрелась, воздух из верхней части пневматического цилиндра 12 выпускают и производят прессование.

По окончании прессования пуансон гидравлического упора поднимают, а нижний пуансон дальнейшим движением вверх вы -талкивает готовый брикет на стол. При повороте стола брикет наталкивается на специальный упор и по лотку скатывается в приемный ящик.

Оба пуансона и матрицу во время брикетирования охлаждают водой, подводимой гибким шлангом. Загрузку матриц стружкой производят из бункера специальным загрузочным аппаратом. Техническая характеристика пресса: диаметр матрицы ( в зависимости от мате риала брикетируемой стружки ) . 80-140 мм производительность пресса. 90 брикетов в час вес брикета из стальной стружки. 4-6 кг давление воздуха в магистрали. 6 ати расход сжатого воздуха на 1 брикет.«, 1 м3 о удельное давление на брикет. 200-600 кг/см расход воды на охлаждение. 0,8 м3/час габаритные размеры пресса. 1700x1700 х

Х4527 мм высота пресса над полом. . 2380 мм вес пресса .8500 кг

Основным преимуществом брикетирования стружки с электрическим подогревом,по сравнению с холодным брикетированием, является возможность получения брикетов высокой плотности (до 7 кг/ дцм3) при значительно меньших усилиях прессования. Этот способ, однако, не получил распростране ния в силу присущих ему недостатков:

1) расход электроэнергии составляет около 130 квт на одну тонну брикетов, что почти в 10 раз превышает расход энергии при холодном брикетировании; перед брикетированием стружку необходимо дробить, тщательно обезжиривать, промывать и просушивать;

3) малая производительность ( 0,36 - 0,54 т/час);

4) при возможном попадании в стружку кусков металла резко понижается производительность;

5) высокая себестоимость брикетов.

8» Непрерывное брикетирование металлической стщжки в открытой матрице на фрикционных прессах, разработанное заводом ВДМ [б]

Принципиальная схема установки приведена на фиг.5* Как видно из данной схемы, дробленная стружка загружается б приямок, откуда ковшами транспортера 1 переносится в приемный бункер 2, установленный над загрузочным приспособлением 3. Когда толкатель 4 загрузочного приспособления отводится в крайнее заднее положение, он полностью открывает выходное о'кно бункера. Стружка из бункера проваливается в желоб, по которому, при ходе толкателя вперед,проталкивается в матрицуПод давлением пуансона 6 фрикционного пресса стружка, поступившая в матрицу, спрессовывается в брикет» Брикет проходит конусную часть матрицы и отверстие в

Фиг. 6 станине 7, На заданной длине брикет нажимает пневматический клапан сламывающего механизма В, расположенного под станиной пресса. Клапан открывается, приводит в действие сламывающий механизм, который ломает брикет и сталкивает на рольганг 9. По последнему брикеты попадают в короб 10. По заполнении короб убирают и заменяют другим.

Стружка подвергается прессованию при удельных давле -ниях 2200-2700 кг/см2 в зависимости от рода стружки. Объем стружки при этом уменьшается: чугунной в два-три раза,стальной в пять раз. Получаемые брикеты имеют удельный вес от г

4,5 кг/дам3 до 6 кг/дцм3.

Этот метод требует предварительного дробления вьюно образной стружки. Величина дробления до 250 мм. Максималь р ное сечение стружки допускается до 25 ммс, толщина не более 1,5 мм. Стружка должна предварительно обезжириваться, подвергаться отсортировке от крупных кусков металла. Обтироч -ные материалы и мусор из стружки удаляются.

Потребность в мощных фрикционных прессах, стружко -дробилках, вращающихся барабанных печах для обезжиривания стружки, связана с высокими первоначальными затратами и со сложностью ухода за оборудованием; кроме того, быстрый износ матриц и пуансона, недостаточная прочность брикетов,малая производительность оборудования ограничивают примене -ние этого метода.

9. Пакетирование металлической стружки на установке, разработанной проФ.ЧУКмасовым С.Ф. ,просЬ. Пемикиньм ж.Д»дш.Скрыпкиным П.П.,асс.Немудрым A.A. и ияж.Мельчуговым К.Н.

Такая температура нагрева стружки, согласно подсчетам проф. и,Д.Семыкина,обеспечивает необходимую пластичность ш малые потери на угар ( фиг.7 и 8 ),

Низ печи является камерой прессования. Во время нагревания стружки поршень пресса 2 заполняет всю эту камеру, его верхняя часть служит подиной печи.

Работа механизма пресса рассчитана так, что в пределах основного прессования процесс производится при включенном электромоторе. На участке же окончательной допрессовки ( на пути в 50 мм ) работа производится при выключенном моторе за счет использования кинетической энергии вращающихся масс, с этой целью на одной оси с вращающимся валом мотора насажен маховик, обеспечивающий заданную плотность пакета.

Такое использование кинетической энергии для допрессовки пакета имеет следующие преимущества:

1) плотность пакетов будет одинакова;

2) остановка механизма происходит плавно;

На случай возможного наличия в стружке кусков металла предусмотрены следующие предохранительные устройства:

1) фрикционная муфта, помещаемая между маховиком и механизмом;

2) буферная система, рассчитанная на предельную, безопасно допускаемую для механизма, нагрузку.

При этом предусмотрены следующие параметры:

1) размеры пакета 800 х 300 х 40 мм;

2) вес пакета около 30 кг;

3) плотность пакета 3,0 кг/дам3;

4) производительность установки - 2 т/час.

Описанная установка еще не построена,поэтому еде лать выводы о ее работе пока невозможно. Однако можно отметить следующие недостатки.

1) Шахтная печь для нагрева стружки нецелесообразна. Стружка е печи будет зависать и не будет поступать самоте -ком в камеру прессования. Поэтому необходимо иметь дополнительный механизм для перемещения стружки в печи.

2) Собственным весом нижние слои стружки будут в значительной степени спрессованы. Для отделения порции стружки, подлежащей прессованию, предусмотрен специальный нож, приводимый в движение отдельным механизмом. Работа ножа не надежна, так как при возможном попадании крупных кусков металла, неизбежны его поломки.

3) Малый удельный вес брикетов.

4) Пакеты при длине 800 мм и толщине 40 мм будут обладать малой прочностью, не будут выдерживать бросков и кантовок.

5) За время рабочего хода поршня равного 25 сек. стружка успеет в значительной мере охладиться, что намного снижает эффект подогрева.

6) Наличие механизмов для перемещения стружки, ме -ханизма для привода ножа усложняет установку.

Из анализа существующих способов переработки стружки можно сделать заключение, что ни один из них не является вполне эффективным. При этом могут быть установлены следующие основные требования, которым должна удовлетворять рациональная схема переработки стружки.

1) Переработка стружки должна производиться на ме -стах ее образования с тем, чтобы на металлургические за воды транспортировалась уже подготовленная к переплавке стружка, со значительным объемным весом.

2) Установка для переработки стружки должна иметь такую конструкцию, чтобы ее было экономически целесообразно сооружать на местах накопления стружки.

3) Установка должна быть дешева и проста в изготов -лении, иметь высокую производительность, обезопасена от поломок в случае попадания в стружку кусков металла.

4) При большой плотности пакеты должны иметь размеры, увязанные с размерами мульды*

Перспективной является идея проф. ^укмасова О.Ф. --пакетирование металлической стружки с предварительным ее подогревом в нагревательных печах. При этом предусмотрено для уменьшения давления, необходимого при получении плот -ного и прочного пакета, снижение упругих свойств стружки.

Для этой цели стружка, перед пакетированием и во время его, должна быть нагрета до температуры, обеспечивающей необходимую для технологического процесса прессования ее пластичность. ооооо

ГЛАВАИ

ТЕОРИЯ ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ. СТОЖКИ

При холодной обработке вязких металлов в процессе резания образуется два типа стружек: 1) элементообразные и 2) непрерывные. По внешнему виду эти два типа стружек резко отличаются друг от друга. Стружки первого типа являются расчлененными на элементы, стружки второго типа имеют вид непрерывных лент [ю] .

Процесс прессования стружки на брикетировочных и пакетировочных прессах до настоящего времени не имеет удов -летворительного, достаточно полного и экспериментально обоснованного, объяснения.;

Попытка частичного решения вопроса теории прессова -ния стружки явилась задачей этой главы.

1. Основные сведения о брйкетах (пакетах) из металлической стружки

Брикеты металлической стружки можно отнести к обширной группе тел с неполным ( частичным ) контактом между

1 . структурными элементами [11] .

Контактная поверхность определяется величиной участ-, ков поверхности, через которые передаются напряжения от одного соприкасающегося тела ( частицы ) к другому.

Таким образом брикет представляется телом, состоящим из металлических: частиц и межчастичных ( внешних ) пустот.

Объемная характеристика брикетов может быть выражена с помощью одной из следующих величин.

1) Объемный вес ( плотность ) X - вес единицы объема тела, выражается в г/см8.

2) Весовой объем V - объем единицы веса брикета, выражается в см3/г:

У^Т . ( 1 )

4) Относительный объем V"'- отвлеченное число, по -казывающее во сколько раз объем брикета больше объема материала брикета, выражается неправильной дробью или в % У'>'1 или \Л>100 % ), ^ ( 3 )

5) Пористость П - характеризует долю объема, зани-- маемую пустотами, выражается в % ( П <100 % )

П = 1 или

П = 100 % - ^ . ( 4 )

Зависимость между коэфициентом пористости и порис -тостыо выражается формулами: ( б )

8 = . ( 7 )

Вместе с объемом меняется величина и всех других характеристик брикета.

В дальнейших рассуждениях нам придется пользоваться приведенными величинами, то-есть величинами, соответствую -щими сплошному телу, той же массы, что и брикет. а) Приведенный объем брикета Уе - объем материала брикета.

2. Прессование металлической стружки в холодном состоянии

При прессовании стружки в пресскамере уменьшение ее объема происходит за счет перемещения отдельных частиц стружки относительно друг друга, уменьшения объема пусто! и за счет деформации самих частиц.

Частицы стружки могут одновременно подвергаться упругой, хрупкой и пластической деформации. Контактные явления сложны, ибо контактные участки частиц расположены во многих слоях и во всех направлениях к приложенному давле -нию. Изменение размера контактной поверхности и ее смеще -ние происходят под действием нормальных, тангенциальных или нормальных и тангенциальных сил.

Напряжения передаются только через плоскости кон -такта, площади которых не одинаковы для ряда параллельных сечений стружки. Все участки поверхности контакта между частицами являются " напряженными При этом напряжения на единицу площади проекции контакта на плоскость, нормаль -ную к давлению, в каждом участке одинаковы и равны - критическому напряжению, при котором начинается необратимая деформация.

Контактная поверхность частиц стружки увеличивается с давлением.

В отличие от сплошного металла, в стружке разные сечения плоскостями, нормальными к давлению, имеют неодина -ковую площадь, занятую металлом. Нас интересуют прежде всего сечения с минимальной поверхностью металла. Они,являясь самыми слабыми местами с наибольшей концентрацией напряжений, определяют прочность и поведение стружки при дефор -мации. Наиболее слабым сечением с минимальной площадью яв -ляется сечение ломаной поверхностью, проходящее исключи -тельно через пустоты и участки взаимного контакта.

Суммарная площадь контактных участков этой поверх -ности наименьшая, а соответствующее ей напряжение (5* наибольшее по сравнению со всеми другими сечениями. Обозначив;

6«- критическое напряжение,при котором начинается пластическое течение материала стружки;

1 проекцию контактной поверхности горизон тального одиночного слоя на горизонтальную плоскость и рассматривая стружку,как совокуп ность компактных тел (частиц),можно написать согласно закону Г^ка

5-к . ( 10 ) где Р - давление прессования.

Таким образом, мы вправе распространить закон Гука на контактную поверхность горизонтальных одиночных слоев, перпендикулярных к давлению.

13 формулы ( 10 ) следует, что поверхность любого одиночного горизонтального слоя одинакова ( если пренебречь потерями давления на трение стружки о стенки пресскамеры ).

При упругой деформации литых металлов.напряжения изменяются пропорционально внешней нагрузке, сечение считают практически постоянным, пренебрегая его незначительным изменением. При пластической деформации стружки, наоборот, в соответствии с формулой ( 10 ) напряжения ( если пренебречь упрочнением) практически постоянны, а площадь контактного сечения £» изменяется .пропорционально нагрузке.

Всякое ( даже самое незначительное ) уплотнение стружки вызывает увеличение контактной поверхности частиц.

Пластическая деформация частиц возрастает с мягкостью металла и с давлением прессования. Наибольшую деформацию показывает стружка из мягких сталей, а наименьшую - стружка легированных сталей. Пластическая деформация частиц локализуется в участках взаимного контакта, испытывающих макси -мальное напряжение, равное Сэ* .

Прессование вызывает уменьшение как межчастичной,так и внутричастичной пористости. В первую очередь при прессовании заполняются наиболее крупные цустоты.

Изучение структуры брикетов и пакетов показывавт,что обжатие стружки, в основном, происходит за счет взаимного перемещения частиц, скольжения, сплющивания, разрушения витков стружки, сопровождающееся заполнением пустот металлом.

Процесс прессования стружки можно представить так.

При засыпке стружки в камеру прессования, отдельные стружки располагаются под действием силы тяжести с пустотами, соответствующими свободной загрузке. При этом частицы располагаются беспорядочно, площади их соприкосновения между собой невелики. Под действием прилагаемого давления идет процесс уплотнения стружки. Вначале, при малых давлениях,уплотнение происходит за счет взаимного скольжения стружек. Перемещение частиц в направлений прессования, под действием прилагаемой нагрузки, протекает неравномерно. Некоторые частицы стружки, находящиеся в особо благоприятных условиях, перемещаются в ближайшие пустоты в известной мере свободно, при незначительном трении о поверхности соседних частиц, с которыми они только слабо соприкасаются; скорость перемещения этих частиц приближается к скорости движения штемпеля.

Скорость перемещения других частиц тормозится значительным их трением о поверхность соседних частиц, с которыми они могут находиться в полном контакте, и особенно о поверхность стенок пресскамеры. В результате возникает неравномерная плотность в сечении прессуемого брикета: у штемпеля плотность будет наибольшей у краев, у днища - напротив, в середине.

При некотором значении давления ( разном для стру -жек различных марок стали)достигается такая степень плот -ности, при которой дальнейшее уплотнение стружки за счет скольжения частиц оказывается невозможным, и идет за счет изменения формы частиц, сплющивания и дробления витков или лент стружки.

Процесс деформации протекает при более высоких удельных давлениях прессования. Нельзя,однако, представлять себе процесс резко разграниченным на две стадии: скольжение и деформацию. Напротив, деформация отдельных частиц начинается уже при малых давлениях, так же как скольжение продолжается и при высоких нагрузках, однако, в первой стадии прессования преимущественное значение в уплотнении стружки имеет относительное скольжение частиц, во второй преобла -дает деформация.

Чем пластичнее металл, тем при более низких давле -ниях начинается уплотнение за счет деформации частиц стружки. Для металлов, имеющих высокий предел текучести, стадии скольжения и деформации резче разграничены одна от другой

В процессе прессования относительная плотность прес суемой стружки возрастает, частицы приходят в непосредственный кантакт и неравномерно деформируются; с увеличением давления площадь контактов непрерывно возрастает, вместе с плотностью возрастает прочность брикета, обусловленная воз никновением связей между ранее обособленными частицами.

Межчастичные связи можно объяснить механическим сцеплением, понимая под этим "заклинивание", "зацепление" или "переплетение" частиц своими выступами и ответвлениями и действием сил сцепления между металлическими поверх -ностями, то-есть сил взаимодействия между молекулами кон -тактируемых плоскостей ( при больших давлениях ).

3. Давление прессования

Давление прессования Р затрачивается на:

1) преодоление трения частиц друг о друга и уплотнение стружки при отсутствии потерь на внешнее трение частиц о стенки пресскаыеры; этот компонент давления можно назвать давлением уплотнения Р;

2) преодоление трения частиц стружки о стенки пресс-камеры Рг ;

3) деформацию частиц стружки, вызванную яеравномер -ным распределением давления и плотности в разных местах прессования В ,

Суммарное давление прессования Р'Р+Й + Рз назовем полным давлением прессования или просто давлением прессовав ния. а) Зависимость между давлением уплотнения и деформацией при прессовании стружки

Для компактных (литых ) металлов зависимость между упругой деформацией и сжимающим нормальным непряжением выражается законом Гука. си.) где Р - нагрузка;

В - площадь поперечного сечения тела; напряжение;

Н - длина ( высота ) тела; о!К - бесконечно малое приращение деформации; ко - первоначальная длина ( высота ) тела;

Е - постоянный коэфициент - так называемый модуль нормальной упругости ( модуль Юнга ).

Аналогична зависимость мевду давлением и деформацией и в случае прессования металлической стружки .

Пусть е пресскамере уплотняется брикет с " приведенной" высотой [и . Под нагрузкой Рпр имеет высоту Ь (фиг.9). При увеличении давления на ¿9 высота уменьшится на сМ . Напряжение в брикете определяется делением нагрузки РпГ на площадь " контактного " сечения ¿н . Пропорциональная зависимость между приращением напряжения и деформацией выразится в этом случае формулой: (12) I где К - если пренебречь упрочнением, - постоянный коэфи -циент, в известной степени, аналогичный модулю Юнга. I

Практически удобнее относить не к начальной высоте засыпки, а к "приведенной" Еысоте брикета Иг , то-есть фиг. 9

Ф иг. 10 к его высоте при 100%-ной плотности ( нулевой пористости).

Вместо суммарного давления £!Рудобнее взять удельное давление р на единицу площади поперечного сечения брикета ( " контактного"сечения ). Тогда:

•тК-^-К^', . (18, А й/Ь где V - относительный объем брикета ( можно заме нить через ^ , так как при постоянном сечении брикета объем изменяется так же, как и высота),а

К = ьГ^'"^7 "ЯоК , . (14) где Уо' - относительный объем и

• относительная плотность стружки дб прессования. Изменение объема брикета происходит за счет уменьшения пустот. Поэтому можно относить деформацию не к начальному или конечному ( "приведенному") объему ( высоте), а к начальному объему пустот. В этом случае: где 1)1<"

Модуль К связан с величиной Ь формулой:

К = = . (17)

Величину I , как один из сомножителей модуля \( ,можно назвать фактором прессования, а К " приведенным " моду лем прессования.

Подставив в формулу (16) вместо равное ему отно

I./' г шение <Р ,получим:

На основании формул (16) и (18) можно определить I , как фактор, показывающий, во сколько раз относительное при ращение контактного сечения -^г или давления р боль ше, чем уменьшение относительного объема .

Интегрируя дифференциальное уравнение (16),получим:

Ьпр^ = .(19) где ртв*- удельное давление, соответствующее максимальной степени уплотнения, когда У'- 1 Переходя для удобства от натуральных к десятичным ло гарифмам и учитывая, что ЕпХ= ^ , где е - основание натуральных логарифмов, получим:

19а) где ¿ = {уе I * 0,к5к I .(20 ) и - фактор прессования.

Интегрируя дифференциальное уравнение (18),получим: {21 ) где £' - площадь поперечного сечения брикета ( или - что то же - площадь "контактного" сечения при 100% --ном уплотнении, когда У1).

Уравнение ( 19 а) в координатах относительный объем

• логарифм удельного давления, изображается графически прямой линией ( фиг.Ю ). Прямая характеризуется двумя параметрами.

В качестве первого параметра лучше всего взять точку, соответствующую Ь^ рмаж, в качестве второго параметра

• тангенс угла наклона на оси абсцисс, равный фактору прессования Z . Значение для случая отсутствия потерь давления на трение стружки о стенки пресскамеры и деформа » цию элементов стружки легко определить. При максимальной степени уплотнения площадь контактного сечения равна всей площади поперечного сечения, в данном случае единице (так как удельному давлению -рт»* соответствует сечение, равное единице ). При этом давление р^х , нужное для доведения брикета до полной компактности (V'* {) , очевидно, равняется критическому напряжению бк .

Если измерять удельное давление и в кг/мм^,то: ртм - - Им ^ На . (22) где Им - твердость по Мейеру; Не - твердость по Бринелю. В реальных условиях прессования L - переменная ве личина. б) Зависимость усилия прессования от степени обжатия

Значения фактора прессования значительно изме -няются даже в небольших интервалах давлений.

Фактор L в дифференциальном уравнении прессова -ния ( 16 ) f-г можно представить в виде функции р к. - HL

Z " 0,434 " V' ' . ( 23 ) где т=соп^1 в довольно значительном интервале давлений. Тогда „ f-tdV-m<$ . (Э4)

Интегрируя уравнение (24): в интервале, где т-const ,получим: p V'm сопД . ( 25 )

Предположив, что V = i- » получим р равным макси -мальному удельному давлению рmax , нужному для доведения брикета до вполне компактного состояния: рта* = Const . ( 26 )

Пренебрегая потерями давления на трение о стенки пресскамеры получим: рШЯУ — (Эк Yna.fi где (о*™*- максимальное критическое напряжение ( давление течения металла). В этом случае:

Эытах Ь (27)

В соответствии с формулой (23) при относительном объеме У'-1 значения фактора I и показателя прессования т равны.

Так кйк у'- ^ , где - относительная плотность брикета, то уравнение С25) можно представить также в виде: (р8)

Логарифмируя уравнения (25) и (2В), получим П? Ц V' = р™*? = »ах . (29)

• |П = рл.** = Ц бкшях . (30)

В графической форме уравнения (29) и (30) изобра -жаются в виде прямых ( фиг,11 ).

Наклон прямой к оси абсцисс равен показателю прес -суемости т , а отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, равен логарифму максимального удельного давления прессования ( в идеальном случае, при отсутствии потерь на трение в пресскамере,-логарифму максимального критического напря

Фиг. il г. 12 жения).

4, Боковое давление

Предположим, что брикет доведен до 100%-ной плот -ности и находится под действием вертикального давления.Йр Вьщелим кубик с ребрами длиной 1 см, параллельными осям: координат, причем ось параллельна давлению, и рассмотрим схему действия сил ( фиг.12 ).

Давление р*,* вызывает сжатие кубика в вертикальном направлении ( ось 2. ) и расширение в горизонтальном на -правлении ( осиХи^).

Стенки пресскамеры можно считать абсолютно жесткими, так как кубик не может расширяться, то при прессовании возникают боковые напряжения р<г.

Поперечное расширение в направлении оси X пропорционально коэфициенту Дуассонау и вертикальному давлению pop и обратно пропорционально модулю упругости Е , рпр то-есть равно*

Боковое давление pf в направлении оси У также

• Рг вызовет расширение по оси -X , равное у е

Следовательно, суммарное расширение вдоль оси X оавно f Т В

Боковое давление los- вдоль оси X вызовет сжатие по оси X » равное •

Так как боковое расширение кубика фактически невоз -можно, точ суммарное расширение вдоль осиХ должно равняться сжатию по этой оси,то-есть

Рпр , Рб- Ь£ у ^ ' V

Откуда

М- * у, ^ < )

Р"Г Д "У .С ;

Такую же зависимость можно вывести и для бокового давления по оси У.

Величина у , то-есть отношение удельного бокового давления р* к удельному давлению прессования, равное для компактного брикета , называется коэфициентом бокового е/ давления.

Зависимость между У иу можно представить также в виде:

У ( 32 ) "

Определим величину коэфициента бокового давления у' и коэфициента Пуассона у' для не вполне плотных брикетов, исходя из следующих предпосылок.

Коэфициент Пуассонанеплотного брикета должен быть связан с коэфициентом бокового давления у' той же зависимостью, что и для компактного металла, то-есть:

У . ( 34 )

Откуда

У 1+<&у . С Л

Из формулы ( 33 ) следует, что мы можем пользоваться вместо нее формулой ( 31 ) и для неплотных брикетов,если вместо 'номинальной боковой поверхности возьмем приведенную р боковую поверхность ( 1 см- номинальной боковой поверхности. Л неплотного брикета соответствует тЯ- см приведенной поверхности) .

При расчетах следует иметь в виду, что коэфициент характеризует отношение бокового давления не к полному давлению прессования, а только к его части, остающейся после вычета потерь на трение.

5. Потеря давления на трение о стенки пресскамеры

Рассмотрим брикет высотой И с относительной плот -костью & , находящийся в цилиндрической пресскамере диаметром 2) под удельным давлением Рт ( фиг.13 ). Общее давление о на брикет 1 пР * 7Г гпр *

Давление на 1 см2 боковой поверхности брикета рг ,в соответствии с формулами ( 31 ) и {33), можно представить . ( при уелобщ незначительных размеров брикета ), как ргвУ'р»г где У - козфициент бокового давления для относительной плотности брикета оЯ Вся боковая поверхность брикета равна ЗГЯ>Ь и суммарное давление Р* на нее составит:

Pf -ЯфЬ ?* ь рт - У&ЯФ ь р»г > . (36) где У - козфициент бокового давления при = 100 % ;

Ы - приведенная высота брикета ( высота при т9 =100%). Из формулы (36) следует, что общее давление на боковую поверхность брикета равно произведению удельного давления прессования на приведенную боковую поверхность брикета и на козфициент бокового давления компактного металла.Таким образом, суммарное боковое давление зависит только от дав -ления прессования, а не от пористости брикета.

Потеря давления на трение стружки о стенки пресска -меры а Р равна:

Фиг. 13.

•i - Ч**' L —'

Фиг. И. лР^Р . ( 37 ) где - коэффициент трения стружки о стенки пресс камеры. Из формул (36) и (37) следует, что (38)

Отношение потери давления лР к суммарному давлению прессования ЙР равно: лр / у

Потерю давления на трение лР равную силе трения можно определить по разности давлений прессования РпГ и давления брикета на днище пресскамеры Рр , г-р-Рп?-рг . . ,

Давление материала на днище пресскамеры в процессе прессования легко определяется экспериментально.

Формулы ( 36 ) - (39 ) действительны только при незначительной величине Ьг . На самом деле, например,формула ( 39 ) в точности соответствует действительности только при бесконечно малой величине (и ,то-есть

• 4- чз ж ,

Рпр I Ю . (40 )

Интегрируя это равенство, получим: & - - 6, . (41) где Р^ - давление прессования у штемпеля;

Цн- давление на днище пресскамеры на расстоянии и от штемпеля; к - постоянная величина. Сила трения Р = РпР Щ* ; а отношение

Р Рпр V

Рпр = Рпр Р»р ^ Величина приближается к £п ^ при отноше нии близком к единице. С увеличением Иг ,то-есть потерь давления, ¡- становится меньше, чем ¿п

Поэтому из формулы (40) следует, что с увеличением Нг потери давления и сила трения стружки о стенки пресскамеры растут не пропорционально* И; , а менее быстро ( особенно при больших значениях ^ ).

6» Неравномерная плотность по высоте и сечению брикетов

Потеря давления на трение стружки о стенки пресска-' меры ведет к неравномерному распределению плотности как по высоте, так и по сечению брикета.

Падение давления по высоте определяется формулой

Выражение 1п ^ можем заменить приближенно через где - падение относительной плотности брикета на высоте ИГ от штемпеля;

П- коэфициент пропорциональности,который зависит от свойств стружки в том же направлении, что и модуль L и по казатель прессования m .

При этом мы получим: a -c.hr . (4г) где С - постоянный в некотором интервале коэфициент про порциональнос ми

Таким образом, потеря плотности по высоте брикета пропорциональна расстоянию кг ( в приведенных единицах) от пуансона.

Из формулы (42) следует, что падение плотности пропорционально расстоянию tu от штемпеля и подчиняется следующим закономерностям:

1) падение плотности уменьшается с уменьшением коэ-фициента трения | ;

2) падение плотности по высоте возрастает с увеличе нием коефициента бокового давления j' ;

3) падение плотности по высоте уменьшается с увеличением диаметра пресскамеры.

7.Явления,происходящие после снятия давления«Упруroe последействие [й]

Процессы, протекающие в брикете после снятия давления, оказывают влияние на плотность и прочность брикета.

При прессовании брикета внешнее давление,передававмое через штемпель, уравновешивается равными и противоположно направленными внутренними упругими силами. Внутренние упругие силы развиваются не только в направлении давления, но и во всех других < боковое давление ), уравновешиваясь реакцией боковых стенок пресскамеры.

При снятий давления эти внутренние упругие силы освобождаются и под их влиянием брикет стремится к всестороннему расширению. Давление в направлении прессования ( продольном ) значительно большее, чем в поперечном. Поэтому упругое последействие наиболее выражено в продольном на -правлении.

По снятии давления расширению брикета в поперечном направлении препятствуют боковые стенки пресскамеры, а в продольном - трение о боковые стенки. Поэтому действие внутренних напряжений проявляется, главным образом, после выталкивания брикета из пресскамеры. В известной степени упругое последействие может сказываться и до удаления.брикета из пресскамеры.

На расширение брикета при упругом последействии оказЫ' вают влияние факторы, уменьшающие прочность связи между частицами брикета.

1) Упругое последействие возрастает с падением шеро -ховатости стружек и повышением удельного веса стружки.

2) Расширение возрастает с твердостью исходного ме -талла, так как при этом повышается роль упругой деформации по сравнению с пластической и понижается прочность брикетов.

В» Прессование металлической стружки в горячем состоянии

Основным решающим фактором в процессе прессования металлической стружки является пластичность.

Термин " пластичность " характеризует состояние тела, при котором оно под действием внешних сил получает остаточные деформации.

При прессовании стружки большая часть прилагаемого давления расходуется на деформацию стружки и уменьшение пустот. Повышение пластичности резко снижает расход энергии на прессование и способствует увеличению контактной поверхности х/ и, следовательно, упрочнению пакета .

Нагрев стружки способствует увеличению ее пластичности и более эффективному контактированию.

При горячем прессовании можно получить пакеты с плотностью, приближающейся к плотности литого металла при давлениях прессования в несколько раз меньших по сравнению с хо -лодным прессованием. С повышением температуры горячего прес -сования уменьшается величина критического давления и давле -ния, необходимого для уплотнения стружки до определенной степени.

До настоящего времени в литературе совершенно нет данных об экспериментальных исследованиях процесса горячего прессования стальной стружки и теоретического его обоснования. х/пакетом мы условимся называть прессовки металлической стоуж-ки,имеющие форму параллелепипеда, получаемые в процессе" прессования при удельном давлений до 200 кг/см^.

Определение усилий, возникающих при осуществлении горячего прессования, разработка научных основ технологии горячего прессования являются одними из важных задач, стоящих перед исследователями.

Мы считаем возможным,в качестве первого приближения, объяснить законы прессования стальной стружки в горячем со -стоянии теорией холодного прессования, введя в соответствующие формулы поправочные коэфициекты, выбранные на основе экспериментальных данных. а) Боковое давление на стенки пресскамеры

Величина бокового давления может быть определена по формуле: р^'Р где у' - коэфщиент бокового давления для не вполне плотного пакета; р - давление уплотнения, равное разности между давлением прессования и потерями на трение стружки о стенки пресскамеры.

Р " Рпр "" Ртр. у где Рпр - давление прессования; р^р - потери на трение. Коэфщиент бокового давления у' определяется по фор-муле: , у § 7 где у - коэфщиент Пуассона для не вполне плотного па -кета. где & - относительная плотность пакета; Л - ко&фициент Пуассона исходного материала стружки при температуре, соответствующей температуре прессования стружки.

Если пренебречь потерями на трение и зная коэфициент Пуассона ^ исходного материала стружки» боковое давление определится по формуле

Рг ^т^щу б) Давление стружки на лобовую стенку пресскамеры.

Величина давления на лобовую стенку пресскамеры определяется по формуле:

Давление стружки на лобовую стенку пресскамеры в процессе прессования легко определяется экспериментально.

Разность между усилием прессования и давлением на лобовую стенку пресскамеры определит потери на трение стружки о стенки пресскамеры.

•----ооооо

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Буренко, А. С.

Результаты работы могут быть использованы конет -рукторами при расчетах и конструировании установок для прессования металлической стружки и легковесного метал -яического лома, копровыми цехами металлургических заво -дов и заводами " Вторчермет * в целях улучшения процесса подготовки стружки для переплава в сталеплавильных печах. V