Технічні науки / Металургія

Іванов В.І., Скачков В.О., Середа Б.П., Моісейко Ю.В.,

Болюк С.В., Забудченко Д.В.

Запорізька державна інженерна академія

ДО ОЦІНКИ ЕНЕРГОЄМНОСТІ ПРОЦЕСУ УЩІЛЬНЕННЯ ВОГНЕТРИВКИХ ПОРОШКІВ У ПРЕСФОРМАХ

Ущільнення вогнетривких порошків у пресформах під тиском є складним динамічним процесом формування готової продукції із заданими розмірами та властивостями.

Дана робота присвячена оцінці економічності даного процесу за енергетичними витратами, яка є важливим критерієм оптимальності умов його реалізації. Таким критерієм може бути коефіцієнт питомої енергоємності процесу перенесення маси вогнетривкого порошку С_em під час його ущільнення. Даний коефіцієнт характеризує кількість механічної енергії, що поглинається, одиницею об’єму даного порошку (1 м³), під час перенесення маси, що підвищує щільність одиниці даного об’єму на 1 кг/м³.

Середні значення коефіцієнта питомої енергоємності процесу перенесення маси вогнетривкого порошку під час його ущільнення в інтервалі змінювання щільності порошку від її початкового значення r_поч до кінцевого r_кін можна визначити за співвідношенням:

. (1)

Методологію даного підходу розглянуто для процесу ущільнення вогнетривкого порошку на гідравлічному пресі типу ПСУ-500.

Даний прес обладнали спеціальною апаратурою, а також механоелектричним перетворювачем [1], що дозволило синхронно реєструвати за допомогою осцилографа типу Н08 споживану робочу потужність (N_роб), потужність холостого ходу (N_xx), а також швидкість переміщення рухомого пуансона (J_п).

Експериментами встановлено, що процес ущільнення вогнетривкого порошку у пресформі на гідравлічному пресі ПСУ-500 здійснюється за лінійним зростанням споживаного питомого енергетичного потоку q_e = x_q×t (x_q - швидкість зростання потоку) та практично постійної (у досліджуваній області тиску) швидкості переміщення рухомого пуансона J_п = const.

Значення енергоємності під час зональних розрахунків процесу ущільнення під тиском можуть бути визначені з балансового рівняння:

, (2)

де , - відповідно середнє значення питомого енергетичного потоку, що надходить на поверхню порошку, Вт/с, та середнє збільшення щільності напівфабрикату в об’ємі, що дорівнює об’єму готового виробу, кг/м³, за певний інтервал часу процесу ущільнення Dt; F - площа пуансона, м².

Під час розгляду рівнянь (1) і (2) можна одержати співвідношення, що дозволяє обчислити середню питому енергоємність певної стадії процесу ущільнення вогнетривкого порошку в інтервалі збільшення середньої щільності від r_поч ¹ r₀ до r_кін:

. (3)

Використовуючи поняття про коефіцієнт С_em, можна запропонувати наступний метод оцінки енергоємності процесу ущільнення вогнетривкого порошку

, (4)

де e_å - сумарна питома витрата енергії на процес ущільнення вогнетривкого порошку у пресформі, Дж/м³; - питома витрата енергії на процес ущільнення вогнетривкого порошку на його і-тій стадії, Дж/м³.

[] , (5)

де - середнє значення щільності вогнетривкого порошку під час його ущільнення, кг/м³

,

де z - поточна координата напрямом процесу ущільнення порошку; r(z,t) - розподіл щільності порошку по товщині пресовки за часом, кг/м³.

Залежність змінювання щільності порошку у пресформі від швидкості змінювання тиску напрямом розвитку дослідженого процесу [2] можна подати як:

, (6)

де P(z,t) - розподіл тиску по товщині пресовки під час ущільнення вогнетривкого порошку за часом, Па; С_е - коефіцієнт питомої енергоємності процесу ущільнення на перенесення енергії, Дж/м³×(н/м²).

Розподіл тиску P(z,t) по товщині пресовки під час лінійного зростання енергетичного потоку описується рівнянням:

+

(7)

де P_ц,0, DP₀ - відповідно тиск у центрі пресовки та різниця тиску між поверхнею та центром пресовки на початку процесу ущільнення, Па; b_е, l_е - відповідно коефіцієнт потенціалопровідності, м²/c, та енергопровідності, Вт/(м²×Па), пресовки; Fo - критерій Фур’є.

Шляхом сумісного розв’язання рівнянь (7)…(8) щодо одержують:

×

(9)

З використанням розрахункових значень середньої щільності пресовки для будь-якого моменту часу процесу ущільнення вогнетривких порошків можна одержати кількісну характеристику енергоємності даного процесу.

Література:

1. Харченко И.Г., Матвиенко Я.Т., Иванов В.И. Установка для тензометрических исследований процесса прессования // Порошковая металлургия. - 1975. - № 1. - С. 34-38.

2. Харченко И.Г., Кобеза И.И., Иванов В.И. и др. Исследования термодинамики необратимых процессов переноса в дисперсных системах / Труды III-го Минского международного форума по тепло- и массообмену. - Минск: ИТМО АНБ, 1996. - Т.V. - С. 208-214.