Машиностроение. Металлургия Әож 621. 01. 531. 3



жүктеу 0.53 Mb.
бет1/2
Дата27.04.2019
өлшемі0.53 Mb.
  1   2





Раздел 2



Машиностроение. Металлургия



ӘОЖ 621.01.531.3


Қажу бұзылуы бойынша машина бөлшектерінің сенімділігін есептеу


Ж.Б. БӘКІРОВ, т.ғ.д., профессор,
А.Ә. ТӘҢІРБЕРГЕНОВА, т.ғ.к., доцент,
А.А. ТӘҢІРБЕРГЕНОВА, № 9 лицейдің оқытушысы,
Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті, механика кафедрасы



Кілт сөздер: қажу бұзылуы, сенімділік, есептік кернеу, ықтималдық әдістер, төзімділік шегі, тоқтамай жұмыс жасау ықтималдығы, қауіпті қима, логарифмді қалыпты таралу, конструкцияның сенімділігі, элементтің істен шығуы, элементтің қажуы.

К

өптеген машина бөлшектері үшін шектік күй ор­нына қажу қирауы қабылданады. Қажу қисығының экспериментальдік анықтауында сынау деректерінің үлкен шашырауы көрінеді. Сондықтан сынау үлгіле­рін натуралық бөлшектерге тарату нәтижелерін есеп­теу әдістері міндетті түрде керек. Мұндай мүмкіндік­терді Серенсена – Когаев қажу бұзылуының статисти­калық ұқсастық теориясы ашады. Бұл теорияға сәйкес бөлшектің төзімділік шегінің таралуы қалыпты заңмен жуықталады.

Көптеген материалдарда қажу қисығын келесі тәуелділіктермен бейнелеуге болады:



үшін ; үшін

мұнда – материал тұрақтысы;


– зертханалық үлгінің төзімділік шегі;
– циклдардың базалық саны;
Sa – кернеудің симметриялық циклының амплитудасы;
N – бұзылуға дейінгі циклдар саны.

Машиналардың нақты бөлшектерінің -інің орнына бөлшектің төзімділік шегі қолда­нылады, ол төзімділік шегінің өзгеруінің жалпы коэф­фициентін ескерумен анықталады. Кернеудің симмет­риялық емес циклында Sa орнына келтірілген симме­триялық цикл амплитудасы қолданылады



Мұнда асимметриялық циклға материалдың сезім­талдық коэффициенті мына формула бойынша анық­талады:



Көміртекті болат үшін ; легирленген болат үшін .

Күрделі кернеуленген күйде Sa орнына бұзылу критерилерінің бірі бойынша анықталған эквивалент кернеудің амплитудасы қолданылады. Сонымен, жал­пы жағдайда қажу қисығын мына түрде жазуға болады:

үшін үшін

(1)

Төзімділік қисығын зерттеу бойынша анықтағанда тәжірибе берілгендерінің көп шашырауы бақыланады. Осыған байланысты үлгінің көп саны сынауға түседі және толық ықтималдық диаграмма құрылады. Бұл диаграмманың аналитикалық бейнеленуі әртүрлі бо­луы мүмкін, бірақ оның көптеген теориялық негізде­лулері келесі өрнектерге ие



,

мұнда , , , – тәжірибе деректерінен анықта­латын таралу параметрлері.

Ықтималдық диаграммасы бұзылудың әртүрлі ықтималдығына сәйкес келетін координаталары S – N қажу қисықтарының түрлері ретінде немесе әртүрлі кернеулеріне сәйкес келетін координаталары P – N ұзақ уақыт жұмыс жасау таралуларының қисықтары түрлері ретінде көрсетілуі мүмкін, яғни соңында олар әртүрлі N жұмыс жасау мерзіміне сәйкес келетін координаталары қисықтарымен бейнеленеді.

S – N тәуелділігі әдетте P = 0,5 үшін тұрғызыла­ды және төзімділік шегінің медианалық мәнімен анық­талады. Кейде оны берілген сенімділік деңгейі P = HA үшін тұрғызады және берілген сенімділіктегі конст­рукцияны жобалау үшін қолданады.

Бұзылуға дейінгі циклдар санының таралуы логарифмді нормаль заңымен жақсы бейнеленеді, бұл [1] зерттеуде көрсетілген. Сенімділікке есептеудің негізгі мәніне P – R тәуелділігі ие, яғни әртүрлі сынау базаларына сәйкес келетін төзімділік шегінің таралу заңы. Көптеген тәжірибелік берілгендерден бұл тәуел­ділік үшін қалыпты және логарифмдік қалыпты заң­дарды алуға болады. Төзімділік шегінің таралуының зерттеу берілгендерін алу үшін тәжірибені циклдар­дың базалық саны бойынша жүргізеді. Нәтижелерді өңдеуде таралудың эмпириялық функциясын (тесу әдісі) немесе таралудың сандық сипаттамаларын , (баспалдақ әдісі) анықтайды.

Машина бөлшектерінің сенімділігін есептеуде натуралық бөлшектердің төзімділік шегіне әсер ететін қажу қарсыласуының факторларын ескерумен ықти­малдық сипаттамаларын білу қажет. Көп натуралық бөлшектердің санымен сынау жүргізу аз нақтылыққа ие. Сондықтан сынау үлгілерінің натуралдық бөлшек­терге тарату нәтижелерін есептеу әдістері міндетті түрде керек. Мұндай мүмкіндіктерді қажу бұзылуы­ның ұқсастық статистикалық теориясы ашады. Ұқсас­тықтың негізгі критериясы ретінде қауіпті қиманың L периметрінің ара қатынасы немесе осы қимада­ғы бірінші негізгі кернеудің G салыстырмалы градиен­тінің аса кернеуленген бөлігі қарастырылады. шамасы кернеуленген көлемге пропорционал, онда жарық пайда болуы мүмкін. Бұл шаманы анықтауды арнайы әдебиеттерден табуға болады [1].

Бұл теорияға сәйкес бөлшектің төзімділік шегінің таралуы оның алғашқы логарифмдік қалыпты таралу заңының кездейсоқ шамасымен бетте­су шартымен қалыпты заң бойынша жуықталады, ол алғашқы Вейбулл заңының екі нүктесіндегі 0,5 ықти­малдығы және 0,997 ықтималдығынан алынады. Мұн­да – бөлшектегі ең үлкен кернеу, U – төзімділік шегінің ең кіші мәні. Мұнда төзімділік шегінің ме­дианалық мәні және вариация коэффициенті [1] формулалар бойынша анықталады:



(2)

мұнда .

Мұнда – эмпирикалық коэффициент; – үл­кен өлшемдердегі масштабтық коэффициент; шамасы логарифмінің ортаквадраттық ауыт­қуы. (2) формуласы жүктеу түрі мен әртүрлі геомет­риялық пішіндегі бөлшектердің қажу ауытқуының заңдылығын нақты дәл бейнелеуін осы үш параметрді және үлгінің төзімділік шегінің орта мәнін таңдауды ескерумен қамтамасыз етіледі. Шамамен алынған есептерде конструкциялық болаттар үшін , , және қорытпалар үшін қолданылады.

Қажу бұзылуы бойынша бөлшектерінің сенімділі­гін есептеу үшін есептеу кернеуінің амплитуда­ларының таралу заңын білу керек. Қарапайым цикл­дар үшін жобалау сатысында оны ықтималдық тығыз­дықты қайта құру немесе статистикалық динамика есептерін шешумен анықтауға болады. Егер кернеу кездейсоқ амплитудамен гармониялық процесс немесе тар жолды стационарлы гаустік процесті құрайтын болса, онда амплитуданың таралу тығыздығы Рэлей заңына бағынады:



,

мұнда – кернеудің дисперсиясы.

Жобалау сатысында әдетте жүктеменің ықтимал­дық сипаттамасы беріледі. Бұл жағдайда статистика­лық динамика есебін шешу жолымен корреляциялық функция немесе орын ауыстырудың спектрлік тығыз­дығы анықталады, содан кейін есептік кернеулер. Онда кернеулердің амплитудаларының таралу заңы қалыпты кездейсоқ процестерінің максимумдары үшін Райс формуласын қолдануымен максимумдар әдісін қолданып анықталуы мүмкін [2].

Жүктелудің сипаттамалары бөлшектерді сынау кезінде еліктеу үлгілеуі жолымен немесе натуралық тензометрия өлшеуімен алынуы мүмкін. Кернеудің таңдамасы немесе асциллограммасы бойынша кез­дейсоқ амплитудаларының массивін құрайды және гистограмма құрады. Ары қарай амплитуда таралуы­ның аса қолайлы теориялық заңы таңдалады.

Егер кернеу тек амплитуда ғана емес асимметрия коэффициенті бойынша да кездейсоқ болса, онда бірінші процесте схематизациялау жүргізіледі, оның мақсаты кернеу амплитудаларының таралу функция­ларын алу болып табылады, ол енгізілген қажу бүлі­нуінің дәрежесі бойынша берілген кездейсоқ процеске эквивалент. Схематизация тәсілдеріне максимумдар, толық циклдар, тербелу шегі әдістері жатады. Толық циклдар әдісі қажетті нәтижелер беретіні қабылдана­ды. Бұл әдісте осциллограммалар бойынша корреля­циялық кестенің негізгі қаңқасы тұрғызылады, ол әр кернеу циклының экстремумдарын байланыстырады. Содан кейін әсер етуші процесс өзіне эквивалент кездейсоқ амплитудалармен симметриялы процеспен және бұл таңдама бойынша гистограмма тұрғызыла­ды. Ол бойынша амплитуданың теориялық таралу заңы таңдалады. Бұл әдістің таратылу схемасын [1, 3] жұмыстарында табуға болады.

Егер кернеу стационарлы гаустік процесс болса, онда амплитуданың таралу тығыздығын анықтау үшін мына өрнекті қолданамыз:



,

мұнда – экстремумның орта санының нольдердің орта санына алғашқы қатынасы;



; ;

«a» және «b»-ны анықтау үшін келесі екі теңдеу бар:



[4] жұмысында бұл параметрдің -ге тәуелділік графиктері мен кестелері келтірілген.

Жүйелі кездейсоқ жүктелудегі циклдық беріктік бойынша сенімділік есебін қарастырамыз. Бұл жағдай­да сенімділік кездейсоқ амплитудамен кездейсоқ шаманың шектік төзімділігі немесе оның шектелген циклдар санының есептік кернеуінен аспау ықтимал­дығына тең. Бұл есепті жалпы жағдайда және әсер етуші мен шектік кернеулердің әртүрлі сәйкестігінде шешу алдыңғы тарауда келтірілген. Сонымен әсер етуші және шектік кернеулердің қалыпты таралу заң­дарында сенімділік тең

,

мұнда


(3)

(1)-ші өрнекті қолданып, аламыз



үшін ;

үшін .

Бұл формулалар бөлшектің ресурсының таралу функциясын есептеуге әкеледі, яғни N жұмыс жасау уақытына сенімділіктің тәуелділігі.

Қажу бұзылуда сенімділікті ақауларды сызықты қосу гипотезасын түзету бойынша анықтайды, оған сәйкес N цикліндегі қажу бұзылуының шарты мына түрге ие

,

мұнда кернеу деңгейіндегі циклдардың бұзылу саны.

Кернеудің кездейсоқ өзгеруінде (51)-ді ескеріп, аламыз

; (4)

(5)

Бөлшектердің блокты жүктелуінде блок үшін анықталады, ал – блоктағы жүктелудің циклдар саны, – блоктар саны. Мұнда амплиту­даның ең үлкен мәні, оны бұл мәнді – бен аспау ықтималдығын берумен анықтайды. теңдеудің түбірі ретінде анықталады



,

мұнда -ге сәйкес келетін таралу квантиліне тең.



коэффициентін (5) бойынша анықтау үшін белгілеу енгіземіз:

,

, (6)

және жазамыз . Егер есептеу нәтижесінде болса, онда деп қоямыз.

Енді (4) теңдеуінен бөлшектің ресурсын анықтау­ға болады

(7)

мұнда


. (8)

(6) және (8) интегралдарын – Пирсон таралуының табулирланған функциясын қолданып анықтауға болады. [1]-ші жұмыста (8) интегралына әртүрлі заңдары үшін ақырсыз үстіңгі шекпен өрнектер келтірілген. Бұл нәтижелерді қолданып, (6) және (8) интегралдары үшін келесі өрнектерді алуға болады. Релей таралуы:





, (9)

мұнда .

Нормаль таралудың бірінші тармағы:





; . (10)

Экспоненциалды таралу





; ; .

Бұл формулаларда Г(п) – толық гамма – функция.

Егер төзімділік шегі кездейсоқ шама болса, онда барлық формулаларда -дің орнына оның медианды мәнін қою керек. Онда (7) – ші бойынша бөлшек­тің орташа ресурсын табамыз.

Сенімділікті анықтау үшін (7) теңдеуінен төзімді­лік шегінің шектік мәнін анықтаймыз, ол N цикл­дағы жұмыс мерзіміне және берілген жүктелуге сәй­кес келеді. Егер фактілі төзімділік шегі -дан артық болса бөлшек N циклында бұзылмайды. Соны­мен, қажу бұзылуы бойынша бөлшектің сенімділігі көрсетілген жағдай ықтималдығына тең және мына формула бойынша анықталады.



, (11)

мұнда ; Ф – нормаль заңының табу­лирланған таралу функциясы.

Трансцендентті (7) теңдеуі графикалық түрде немесе ЭЕМ-да шығарылады. Практикалық есептеу үшін әртүрлі материалдар және жүктелу үшін x0-ден N/N0 тәуелділік графигін алдын ала тұрғызған дұрыс

.

Бұндай тәуелділіктердің графиктері кернеу ампли­тудасының қиық қалыпты заңы үшін m = 9 және әр­түрлі бойынша 1 – суретте көрсетілген. Мұндай графиктер b = 4 және әртүрлі m бойынша амплитуда таралуының релеевтік заңы үшін 2 – суретте көрсетіл­ген.



1 – сурет – Төзімділік шегінің шектік мәнін амплитуданың қиық заңы m = 9 бойынша


анықтау графигі

2 – сурет – Төзімділік шегінің шектік мәнін амплитуда таралуының релеевтік заңы b = 4 бойынша анықтау графигі


шектік мәнін анықтау үшін бөлшек материалы (m, N0) үшін (b, f(S)) берілген жүктелу және N жұмыс мерзімі бойынша графиктен x0-ді анықтаймыз, ал ол арқылы . Ары қарай (11) формуласы бойын­ша қажу бұзылуынан бөлшектің сенімділігі анықтала­ды.

Мақалада қажу бұзылуының статистикалық заңдылығы негізінде қажу бұзылуының сенімділігін анықтау үшін формулалар алынды.



ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

1. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.

2. Бакиров Ж.Б., Танирбергенова А.А. Құрылғы бөлшектерін есептеудің ықтималдық әдістері. Оқу құралы. Қарағанды: Қар МТУ, 2006. 173 б.

3. Брауде В.И., Семенов Л.М. Надежность подъемно – транспортных машин. Ленинград: Машиностроение, 1986. 184 с.

4. Гусев А.С. Сопротивление усталости и живучести конструкций при случайных нагрузках. М.: Машиностроение, 1989. 248 с.

УДК 669.337.111


Интенсификация процессов фазовых преобразований в спекаемом слое аглошихты


А.М. ГАЗАЛИЕВ, д.х.н, академик НАН РК,

Д.К. ИСИН, к.т.н., доцент,

В.В. ЕГОРОВ, д.п.н, профессор,

А.З. ИСАГУЛОВ, д.т.н., профессор,

Б.Д. ИСИН, магистрант,

Карагандинский государственный технический университет, кафедра ММиН


Ключевые слова: агломерат, структура, минералогия, спекание, гематит, магнетит, монокристалл, аглопирог, текстуроформирование, ассимиляция, вакуум, гомогенизация, окисление.


Исследования проводились на установке, которая состоит из цилиндрической чаши внутренним диаметром 115 мм и электрического нагревателя воздуха. По высоте чаши расположены штуцера для установки термопар. Нагреватель воздуха представляет собой футерованный шамотным кирпичом цилиндрический кожух диаметром 450 м и высотой 650 мм. Температура воздуха в опытах изменялась от 500 до 9500С. Шихта заданного состава перемешивалась и окомковывалась на тарельчатом грануляторе диаметром 1 м. Высота слоя шихты была 300 мм. Зажигание шихты производили под вакуумом в течение 1 минуты коксиком и древесной стружкой. Химический состав шихтовых материалов приведен в таблице 1.

При вакуумной агломерации оптимальное содержание коксика в шихте и ее влажность составляли соответственно 3,8 и 6,2%, а при спекании сжатым холодным воздухом эти значения были уменьшены соответственно до 3,3 и 4,2%. Расход коксика при спекании горячим воздухом изменяли от 1 до 5%. Основность всех агломератов составляла 0,95. Результаты опытных спеканий представлены в таблице 2.

Из каждой пробы были изготовлены полированные аншлифы и шлифы для микроскопического исследования соответственно в отраженном и проходящем свете.

Таблица 1 – Химический состав сырых материалов




п/п

Материал

Содержание, %

Feобщ.

FeO

SiO2

AI2O3

CaO

MgO

MnО

S

CaF2

1

Оленегорский концентрат

64,46

21,3

7,77

0,19

0,24

-

0,09

-

-

2

Оленегорский концентрат

68,80

27,1

3,42

-

0,2

-

-

0,067

-

3

Концентрат КМА

65,3

23,8

7,9

-

0,4

-

-

0,047

-

4

Концентрат ССГОКа

67,4

28,57

3,48

1,5

1,17

0,54

0,18

0,52

-

5

Руда криворожская

53,0

2,8

15,2

-

0,31

-

-

0,019

-

6

Руда атасуйская

56,21

11,22

8,72

2,88

1,73

0,15

-

0,7

-

7

Известняк

-

-

0,70

0,77

53,6

0,5

-

-

-

8

Флюоритизированный известняк

1,52

-

13,0

2,63

40,35

3,17

-

1,48

22,7

9

Конверторный шлак

16,73

14,51

14,6

1,3

50,86

1,97

7,58

0,16

-

Таблица 2 – Результаты опытных спеканий



Коксик от массы сухой шихты, %

Вертикальная
скорость спекания, мм/мин.

Выход
спеченного, %

Выход годного
от веса спеченного,
%

Выход фракции (0-5) мм после сбрасывания, %

Содержание
в агломерате,%

Feобщ.

FeO

Агломерат, полученный при температуре и давлении воздуха (20 °С и 1,0 ати)

3,3

56,1

92,3

82,0

3,8

58,2

12,9

4,0

54,5

92,0

81,0

3,7

59,0

16,3

Агломерат, полученный при температуре и давлении воздуха (500 °С и 1,0 ати)

2,5

52,6

89,1

91,2

2,6

58,2

7,9

3,0

53,9

88,9

90,7

2,4

58,5

10,7

Агломерат, полученный при температуре и давлении воздуха (700 °С и 1,0 ати)

2,5

55,4

91,1

92,2

2,5

58,0

8,8

3,0

58,1

91,0

91,2

2,2

58,2

10,4

Агломерат, полученный при температуре и давлении воздуха (950 °С и 1,5 ати)

2,0

62,5

91,3

92,0

2,8

57,5

6,4

2,5

63,8

90,2

92,2

2,7

57,8

8,8




Основные минеральные фазы агломератов и их морфогенетические разновидности. Основными минеральными фазами в агломератах являются магнетит (Fe3O4), гематит (α-Fe2O3), ферриты кальция (СаО∙Fe2O3 и 2CaO∙Fe2O3), двухкальциевый силикат (β-Са2SiO4), геденбергит – СаО∙FeO∙2SiO2 и метасиликат кальция – волластонит (β-СаSiO3). В агломерате из верхних и средних слоев пирога в заметных (до 30% по объему) количествах присутствуют также стекловидная фаза (силикатное стекло) и реликтовые (не успевшие полностью проассимилироваться) обломочные зерна кварца шихты SiO2.

Магнетит. Этот минерал присутствует практически во всех агломератах. Выявляется несколько морфогенетических разновидностей первичного магнетита: обломочные зерна, перекристаллизованные идиоморфные зерна.

Вторичный магнетит имеет две разновидности. Первая из них очень схожа и морфологически не отличима от перекристаллизованных идиоморфных (октаэдрических) зерен первичного магнетита. Лишь размеры их бывают несколько выше (до 0,05-0,07 мм против 0,005-0,010 мм у магнетита, образовавшегося при перекристаллизации. Вторая разновидность – это скелетно-дендритный магнетит, образующий ветвистые монокристаллические формы.



Гематит. Данный минерал также является одним из главных в железорудных агломератах, причем присутствует он в них в виде самых разноообразных разновидностей.

Первичный гематит. Это довольно крупные (от 0,1 до 0,5 мм) монокристаллические зерна (рисунки 1, 2) неправильной обломочной формы, как правило, содержащие в себе двойниковые (чаще простые, очень редко полисинтетические) вростки.

Следующие формы вторичного гематита бывают: пластинчатые, изометричные зерна, рекристаллизованные зерна, перекристаллизованные монокристаллические зерна, скелетные и скелетно-дендритные монокристаллические образования (ромбоэдрические кристаллы), скелетно-дендритные образования.



Феррит кальция в рассматриваемых агломератах присутствует главным образом однокальциевый феррит. Он наблюдается в основном в верхних горизонтах аглопирога при спекании шихт с низким расходом топлива (1-2 %). Как правило, феррит кальция образует отдельные гнездообразные скопления, где он является основной минеральной фазой. Совместно с ним обычно присутствует двухкальциевый силикат и гематит.

Двухкальциевый силикат. Наличие ортосиликата кальция в агломератах при указанной основности – следствие незавершенности процессов ассимиляции силикатных минеральных фаз исходного рудного концентрата и гомогенизации образующегося в ходе спекания шлакового расплава. В ряде случаев присутствие двухкальциевого силиката вызывается неравномерностью распределения флюса в шихте.

Волластонит. Этот минерал фиксируется практически во всех пробах агломерата из нижних слоев, т.е. там, где охлаждение агломерата происходило наиболее медленно. Он образует линейно-вытянутые тонкопризматические кристаллы, располагающиеся в стекловидной массе, насыщенной тонкодендритными обособлениями гематита либо магнетита.

серые мелкие перекристаллизованные зерна в центре снимка – магнетит; округлое темно-серое (вправо от центра снимка) – кварц; цементирующая основная масса представлена ферритом кальция (верх снимка) (ф), волластонитом (В, низ снимка) и стеклом с тончайшими дендритами магнетита; совместно с ферритом кальция присутствует двухкальциевый силикат (черные вростки); черное – поры; свет отраженный, *150. Нm – первичные обломочные зерна гематита Hm2 – рекристаллизованные агрегатные зерна гематита, Hm3 – скелетные монокристаллические зерна гематита

Рисунок 1 – Микроструктура окисленного участка агломерата из среднего горизонта слоя (вакуумного спекания)

обозначение гематита (Нm, Hm2, Hm3) – то же, что и на рис.1; серые зерна – магнетит; цементирующая основная масса – стекло, в наиболее окисленных участках (а) – слабо раскристаллизованное; черное – поры; свет отраженный, х 125

Рисунок 2 – Микроструктура окисленных участков агломерата из нижнего горизонта слоя (вакуумное спекание)
Кварц. Зерна кварца сохраняются в агломерате, главным образом, в участках из верхних слоев аглопирога. Зерна кварца имеют обычно овальную, со сглаженными очертаниями форму. Они, как правило, окружены реакционной зоной – стекловидной фазой.

Стекловидная фаза. Эта фаза является цементирующей для рудных зерен агломератов из верхних и средних горизонтов аглопирога. Обычно стекло в изученных агломератах имеет буроватую либо желтоватую окраску.

Минеральный состав и строение агломерата вакуумного спекания. Высокой степенью спекания при вакуумном процессе обладают только куски агломерата из нижних горизонтов слоя. В текстурном отношении агломерат из всех трех слоев (верха, середины и низа пирога) неоднороден. В агломерате из верхнего и среднего горизонтов слоя присутствуют также реликтовые зерна кварца. Общее соотношение магнетита и гематита в агломерате составляет 50:20 для верхнего горизонта и 45:25 для нижнего.

В верхнем и среднем горизонтах слоя силикатная шлаковая фаза представлена стеклом, в котором присутствуют вростки двухкальциевого силиката. В агломерате из нижнего горизонта слоя в магнетитовых участках шлаковая фаза представлена стеклом, лишь в отдельных участках слабо рекристаллизованными.



Агломерат, полученный по способу нагнетания воздуха сверху без предварительного подогрева воздуха. Исследовали агломерат из верхнего, среднего и нижнего горизонтов слоя при содержании топлива в шихте 3,3 %. По сравнению с агломератами вакуумного спекания, полученный агломерат характеризуется заметно более высокой степенью спекания и более полным завершением ассимиляционных и структуроформирующих процессов. Куски агломерата из среднего и нижнего горизонтов слоя монолитные, мелкопористые, а куски агломерата из верхнего горизонта хотя и пористые, однако достаточно прочные, хорошо спеченные.

Агломерат из верхнего горизонта слоя состоит в основном из крупных обломочных зерен магнетита. В структуре агломерата из среднего горизонта слоя наряду с обломочными зернами первичного гематита и магнетита, а также скелетными образованиями вторичного гематита присутствуют частично окисленные крупные зерна магнетита. Агломерат из нижнего горизонта слоя состоит из скелетных монокристаллических зерен гематита, перекристаллизованных зерен и агрегатов магнетита и цементирующей их силикатной связки.

Сопоставление данных по составу и строению агломератов вакуумного спекания (3,8 % топлива в шихте) и спекания по методу нагнетания воздуха сверху (3,3 % топлива в шихте) показывает, что во втором случае произошла не только интенсификация процессов ассимиляции и спекания, но и существенно изменился характер окислительно-восстановительных процессов: чисто твердофазное окисление магнетита постепенно сменяется жидкофазным. В структуре агломератов почти совершенно исчезают мелкозернистые, рекристаллизованные агрегаты гематита, но увеличивается количество скелетных и скелетно-дендритных монокристаллических новообразований гематита (рисунок 3).

белое – гематит, серое – магнетит в шлаковой фазе черные вростки – двухкальциевый силикат, темно-серые участки – волластонит, тонкая сыпь – дендриты магнетита; свет отраженный, х200

Рисунок 3 – Микроструктура слабоокисленного
участка агломерата из нижнего горизонта слоя
Спекание с предварительным подогревом воздуха. Микроскопическому исследованию были подвергнуты пробы агломерата из средних и нижних и, в ряде опытов, верхних горизонтов слоя при спекании одной и той же шихты (из расчета получения агломератов с основностью 0,95, но с разным содержанием (от 1,0 до 5,0 %) топлива. Температура подогреваемого воздуха составляла 500, 700 и 950 °С. Давление в опытах при подогреве воздуха до 500 и 700 °С составляло 1 ати, в опытах при подогреве до 950 °С – 1,5 ати.

Агломераты, полученные при использовании нагретого до 500-700 °С воздуха и содержания топлива в шихте от 1,0 до 2,0%, характеризуются высокой степенью окисленности и незавершенностью процессов ассимиляции нерудных компонентов шихты и обладают весьма низкой механической прочностью. Рудные зерна в этих комочках представлены первичным гематитом и агрегатными образованиями вторичного гематита, возникшими при твердофазном окислении исходных зерен магнетита, в центре наиболее крупных рудных зерен нередко остается реликтовый магнетит (рисунок 4). Цементирующей связкой служат рудные частицы либо ферриты кальция, содержащие в себе обычно вростки двух- и трехкальциевого силиката (рисунок 5), либо ферритно-силикатная шлаковая масса (стекло с большим количеством тонкодендритных образований феррита кальция и вростками двухкальциевого силиката, рисунок 6).

Более полно ассимиляционные процессы проходят лишь в нижних горизонтах аглопирога, где агломерат выглядит хорошо спеченным, плотным и мелкопористым даже при содержании топлива в шихте 1,0-1,5%. Агломераты, полученные при содержании топлива в шихте (3%) характеризуются плотным мелкопористым строением и высокой степенью окисленности. В них также практически отсутствуют свободные обломки кварца и свободная известь. Шлаковая связка выглядит достаточно однородной, гомогенной. В средних горизонтах аглопирога она обычно представлена стеклом (желтовато-бурым, со светопреломлением 1,690-1,730), в нижних горизонтах – рекристаллизованной массой, состоящей из волластонита и стекла, насыщенного дендритами магнетита и гематита.

белое – гематит (Нm), светло – серое – магнетит (Мt); цементирующая масса – феррит кальция (Ф) с вростками (черное) двух- и трехкальциевого силикатов; свет отраженный, х250

Рисунок 4 – Микроструктура агломерата
с неусвоенными зернами кварца, верхний
слой аглопирога

Рисунок 5 – Обломочные зерна первичного (Нm1), рекристаллизованные зерна вторичного (Нm2)


и скелетные (Нm3) кристаллы гематита среди
ферритно-силикатной связки, верхний слой,
свет отраженный, х320
Как в опытах по спеканию без подогрева воздуха в агломератах, полученных дутьевым способом, среди общей гематито-магнетитовой массы присутствуют отдельные микроучастки размером от 1 до 3 мм, реже до 4 мм, сложенные преимущественно магнетитом и цементирующей их стекловидной фазой. При этом в таких участках совершенно отсутствуют обломочные зерна первичного гематита. Гематит здесь обнаруживается только внутри наиболее крупных обломочных рудных зерен. Агломераты из нижних горизонтов слоя при содержании топлива в шихте 3% представляют собой еще более плотно спекшуюся, монолитоподобную массу, состоящую из магнетита, первичного и вторичного гематита и раскристаллизованной шлаковой фазы, в которой преобладает волластонит, но присутствует и стекло с дендритными вростками магнетита и в значительно меньших количествах – гематита.

белое – скелетные кристаллы гематита, образовавшие при жидкофазном окислении магнетита; серое – остаточный магнетит; темно-серое – шлаковая фаза; свет отраженный, х250

Рисунок 6 – Микроструктура агломерата из нижнего горизонта слоя при использовании подогретого
до 850 °С воздуха
С ростом температуры подогрева воздуха количество скелетных образований гематита возрастает, но, в отличие от агломератов из средних горизонтов, здесь сохраняется значительное количество остаточного магнетита.

Агломераты, полученные при спекании шихты с 5% топлива, характеризуются высокой степенью оплавленности и макроскопически выглядят монолитными. Состоят они, в основном, из магнетита и шлаковой фазы, стекловидной в средних горизонтах слоя и раскристаллизованной в нижних горизонтах. Обломочные зерна первичного гематита совершенно отсутствуют. Гематит наблюдается только в виде пластинчатых обособлений в теле зерен магнетита, но в небольших количествах.



Взаимосвязь фазового состава и структурно-текстурного строения агломератов с их металлургическими свойствами. Одна из главных особенностей дутьевого спекания заключается в том, что применение сжатого воздуха резко интенсифицирует процессы фазовых преобразований компонентов шихты в спекаемом слое. Решающее влияние при этом, по-видимому, оказывает направленный характер газового потока и его высокое давление. За счет этого происходит заметное перераспределение частиц шихты и их уплотнение, сопровождающееся общей усадкой спекаемой шихты, что способствует не только улучшению условий теплообмена в слое горения, но и улучшению топокинетических условий для развития твердофазных и гетерофазных взаимодействий в этом слое.

При оптимальных количествах коксика в шихте (2,5-3,3%) в таких агломератах процессы ассимиляции нерудных компонентов и гомогенизации формирующегося силикатного расплава, выступающего в роли связующей массы, оказываются завершенными по всей высоте аглопирога. Благодаря этому агломераты, полученные при дутьевом режиме спекания, оказываются текстурно более плотными, мелкопористыми, хорошо спеченными, а в нижних горизонтах аглопирога нередко и монолитоподобными. В целом агломераты дутьевого спекания выглядят немного плотнее и однороднее, чем агломераты вакуумного спекания.

Указанная особенность текстурного строения агломератов дутьевого спекания, прежде всего, отражается на их прочностных характеристиках. Как показывает опыт, разрушение агломерата при механическом воздействии на него, в основном, происходит по указанным перемычкам и перегородкам, так как именно эти участки агломерата оказываются местом концентрации всякого рода деформационных напряжений и реализующихся за их счет микро- и макротрещин. Однако наиболее резко показатели прочности возрастают при достижении давления воздуха 1,0-2,0 ати, когда фиксируется наибольшая степень уплотнения агломерата. К росту прочностных характеристик агломерата при дутьевом режиме спекания приводит увеличение содержания коксика в шихте и повышение температуры подогрева воздуха, так как оба эти параметра способствуют более раннему появлению в спекаемом слое жидкофазных продуктов, а следовательно, и более энергичному протеканию процессов уплотнения и текстуроформирования.

Анализ состава и строения агломератов, полученных при спекании шихты путем нагнетания воздуха сверху, позволяет сделать следующие выводы:

– агломерация при дутьевом режиме спекания характеризуется более полной степенью завершенности ассимиляционных процессов и процессов гомогенизации формирующихся жидкофазных продуктов. Поэтому получаемые агломераты оказываются структурно и текстурно более однородными, нежели агломераты вакуумного спекания;

– применение высоконагретого воздуха при дутьевом способе спекания приводит к резкому возрастанию общей степени окисленности агломерата и увеличению роли жидкофазного окисления магнетита, сопровождающегося формированием в них специфических структур, сложенных крупными монокристаллическими зернами и скелетными блоками гематита.





УДК 669.018


Дисперсные материалы и их свойства


А.З. ИСАГУЛОВ, д.т.н., профессор, первый проректор,
В.Ю. КУЛИКОВ, к.т.н, доцент,
А.А. КУСЖАНОВА, магистр, ассистент,
Карагандинский государственный технический университет, кафедра ММиН



Ключевые слова: модель, песок, смола, смесь, тело, система, давление, температура.


Многообразие дисперсных систем, их важное прикладное значение предопределяют необходимость глубокого изучения их свойств и разработки методов физико-механического управления свойствами на разных стадиях технологических процессов обработки дисперсных систем.

Одной из важных задач является оперативное управление структурой дисперсных сред для получения форм заданных свойств. При этом основной проблемой является построение математической модели деформирования слоя дисперсных материалов. Эта проблема связана с наличием ряда дополнительных параметров состояния и с существенной сложностью уравнений состояния.

В результате сложных реологических свойств даже такой идеальной среды, какой является сухой песок, исследователям пока не удается найти адекватных определяющих уравнений. Содержание в смеси смолы приводит к проявлению вязких свойств из-за поверхностных эффектов в дисперсных материалах. Присутствие в парах слоя воздуха обусловливает особые аномальные эффекты. В этой связи наряду с теоретическими построениями необходимо значительное внимание уделять экспериментальному выявлению дополнительных параметров состояния дисперсного слоя.

Рассмотрим построение реологической модели дис­персной песчано-смоляной среды для условий сдвига.

При нагружении смесь вначале ведет себя как упругое тело Гука, а с повышением напряжения сдвига достигается некоторый предел, после которого наблюдается вязкое течение со скоростью, пропорциональной приложенному напряжению сдвига. С повышением температуры наблюдается небольшое увеличение размеров зерен песка и смола из сухого состояния становится вязкой. Поэтому реологическую модель формовочной смеси на сдвиг можно представить в виде трех элементов, соединенных по схеме:

ПССd = Ndc(Нdo/stvd),

где Ndc – вязкий элемент Ньютона, характеризующий вязкие свойства связующего (смолы) при сдвиге;


Н – упругий элемент Гука при сдвиге;
Stvd – пластический элемент Сен-Венана, представляющий собой кулоново трение зерновой основы формовочной смеси.

Присоединим вязкий элемент Ньютона последовательно к параллельно соединенным телам Гука и Сен-Венана. При повышении температуры вязкость ПСС должна быть минимальной, что позволит равномерно распределяться смоле на зернах песка. Решение такой системы проведем как в [1]. Поскольку данная реологическая модель представляет собой последовательное соединение тел Ndc и (Нd0/stvd), полная деформация тела равна сумме деформаций составляющих его тел



γ = γNdc+γΣ, (1)

где γΣ – деформация комплексного элемента тел Гука и Сен-Венана.



Определим деформацию γΣ. При параллельном соединении полная нагрузка на тело равна сумме нагрузки на каждый элемент, а деформация (скорость деформации) равна деформации (скорости деформации) любого из составляющих его элементов. Исходя из этого правила реологии, можно записать:



τ = τНd0 + τS, (2)

где τ – напряжение сдвига комплексного элемента тел Ньютона и Сен-Венана; GHdo – модуль упругости сдвига Гука;


λS – коэффициент пропорциональности при объемной пластической деформации.

Дифференциальное уравнение девиаторной модели будет равно



(3)

Выражение, стоящее в правой части уравнения (1), можно трактовать как внешнее воздействие на систему, а как отклик системы на это воздействие. Запишем уравнение (3) в следующем виде:



(4)

Уравнение (2) – линейное дифференциальное уравнение первого порядка в общем виде:



(5)

По полученной формуле (5) можно определять значение сдвига при статическом воздействии на дисперсную песчано-смоляную среду.

При построении модели чистого сжатия будем иметь в виду, что как только уплотнение достигнет определенной стадии, дисперсная среда приобретает упругие свойства. После превышения предельного напряжения сдвига происходит деформация смеси за счет пластического элемента Сен-Венана. Поэтому в первом приближении реологическую модель формовочной смеси можно изобразить в виде параллельно соединенных тел Сен-Венана Stv и Гука Н, т.е. ПСС = Н–Stv.

На процесс уплотнения при приложении нагрузки на дисперсную смесь влияние оказывает внутрипоровый воздух [2]. При объемном сжатии большая часть воздуха, заключенного между частицами песка и пульвербакелита смеси, удаляется из объема, а оставшийся воздух попадает в замкнутые полости между частицами и удерживается в них благодаря наличию на частицах оболочек из связующих, способствующих образованию замкнутых полостей.

Представим давление воздуха в замкнутых полостях песчано-смоляной смеси (ПСС) и сопротивление внутреннему трению в виде упругого тела Гука НВ. Так как давление внутрипорового воздуха непосредственно зависит от давления скелета смеси, то можно соединить элементы Н0 и НВ последовательно. В этом случае изменение объема смеси направлено только в одну сторону, параллельно телу Гука НВ введем стопор Г0.

При превышении предела пластичности смеси происходит упруго-пластическое течение зерен песка и плавящейся смолы. Это дает основание включить упругий элемент НС параллельно с телом Сен-Венана.

При уплотнении ПСС в замкнутых порах смеси возникает не только нормальное давление (напряжение), но и добавочное напряжение, вызванное внутренним трением. Коэффициент пропорциональности, связывающий скорость объемной деформации с напряжением объема, – коэффициент вязкости. Обозначим эту вязкость в виде вязкого тела Ньютона N0 и присоединим ее параллельно к НВ и НС.

Описываемую цепочку реологических тел НВ/Г0 – N0/НС присоединим параллельно с телом Сен-Венана, т. к. эта цепочка не позволяет мгновенно уплотняться формовочной смеси под действием сколь угодно малого механического напряжения. С учетом температурного фактора (размягчение термореактивной смолы при нагреве) следует в реологическую модель ввести еще вязкое тело Ньютона NС, которое присоединим последовательно с Н0 и НВ/Г0 – N0/НС.

Окончательно шаровая часть реологической модели имеет вид при объемном деформировании

ПСС = Н0В/Г0 – N0/HС]/S0 – NС.

Проводя аналогичное решение, что и в случае с моделью на сдвиг, получим



где


λ – коэффициент пластичности;
ηС, η0 – коэффициент пластичности смолы и внутрипорового воздуха смеси соответственно;
КНв, КНс – модули объемного сжатия внутрипорового воздуха и смолы соответственно;
ε0 – деформация в начальный момент времени;
t – время.

Песчано-смоляная смесь ведет себя как вязкоупругопластичное тело и обладает всеми свойствами, присущими реологическому телу. Выведены формулы напряженно-деформированного состояния в условиях чистого сжатия и сдвига.



Каталог: wp-content -> uploads -> docs -> trudy universiteta 2013
docs -> Mobedco-vet мобедко-вет амписин
docs -> Макроэкономика
docs -> ҚР ҰҒА академигі А. М. Ғазалиевтың редакциясымен
docs -> Ректору Каргту
docs -> 1. Салыстырмалы артықшылықтар теориясын әзірлеген: a дж. С. Милле
docs -> Қазақстан республикасының Ұлттық банкі №38 баспасөзрелиз І
docs -> Пак ю. Н., Шильникова и. О., Пак д. Ю. Методологические аспекты организации самостоятельной образовательной деятельности студентов в контексте госо нового поколения
trudy universiteta 2013 -> Пак ю. Н. Инновационные аспекты модернизации высшего технического образования


Достарыңызбен бөлісу:
  1   2


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет