Создание установки и разработка технологических режимов вибропрессования муллитокорундовых быстротвердеющих смесей

Современное состояние и перспективы производства связаны с переходом от создания отдельных машин к промышленным комплексам, с перенесением центра тяжести разработок с массового на серийное производство, с широким применением принципов унификации, с революционным расширением технических средств, что приводит к широкой вариантности решения задач проектирования и эксплуатации оборудования.

Существуют две группы проблем, от успешного решения которых зависит эффективность производства: а) разработка новых техпроцессов, конструкций и компоновок машин и механизмов, их систем управления, что повышает потенциал производстваб) глубокое осмысливание, анализ закономерностей и перспектив развития, правильная оценка технических новшеств с учетом фактора времени — как основа их эффективной реализации.

Совершенствование технологических процессов — основа повышения эффективной работы оборудования. Как известно, технологические процессы состоят из отдельных операций, поэтому совершенствование технологических процессов может быть достигнуто путем установления оптимального числа и порядка выполнения операций, а также совершенствованием их внутреннего содержания [26].

Актуальность темы

.

В основных направлениях экономического развития России предусматривается обеспечить дальнейшее ускорение научно-технической программы во всех отраслях народного хозяйства, последовательно проводить линию на более быстрое техническое перевооружение производства, создание и выпуск машин и оборудования, позволяющих улучшить условия труда и повышать его производительность, экономить материальные ресурсы. В соответствии с этим необходимо создавать и внедрять в производство принципиально новые технику и материалы, прогрессивную технологию. Одним из перспективных направлений в технологии является применение полезных вибрационных нагрузок в различных областях народного хозяйства: машиностроении, литейном производстве, порошковой металлургии, в производстве огнеупоров, строительстве, сельском хозяйстве и транспорте.

Применение указанного технологического процесса в производственных условиях возможно при наличии специального оборудования — высокопроизводительного, дешевого, надежного и простого в эксплуатации, каковым является оборудование для вибрационного прессования.

Одной из разновидностей вибрационного оборудования являются вибрационные формовочные площадки или установки вибропрессования (УВП), на которых производится прессование неметаллических материалов.

Вибрационные формовочные площадки и вибропрессовочные установки получили более широкое применение, чем другие виды формовочного оборудования. Их преимущество по сравнению с остальным вибрационным оборудованием заключается в большой универсальности, поскольку на рабочих органах вибростолах можно устанавливать формы различного вида.

При формовании на вибропрессовочных установках накладывается определенный пригруз на свободную верхнюю поверхность изделия. Рационально подобранный пригруз повышает плотность отформованного изделия и качество его поверхности.

Активным пригрузом называют металлическую пластину с прикрепленным к ней вибровозбудителем. При использовании активного пригруза изделия подвергают одновременно динамическим воздействиям от двух источников — от формы и от пригруза.

Развитие современной техники предъявляет непрерывно возрастающие требования как к материалам, так и к изделиям из них, работающих в условиях высоких давлений, скоростей, температур при дополнительных воздействиях агрессивных сред. Нередко требуется получение изделий с дифференцированными по объему физико-механическими свойствами, когда, например, одни поверхности изделий испытывают силовые воздействия, а другие — подвергаются интенсивному износу в агрессивных средах.

В последние десятилетия одним из основных технологических процессов, характеризующих прогресс в черной металлургии стала непрерывная разливка металла. В настоящее время примерно 80% всей выплавляемой стали в мире разливается этим способом. Одним из наиболее распространенных методов непрерывной разливки стали (свыше 97%) на современных металлургических предприятиях является метод, основанный на применении шиберных затворов. Внедрению шиберной разливки способствовало развитие ковшевой металлургии, требующей высоких температур и длительных выдержек металла в ковше.

Значительное разнообразие на металлургических предприятиях России типоразмеров и конструкций затворов, в основном «жесткого» типа, для которых используются различные типоразмеры огнеупоров, отсутствие централизованного изготовления затворов в отрасли, значительная стоимость приобретения лицензии на их производство у иностранных фирм (порядка 1 млн долл. США) свидетельствуют об актуальности и необходимости комплексного решения задачи эффективного производства керамических элементов — организации централизованного серийного производства отечественных затворов нового типа, удовлетворяющих разнообразным требованиям заказчика. Также возникает необходимость выбора перспективной конструктивной схемы механической части затвора, обеспечивающей, кроме надежности в работе, быструю замену огнеупорного комплекта и качественную подготовку затвора к работе за минимальное время, необходимость унификации применяемых в затворах огнеупоров (по размеру и типу). Попутно необходимо решить задачу получения высокого качества огнеупорной керамики. Качество огнеупоров в первом приближении определяется возможно-допустимым использованием одного изделия для большего количества раз разливок стали из ковша. Возможность использования огнеупорной керамики всего на один раз больше в сравнении с применяемыми на сегодняшний день огнеупорами, дает значительный экономический эффект. Все это заставляет искать пути решения данной задачи. [86].

Шиберная система нового поколения подразумевает оригинальный затвор с огнеупорной керамикой, собираемый непосредственно на ковше, наличие устройства защиты металла от вторичного окисления, систему привода и управления. Этим условиям соответствуют шиберные затворы серии ВТМ, производимые на ряде предприятий г. Тулы, и апробированные в производственных условиях АО «НЛМК», ОАО «Омутнинский металлургический завод» (ОМЗ) и ряда других предприятий [48].

Апробация данного типа затворов выявила недостаточно надежную работу изделий из огнеупорной керамики. Это такие изделия, как стакан-коллектор, ковшевой стакан, переходная втулка, защитная труба, продувочные пробки (фурмы), служащие для предохранения от вторичного окисления и очищения металла. Испытания показали, что аналогичные образцы импортного производства имеют надежность в несколько раз выше, нежели отечественные.

Высокая стоимость импортных затворов (свыше 14 000 долл. США) и огнеупоров к ним (в десятки раз выше стоимости отечественных), специфика обслуживания и подготовка персонала, необходимость специального инструмента сдерживают переход отечественных предприятий на разливку стали импортными комплектующими. Оптимальное сочетание эксплуатационных характеристик огнеупорных изделий при одновременном снижении себестоимости заставляет искать новые технологии их производства, что требует создания новых типов оборудования.

Высокая стоимость сырья и большой ассортимент изделий из огнеупорных смесей делают актуальной задачу поиска методов производства огнеупорных изделий, обеспечивающих заданные критерии качества, с прогнозированием свойств изделия.

Использование быстротвердеющей муллитокорундовой смеси в производстве позволяет получать продукцию с высокими показателями качества, для конкретной номенклатуры изделий. Высокая тиксотропность смеси дает возможность применять метод прессования. Патентно-литературный анализ выявил перспективность использования в производстве огнеупорных изделий, полученных путем вибропрессования. Достоинствами вибропрессования является: простота конструкции установки вибропрессования, ее невысокая стоимость, надежность и возможность получения стабильности показателей качества продукции.

Цель работыповышение эффективности процесса вибропрессования быстротвердеющих муллитокорундовых смесей на основе выявления влияния на показатели качества быстротвердеющей муллитокорундовой смеси параметров направленной вибрации рабочего органа созданной УВП.

Методы исследования.

При разработке теоретических аспектов проектирования УВП были использованы положения теоретической механики, математического анализа, математического моделирования и регрессионного анализа.

Эксперименты по определению кажущейся плотности и открытой пористости проводились в соответствии с ГОСТ 2409–95.

Определение прочности при сжатии проводилось в соответствии с ГОСТ 4071.1−94.

Научная новизна.

1. Определены рациональные пределы изменения требуемого давления, обеспечивающие прессование быстротвердеющей муллитокорундовой смеси и способствующие процессам тиксотропии.

2. Установлены особенности процесса вибропрессования и закономерности влияния параметров вибрации, обеспечивающие требуемую прочность, открытую пористость и кажущуюся плотность изготовленным образцам из муллитокорундовой смеси.

3. Научно обоснован эффективный способ обеспечения направленной вибрации на основе анализа продольных и поперечных жесткостей упругой подвески рабочего органа УВП.

4. Разработана математическая модель рабочего органа УВП, которая позволяет проектировать УВП и аналогичные конструкции с использованием системы MathCAD.

5. Получены основные теоретические зависимости, позволяющие определить упругие деформации рабочего органа и минимизировать их по значению.

Практическая значимость.

Полученные критерии на основе математической модели и результаты эксперимента позволили создать опытно-промышленную УВП быстротвер-деющих муллитокорундовых смесей.

Ее применение при производстве различной номенклатуры изделий позволяют повысить коэффициент использования этих изделий в среднем в два раза. Использование разработанной УВП в производстве стакан-коллекторов шиберных затворов устройств непрерывной разливки стали обеспечивает ожидаемый экономический эффект в размере 1.381.960 руб. в год. Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе по специальности 551 800 «Технологические машины и оборудование» .

Апробация работы.

Основные результаты экспериментальных исследований, теоретических разработок, отдельные положения работы и работа в целом докладывались: на международной конференции «Технология и автоматизация производства», Варшава, 1998; на межрегиональной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и средства автоматизации в промышленности», Волгоград, 1999; на международной конференции «Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства», Тула, 1999; на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ и на заседаниях кафедры «ПП» ТулГУ в 1998;2001 гг.

Публикации. По тематике исследований опубликовано лично и в соавторстве 9 статей.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, список использованных источников из 102 наименований, приложений и включает в себя 141 страницу машинописного текста, содержит 43 рисунка, 14 таблиц. Общий объем — 177 страниц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ способов получение изделий из быстротвердеющей муллитокорундовой смеси позволило выбрать способ вибропрессования, как наиболее эффективный и простой в реализации, позволяющий получать изделия заданного качества при уменьшении материальных затратах.

2. Проведенные испытания образцов из быстротвердеющей муллитокорундовой смеси показали, что для достижения требуемых показателей открытой пористости, кажущейся плотности и прочности материала, количество содержания воды в растворе не должно превышать 7% от массы сухой смеси, а время вибровоздействия находится в обратной зависимости от амплитуды вибропрессованияпри этом диапазон амплитуды вибропрессования лежит в пределах 0,2. .0,5 мм, время вибропрессования лежит в пределах 80. .420 с.

3. Для производства изделий рекомендуются следующие технологические режимы. Частота вибропрессования — 50 Гц. Размах вибропрессования от 0,6 до 0,82 мм. Время вибропрессования от 300 до 420 с. Величина давления пригруза не должна попадать в пределы 800−1600 Па. Выдерживание данных технологических требований обеспечивает получение высококачественных изделий из муллитокорундовой быстротвердеющей смеси.

4. Проведенные совместные исследования продольной и поперечной жесткости винтовой цилиндрической пружины подтвердили возможность получения требуемой направленности колебаний при исключении геометрически замыкающихся звеньев УВП, а так же существенно упростили конструкцию УВП.

5. Разработана и проанализирована математическая модель колебательного движения элементов УВП. На базе разработанной математической модели определены частотные характеристики вибростола, а так же выявлен диапазон изменения входящих параметров, от которых зависит функционирование устройства.

6. Разработанная методика проектирования УВП с заранее определен.

133 ными параметрами вибропрессования позволяет определить значения параметров упругой подвески для получения необходимых вибровоздействий при от сутствии паразитных колебаний элементов скомпонованной УВП при производстве стакан-коллекторов.