WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ЕПИФАНЦЕВ Кирилл Валерьевич

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАБОРНОЙ МАТРИЦЫ ТОРФЯНОЙ ФОРМУЮЩЕЙ МАШИНЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГОПЛОТНОГО ОКУСКОВАННОГО ТОПЛИВА

Специальность 05.05.06 – Горные машины А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» Научный руководитель – доктор технических наук Михайлов Александр Викторович

Официальные оппоненты:

Александров Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра горных транспортных машин, заведующий кафедрой Хван Давид Николаевич, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения», кафедра техносферной и экологической безопасности, доцент Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 25 декабря 2012 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21 линия, дом. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 23 ноября 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы. Увеличение использования торфяных топливных ресурсов и повышение надежности топливообеспечения распределенной тепловой энергетики является одной из важнейших задач Энергетической стратегии России на период до 2030 года.

Существующее полевое производство формованного кускового торфа влажностью не более 45 % из торфяного сырья влажностью 82-89 %, а также производство прессованных торфяных брикетов и пеллет влажностью 16-20 % из фрезерного торфяного сырья влажностью не более 52 % является сильно зависимым от неблагоприятных метеорологических условий, и не обеспечивает качества и требований надежности поставок топлива потребителю.

Основным направлением развития торфяной промышленности является интенсификация технологических процессов, изменяющих физико-механические свойства торфяного сырья путем сложного комбинированного воздействия на него рабочими органами машин.

Большой практический интерес представляют методы улучшения качества продукции, которые не усложняют в заметной степени технологический процесс и снижают энергоемкость производства.

К их числу относится производство окускованного торфяного топлива методом экструзии (формования) в шнековой машине, из торфяного сырья пониженной влажности 63-65 % с последующей досушкой, что позволяет упростить способы добычи торфяного сырья, расширить сезон добычи, повысить надежность производства при снижении себестоимости продукции. Использование шнековых машин позволяет сделать процесс непрерывным, контролируемым, универсальным по видам готовых продуктов.

Исследования зависимости давления формования торфа пониженной влажности на пределе мягкопластичности от геометрических параметров фильер для шнековых машин является актуальной задачей на данном этапе развития техники и технологий добычи торфа на топливо, имеющей важное теоретическое и прикладное значение.

Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие отечественные и зарубежные ученые как: В.Н. Афанасьев, Т.М.

Зубкова, В.Г. Коротков, А.П. Ильин, В.Ю. Полищук, В.Ю.

Прокофьев, Н.П. Черняев, Chen Z., J. J. Benbow, J. Bridgwater, A.L.

Gmze, D. Lutz, X. Zhou, Z. Li, J. F. Steffe, D.J. Horrobin.

Исследованию процессов окускования торфа и созданию средств механизации посвящены работы: Афанасьева А.Е., Воронкова Б.Б., Гамаюнова С.Н., Гревцева Н.В., Зюзина Б.Ф., Корчунова С.С., Опейко Ф.А., Самсонова Л.Н., Силина В.А., Солопова С.Г., Суворова В.И., Терентьева А.А., Фомина В.К., Цветкова В.И., Чистого И.Н., и др.

Цель работы: Выявление закономерностей твердофазного формования торфяного сырья на пределе мягкопластичности (w = 61-64 %) через фильеры шнековой машины и обоснование геометрических параметров фильер матрицы при создании условий снижения сопротивления торфяной массы на входе в фильеру и уменьшения внутренних напряжений в материале при выходе торфяного куска из калибрующей части фильеры без дефектов его формы и качества поверхности.

Основная идея работы: Параметры фильер матрицы шнековой машины для получения энергоплотного и прочного окускованного торфяного топлива определяются реологическими характеристиками торфяного сырья заданной влажности и выбираются при рациональном соотношении длины фильеры к диаметру ее калибрующей части для каждого вида входной части фильеры.

Основные задачи исследования:

1. Выполнить анализ работы шнековой машины и обосновать конструкцию фильер матрицы для получения окускованного торфяного топлива с требуемыми механическими свойствами.

2.Оценить структурно-механические и реологические свойства торфяной массы при формовании на пределе мягкопластичности.

3.Провести исследования движения торфяной массы различной влажности при продавливании её через фильеры матрицы шнековой машины, и оценить влияние геометрических параметров фильер матрицы на усилие продавливания.

4. Обосновать параметры фильер матрицы шнековой машины, обеспечивающих течение и уплотнение торфяной массы на пределе мягкопластичности с целью получения окускованного торфяного топлива с заданными характеристиками.

5. Провести лабораторные исследования полученного окускованного торфяного топлива с оценкой его эксплуатационных характеристик.

Методы исследования. В основу проведенных исследований положен системный подход к изучаемому объекту. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследования, включающий: анализ и обобщение результатов существующих методов окускования материалов, теоретический анализ процесса формования и экспериментальные исследования в лабораторных условиях. Для обработки экспериментальных данных используются методы математической статистики и программное обеспечение.

Научная новизна:

1. Предложен метод получения окускованного энергоплотного торфяного топлива способом холодного твердофазного формования диспергированной торфяной массы на пределе мягкопластичности (w=61-64 %); при этом экспериментально подтверждено, что закономерности деформирорвания, реологические показатели и течение массы в фильере подчиняются закону Оствальда-де-Виля.

2. Разработана математическая модель процесса твердофазного формования через фильеру окускованного энергоплотного торфяного топлива из торфяной массы на пределе ее мягкопластичности (w=61-64 %), позволяющая подобрать геометрические параметры фильер матрицы шнекового рабочего органа машины такими, чтобы обеспечить равномерную плотность куска с необходимой прочностью Научные положения, выносимые на защиту:

1.Осесимметричное твердофазное формование диспергированной торфяной массы при предельном мягкопластичном равновесном напряженно-деформированном состоянии при влажности 61 - 64 % через фильеры матрицы, имеющие коническое сужение с углом входа, соответствующим углу внутреннего трения торфяной массы, приводит к уплотнению массы вдоль оси фильеры по степенному закону при дилатантном поведении торфяной массы с ростом скорости сдвига, что обеспечивает получение плотного однородного по структуре куска.

2.Экспериментально установлено, что твердофазное формование торфяной массы в шнековой машине через фильеры матрицы с коэффициентом живого сечения Kf = 0,25, состоящие из входной конической формующей части и цилиндрической калибрующей части с коническим расширением на выходе, при отношениях длин калибрующей и формующей частей lк/lв= 2 и длины калибрующей части к ее диаметру lк/dк=3, снижает внутренние напряжения в уплотненном материале при выходе из фильеры без дефектов формы и поверхности.





Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается сходимостью результатов теоретического анализа с результатами эксперимен-тальных исследований и полупромышленных испытаний, а также применением современных измерительных средств. Организация экспериментальных исследований, обработка и анализ результатов, выполнялись на основе теории планирования полного факторного эксперимента, математического анализа и прикладной статистики.

Практическая значимость работы:

1. Предложенный метод выбора геометрических параметров рабочего канала фильер наборной матрицы шнековой машины позволяет разработать серию матриц дня выпуска торфяной окускованной продукции различного назначения.

2. Разработан специальный поршневой реометр для изучения твердофазного формования сложно-дисперсных материалов.

Реализация результатов работы:

Определены рациональные конструктивные и геометрические параметры фильер наборной матрицы шнековой машины.

Результаты исследований, были использованы компанией ОАО “Балткотломаш” при разработке и изготовлении опытнопромышленного образца шнекового формователя торфа по заказу ООО «Леноблторф», акт о внедрении от 25.05.2012 г.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010), XIIV Международном симпозиуме «Неделя горняка-2010» (Москва, 2010), 8 Международной научно-технической конференции «Наукаобразованию, производству, экономике» (Минск, 2010), Международной конференции молодых ученых «Innovations in mineral industry» (Фрайберг, Германия, 2010), Международной конференции «Трансфер технологий - от идеи к прибыли» (Днепропетровск, 2010), XIV Международном симпозиуме «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2011).

Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика проведения экспериментов, создан лабораторный стенд и проведены экспериментальные исследования по оценке эффективности формования торфяного сырья влажностью 61 – 64 %, проведена лабораторная оценка эксплуатационных параметров окускованного торфяного топлива.

Автор выражает глубокую признательность: коллективу кафедры Машиностроения Горного университета, сотрудникам Фрайбергской горной Академии, а так же генеральному директору ОАО «Балткотломаш», к.т.н. Безруких В.Ю. за техническую помощь при проведении экспериментальных исследований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах перечня ВАК РФ, получена приоритетная справка на патент.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 1наименований и 2 приложений. Работа изложена 145 страницах, содержит 11 таблиц, 63 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обосновывается актуальность темы диссертации.

В первой главе приведен анализ способов получения окускованного торфяного топлива и обзор существующего оборудования. Разработаны требования к продукции, исходя из параметров сырья и условий эксплуатации. Поставлены цели и задачи исследования.

Во второй главе приводится анализ критериев формуемости торфяной массы при пониженной влажности с учетом ее физикомеханических свойств и геометрических параметров фильер матрицы.

В третьей главе описаны средства измерения, лабораторные установки и методики выполнения экспериментальных исследований.

В четвертой главе представлены результаты лабораторных исследований по оценке формуемости торфяного сырья с выбранными параметрами фильер матрицы и оценке эксплуатационных параметров окускованного торфяного топлива В заключении приводятся основные результаты, полученные в ходе выполнения работы, выводы и рекомендации по их использованию.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.Осесимметричное твердофазное формование диспергированной торфяной массы при предельном мягкопластичном равновесном напряженно-деформированном состоянии при влажности 61 - 64 % через фильеры матрицы, имеющие коническое сужение с углом входа, соответствующим углу внутреннего трения торфяной массы, приводит к уплотнению массы вдоль оси фильеры по степенному закону при дилатантном поведении торфяной массы с ростом скорости сдвига, что обеспечивает получение плотного однородного по структуре куска.

Исследования базировались на рассмотрении системы «перерабатываемый продукт - машина». Конструктивные, кинематические и динамические параметры механической части определяют условия деформации торфяной массы и её структурно - механические характеристики и качественные характеристики окускованного торфяного топлива. Нагрузки, действующие на рабочий орган шнековой машины, определяются производительностью машины, параметрами матрицы и свойствами торфяной массы.

Для оценки плотности и деформируемости торфяной массы используется показатель консистенции JL соответствующий диапазону изменения относительной влажности wi:

Твердая..............................… wр< 28,8%;

Полутвердая......................... 28,8... 40,4%;

Тугопластичная …………… 40,4... 52%;

Мягкопластичная................. 52... 63,56%;

Текучепластичная............... 63,56... 75%;

Текучая................................. wm > 75%.

На основании теоретических значений предельной влажности wm=75 % соответствует влажности материала на пределе его текучести и влажности на пределе мягкопластичности wп можно определить предельное мягкопластичное равновесное напряженнодеформированное состояние для торфяной системы. Эквивалентное значение относительной влажности wэкв (средняя гармоническая величина Мгар из wт и wп) составит:

wэкв = Мгар = 2wтwп/(wт +wп)= 2·75·52/(75 + 52) = 61,42 %. (1) При диспергировании разрушение растительных остатков клеток высвобождает слабосвязанную воду, превращая ее в свободную. Это увеличивает пластичность торфяной массы при формовании и улучшает ее деформационные свойства.

Исследования проводились на образцах шейцериевосфагнового торфа степенью разложения 25 % месторождения «Саккала» Ленинградской области. Торфяное сырье было подвергнуто дроблению, сепарации от древесных включений и диспергированию до уровня дисперсности, оцениваемой величиной условной удельной поверхности по С.Г. Солопову S0 = 500 м2/кг.

Эксперименты проводились на образцах торфа влажностью от 60,до 70,0 %.

В ходе экспериментов по определению предельного напряжения сдвига уплотненной давлением 20 кПа торфяной массы на коническом пенетрометре ELE International 24-054, отмечено, что значение предельного напряжения сдвига торфяной массы имеет максимум при влажности w = 63,56 %, что соответствует границе между мягкопластичной и текучепластичной консистенциями торфяной массы. Результаты эксперимента аппроксимированы полиномом второй степени при достоверности аппроксимации R2=0,860:

= -0,11 +13,5 - 426,4. (2) Адгезия твердообразных торфяных масс реализуется на границе раздела двух разнородных твердых тел как молекулярная связь. Она обуславливается однородностью, механической прочностью структуры и консистенцией торфяной массы, и характеризует усилие взаимодействия между поверхностями рабочего органа и торфяной массой при нормальном отрыве или сдвиге.

Связь сил внешнего трения и адгезии в торфяной массе определяется уравнением Дерягина:

, (3) PТР f (PK p0F0) где f - истинный коэффициент внешнего трения; Рк - сила, нормальная к поверхности сдвига (усилие контакта), Н; ротр - сила отрыва, Н; F0 - площадь контакта, м2.

Исследования адгезии торфяной массы на адгезиометре Б.А.

Николаева показали, что адгезия торфяной массы к стали при влажности 63,56 % имеет выраженный минимум. Экстремальный характер изменения Ртр в зависимости от влажности объясняется следующим образом. При влажности менее 61,43 % увеличение Ртр происходит за счет механического сцепления частиц. По мере увеличения влажности коэффициент внутреннего трения уменьшается в результате смазывающего действия адсорбированной влаги. Увеличение коэффициента внутреннего трения в области 63,56 % вызвано действием капиллярноадсорбционных сил, приводящих к росту когезионного сцепления.

Необходимые требования к процессу формования:

- развитие в торфяной массе пластических деформаций;

- сохранение формы куска для проведения последующих технологических операций: транспортировки и сушки;

- отсутствие макродефектов в сформованном куске, снижающих его механическую прочность и ухудшающих товарный вид.

Функционирование одношнекового экструдера можно дифференцировать на две подсистемы:

• генератор давления: система шнек-цилиндр;

• потребитель давления: все сопротивления, которые материал должен преодолеть после выхода из шнека.

Шнек сжимает массу до точки накопления, после которой, возникает возможность создать давление, необходимое для прохода массы через фильеры матрицы. Только при балансе с обеих сторон точки накопления, масса выходит из фильер матрицы.

Основные требования к формующей части фильеры:

• одинаковая скорость массы по всему сечению (баланс потока);

• точность геометрии канала, качество поверхности канала;

• оптимальное гидравлическое сопротивление;

• отсутствие флуктуации массы на рабочих режимах;

• минимальная коррозия и абразивный износ;

• удобство установки, разборки и чистки фильеры, безопасность.

Основные задачи

калибрующей части фильеры:

• обеспечить точность размеров сечения куска;

• обеспечить отсутствие дефектов формы;

• снять внутренние напряжения в материале;

• получить поверхность куска требуемого качества.

В общем случае канал фильеры состоит из: формующей части lв, калибрующей части lк с зоной понижения давления lп.

Изменение параметров матрицы для увеличения или уменьшения достигаемого в ней давления на материал:

• изменение соотношения длины фильер матрицы к поперечному сечению суммарной площади фильер (степень формования);

• изменение формы входного отверстия фильер матрицы;

• изменения степени формования посредством изменения поперечного сечения фильер матрицы.

При осесимметричном формовании материал продавливается шнеком через фильеры матрицы, переходя от большого диаметра шнека к малым диаметрам фильер матрицы. Внутренняя поверхность сужения фильеры определяет величину энергетических затрат. Выбор рациональной поверхности сужения рассмотрен в качестве детерминированной однокритериальной задачи. В работе были рассмотрены три формы выполнения сужения входной части фильер: цилиндрическая, коническая и плавная (рис. 1).

Рис. 1. Профиль вставных фильер наборной матрицы Коническая форма была образована с учетом угла внутреннего трения торфяной массы =35°.

Вытесняемый материал в канале фильеры ведет себя как неньютоновская жидкость, и его поведение может быть описано моделью степенного закона Оствальда-де Виля n k, (4) где – напряжение сдвига на цилиндрической поверхности, Па;

k– показатель консистенции, Па·сn; – градиент скорости сдвига с-1;

n– показатель нелинейности, индекс течения.

Реологические характеристики торфяной массы оценивались на разработанном поршневом реометре диаметром 32 мм и длиной 300 мм, установленном на универсальной машине Zwick/Roell Z100, путем продавливания торфяной массы через фильеры с длиной калибрующей части 40, 40 и 60 мм и диаметром 16 мм в диапазоне нагрузок - от 1600 Н до 9000 Н, скорости 0,0125 м/с и температуре окружающей среды - от 20 °С (рис. 2, 3).

Рис. 2. Экспериментальная установка: схема поршневого реометра Общее давление при формовании складывается из давления в зоне нагнетания P1 и давления в зоне продавливания P2 (рис.2) Давление Р1 отражает эффект геометрии на входе в фильеры.

В фильере поток массы движется как твердая пробка, окруженная тонким слоем влаги, отделяющей ее от стенки. Касательное напряжение, является функцией скорости массы при снижении давления Р2 по длине фильеры.

В экспериментах при влажности торфяного сырья от 60 до % получены линейные зависимости напряжения сдвига в фильере ф от нормального напряжения на входе в фильеру 0 (рис. 4).

Рис. 4. Результаты реометрии в случае упрочнения структуры среды при длине калибрующей части фильеры 20; 40 и 60 мм На основе полученных данных определена зависимость предельного напряжения сдвига массы от скорости сдвига (рис. 5).

Рис. 5. Изменение предельного напряжения сдвига от скорости сдвига торфяной массы (dк=16 мм; w=63,65 %; lк=20; 40 и 60 мм) При твердофазном формовании торфяной массы в мягкопластичном равновесном напряженно-деформированном состоянии (w=61 - 64 %) через фильеру с коническим сужением (=35°) экспериментально определены константы степенного уравнения (4) k =0,08 и n=2,915, что свидетельствует о нелинейном упрочнением структуры небингамовского пластического тела и его дилатантном поведении при n>1 с ростом скорости сдвига.

2.Экспериментально установлено, что твердофазное формование торфяной массы в шнековой машине через фильеры матрицы с коэффициентом живого сечения Kf = 0,25, состоящие из входной конической формующей части и цилиндрической калибрующей части с коническим расширением на выходе, при отношениях длин калибрующей и формующей частей lк/lв= 2 и длины калибрующей части к ее диаметру lк/dк=3, снижает внутренние напряжения в уплотненном материале при выходе из фильеры без дефектов формы и поверхности.

Для определения соотношения параметров фильеры использовалось модель Бенбоу-Бриджуотера (5), основанная на предположении о пластической деформации во входе в фильеры и потоке пробки материала в калибрующей части фильеры Do lк P P1 P2 20 срln 4ф ср dк (5) dк где Р1 – давление в зоне нагнетания, Па; Р2 – давление в зоне продавливания, Па; 0 – одноосное напряжение текучести на входе в канал фильеры, Па; vср – средняя скорость течения массы в формующем канале, м/с; – фактор развития скорости на входе в фильеру Па·м-1; S0 – диаметр поршня (шнека), м; – напряжение ф сдвига в массе у стенки формующего канала, Па; – доля пристеночного скольжения от средней скорости течения массы Па·м-1; lк – длина формующего канала фильеры, м; dк – диаметр формующего канала фильеры, м; kф – экспериментальный коэффициент, учитывающий влияние формы входной части фильеры.

Анализ уравнения (5) показывает, что первоначальная оценка напряжений, существующих в системе вытеснения после остановки поршня, может быть получена, приравнивая v к нулю, а именно, ( ) [ ] [ ] ( ). (6) Это предполагает допущение, что взаимодействие между материалом и поверхностью фильеры при динамических условиях сохранены и в статическом случае. Экспериментальный коэффициент kф=0,82 учитывает форму сужения входной части фильеры.

По полученным кривым нагрузки от смещения поршня, пример которых показан на рис. 6, получены значения давления, и определена область сжатия при увеличении нормального напряжения по экспоненте. Вторая область пластического потока начинается при максимальном нормальном напряжении.

Рис. 6. Кривые нагрузки от смещения поршня при длине калибрующей части фильеры 20, 40 и 60 мм Показателем работы экструдера является его эффективность - отношение производительности к мощности. Основной характеристикой фильер является коэффициент гидравлического сопротивления течению материала Kг (безразмерный коэффициент).

В экспериментах на поршневом реометре получено, что давление формования P (МПа) торфяной массы влажностью 63,56 % через фильеру зависит от длины калибрующей части фильеры lk (от 40 до 60 мм) и формы входной части фильеры, определяемой коэффициентом гидравлического сопротивления Kг (от 41 до 63). С помощью полного факторного эксперимента получена математическая модель изменения давления формования Р от параметров фильеры в натуральном виде, все члены которой значимы, а сама модель проверена на адекватность по критерию Фишера (Fрасч=0,51

Рис. 7. Зависимость усилия при формовании торфяного сырья от геометрических параметров фильер матрицы Для оценки процесса переработки (перемешивания) торфяной массы при движении через фильеру проведен анализ деформации сдвига по сечению канала фильеры, с учетом полученного в экспериментах значения индекса течения n (рис. 8).

Рис. 8. Диаграммы изменения деформации сдвига по радиусу канала фильеры.

Суммарная степень механической переработки торфяной массы определяется деформацией сдвига с учетом скольжения , и зависит от размеров входной и калибрующей частей фильеры ( ) ( ) ( ) (8) ( ) В экспериментах на поршневом реометре сила вытеснения торфяной массы регистрировалась как функция времени и перемещения поршня.

Тест вытеснения длился 10 с, чтобы гарантировать, что было получено устойчивое состояние формования. В этом исследовании было найдено, что зависимость полного давления вытеснения от соотношения lк/dк линейна (рис. 9).

Рис. 9. Давление вытеснения при разных соотношениях lк/dк для массы влажностью 63,56 % Проведенные теоретические и экспериментальные исследования влияния геометрических параметров формующих элементов на технологические характеристики процесса формования и качество получаемых изделий позволили предложить следующий геометрический профиль фильер матрицы.

В рабочем участке создается основное противодавление со стороны сужающегося конического канала. Полный угол раскрытия конуса находится в пределах 35 град. Высота конуса составляет lв = 2dк. Калибрующий участок придает куску окончательную форму поперечного сечения и выполнен в форме цилиндра с соотношением высоты к диаметру lк/dк = 3. Расширяющийся участок обеспечивает плавное снятие упругих деформаций и исключает образование поверхностных и внутренних трещин в выходящих из фильеры кусках. Выполненный в виде расширяющегося конуса с полным углом раскрытия порядка 2 °., этот участок имеет длину lп = 0,5 dк.

Отношение суммы диаметров калибрующего участка dк к диаметру шнека D0 характеризует степень сжатия материала в рабочем канале фильер матрицы, определяемый коэффициентом живого сечения Kf. По результатам экспериментов удовлетворительное формование торфяной массы происходит при Кf =0,25.

Производительность фильеры сечением f (м2) по сырым изделиям Qф=fv, (9) где v – средняя скорость формования, м/с; – плотность окускованного торфа на выходе из фильеры (в зависимости от влажности торфа = 1200-1500 кг/м3).

Удельная энергоемкость формования торфяной массы (w=63,%) на поршневом реометре составила 2,78 кВт·ч/т. Мощность на формование торфяной массы через фильеру матрицы ( ). (10) ( ) Таким образом, выбранные геометрические параметры фильер матрицы шнековой машины позволяют получить бездефектное окускованное торфяное топливо диаметром 14 мм (рис. 10, 11) с усредненными эксплуатационными характеристиками при окончательной влажности 40 %: плотность куска - 1050 кг/ м;

прочность на сжатие – 2 МПа; крошимость – 99 %;

водопоглощаемость за 24 ч в воде – 50 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основе выполненных исследований изложены научно обоснованные технические решения, имеющие существенное значение для развития страны – осуществления метода твердофазного формования торфяной массы пониженной влажности с получением окускованного торфяного топлива за счет определения рациональных параметров фильер наборной матрицы шнековой машины.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Развит метод твердофазного формования торфяной массы пониженной влажности для получения окускованного торфяного топлива на основе выбора консистенции формуемой массы и условий ее формования. Выбранный размер торфяного топлива расширяет эксплуатационные возможности его использования.

2. Аналитические исследования разработанной схемы наборной матрицы позволили определить её конструктивные параметры исходя из условий работы и налагаемых ограничений: значение угла конуса сужения фильер составило 35°. Получены зависимости сопротивления матрицы от конструктивных параметров фильер, введён коэффициент, учитывающий геометрическую форму сужения, что позволяет за счёт сглаживания колебаний давления в предматричной зоне снизить энергоёмкость формования на 18 %.

3. Экспериментально установлено, что реологические свойства торфяной массы при влажности 61-64 % близки к реологическим свойствам небингамовского пластического тела с нелинейным упрочнением структуры материала и его дилатантном поведении при n>1.

4. Определены рациональные геометрические соотношения параметров фильер наборной матрицы с коэффициентом живого сечения 0,25 и отношениях длин калибрующей и формующей частей фильеры lк/lв=2 и длины калибрующей части к ее диаметру lк/dк=3, что способствует уплотнению торфяной массы при входе в фильеру, и снижает внутренние напряжения в уплотненном материале при выходе из калибрующей части без дефектов формы и поверхности.

5. Определены усредненные эксплуатационные характеристики получаемого окускованного энергоплотного торфяного топлива диаметром 14 мм при w=40 %: плотность куска - 1050 кг/м;

прочность на сжатие – 2 МПа; крошимость – 99 %;

водопоглощаемость за 24 ч – 50 %.

6. Разработана конструкция поршневого реометра, который позволяет моделировать твердофазное формование сложнодисперсных материалов при продавливании через фильеры.

7. Результаты диссертационной работы использованы на ОАО «Балткотломаш» при создании опытно-промышленного образца шнековой машины для получения окускованного торфяного топлива (акт внедрения от 25.05.2012).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих наиболее значимых работах:

1. Епифанцев К.В. Требования к торфяному сырью для производства окускованного топлива / А.В. Михайлов, Э.А.

Кремчеев, А.В. Большунов, К.В. Епифанцев // Горный информационно-аналитический бюллетень. М., №4, 2012. С. 59-63.

2. Епифанцев К.В. Обоснование геометрических параметров фильер матрицы торфяной формующей машины / Горное оборудование и электромеханика. М., 2012, №8. С. 40-44.

3. Епифанцев К.В. Практическое применение шнекового экструдера для формования торфа / К.В. Епифанцев, А.В. Михайлов // Труды XIV международного симпозиума «Проблемы геологии и освоения недр». – Томск, т.2, НИТПУ, 2010. С. 279-281.

4. Епифанцев К.В. Исследование линии по гранулированию торфа с месторождения «Балашов Лог» // Сб. тез. докл. I Междунар.

научно-технического конгресса «Энергетика в глобальном мире». – Красноярск, 2010, С. 338-339.

5. Епифанцев К.В. Изучение конструктивных особенностей грануляторов с целью выбора машины для производства торфяного топлива / Труды VII Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении». – Томск, НИТПУ, 2010. С. 518-520.

6. Епифанцев К.В. Применение пресса «Тinius Olsen» для изучения прочностных характеристик топливных гранул, произведённых на машине для холодного окускования топлива // Научные труды Всероссийского конкурса НИР студентов и аспирантов в области наук о Земле. – Томск, НИТПУ, 2011. С. 279282.

Рис. 3. Поршневой реометр на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z1Рис. 10. Твердофазное формование торфяного сырья на лабораторном прессе PZVM8d машины ОАО «Балткотломаш» Рис. 11. Опытно промышленный образец шнековой






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.