УСТРОЙСТВО ДЛЯ БРИКЕТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ

Полезная модель относится к технике переработки вторичных ресурсов, а именно: металлической стружки, других подобных дисперсных или измельченных электропроводящих отходов: всплесов, облоя, листовой обрези, легковесного лома и т.п., в том числе реакционных и высокопрочных материалов, таких как стали, сплавы титана, циркония, алюминия и др., в т.ч. окисленных и загрязненных и, в связи с этим, плохо поддающихся брикетированию обычным методом - прессованием. Устройство может быть также использовано для получения пористых материалов, полуфабрикатов и изделий: заготовок, лигатур, фильтров, гетеров и т.п. как из отходов, так и из металлических порошков, гранул, чешуек и пр.
Брикетирование металлической стружки производится с целью упрощения ее транспортировки и дальнейшей переработки (Томуров В.П. и др. Оборудование по переработке вторичного сырья черной металлургии М.: Металлургия, 1976).
2
2
Как правило, оно осуществляется с помощью брикет-прессов с большим усилием прессования, при этом сцепление стружки в брикет осуществляется за счет механических контактов, возникающих при большой деформации стружки. Достаточно прочные брикеты (пригодные для транспортировки и дальнейшей переработки) получаются при плотности брикета не менее (60-70)% от плотности металла. Давление прессования зависит от пластичности металла и составляет для обычных сталей и чугуна (3-4) т/см (Томуров В.П. и др. Оборудование по переработке вторичного сырья черной металлургии М.: Металлургия, 1976), а для титановых сплавов (3-9) т/см (Скворцов Ю.И., Морозов Е.И., Усов В.Н. Брикетирование стружки титановых сплавов. - Технология легких сплавов, 1971, N 5, с.112).
Брикет-прессы (Томуров В.П. и др. Оборудование по переработке вторичного сырья черной металлургии М.: Металлургия, 1976.) состоят из лотка (приемного бункера или питателя), расположенного в верхней части установки, и гидравлического прессового механизма, в котором имеется загрузочная и прессовая камеры. Для повышения эффективности брикетирования в конструкцию могут добавляться другие элементы, в том числе, для очистки, перемешивания и нагрева стружки (Гурченко П.С, Михлюк А.И., Демин М.И., Скибарь A.M., СПОСОБ БРИКЕТИРОВАНИЯ СТАЛЬНОЙ СТРУЖКИ, Патент РФ №2354723, от 04.07.2007, опубликовано 10.05.2009), которые, сильно усложняя конструкцию и увеличивая энергозатраты, не решают принципиальных проблем. Высокопрочные, легированные стали и другие высокопрочные сплавы фактически не поддаются брикетированию с помощью брикет-прессов, т.к. для их брикетирования в связи с малой пластичностью необходимы более высокие давления, а использование таких давлений ведет к резкому снижению производительности и износу оснастки, брикетирование с нагревом ведет к большим энергозатратам, порче металла и загрязнению среды.
2
Для устранения этих недостатков был предложен электрофизический, электроимпульсный способ брикетирования металлической стружки (Абрамова К.Б., Самуйлов С.Д., Филин Ю.А. Способ брикетирования металлической стружки. // Патент РФ №2063304 от 10 июня 1994., БИ №19, 1996 г.), усовершенствованный в патенте (Дорф-Горский И.А., Ельчанинов А.А., Иванов В.И., СПОСОБ БРИКЕТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ, патент РФ №2175019 от 03.03.2000), в котором в качестве технологического инструмента используется электрический ток большой плотности, осуществляемый с помощью соответствующего устройства, содержащего, кроме прессового механизма, источник импульсного электрического тока. Измельченные металлические отходы прессуют при сравнительно небольших давлениях, до 0,5 т/см для высокопрочных сплавов и пористости брикетов порядка 50%, а затем подвергают обработке с использованием коротких импульсов электрического тока. Величина и длительность импульса рассчитываются по специальным формулам. Эта обработка позволяет связать спрессованный материал в прочный брикет. Весь металл при брикетировании нагревается незначительно, а локальные зоны контактов на короткое время, это позволяет избежать существенного окисления металла даже при брикетировании на воздухе такого химически активного металла как титан.
Конструкция такого устройства наиболее полно разработана в патенте, взятом за прототип предлагаемой полезной модели (Оглоблин Б.Г, Дорф-Горский И.А., Ельчанинов А.А., Бочаров А.Ф., Иванов В.И., Абрамова. К.Б, Самуйлов С.Д. Устройство для брикетирования титановой стружки. // Патент РФ №2173236, от 19.12.95, БИ №25, 10.09.2001). Устройство-прототип для брикетирования металлической стружки состоит из станины и смонтированных на ней приемного бункера, который для регулировки подачи стружки снабжен заслонкой, а для лучшей подачи стружки снабжен вибратором, загрузочной камеры, камеры прессования и спекания, в которой установлены электроды. Электроды соединены с генератором импульсных токов (ГИТ) в составе которого имеется накопитель энергии, как правило, изготавливаемый на базе конденсаторной батареи, а остальные стенки камеры прессования и спекания выполнены из электроизоляционных материалов. На станине смонтирован гидроцилиндр с пуансонами для сжатия стружки, который перемещает стружку из загрузочной камеры в камеру прессования и спекания и сжимает ее. Главным отличием устройства-прототипа от обычных брикет-прессов является то, что оно имеет в своем составе генератор импульсных токов (ГИТ), который позволяет производить электроимпульсную обработку стружки и превращать ее в прочные брикеты за счет электрической сварки контактов между частицами стружки. ГИТ включает в себя накопитель энергии на базе конденсаторной батареи и ключевые элементы для коммутации накопленной энергии в нагрузку.
Недостатком прототипа является низкая, в сравнении с потенциальными возможностями технологии, эффективность процесса брикетирования, поясняемая следующим. Дозирование стружки фактически осуществляется по насыпному объему, а поскольку насыпная плотность стружки имеет значительный разброс даже в пределах одной партии, из-за неравномерной подачи возникает значительный разброс в параметрах брикетов: разный вес, размер, плотность и прочность. Потребитель заинтересован в брикетах одинаковой плотности, с тем, чтобы, заполняя брикетами определенный объем печи, получать заданное количество металла. Параметры процесса (давление прессования и амплитуда тока) задаются вблизи максимальных значений определяемых конструкцией установки, т.к. в противном случае будет снижена производительность установки. Регулируя положение заслонки приемного бункера, добиваются того, чтобы при этих параметрах процесса получать брикеты наибольшей массы. Контроль количества и наличия стружки в прессовой камере может осуществляться только постфактум, когда она уже спрессована, по косвенному признаку - усилию прессования. Если в камере мало или много брикетируемого материала, оператор вынужден произвести аварийный разряд батареи ГИТ и вытолкнуть материал без брикетирования, что ведет к браку. В то же время, из-за значительного разброса насыпной плотности стружки, количество ее в камере прессования также имеет значительный разброс, и если параметры процесса (усилие прессования и величина тока) соответствуют максимальной партии, для меньших партий стружки эти параметры избыточны. Это ведет к нерациональному расходу энергии. Из-за зависания стружки в приемном бункере в камеру может попасть очень мало стружки, или она может не попасть вовсе. Для электроимпульсных установок такой режим недопустим, т.к. разряд на пустую или полупустую камеру может приводить к выходу из строя оборудования ГИТ, разряду, сопровождаемому громким звуком, окислению стружки и порче металла. Устройство-прототип не позволяет полностью исключить подобную ситуацию, т.к. количество стружки контролируется лишь косвенно. Регулировка подачи стружки осуществляется с помощью специальной заслонки. Это неудобно, т.к. для регулировки необходимо останавливать процесс, а также сложно перемещать заслонку при заполненном приемном бункере. Кроме того, устройство-прототип использует гидравлический пресс. Недостатком гидравлических прессов является то, что из-за сложности изготовления гидравлического оборудования они стоят дорого. Другой недостаток состоит в том, что независимо от того, работает пресс с полным усилием (в конце хода прессования стружки), или с небольшим усилием (в начале хода, когда пресс лишь перемещает и начинает сжимать стружку), или стоит, гидростанция создает давление жидкости и потребляет энергию, кроме того, преобразование электроэнергии в давление жидкости не очень эффективно, поэтому гидропрессы обладают малой энергоэффективностью.
Предлагаемое устройство решает задачу повышения эффективности брикетирования металлической стружки.
Задача решается устройством для брикетирования металлической стружки, включающим приемный бункер с заслонкой, станину с установленными на ней загрузочной камерой, камерой прессования и спекания и прессовым механизмом, генератор импульсного тока, содержащий накопитель энергии, причем, согласно полезной модели, заслонка приемного бункера выполнена автоматически управляемой, перед загрузочной камерой установлен весовой дозатор, состоящий из измерительного бункера с автоматически управляемой заслонкой, узла измерения веса и выносного блока управления вышеупомянутыми заслонками, весом брикета и зарядом накопителя энергии, а прессовый механизм представляет собой кривошипно-шатунный агрегат.
Эффективность процесса брикетирования повышается за счет повышения качества брикетов, надежности работы, энергоэффективности установки.
Блок управления весового дозатора, открывая и закрывая заслонки бункеров, обеспечивает подачу в загрузочную камеру брикетируемого материала партиями заданного веса. Он позволяет регулировать заданный вес партии брикетируемого материала (вес брикета) в процессе работы, а также осуществлять текущий контроль фактического веса материала в измерительном бункере. За счет использования весового дозатора повышается качество брикетов, т.к. они обладают одинаковым весом, плотностью и высокой гарантированной прочностью. Параметры процесса брикетирования задаются блоком управления вышеупомянутыми заслонками, зарядом накопителя энергии, подачей брикетируемого материала в загрузочную камеру порциями в соответствии с требуемым, точно задаваемым весом брикетов, что позволяет повысить энергоэффективность. Исключается брак, связанный с возможной загрузкой слишком большой или слишком маленькой порции стружки. Если в приемном бункере произойдет временное зависание стружки, это не приведет к аварийной ситуации, а приведет лишь к задержке в работе установки, т.к. батарея ГИТ заряжается только при заполнении измерительного бункера дозатора. При неустранимом зависании установка будет остановлена и приемный бункер очищен. Но разряд на пустую или полупустую камеру исключен. Вес брикетов регулируется и контролируется с выносного блока управления, причем такая регулировка может осуществляться в процессе работы. Наиболее целесообразно использовать в составе устройства стандартный тензометрический весовой дозатор, включающий измерительный бункер, подвешенный на специальных консолях, и блок управления, на котором устанавливается заданный вес материала. Вес может контролироваться на специальном экране, при этом он измеряется специальными тензометрическими датчиками. Такая конструкция удобна, а тензометрические датчики обеспечивают высокую точность измерения веса.
Кривошипный пресс представляет собой установку с механизмом кривошипно-ползунного вида. Принцип работы такого пресса сводится к преобразованию вращательного движения привода в возвратно-поступательное движение ползуна с помощью кривошипно-ползунного механизма. Его отличительной особенностью является то, что усилие прессования растет по мере движения пресса и достигает максимальной величины при окончании хода плунжера. То есть сначала плунжер движется с большой скоростью, но не может создавать значительного усилия, а в конце прессования скорость движения плунжера замедляется, а усилие прессования растет. Это как раз тот режим, который нужен для сжатия стружки, т.к. вначале она практически не оказывает сопротивления сжатию, а в конце процесса необходимое усилие возрастает. Кривошипный пресс прост по конструкции, электродвигатель эффективно преобразует электроэнергию в механическую энергию (кроме того, любые другие агрегаты имеют в своем составе электродвигатель), это повышает энергоэффективность процесса.
Устройство работает следующим образом.
В приемный бункер небольшого объема по транспортеру непрерывно или небольшими порциями подается стружка или другой брикетируемый материал. На блоке управления дозатора выставляется заданный вес брикетируемого материала (вес брикета). После включения дозатора заслонка приемного бункера автоматически открывается, и стружка начинает поступать в измерительный бункер дозатора. При достижении заданного веса брикетируемого материала блок управления дозатора выдает соответствующий сигнал, по которому заслонка приемного бункера закрывается, этот сигнал используется также для включения накопителя энергии генератора импульсного тока (ГИТ). Затем, по специальной команде с блока управления дозатора открывается заслонка измерительного бункера, и партия брикетируемого материала высыпается в загрузочную камеру прессового механизма, после чего измерительный бункер начинает загружаться снова. Зависание стружки в приемном бункере из-за его небольшого объема маловероятно, и будет приводить либо к задержке работы, либо к остановке установки, т.к. батарея будет заряжаться только после поступления сигнала о заполнении измерительного бункера заданным количеством стружки. В то же время приемный бункер небольшого объема легко очистить (например, в случае попадания в него посторонних предметов). Установка имеет загрузочную камеру и камеру прессования и спекания, которые расположены в горизонтальной плоскости. Стружка подается из измерительного бункера дозатора сверху, под действием силы тяжести, в загрузочную камеру. Размер загрузочной камеры позволяет разместить партию стружки требуемого веса при плотности не ниже заданной. Затем включается пресс, с помощью которого стружка плунжером перемещается в горизонтальном, продольном, направлении, поступает в электроизолированную камеру прессования и спекания, где сжимается до заданного размера брикета, который имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Работает пресс следующим образом. При подаче на электродвигатель трехфазного переменного напряжения 380 В, фазы которого соответствуют прямому ходу пресса, двигатель вращает редуктор, от которого приводится в движение колесо кривошипа. Кривошипно-ползунный механизм осуществляет поступательное движение плунжера, который сжимает загруженную стружку и перемещает ее в прессовую камеру. По достижении заданного положения (заданный размер брикета) срабатывает датчик положения, и напряжение выключается. При этом снимается напряжение с электромагнитного тормоза, и он фиксирует положение вала редуктора, и, тем самым, фиксируется заданный размер брикета в продольном направлении (направлении прессования). Электрический ток, поступающий от ГИТ, пропускается перпендикулярно направлению прессования, вдоль длинной стороны брикета между специальными электродами. После обработки стружки и открывания затвора, снова подается напряжение на электродвигатель, колесо кривошипа продолжает движение, при этом срабатывает рычажный толкатель с малым усилием, который обеспечивает дальнейшее движение плунжера и выталкивание брикета. Для осуществления обратного хода на электродвигатель подается напряжение, фазы которого подобраны для вращения его в обратную сторону. После разгрузки измерительного бункера дозатора начинается его следующая загрузка. К моменту завершения обратного хода плунжера дозатор уже загружен, и батарея ГИТ заряжается. При завершении обратного хода выдается сигнал на схему управления, по которому измерительный бункер дозатора разгружается, и процесс повторяется.
Пример конкретного исполнения.
3
В качестве дозатора выбрали дозатор весовой РТ-ДВ-01 с электронным весовым устройством производства фирмы «Русская трапеза» в Санкт-Петербурге. Дозатор предназначен для весового дозирования сыпучих, гранулированных, кристаллических и мелкоштучных пищевых продуктов, а также штучных малоразмерных промышленных изделий. Производительность дозатора 12 доз/мин, т.е. набор дозы осуществляется за 5 с. Поскольку согласно циклограмме работы пресса дозатор включается после выгрузки предыдущей дозы одновременно с прямым ходом пресса (6 с), то к моменту разряда батареи дозатор загружен (и имеется резерв времени 2 с). Поэтому сразу после разряда батарея может заряжаться и время ее заряда равно полному времени цикла (15 с). Масса дозы также удовлетворяет требованиям для стружки большинства металлов. Например при заданном весе дозы стальной стружки 1,25 кг и ее плотности 0,5 г/см, занимаемый ею объем ~ 2,5 л, т.е. объем измерительного бункера используется на 60%. Объем приемного бункера 50 л, т.е. он вмещает не менее 12 доз стружки, этого вполне достаточно для сглаживания возможной неравномерности подачи стружки входным транспортером. Стружка подается из дозатора сверху, под действием силы тяжести, в загрузочную камеру размером 200×400 мм. Размер загрузочной камеры позволяет разместить партию стружки требуемого веса при плотности не ниже заданной. Собственно пресс состоит из рамы, к которой крепятся все элементы, электродвигателя АИР90L4У3 380 В; 50 Гц; IM 1081; ТУ16-526.693-86; мощностью 2 кВт (в устройстве-прототипе использован двигатель мощностью 25 кВт, который работает постоянно), редуктора червячного одноступенчатого универсального Ч100, электромагнитного колодочного тормоза общего назначения ТКТ-200, кривошипно-ползунного механизма и толкателя для выталкивания готовых брикетов. Прямой и обратный ход плунжера осуществляются за 6 секунд, время выталкивания брикета 1 секунда, таким образом, пресс обеспечивает заданную длительность цикла брикетирования 15 секунд.
3
На модельной установке получили партию брикетов из титановой стружки. Для проверки возможности дозирования металлической стружки использовали титановую стружку сплава 3М, насыпная плотность этой стружки составляет примерно 0,4 г/см. Плотность титановой стружки ниже, чем у стальной, и, соответственно, по этой причине ее сыпучесть хуже. Стружка содержит частицы сложной формы, которые могут сцепляться между собой. В целом эту стружку можно охарактеризовать как сыпучую стружку с плохой сыпучестью. Указанная стружка общим весом 2,3 кг загружена в приемный приемный бункер дозатора РТ-ДВ-01. На блоке управления дозатора выставлен заданный вес 0,6 кг. Поле включения дозатора заслонка приемного бункера открывается, и стружка начинает поступать в измерительный бункер. При достижении заданного веса заслонка закрывается. В измерительном бункере 0,6 кг стружки, время дозирования составило ~ 6 секунд. Затем кнопкой с пульта открывается заслонка измерительного бункера и доза стружки высыпается в загрузочную камеру, время высыпания менее 1 сек. Дозатор включается снова, и процесс повторяется до тех пор, пока в измерительном бункере не оказывается последние 0,5 кг стружки. В этом случае дозатор не останавливается автоматически, т.к. оставшейся стружки (0,5 кг.) недостаточно для формирования следующей дозы. Остановка дозатора производится оператором с пульта управления, который на выносном блоке управления дозатора видит, что в измерительном бункере недостаточное количество брикетируемого материала и его количество не увеличивается. После остановки дозатора с помощью блока управления дозатора, стружка высыпается в емкость. Указанный процесс был повторен 3 раза. Сбоев и зависания стружки не выявлено. На модельной установке получено 12 брикетов, вес брикетов составил (0,60±0,01) кг, прочность брикетов на излом σ=(0,245±0,100) МПа.
Заявляемое устройство позволяет повысить эффективность процесса брикетирования и брикетировать любые дисперсные или измельченные материалы при условии, что брикетируемая среда обладает электропроводностью.
При этом надежность работы повышается за счет использования весового дозатора, который подает в загрузочную камеру заданную партию стружки всегда одинакового веса, что позволяет, с одной стороны, обеспечить более полное использование возможности прессового механизма (по сжатию стружки) и ГИТ (по ее электроимпульсной обработке), а с другой стороны, повысить качество брикетов, поскольку они обладают одинаковым весом и плотностью, одинаковой высокой прочностью. Надежность работы повышается также за счет использования более простого прессового механизма, в тоже время это позволяет упростить и удешевить установку. Энергоэффективность повышается за счет того, что при одинаковом весе стружки можно задавать параметры обработки близкие к оптимальным для данного веса, а также за счет использования более энергоэффективного пресса.