УСТРОЙСТВО ДЛЯ БРИКЕТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ

Полезная модель относится к технике переработки вторичных ресурсов, а именно, к брикетированию металлической стружки.
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 А.М., 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 (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 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 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 этого устройства 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 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.
Устройство, взятое за прототип предлагаемой полезной модели (Крестьянинов Д.А., Самуйлов С.Д., Щербаков И.П. Патент на Полезную модель №107723 «Устройство для брикетирования металлической стружки», дата приоритета 07.02.11., БИ №24 27.08.2011 г.), решает задачу повышения эффективности брикетирования металлической стружки. Оно включает 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, 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.
Недостатком устройства-прототипа являются его большие габариты, в особенности по длине (т.е. в направлении прессования), а, следовательно, и вес оборудования. Этот недостаток связан с тем, что в устройстве-прототипе стружка из дозатора загружается в загрузочную камеру, из которой плунжером перемещается в камеру прессования и спекания, где происходит ее сжатие до заданного размера брикета и электроимпульсное спекание. Соответственно, в конструкции устройства предусмотрены большой ход поршня, длина поршня и диаметр колеса кривошипного пресса.
Предлагаемая полезная модель решает задачу уменьшения габаритов и веса устройства для брикетирования металлической стружки.
Устройство для брикетирования металлической стружки содержит установленные на станине механизм прессования с плунжером и камеру загрузки, прессования и электроимпульсного спекания с крышкой, выполненной с возможностью перемещения при прямом ходе плунжера из открытого положения в закрытое посредством приводной пружины и фиксации на плунжере при его расположении в исходном состоянии и обратном ходе для обеспечения перемещения из закрытого положения в открытое.
Создание объединенной камеры загрузки, прессования и спекания, причем с крышкой, выполненной управляемо перемещаемой с помощью плунжера, позволяет исключить операцию перемещения стружки из загрузочной камеры в камеру прессования и спекания (как в прототипе) и, тем самым, уменьшить необходимую длину хода плунжера и, соответственно, длину самого плунжера и диаметр колеса кривошипного пресса, т.е. уменьшить габариты и вес устройства.
Предлагаемое устройство схематически представлено на Фиг.(в разрезе), в положении, соответствующем началу прессования стружки (стружка загружена, крышка камеры загрузки, прессования и спекания закрыта, плунжер начинает движение), где:
1 - приемный бункер;
2 - заслонка приемного бункера;
3 - дозатор стружки;
4 - заслонка дозатора;
5 - станина;
6 - камера загрузки, прессования и спекания со стружкой;
7 - электроизолированный участок камеры загрузки, прессования и спекания, где формируется брикет;
8 - крышка камеры загрузки, прессования и спекания;
9 - направляющие перемещения крышки;
10 - плунжер кривошипно-шатунного пресса;
11 - электроизолированный наконечник плунжера;
12 - узел соединения плунжера с кривошипно-шатунным прессом;
13 - затвор камеры загрузки, прессования и спекания;
14 - длина хода плунжера;
15 - длина плунжера.
Открывание и закрывание крышки 8 осуществляется с перемещением плунжера 10. При обратном ходе плунжера 10 пресса крышка 8 фиксируется на плунжере специальным фиксатором и вместе с плунжером перемещается в открытое состояние. При этом взводится приводная пружина крышки (на Фиг. эти элементы не указаны). При начале прямого хода плунжера 10 фиксация крышки 8 на плунжере снимается, и приводная пружина крышки переводит ее в закрытое положение.
Устройство работает следующим образом.
Установка имеет камеру загрузки, прессования и спекания 6, снабженную крышкой 8, расположенной в горизонтальной плоскости. В исходном состоянии плунжер пресса 10 находится в крайнем положении, крышка 8 загрузочной камеры 6 (т.е. объединенной камеры загрузки, прессования и спекания) открыта и также находится в крайнем положении. При этом крышка 8 специальными фиксаторами зафиксирована на плунжере 10, а приводная пружина крышки сжата. Стружка поступает в установку, например по транспортеру, в приемный бункер 1, откуда при открывании заслонки 2 поступает в измерительный бункер дозатора 3, где формируется партия стружки заданного веса. При открывании заслонки дозатора 4 она из измерительного бункера дозатора поступает сверху, под действием силы тяжести, в камеру загрузки, прессования и спекания 6. Размер загрузочной камеры 6 позволяет разместить партию стружки требуемого веса при плотности не ниже заданной. Затем включается пресс, и начинается прямой ход плунжера 10. При этом открываются фиксаторы крышки 8 загрузочной камеры 6, и приводная пружина перемещает крышку 8 по направляющим 9 в положение, когда крышка камеры закрыта (это положение, соответствующее началу прямого хода плунжера, показано на Фиг.). При этом, если в устройстве-прототипе плунжер сначала перемещал стружку из загрузочной камеры в камеру прессования и спекания, то в предлагаемом устройстве, благодаря наличию крышки, плунжер сразу начинает осуществлять прессование в камере загрузки, прессования и спекания. Это позволяет уменьшить размер камеры загрузки, прессования и спекания (по сравнению с двумя камерами - камерой загрузки и камерой прессования и спекания в устройстве-прототипе), ход и собственный размер плунжера пресса, диаметр колеса кривошипа. При достижении заданного положения 7 (заданный размер брикета) датчик положения дает сигнал, и пресс выключается. При этом снимается напряжение с электромагнитного тормоза, и он фиксирует положение вала редуктора: тем самым фиксируется заданный размер брикета в продольном направлении (направлении прессования). Электрический ток, поступающий от ГИТ (генератора импульсного тока), пропускается перпендикулярно направлению прессования, вдоль длинной стороны брикета между специальными электродами. После обработки стружки и открывания затвора 13, снова подается напряжение на электродвигатель, колесо кривошипа продолжает движение, при этом включается рычажный толкатель с малым усилием, который обеспечивает дальнейшее движение плунжера 10 и выталкивание брикета. Для осуществления обратного хода на электродвигатель подается напряжение, фазы которого подобраны для вращения его в обратную сторону. При обратном движении плунжера 10 крышка 8 фиксируется на фиксаторах плунжера, и он перемещает крышку 8 загрузочной камеры 6 в открытое положение, при этом сжимается приводная пружина крышки 8. После разгрузки измерительного бункера дозатора 3 начинается его следующая загрузка. К моменту завершения обратного хода плунжера 10 дозатор 3 уже загружен, а батарея ГИТ заряжается. При завершении обратного хода выдается сигнал на схему управления, по которому измерительный бункер дозатора 3 разгружается, и процесс повторяется.
Пример конкретного исполнения.
Установка для электроимпульсного брикетирования металлической стружки состоит из кривошипно-шатунного прессового механизма с максимальным усилием 50 кН. Прессовый механизм состоит из кривошипно-шатунного пресса (на Фиг не показан), смонтированного на станине 5, который через соединительный узел 12 соединен с плунжером 10. Длина хода 14 плунжера 10 составляет 500 мм, и, соответственно, длина самого плунжера 15 вместе с электроизолированным текстолитовым наконечником 11 составляет 500 мм. В состав прессового механизма входит дозатор стружки типа РТ-ДВ-01, измерительный бункер которого 3 размещен над смонтированной на станине 5 камерой загрузки прессования и спекания 6 размером 560×200×60 мм, снабженной крышкой 8 размером 400×200 мм, которая может открываться и закрываться перемещаясь по специальным направляющим 9. Установка включает также генератор импульсного тока на базе батареи конденсаторов на напряжение 5 кВ с запасом энергии 200 кДж и систему управления на микропроцессорах, которая обеспечивает работу установки согласно заданному алгоритму.
3
3
3
Заданная плотность брикета 2 г/см. Такая плотность обеспечивает полную загрузку транспортных средств: железнодорожных вагонов и автотранспорта (полезный объем стандартного полувагона ~70 м, а грузоподъемность ~70 т.), а также достаточно эффективную загрузку технологических агрегатов (готовые брикеты можно пакетировать в пакеты по размеру загрузочной коробки печи). Заданный размер брикетов 60×60×200 мм, объем 0,72 литра, вес брикета 1,4 кг, производительность установки 4 брикета в минуту или 300 кг/час. Такая производительность установки вполне достаточна для небольших предприятий, на которых и образуется основная масса металлической стружки. Увеличение длины и ширины брикета нецелесообразно, т.к. снижается их прочность на излом, кроме того, их менее удобно пакетировать. Установка работает с дробленой стружкой (установки для дробления стружки выпускаются и на многих предприятиях имеются), плотность дробленой стружки варьируется в диапазоне (0,5-0,3) г/см.
3
3
Поскольку уплотнение стружки осуществляется по одной стороне брикета (многостороннее прессование приводит к неоправданному усложнению конструкции установки), минимальный размер загрузочной камеры в направлении прессования определяется размером брикета (60 мм) и коэффициентом уплотнения стружки (2 г/см, деленное на 0.3 г/см), т.е. составляет 400 мм.
В устройстве-прототипе стружка из загрузочной камеры перемещается в камеру прессования и спекания, которая имеет тот же объем и длину 400 мм. Таким образом, минимальный ход плунжера пресса 800 мм. Соответственно, минимальная длина плунжера и радиус колеса кривошипа по 800 мм. Суммарная длина всех этих элементов 2400 мм.
В предлагаемой полезной модели, благодаря наличию единой камеры загрузки, прессования и спекания, имеющей крышку, прессование начинается сразу без перемещения стружки. Однако нецелесообразно размещать крышку над электроизолированной частью камеры загрузки, прессования и спекания, так как это неоправданно усложнит конструкцию установки. Длина этой части равна 100 мм. Таким образом, длина хода плунжера пресса составляет 500 мм, а суммарная длина хода плунжера, длина плунжера и радиус кривошипа пресса полезной модели составляет 1500 мм. Таким образом, суммарный выигрыш по длине составляет 900 мм, т.е. существенно уменьшены габариты и вес установки, упрощена ее конструкция.
Выталкивание готового брикета, как в устройстве-прототипе, так и в предлагаемой полезной модели, осуществляется специальным рычажным толкателем с малым усилием.
Предлагаемое устройство можно применить и для переработки других 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 том числе, 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 и т.п. как из отходов, так и из металлических порошков, гранул, чешуек и пр.