Спосіб екструзійного пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції

Реферат: Спосіб екструзійного пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції, при якому здійснюють підготовку вуглевмісної композиції, що підлягає пресуванню, забезпечують потрібні значення умов однозначності процесу пресування, зокрема початкових та геометричних, фізичних, швидкісних і теплових умов на границі зони перероблення. Здійснюють подальше безпосередньо пресування електродних заготовок, до якого або під час якого аналізують процес пресування. Складають і розв'язують задачу та обчислюють значення цільової функції. Здійснюють її порівняння з потрібним значенням, змінюють умови однозначності й математичним розрахунком встановлюють раціональні значення конструктивно-технологічних параметрів зазначеного процесу пресування для забезпечення потрібного значення цільової функції. Як цільову функцію беруть розподіл температури вуглевмісної композиції в зоні пресування. Задачу складають у вигляді системи рівнянь Нав'є-Стокса за визначених умов однозначності та за умови розгляду пресованої вуглевмісної композиції як неньютонівської рідини, поведінка якої описується моделлю Bingham-Papanastasiou. Після порівняння обчисленого значення цільової функції з потрібним значенням, змінюють умови однозначності. UA 107104 U (12) UA 107104 U UA 107104 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технології та обладнання для перероблення твердого вуглевмісного матеріалу і може бути використана в хімічній і металургійній галузях промисловості, зокрема для одержання високоякісних електродних виробів. Одним із важливих етапів технологічного циклу виготовлення вуглеграфітової електродної продукції, на якому закладаються фізичні властивості майбутніх виробів, є формування її заготовок за допомогою екструзії електродної маси крізь мундштук пресового інструмента. Тому розробка конструктивно-технологічних параметрів процесу екструзійного пресування, сукупність яких забезпечує вихід якісної продукції, є вкрай важливою задачею. Відомим аналогом є спосіб екструзійного пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції, за якого зазначені параметри визначають дослідним шляхом (Чалых Е.Ф. Оборудование электродных заводов. - М.: Металлургия, 1990. - С. 209-211). Зрозуміло, що цей спосіб надто затратний для такого виду енергоресурсоємної продукції як електродні заготовки. Більш доцільним є спосіб, який передбачає завчасне визначення раціональних конструктивнотехнологічних параметрів зазначеного процесу за умови мінімізації експериментальних досліджень з наступним їх забезпеченням безпосередньо під час пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції. Найближчим аналогом до корисної моделі є спосіб екструзійного пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції, за якого здійснюють підготовку вуглевмісної композиції, що підлягає пресуванню, забезпечують потрібні значення умов однозначності процесу пресування, зокрема початкових та геометричних, фізичних, швидкісних і теплових умов на границі зони перероблення, а також подальше безпосередньо пресування електродних заготовок, до якого або під час якого аналізують процес пресування, складають і розв'язують задачу та обчислюють значення цільової функції, після чого здійснюють її порівняння з потрібним значенням, змінюють умови однозначності й математичним розрахунком встановлюють раціональні значення конструктивно-технологічних параметрів зазначеного процесу пресування для забезпечення потрібного значення цільової функції [Производство электродной продукции / А.К. Санников, А.Б. Сомов, В.В. Ключников и др. - М.: Металлургия, 1985. -С. 64-67). На відміну від аналога, що розглянуто, зазначений спосіб дає змогу теоретично (з мінімумом експериментально одержаних даних) проводити процес пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції. При цьому під час реалізації способу визначають раціональні конструктивно-технологічні параметри процесу екструзійного пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції. Проте істотним недоліком цього способу є істотна обмеженість кількості зазначених параметрів (визначаються переважно геометричні параметри). У той же час зазначеним способом майже неможливо визначити технологічні параметри, зокрема температурний і швидкісний режими пресування. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу екструзійного пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції, у якому нова реалізація способу забезпечує підвищення виходу якісної продукції (тобто зменшення виходу бракованої продукції), а також зниження енергетичних, матеріальних і людських ресурсів на проведення складних експериментальних досліджень для забезпечення одержання якісної продукції. Поставлена задача вирішується тим, що в способі екструзійного пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції, за якого здійснюють підготовку вуглевмісної композиції, що підлягає пресуванню, забезпечують потрібні значення умов однозначності процесу пресування, зокрема початкових та геометричних, фізичних, швидкісних і теплових умов на границі зони перероблення, а також подальше безпосередньо пресування електродних заготовок, до якого або під час якого аналізують процес пресування, складають і розв'язують задачу та обчислюють значення цільової функції, після чого здійснюють її порівняння з потрібним значенням, змінюють умови однозначності й математичним розрахунком встановлюють раціональні значення конструктивно-технологічних параметрів зазначеного процесу пресування для забезпечення потрібного значення цільової функції, при цьому як цільову функцію беруть розподіл температури вуглевмісної композиції в зоні пресування, задачу складають у вигляді системи рівнянь Нав'є-Стокса за визначених умов однозначності та за умови розгляду пресованої вуглевмісної композиції як неньютонівської рідини, поведінка якої описується моделлю Bingham-Papanastasiou, а після порівняння обчисленого значення цільової функції з потрібним значенням, змінюють умови однозначності. Як показали проведені дослідження, електродна або коксопекова маса, що використовується для пресування електродних заготовок, за своєю суттю є композиційним матеріалом, який складається з твердого вуглецевого наповнювача і кам'яновугільного або нафтового пеку [Теоретические и экспериментальные исследования теплоэлектрического и механического состояния высокотемпературных агрегатов: моногр. / А. Я. Карвацкий, Е. Н. 1 UA 107104 U 5 10 15 20 Панов, С. В. Кутузов и др. - К.: НТУУ "КПИ", 2012. - 358 с] і яка має фізичні властивості неньютонівської рідини. Тому використання пропонованого способу із зазначеними ознаками дає змогу ефективно й без значних затрат енергетичних, матеріальних і людських ресурсів визначити конструктивно-технологічні параметри процесу екструзійного пресування електродних заготовок з вуглевмісної композиції, які забезпечують потрібні умови виходу високоякісної продукції. Зокрема за умови розгляду пресованої вуглевмісної композиції як неньютонівської рідини, поведінка якої описується моделлю Bingham-Papanastasiou, була проведена верифікація розробленого способу за даними експериментальних досліджень, яка показала, що різниця між визначеними за допомогою пропонованого способу та експериментальними значеннями температур пресового інструмента не перевищують 4 %. Тобто спосіб дає змогу визначати раціональні значення конструктивно-технологічних параметрів зазначеного процесу пресування для розробки ефективних регламентів експлуатації пресового інструмента в разі зміни складу вуглевмісної (зокрема коксопекової) суміші та(або) типорозмірів виробів. Приклад. Умовами однозначності процесу є: габаритні розміри заготовки з вуглевмісної композиції: 530×475×3385 мм; геометричні розміри внутрішньої частини пресового інструмента: діаметр західної частини 1900 мм, розміри поперечного перерізу вихідної частини 530×475 мм; довжина західної частини 800 мм; довжина загальна 2200 мм. Система рівнянь Нав'є-Стокса процесу екструзії електродної маси крізь мундштук включає рівняння нерозривності, руху та енергії для ламінарного руху нестисної ідеальної рідини Bingham:   v0    v     v   v    p     ;   t      h    t  vh    eff    : v  q ,    (1) v - вектор швидкості, м/с;  - оператор Гамільтона, м-1;  - густина, кг/м; t - час, с; p де  25 тиск, Па;    - тензор зсувних напружень, відповідно до моделі Bingham, Па; h  c p d  0 масова ентальпія, Дж/кг; . Дж/(кг К);  - абсолютна температура, К; c p - масова ізобарна теплоємність, eff - ефективний коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м-К);  : v - член, що відповідає 3 дисипації механічної енергії, Вт/м ; 30 : - оператор подвійного скалярного добутку; 3 q - об'ємна густина джерел теплоти, що пов'язана із джоулевою теплотою, Вт/м . Тензор зсувних напружень за моделлю Bingham записується у вигляді:         eff  shear   ,    shear ; (2)          0,    shear .  . де  eff - ефективний коефіцієнт динамічної в'язкості, Па с;  shear - границя плинності матеріалу, Па; 35 -1 деформації, с ;       1  :  - другий інваріант від  , Па. 2 1 1     :  - другий інваріант від  , c-1;  = v+v - швидкість 2 2 1    2 Модель Bingham (2) передбачає співіснування двох областей (пластичної і твердої), що спричинює значні обчислювальні труднощі під час її програмної реалізації. Для подолання цієї проблеми Papanastasiou [Papanasta-siou Т. С. Flow of materials with yield // J. Rheology. - 1987. 2 UA 107104 U Vol. 31-P. 385-404] запропонував регуляризацію рівняння напружено-деформованого стану потоку в'язко-пластичного матеріалу за допомогою введення експоненціального множника в рівняння (2)     eff    5  shear  1  exp m    , (3)    де m - експоненціальний множник, с Співвідношення (3) дістало назву рівняння Bingham-Papanastasiou. Рівняння (3) є справедливим для всіх значень 10  і дає близькі результати до ідеальної рідини Bingham за значень m100 і забезпечує кращу наближеність до реальних даних в'язко-пластичних матеріалів при m