3-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 117 Andrzej JANEWICZ Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków WPŁYW PARAMETRÓW ZASILACZA ZBIEŻNOKANAŁOWEGO NA ZAPOTRZEBOWANIE ENERGII PROCESU BRYKIETOWANIA W PRASIE WALCOWEJ Słowa kluczowe Zasilacze, brykietowanie, prasy walcowe. Streszczenie W artykule przedstawiono niektóre wyniki badań laboratoryjnych nowego typu zasilacza przeznaczonego do współpracy z prasą walcową, w której realizowany jest proces scalania materiałów drobnoziarnistych. Określono wpływ bezwymiarowych niezmienników (liczby Froude a, stopnia wstępnego zagęszczenia oraz stosunku amplitudy przyspieszeń drgań wymuszonych elementu zagęszczającego zasilacz do przyspieszenia ziemskiego), charakteryzujących obiekt badań na zapotrzebowanie energii w procesie brykietowania materiału modelowego. Wprowadzenie Prasy walcowe stosowane do zbrylania materiałów drobnoziarnistych są urządzeniami, w których w sposób ciągły zagęszcza się, a następnie scala nadawę podawaną między dwa synchronicznie i przeciwbieżnie obracające się walce. Prosta budowa i zasada działania prasy walcowej łączy się jednak ze złożonym procesem, jaki realizuje się w tym urządzeniu, a którego końcowy efekt
118 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2006 żądane własności produktu zależy od wielu czynników [1]. Jednym z najistotniejszych z nich jest dostarczenie wymaganej ilości materiału w sposób ciągły i równomierny w strefę zagęszczania prasy. Zadanie to w zespole prasy walcowej spełnia tzw. zasilacz. W zależności od własności nadawy i wymagań dotyczących produktu stosuje się zasilacze o różnej konstrukcji, budowie, zasadzie działania (grawitacyjne, o wymuszonym przepływie nadawy, wstępnie zagęszczające, wibracyjne itp.), które mogą dodatkowo spełniać inne, ważne funkcje [1, 2]. W Katedrze Urządzeń Technologicznych i Ochrony Środowiska AGH rozwijane są konstrukcji dwóch takich podzespołów prasy walcowej, tzn. zasilacz ślimakowy oraz zasilacz zbieżnokanałowy. Zasilacz zbieżnokanałowy, będący oryginalnym rozwiązaniem konstrukcyjnym Katedry UTiOŚ [3], przeznaczony jest do współpracy z prasą walcową przy zagęszczaniu i scalaniu materiałów drobnoziarnistych, które określa się jako posiadające ograniczoną podatność na scalanie. W zespole prasy walcowej do zadań zasilacza zbieżnokanałowego należy: równomierne i ciągłe podawanie nadawy w strefę zagęszczania prasy walcowej, regulacja ilości nadawy podawanej między walce prasy, wstępne zagęszczanie nadawy w zbieżnych kanałach. Ideę podawania wsadu do prasy walcowej poprzez zbieżne kanały, zagadnienie kształtowania ich geometrii oraz budowę i zasadę działania zasilacza zbieżnokanałowego przedstawiono szczegółowo m.in. w pracach [1, 2]. W niniejszym opracowaniu skoncentrowano natomiast uwagę na wybranych wynikach badań laboratoryjnych wpływu parametrów zasilacza zbieżnokanałowego i jego współpracy z brykieciarką walcową na jednostkowe zapotrzebowanie energii w procesie brykietowania materiału modelowego (fluorku wapnia). 1. Cel i obiekt badań Cel badań obejmował doświadczalną weryfikację w skali laboratoryjnej wpływu istotnych parametrów zasilacza zbieżnokanałowego [1, 2] na jednostkowe zapotrzebowanie energii w procesie brykietowania modelowego materiału drobnoziarnistego. Jako parametry niezależne wybrano następujące bezwymiarowe niezmienniki: S w stopień wstępnego zagęszczenia w kanale, Fr = v 2 /Hg liczba Froude a, oraz a/g = sω 2 /g, czyli stosunek amplitudy przyspieszeń drgań wymuszonych elementu zagęszczającego zasilacza do przyspieszenia ziemskiego. Obiektem badań była laboratoryjna prasa walcowa LPW 450 o średnicy walców 450 mm wyposażona w zasilacz zbieżnokanałowy. Oryginalne stanowisko badawcze zasilacza przedstawiono na rys. 1, a jego schemat kinematyczny, budowę i zasadę działania na rys. 2.
3-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 119 Rys. 1. Zasilacz zbieżnokanałowy na stanowisku badawczym laboratoryjnej prasy walcowej LPW 450: 1 zbiornik zasypowy, 2 silnik asynchroniczny napędu wibratora, 3 przekładnia pasowa, 4 wibrator mimośrodowy, 5 dźwignia poprzeczna, 6 podkładki dystansowe, 7 klatka walców roboczych prasy LPW-450 Rys. 2. Budowa, schemat kinematyczny oraz zasada działania laboratoryjnego zasilacza zbieżnokanałowego: 1 zbiornik zasypowy, 2 silnik asynchroniczny napędu wibratora, 3 przekładnia pasowa, 4 wibrator, 5 dźwignia poprzeczna, 6 podkładki dystansowe, 7 klatka walców roboczych, 8 elementy zagęszczające, 9 sprężyna, 10 klapy rozdzielające przepływającą nadawę, 11 cięgno, 12 popychacz, 13 sprężyna dociskowa, 14 regulator cięgnowy, 15 nakrętka regulacyjna, 16 wałek mimośrodowy, 17 śruby mocujące zasilacz do klatki walców prasy, 18 walce robocze brykieciarki, A strefa wstępnego zagęszczania w zbieżnych kanałach zasilacza, B strefa zagęszczania i scalania między pierścieniami formującymi prasy walcowej, C strefa ekspansji zwrotnej brykietu
120 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2006 2. Jednostkowe zapotrzebowanie energii Moc pobieraną w czasie realizacji procesu brykietowania N b [kw] wyznaczono z zależności: N b = N pw + N wz, gdzie: N pw moc pobierana przez prasę walcową, [kw], N wz moc pobierana przez wibrator zasilacza, [kw]. Moc pobieraną przez prasę walcową określono z zależności: gdzie: N pw M w nw = 2, 9, 55 M w moment skręcający na wale prasy walcowej, [knm], n w prędkość obrotowa wału prasy, [obr/min]. Wartości momentu skręcającego M w [knm] na wale nieprzesuwnego walca formującego prasy walcowej mierzono i rejestrowano wykorzystując system pomiarowy zrealizowany w oparciu o: układ tensometrów na wale prasy, zestaw telemetryczny MT 2555A, przedwzmacniacz EV 2510A (HOTTINGER BALDWIN MESSTECHNIK), wzmacniacz pomiarowy KMN 602A (HOTTINGER BALDWIN MESSTECHNIK), kartę pomiarową DAQ-700 (National Instruments), notebook. Moc N wz [kw] pobieraną przez wibrator zasilacza mierzono za pomocą watomierza LW-1, a jej wartości odczytywano na jego skali. Wydajność masową prasy walcowej wyposażonej w pierścienie formujące o wgłębieniach w kształcie siodła obliczono na podstawie wzoru: W m = 60 V b i b n w ρ b [Mg/h] gdzie: V b objętość brykietu [m 3 ], V b 6,5 10-6 m 3, i b ilość wgłębień formujących [-], i b = 90, n w prędkość obrotowa wału prasy, [obr/min], ρ b gęstość brykietu [Mg/m 3 ].
3-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 121 Wartość jednostkowego zapotrzebowania energii na realizację procesu brykietowania Z c przy brykietowaniu materiału modelowego w prasie walcowej wyposażonej w zasilacz zbieżnokanałowy obliczono z zależności: gdzie: N b Z c = [kwh/mg], Wm N b moc pobierana na realizację procesu brykietowania, [kw], W m wydajność masowa brykieciarki, [Mg/h]. 3. Wyniki badań Niektóre wyniki badań wpływu niezmienników bezwymiarowych (Fr, S w, a/g) na jednostkowe zapotrzebowanie energii podczas brykietowania materiału modelowego w prasie walcowej LPW-450 wyposażonej w zasilacz zbieżnokanałowy pokazano w postaci graficznej na rys. 3 5. Przeprowadzone badania eksperymentalne umożliwiły otrzymanie trwałych i wytrzymałych brykietów oraz podwyższenie wskaźników ich jakości, tzn. wytrzymałości mechanicznej oraz gęstości odpowiednio nawet o ~15% i ~11% w porównaniu z zasypem grawitacyjnym. Wyższą jakość brykietów uzyskano dzięki wstępnemu zagęszczeniu materiału w zbieżnych kanałach, co skutkowało wzrostem jednostkowego zapotrzebowania energii na realizację procesu scalania. Rys. 3. Wpływ stopnia wstępnego zagęszczenia w kanale zasilacza zbieżnokanałowego na jednostkowe zapotrzebowanie energii
122 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2006 35 30 Jednostkowe zapotrzebowanie energii [kwh/mg] 25 20 15 10 5 0 a/g=0 a/g=0,1 a/g=0,4 a/g=0,9 a/g=1,6 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Fr Rys. 4. Wpływ liczby Froude a na jednostkowe zapotrzebowanie energii Jednostkowe zapotrzebowanie energii [kwh/mg] 35 30 25 20 15 S w = 1,55 Fr = 0,05 Fr = 0,12 Fr = 0,20 Fr = 0,32 Fr = 0,46 10 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 a/g Rys. 5. Wpływ stosunku a/g na jednostkowe zapotrzebowanie energii
3-2006 PROBLEMY EKSPLOATACJI 123 Ze wzrostem wartości liczby Froude a Fr zaobserwowano spadek jednostkowego zapotrzebowania na energię. Należy to tłumaczyć krótszym czasem zagęszczania i scalania materiału między walcami prasy. Powoduje to wyraźny spadek nacisku jednostkowego mierzonego we wgłębieniu formującym pierścienia roboczego, niedogęszczenie i mniejszą wytrzymałość mechaniczną brykietów, a w konsekwencji mniejsze jednostkowe zapotrzebowanie na energię potrzebną do realizacji procesu brykietowania (rys. 4). Wstępne zagęszczenie nadawy w zbieżnych kanałach wyrażone niezmiennikiem S w powoduje wzrost nacisku jednostkowego we wgłębieniu formującym pierścieni, co bezpośrednio wpływa na podwyższenie wskaźników jakości brykietów, a tym samym na wzrost jednostkowego zapotrzebowania na energię (rys. 3). Na rysunku tym linią pionową kreskową zaznaczono graniczny stopień wstępnego zagęszczenia (S w 1,55), po przekroczeniu którego następowało rozsunięcie pierścieni formujących, a tym samym zmianie uległy warunki realizacji eksperymentu. Niezmiennik a/g reprezentujący wpływ wibracji elementu zagęszczającego na proces scalania (zmniejszenie tarcia nadawy o elementy zagęszczające w zbieżnych kanałach) do wartości ~0,7 korzystnie oddziałuje na wskaźniki jakości brykietów. Wzrost jego wartości do tego poziomu powoduje, że rośnie także jednostkowe zapotrzebowanie na energię potrzebną do realizacji procesu scalania (rys. 5). Podsumowanie Oryginalne rozwiązanie konstrukcyjne zespołu dozująco-zagęszczajacego prasy walcowej, jakim jest zasilacz zbieżnokanałowy, może stanowić alternatywę dla zasilacza ślimakowego w przypadku scalania niektórych trudnych do brykietowania materiałów drobnoziarnistych. Zaletą nowego zasilacza jest prostota konstrukcji, dzięki której można zmniejszyć koszty jego budowy oraz eksploatacji w porównaniu z zasilaczem ślimakowym. Dobierając cechy konstrukcyjne oraz parametry pracy zasilacza zbieżnokanałowego należy zwrócić uwagę na zróżnicowany wpływ bezwymiarowych niezmienników (liczba Froude a, stopień wstępnego zagęszczenia, stosunek amplitudy przyspieszeń drgań wymuszonych elementu zagęszczającego zasilacza do przyspieszenia ziemskiego) na jednostkowe zapotrzebowanie energii w procesie brykietowania. Na podstawie wyników badań przeprowadzonych na materiale modelowym stwierdzono, że wraz ze wzrostem liczby Froude a następuje spadek jednostkowego zapotrzebowania energii. Odwrotną zależność zaobserwowano dla stopnia wstępnego zagęszczenia. Natomiast w przypadku kolejnego niezmiennika występuje ekstremum (maksimum) jednostkowego zapotrzebowania energii. Pracę wykonano w ramach projektu nr 11.11.130.173 finansowanego przez KBN.
124 PROBLEMY EKSPLOATACJI 3-2006 Bibliografia 1. Praca zbiorowa: Rozwój podstaw konstrukcji i eksploatacji młynów specjalnych i pras walcowych. Prace Katedry UTiOŚ AGH, Etap III, IV, V, Kraków, 2003 2005 (materiały niepublikowane). 2. Janewicz A.: Wpływ parametrów zasilacza zbieżnokanałowego na nacisk jednostkowy w procesie brykietowania. Problemy inżynierii mechanicznej i robotyki. Monografie AGH, Kraków 2004, nr 23, s. 105 111. 3. Patent nr 107993. Recenzent: Roman HEJFT The influence of parameters of tapered-channels feeder on demand for energy during briquetting in roll press Summary On the base of the gravity providing of fine-grained material to the rollpress the tapered-channels feeder has been worked out. The influence and analysis of the dimensionless parameters S w, Fr, a/g of the new feeder on demand for energy during briquetting in roll pres is presented.