ОЦЕНКА СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ПРИ БРИКЕТИРОВАНИИ МЕТАЛЛИЗОВАННЫХ ОКАТЫШЕЙ НА ВАЛКОВОМ ПРЕССЕ

Наукосфера. №10 (2), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 183 http://nauko-sfera.ru/ УДК 669.181 DOI 10.5281/zenodo.17413470 Научная статья ОЦЕНКА СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ПРИ БРИКЕТИРОВАНИИ МЕТАЛЛИЗОВАННЫХ ОКАТЫШЕЙ НА ВАЛКОВОМ ПРЕССЕ EVALUATION OF THE DEGREE OF COMPACTION DURING BRIQUETTING OF METALLIZED PELLETS ON A ROLLER PRESS СКЛЯР ВИТАЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, кандидат технических наук, доцент, Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал) ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический институт «МИСИС». ЧЕРМЕНЕВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, кандидат технических наук, доцент, Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал) ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический институт «МИСИС». КАРАМИН АНДРЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал) ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический институт «МИСИС». SKLIAR VITALII ALEKSANDROVICH, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Stary Oskol Technological Institute named after A.A. Ugarov (branch) NUST «MISIS». CHERMENEV EVGENII ALEKSANDROVICH, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Stary Oskol Technological Institute named after A.A. Ugarov (branch) NUST «MISIS». KARAMIN ANDREI VASILEVICH, Stary Oskol Technological Institute named after A.A. Ugarov (branch). NUST «MISIS». В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса валкового брикетирования металлизованных окатышей. Теоретическими методами определено влияние коэффициента трения и давления подпрессовщика на степень уплотнения материала. Проведенные экспериментальные исследования позволили уточнить влияние размеров окатышей на условия захвата материала и его степень уплотнения. Показано, что размеры окатышей влияют на угол захвата, размеры и форму зоны оттеснения в очаге деформации. При этом форма и размеры зоны оттеснения, наблюдаемой в экспериментальных исследованиях, соответствует предсказанной теоретически для данных условий валкового прессования. Также на форму и размеры зоны оттеснения будет влиять и величина давления от подпрессовщика. Наукосфера. №10 (2), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 184 http://nauko-sfera.ru/ The paper presents the results of theoretical and experimental studies of the process of roll briquetting of metallized pellets. The influence of the coefficient of friction and the pressure of the pre-presser on the degree of compaction of the material has been determined by theoretical methods. The experimental studies made it possible to clarify the effect of pellet sizes on the conditions of material capture and its degree of compaction. It is shown that the size of the pellets affects the angle of capture, the size and shape of the counterflow zone in the deformation zone. At the same time, the shape and size of the counterflow zone observed in experimental studies correspond to the theoretically predicted one for these roller pressing conditions. The shape and size of the counterflow zone will also be affected by the pressure from the pre-presser. Ключевые слова: горячебрикетированное железо, валковый пресс, деформация, прочность, плотность, степень уплотнения, физическое моделирование, брикет. Key words: hot briquetted iron, roller press, deformation, strength, density, degree of compaction, physical modeling, briquette. ведение. В последнее время российские металлургические предприятия начали несколько проектов по строительству дополнительных мощностей по производству горячебрикетированного железа (ГБЖ) [1, с. 9]. Данный вид продукции производится из металлизованных окатышей, полученных в установке прямого восстановления железа на брикет-прессах. В результате получаются брикеты, состоящие из спрессованных между собой окатышей. Основная цель брикетирования — уменьшения поверхности металла, которая контактирует с кислородом, тем самым подвергая материал вторичному окислению [9, с. 7]. ГБЖ производят в основном с целью транспортировки продукта на большие расстояния, где он будет использован в сталеплавильном производстве. Поэтому важным становится вопрос обеспечения минимального вторичного окисления железа в ходе транспортировки для сохранения его металлургической ценности. Технический процесс построен так, что сформированная лента из брикетов тут же подвергается разрушению на отдельные брикеты. При этом образуется определенное количество мелочи, которая обладает высокой реакционной способностью к вторичному окислению [3, с. 2]. Также при дальнейшей транспортировке и многочисленных перегрузках брикеты подвергаются постепенному разрушению, что приводит к увеличению количества мелочи и постепенному снижению металлургической ценности сырья [10, с. 846]. Поэтому вопросы обеспечения высокой прочности брикетов имеют первостепенное значение, поскольку могут решить вопрос снижения образования мелочи и степени вторичного окисления, что приведет к повышению металлургической ценности ГБЖ как сырья для сталеплавильного производства. Отмечено, что с целью повышения прочностных характеристик брикетов следует повышать их плотность путем повышения пластических характеристик материала [7, с. 1331]. Анализ производственных данных показал, что чем выше плотность брикетов ГБЖ, тем выше их прочностные характеристики [6, с. 11]. В свою очередь получаемая плотность брикетов обуславливается условиями захвата материала в валках брикет пресса и характеризуется степенью уплотнения материала [5, с. 92]. И если поведение материала в очаге деформации при прессовании мелкозернистой сыпучей среды достаточно хорошо изучено, то механика поведения крупного материала в виде металлизованных окатышей ранее не рассматривалась, что обуславливает актуальность и новизну работы. Цель работы – исследовать влияние размеров окатышей и технологических параметров прессования на степень уплотнения при брикетировании металлизованных окатышей в валковом прессе. Методика проведения исследования. Оценка эффективности процесса брикетирования металлизованных окатышей на валВ Наукосфера. №10 (2), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 185 http://nauko-sfera.ru/ ковом прессе производилась теоретическим методом и путем экспериментальных исследований на лабораторной установке. Исследование процесса брикетирования металлизованных окатышей на теоретических моделях осложняется тем, что все они построены для сыпучего мелкозернистого материала [2, с. 67], в то время как окатыши имеют значительно большие размеры (5-16 мм) и неправильную форму, которая только теоретически стремится к круглой. Поскольку размеры и форма окатышей являются случайными величинами, построение достоверных теоретических моделей является достаточно сложной задачей, которая будет зависеть от большого количества факторов. Поэтому в первом приближении можно рассмотреть задачу определения эффективности процесса брикетирования металлизованных окатышей в валковом прессе с помощью известных теоретических моделей для валкового прессования сыпучих материалов. Наличие связи между плотностью и прочностью брикетируемых материалов [8, с. 83] позволяет сделать вывод о том, что с целью повышения прочности брикетов (и минимизации их последующего разрушения) необходимо повышать плотность готовых брикетов, а, следовательно, степень уплотнения материала в ячейках валков брикет-пресса. В соответствии с работой [5, с. 137] степень уплотнения материала при брикетировании в валковом прессе с учетом плоской схемы деформирования можно оценить из выражения: Ку=𝑆од −𝑆зо 𝑆б где 𝑆од — площадь геометрического очага деформации; 𝑆зо — площадь зоны оттеснения материала; 𝑆б — площадь сечения получаемого брикета. Схема очага деформации для определения вышеприведенных параметров приведена на рис. 1. Рис. 1. Схема очага деформации Таким образом, из элементарных геометрических соображений получаем: Наукосфера. №10 (2), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 186 http://nauko-sfera.ru/ 𝑆од =1 2[АВх(𝑙1+𝑙2)+В𝐶х(𝑙3+𝑙2)] Площадь поперечного сечения брикета мы знаем исходя из его геометрических размеров. При зазоре между валками в 2 мм 𝑆б = 1090 мм2. Наиболее сложным вопросом остается площадь зоны оттеснения. Ее форма и размеры будут зависеть от ширины очага деформации, которая определяется геометрическими размерами ячеек и валков брикет-пресса. В работе [4, с. 412] выделяют узкий очаг деформации (рис. 2, а) который будет наблюдаться при 11<4,85AB, и широкий (рис. 2, б) при обратном соотношении. а) б) Рис. 2. Схема зоны оттеснения при узком (а) и широком (б) очаге деформации Для рассматриваемых геометрических размеров брикета и модели сыпучего материала будет формироваться узкий очаг деформации, и зона оттеснения будет равна [5, с. 412]: 𝑆зо =1 2𝑙1(АВх+В𝐶х) В то время как для материала в виде крупных окатышей размер зоны и ее форма может быть другой. Более подробно изучить процессы, происходящие в очаге деформации и оценить степень уплотнения металлизованных окатышей можно на экспериментальной установке. Поскольку наблюдать за процессом деформации металлизованных окатышей при температурах около 700 °С физически невозможно, для физического моделирования была выбрана плоская модель. Фотография установки приведена на рис. 3. Масштаб моделирования составлял 1:1, а форма ячеек брикет-пресса соответствовала реальной. В качестве моделирующего материала использовались силиконовые трубки диаметром 6, 9, 12 и 15 мм, что соответствовало реальным размерам окатышей. Наукосфера. №10 (2), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 187 http://nauko-sfera.ru/ Следует отметить, что данная модель позволяет исследовать в первую очередь геометрические и кинематические аспекты процесса — влияние размера частиц на условия захвата и формирование зоны оттеснения. Экстраполяция количественных результатов по степени уплотнения на реальные металлизованные окатыши при температурах ~700 °C требует учета значительного увеличения их пластичности, что, согласно данным [7, с. 1331], будет дополнительно способствовать уплотнению за счет более легкой деформации самих окатышей. Качественные же выводы о влиянии размера частиц и применения подпрессовки на кинематику потока материала считаются репрезентативными. Рис. 3. Вид экспериментальной установки Результаты и их обсуждение. Результаты расчета эффективности процесса валкового брикетирования металлизованных окатышей при реальных геометрических параметрах валков брикет-пресса по вышеприведенной методике показаны на рис. 4. Для теоретических расчетов использовался коэффициент трения, определенный косвенным методом по величине угла захвата, наблюдаемого в экспериментах с силиконовыми трубками. Этот метод основан на известной зависимости угла захвата от коэффициента трения для валковых прессов [5, с. 94]. Наукосфера. №10 (2), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 188 http://nauko-sfera.ru/ Рис. 4. Влияние коэффициента трения и давления от подпрессовщика на степень уплотнения Как видно из рис. 4 степень уплотнения окатышей в брикете будет увеличиваться при повышении коэффициента трения и при повышении давления подпрессовщика. Повышение коэффициента трения приводит к тому, что возрастает угол захвата и ячейки могут захватывать большее количество материала, что приведет к повышению степени уплотнения. Повышение давления подпрессовщика позволяет дополнительно спрессовать массу окатышей и за счет действия силы тоже увеличить угол захвата, что аналогичным образом приведет к повышению степени уплотнения. Таким образом для повышения эффективности процесса валкового брикетирования следует принимать меры по повышению коэффициента трения и давления, которое развивает подпрессовщик. Как уже отмечалось, данные теоретические расчеты справедливы в первую очередь для мелкозернистого сыпучего материала, в то время как для металлизованных окатышей картина может быть несколько иной. Связано это с тем, что окатыши разных размеров будут поразному вести себя в очаге деформации. С целью уточнения величины степени уплотнения материала в случае валкового прессования металлизованных окатышей были проведены исследования на экспериментальной установке. Для вычисления практического значения степени уплотнения определяли количество трубок, которые были захвачены ячейкой пресса. Степень уплотнения рассчитывали исходя из соотношения площади этих трубок в недеформированном состоянии Sти и площади брикета 𝑆б [4, c. 414]: Ку=𝑆ти 𝑆б Наукосфера. №10 (2), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 189 http://nauko-sfera.ru/ Из вида зависимости, приведенной на рис. 5 можно сделать вывод о том, что размер деформированных окатышей будет влиять на условия захвата материала и, соответственно, коэффициент уплотнения. Как видим, с увеличением диаметра трубок с 6 до 15 мм степень уплотнения возрастает с 1,44 до 2,05. Данное обстоятельство связано с условиями захвата, поскольку трубку большего размера можно захватить и удержать раньше, чем трубку малого диаметра. Поэтому для трубок большего диаметра угол захвата будет больше, чем для трубок меньшего диаметра. В этом случае объем захваченных трубок будет большим по сравнению с объемом захваченных трубок меньшего диаметра. Пример вида очага деформации при деформировании трубок диаметром 15 мм и 6 мм приведен на рис. 6. Рис. 5. Зависимость степени уплотнения от диаметра моделирующих трубок и наличия подпрессовки а) б) Рис. 6. Зона оттеснения в очаге деформации при деформировании трубок диаметром 15 мм (а) и 6 мм (б) Наукосфера. №10 (2), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 190 http://nauko-sfera.ru/ Также обращает на себя внимание изменение размеров зоны оттеснения. В случае прессования трубок большего диаметра размер зоны оттеснения уменьшается (рис. 6, а) по сравнению со случаем прессования трубок меньшего диаметра (рис. 6, б). Все это и приводит к увеличению степени уплотнения с возрастанием диаметра трубок. Данный факт хорошо согласуется с теоретическими основами, изложенными в работах [4; 5]. Расчет показывает, что переход от узкого к широкому очагу деформации при текущих параметрах валков и ячеек брикет-пресса происходит при углах захвата большее чем 0,43 рад. При этом теоретический угол захвата для модели мелкозернистого сыпучего материала для данных размеров составляет 0,33 рад. Таким образом теоретически должен наблюдаться только узкий очаг деформации (рис. 6, б). В то же время, путем замера на экспериментальной установке при прессовании трубок диаметром 15 мм, было установлено, что угол захвата при прессовании составляет около 0,45 рад, и таким образом очаг деформации будет широким. Как видим, экспериментально определенные размеры и форма зоны оттеснения (рис. 6, а) практически соответствует по форме и размерам, теоретически предсказанным в работе [5, с. 136] (рис. 2, б). В экспериментах давление, создаваемое подпрессовщиком, контролировалось и регулировалось с помощью пневматической системы, оснащенной редуктором и манометром, что обеспечивало его поддержание на постоянном уровне в каждой серии испытаний. Применение подпрессовки с коэффициентом 1,06 положительно влияет на степень уплотнения материала. Для всех диаметров трубок степень уплотнения возрастает в случае применения подпрессовки. Анализ видеограмм показывает, что в этом случае противоток материала в очаге деформации практически полностью подавляется и размеры зоны оттеснения существенно сокращаются. При этом эффект более заметен на меньших диаметрах трубок (6 мм), где степень уплотнения возрастает до 1,82 или на 27,1 %, в то время как при прессовании трубок диаметром 15 мм степень уплотнения возрастает только на 18,4 %. Данный факт хорошо согласуется с ранее высказанным предположением о влиянии и размерах зоны оттеснения. Выводы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования в части определения степени уплотнения металлизованных окатышей при их брикетировании на валковых прессах показали, что более крупные размеры окатышей приводят к изменению характера течения материала в очаге деформации. Так при более крупных размерах окатышей увеличивается угол захвата и уменьшаются размеры зоны оттеснения материала, что приводит к повышению степени уплотнения с 1,44 (при диаметре моделирующего материала 6 мм) до 2,05 (при диаметре моделирующего материала 15 мм). Использование подпрессовщика позволяет подавить противоток материала и также увеличить степень уплотнения, причем ее возрастание в процентах больше для более мелкого материала 27,1 % (при диаметре моделирующего материала 6 мм) против 18,4 % (при диаметре моделирующего материала 15 мм). Увеличению степени уплотнения материала также способствует увеличение коэффициента трения. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Абрамов А.А., Кожевина О.В. Внедрение процесса горячебрикетированного железа в систему жизненного цикла Российской металлургической отрасли // Системы управления полным жизненным циклом высокотехнологичной продукции в машиностроении: новые источники роста : материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции, Москва, 16 апреля 2025 года. Москва: ООО "Первое экономическое издательство", 2025. С. 7–12. 2. Бижанов А.М., Загайнов. С.А. Технологии брикетирования в черной металлургии : монография. Вологда: ИнфраИнженерия, 2020. 256 с. Наукосфера. №10 (2), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 191 http://nauko-sfera.ru/ 3. Вохмякова И.С., Берсенев И.С., Бородин А.В. Механизм окисления горячебрикетированного железа (ГБЖ, HBI) // Сталь. 2022. № 3. С. 2–6. 4. Логинов Ю.Н., Бабайлов Н.А., Буркин С.П. Валковое брикетирование несимметричных брикетов // Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Екатеринбург: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2013. С. 407–414. 5. Логинов Ю.Н., Буркин С.П., Бабайлов Н.А., Полянский Л.И. Механика валкового брикетирования сыпучих материалов / Екатеринбург: АМБ, 2011. 299 с. 6. Никитченко Т.В. Исследование и разработка технологии производства горячебрикетированного железа из концентратов КМА на промышленной установке металлизации HYLIII : автореф. на соиск. ученой степ. канд. техн. наук. Липецк, 2007. 24 с. 7. Никитченко Т. В., Тимофеева А.С., Соплаков А.В. Влияние температуры брикетируемого материала на прочность горячебрикетированного железа // Черная металлургия. Бюллетень научнотехнической и экономической информации. 2019. Т. 75, № 12. С. 1331–1337. 8. Скляр В.А., Черменев Е.А., Князев И.С. Анализ распределения плотности в горячебрикетированном железе // Современные проблемы горнометаллургического комплекса. Наука и производство : XVII Всероссийская научнопрактическая конф., Старый Оскол, 15–16 декабря 2020 г. Старый Оскол : СТИТИ ФГАОО ВО НИТУ «МИСиС», 2021. С. 81–86. 9. Тимофеева А.С., Арутюнян А.Б., Кожухов А.А., Никитченко Т.В. Влияние температуры окружающей среды на вторичное окисление горячебрикетированного железа // Сталь. 2022. № 9. С. 7–10. 10. Тимофеева А.С., Кожухов А.А., Никитченко Т.В., Короткова Л.Н. Влияние перевалок горячебрикетированного железа при транспортировке на его реакционную способность // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2022. Т. 78. № 10. С. 845–850. Поступила в редакцию: 14.10.2025 © Скляр В. А., Черменев Е. А., Карамин А. В., 2025. Принята в печать: 25.11.2025