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 reali-
zowany jest proces scalania materiałów drobnoziarnistych. Określono wpływ
bezwymiarowych niezmienników (liczby Froude’a, stopnia wstępnego zagęsz-
czenia 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 nada-
wę podawaną między dwa synchronicznie i przeciwbieżnie obracające się wal-
ce. Prosta budowa i zasada działania prasy walcowej łączy się jednak ze złożo-
nym procesem, jaki realizuje się w tym urządzeniu, a którego końcowy efekt –

PROBLEMY EKSPLOATACJI

3-2006

118

żądane własności produktu – zależy od wielu czynników [1]. Jednym z najistot-
niejszych z nich jest dostarczenie wymaganej ilości materiału w sposób ciągły
i równomierny w strefę zagęszczania prasy. Zadanie to w zespole prasy walco-
wej spełnia tzw. zasilacz. W zależności od własności nadawy i wymagań doty-
czących produktu stosuje się zasilacze o różnej konstrukcji, budowie, zasadzie
działania (grawitacyjne, o wymuszonym przepływie nadawy, wstępnie zagęsz-
czające, 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. zasi-
lacz ślimakowy oraz zasilacz zbieżnokanałowy. Zasilacz zbieżnokanałowy, bę-
dący oryginalnym rozwiązaniem konstrukcyjnym Katedry UTiOŚ [3], przezna-
czony jest do współpracy z prasą walcową przy zagęszczaniu i scalaniu materia-
łów drobnoziarnistych, które określa się jako posiadające ograniczoną podat-
ność na scalanie. W zespole prasy walcowej do zadań zasilacza zbieżnokanało-
wego 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, zagad-

nienie 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 zbieżnokanało-
wego i jego współpracy z brykieciarką walcową na jednostkowe zapotrzebowa-
nie 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 jednost-
kowe zapotrzebowanie energii w procesie brykietowania modelowego materiału
drobnoziarnistego. Jako parametry niezależne wybrano następujące bezwymia-
rowe 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 ziemskie-
go. Obiektem badań była laboratoryjna prasa walcowa LPW 450 o średnicy
walców 450 mm wyposażona w zasilacz zbieżnokanałowy. Oryginalne stanowi-
sko 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 – prze-
kładnia pasowa, 4 – wibrator mimośrodowy, 5 – dźwignia poprzeczna, 6 – podkładki dy-
stansowe, 7 – klatka walców roboczych prasy LPW-450

Rys. 2. Budowa, schemat kinematyczny oraz zasada działania laboratoryjnego zasilacza zbieżno-

kanałowego: 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 rozdziela-
jące przepływającą nadawę, 11 – cięgno, 12 – popychacz, 13 – sprężyna dociskowa, 14 –
regulator cięgnowy, 15 – nakrętka regulacyjna, 16 – wałek mimośrodowy, 17 – śruby mo-
cujące zasilacz do klatki walców prasy, 18 – walce robocze brykieciarki, A – strefa wstęp-
nego zagęszczania w zbieżnych kanałach zasilacza, B – strefa zagęszczania i scalania mię-
dzy pierścieniami formującymi prasy walcowej, C – strefa ekspansji zwrotnej brykietu

PROBLEMY EKSPLOATACJI

3-2006

120

2. Jednostkowe zapotrzebowanie energii

Moc pobieraną w czasie realizacji procesu brykietowania N

b

[kW] wyzna-

czono 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:

55

9

2

,

w

w

pw

n

M

N

⋅

=

,

gdzie:

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 wa-

tomierza 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 bry-

kietowania Z

c

przy brykietowaniu materiału modelowego w prasie walcowej

wyposażonej w zasilacz zbieżnokanałowy obliczono z zależności:

m

b

c

W

N

Z

=

[kWh/Mg],

gdzie:

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 zbieżnoka-
nałowy 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 zagęsz-
czeniu 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 jed-

nostkowe zapotrzebowanie energii

PROBLEMY EKSPLOATACJI

3-2006

122

0

5

10

15

20

25

30

35

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Fr

J

e

d

n

o

st

k

o

we za

p

o

trzeb

o

w

a

n

ie

en

erg

ii

[kWh/Mg

]

a/g=0
a/g=0,1
a/g=0,4
a/g=0,9
a/g=1,6

Rys. 4. Wpływ liczby Froude’a na jednostkowe zapotrzebowanie energii

S

w

= 1,55

10

15

20

25

30

35

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

a/g

J

e

d

n

o

st

k

o

we za

p

o

trzeb

o

w

a

n

ie

en

erg

ii

[

k

Wh

/M

g

]

Fr = 0,05
Fr = 0,12

Fr = 0,20
Fr = 0,32
Fr = 0,46

Rys. 5. Wpływ stosunku a/g na jednostkowe zapotrzebowanie energii

3-2006

PROBLEMY EKSPLOATACJI

123

Ze wzrostem wartości liczby Froude’a Fr zaobserwowano spadek jednost-

kowego 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 pier-
ścienia roboczego, niedogęszczenie i mniejszą wytrzymałość mechaniczną bry-
kietów, a w konsekwencji mniejsze jednostkowe zapotrzebowanie na energię
potrzebną do realizacji procesu brykietowania (rys. 4).

Wstępne zagęszczenie nadawy w zbieżnych kanałach wyrażone niezmien-

nikiem S

w

powoduje wzrost nacisku jednostkowego we wgłębieniu formującym

pierścieni, co bezpośrednio wpływa na podwyższenie wskaźników jakości bry-
kietów, 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 roz-

sunięcie 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 alternaty-
wę dla zasilacza ślimakowego w przypadku scalania niektórych trudnych do
brykietowania materiałów drobnoziarnistych. Zaletą nowego zasilacza jest pro-
stota konstrukcji, dzięki której można zmniejszyć koszty jego budowy oraz eks-
ploatacji w porównaniu z zasilaczem ślimakowym. Dobierając cechy konstruk-
cyjne oraz parametry pracy zasilacza zbieżnokanałowego należy zwrócić uwagę
na zróżnicowany wpływ bezwymiarowych niezmienników (liczba Froude’a,
stopień wstępnego zagęszczenia, stosunek amplitudy przyspieszeń drgań wymu-
szonych 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 zapotrze-
bowania energii. Odwrotną zależność zaobserwowano dla stopnia wstępnego
zagęszczenia. Natomiast w przypadku kolejnego niezmiennika występuje eks-
tremum (maksimum) jednostkowego zapotrzebowania energii.

Pracę wykonano w ramach projektu nr 11.11.130.173 finansowanego przez

KBN.

PROBLEMY EKSPLOATACJI

3-2006

124

Bibliografia

1.

Praca zbiorowa: Rozwój podstaw konstrukcji i eksploatacji młynów specjal-
nych i pras walcowych. Prace Katedry UTiOŚ AGH, Etap III, IV, V, Kra-
ków, 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 roll-

press the tapered-channels feeder has been worked out. The influence and analy-
sis of the dimensionless parameters S

w

, Fr, a/g of the new feeder on demand for

energy during briquetting in roll pres is presented.