УДК 669.162:520.178.4/.6
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ БРЭКСА ПРИ СТАТИЧНОЙ И УДАРНОЙ НАГРУЗКАХ
© Бижанов Айтбер Махачевич1, e-mail: abizhanov@jcsteele.com; Курунов Иван Филиппович2, д-р техн. наук, проф., e-mail: kurunov_if@nlm;
Подгородецкий Геннадий Станиславович3, канд. техн. наук; Нуштаев Дмитрий Владимирович4
1 J.C.Steele&Sons, Inc.USA, Statesville, NC.
2 ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Россия, г. Липецк
3 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва
4 ООО «ТЕСИС». Россия, Москва Статья поступила 02.06.2014 г.
Методами физического и численного экспериментов изучен механизм трещинообразования и разрушения экструзионного брикета (брэкса) при различных вариантах нагружения. Показано, что при статической нагрузке растяжения (при раскалывании) разрушение брэкса начинается в его центральной части и является результатом растягивающих напряжений. Математическое моделирование, основанное на методике с использованием когезивных поверхностей, хорошо согласуется с результатами физического эксперимента. Приводятся результаты моделирования разрушения брэкса при падении с высоты 1,5 м.
Ключевые слова: брикет экструзии (брэкс); жесткая вакуумная экструзия; механическая прочность; разрушение; моделирование; когезивные поверхности.
Брикет проходит испытание на прочность с момента его создания и до ввода в качестве компонента в шихту металлургической печи. Окуско-ванный продукт подвергается ряду механических воздействий: ударно-истирающих, динамических и раздавливающих нагрузок при конвейерной транспортировке на хранение, штабелирование, а также при погрузке в вагоны и подаче в приемные бункеры печей. После таких воздействий брикет должен сохранить форму и требуемые металлургические свойства, оправдывающие затраты на его изготовление и хранение и не ухудшающие показатели металлургического процесса, в котором он используется.
В настоящее время для количественного определения механической прочности металлургических брикетов широко применяются методики, создававшиеся для окускованных продуктов совершенно иного типа - топливных (угольных) брикетов, агломерата и обожженных окатышей. ^ Весьма часто применяют также методики, повто-Я ряющие процедуры определения механической ^ прочности кускового кокса и бетона. В нашей ^ работе мы применяли методику испытания на ^ прочность при растяжении, основанную на ГОСТ Ц 28570-90 (Бетоны. Методы определения прочно-| сти по образцам, отобранным из конструкций) и
ГОСТ 10180-90 (Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам).
Вместе с тем понятно, что сам механизм упрочнения холодного брикета существенно отличается от механизма упрочнения агломерата и окатышей в процессе температурной обработки, что, вообще говоря, не позволяет корректно сравнивать параметры прочности этих окуско-ванных продуктов.
Кроме того, само понятие механической прочности столь многоаспектно, что едва ли может быть полно описано показаниями прибора, моделирующего идеализированный случай ее проявления (одноосное сжатие, раздавливание на раскалывание и т.д.). Знание только величины максимального напряжения, которое может выдержать брикет при том или ином способе приложения нагрузки не позволяет раскрыть механизм его упрочнения и динамику реакции на такое воздействие. На прочность брикета значительно влияет влажность шихты, гранулометрический состав смеси (крупность частиц) и форма частиц материала, тип и количество применяемого связующего, размер и форма сечения брикета, способ приложения внешней нагрузки. В зависимости от способа подготовки шихты брикеты, изготовленные из одного и того же сырья и имеющие одина-
Рис. 1. Постановка задачи (серый цвет - брикет; красный - стальная плита) - слева; область приложения внешнего давления - справа
Рис. 2. Визуализация максимальных главных напряжений (МПа)
ковый компонентный состав, могут по-разному выдерживать прикладываемую нагрузку, разрушаясь хрупко или вязкопластично.
В ситуации отсутствия унифицированной методики испытаний металлургических брикетов на механическую прочность и низкой информативности таких методик в принципе, на наш взгляд, полезно применение методов математического моделирования поведения брикетов под действием внешней нагрузки в сочетании с моделированием физическим. Именно такой подход позволяет лучше понимать и количественно оценивать, процессы, происходящие в брикете под нагрузкой. Только после выяснения характера отклика брикета на то или иное воздействие, природы его разрушения (хрупкого или вязкого) можно переходить к разработке методики его испытаний в производственных условиях. Ранее нами были рассмотрены с этих позиций некоторые аспекты механической прочности брикетов, полученных экструзией [1].
Если понимать под прочностью брикета его способность выдерживать без разрушения меха-
нические нагрузки, которым он подвергается, то необходимо понимание механизма разрушения брикета. В настоящей работе мы рассматриваем внешнюю нагрузку двух типов - статическую и динамическую (ударную). При этом нагрузки первого типа соответствуют раздавливающим (сжимающим) усилиям, которым брикеты подвергаются в бункерах или штабелях на складах и при перевозке в вагонах. Ударная нагрузка соответствует укладке брикетов в штабель либо иным по-грузочно-разгрузочным операциям, при которых брикеты падают с высоты. Действие истирающих нагрузок, которое преимущественно проявляется на разрушенных брикетах, в этой работе не рассматривается.
Построение математической модели разрушения брикета при сжимающей нагрузке сводится к изучению трещинообразования при действии раскалывающей нагрузки на брикет. Моделирование производится в осесимметричной постановке (рис. 1).
Расчетное давление прикладывается к нижней поверхности плиты и передается на брикет через контактное взаимодействие. Таким образом моделируется раскалывающее сжатие брикетана настольной одноколонной электромеханической испытательной машине 1ш11Гоп 3345 (США) - наиболее часто применяемой для механических испытаний [2].
На начальном этапе производится моделирование сжатия брикета без учета трещинообразо-вания. Для брикета, как и для плиты, используется упругая модель материала. В расчетах приняты следующие значения прочностных свойств стали и брикета (взяты из работы [3]): для стали модуль Юнга 210 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,3; для брикета модуль Юнга 70 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,2. К нижней поверхности стальной плиты прикладывается давление 6,86 МПа. Для расчетов напряженно-деформированного состояния использовали метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программном комплексе БШиПА ЛЬадц8.
На рис. 2 показаны максимальные главные напряжения в модели. Центральная часть брикета подвержена растягивающим усилиям, что может привести к образованию трещин в областях концентраций растягивающих напряжений. Зона максимальных главных напряжений локализована в центральной части брикета (43,5 МПа при внешнем давлении 6,86 МПа).
Для моделирования трещинообразования брикета использовали методику когезивных по-
Рис. 3. Схема реализации методики когезивных поверхностей
*РЕц&-2-Ь 444? ■ЬЬ: »1»
и.
Рис. 4. Область зарождения трещины
Рис. 5. График раскрытия трещины
верхностей [4]. Эта методика применяется при моделировании образования трещин в таких материалах, как бетон, керамика, металлы, полимеры, а также в ситуациях, когда моделируется сопряжение («склейка») различных конструктивных элементов. Процесс реализации методики когезивных поверхностей схематически показан на
Рис. 6. Визуализация раскрытия трещины при нагрузке 6,73 МПа
рис. 3. Когезивная трещина инициируется в момент достижения главных напряжений уровня предела прочности материала. В модели образовавшаяся трещина ориентирована перпендикулярно направлению действия главных напряжений в модели. После образования трещины усилия между сопряженными поверхностями передаются согласно выбранному закону /(б). Трещина считается полностью раскрытой (сопряженные поверхности не оказывают влияния друг на друга) при достижении критического размера разделения б(/) (см. рис. 3). Исходя из распределения главных напряжений очевидно, что возникновение и распространение трещины в бездефектном материале может происходить вдоль центральной осевой линии, перпендикулярно направлению действия главных напряжений (рис. 4).
Результаты моделирования показали, что образование трещины действительно происходит в центральной части брикета с последующим распространением в радиальном направлении параллельно направлению действующей нагрузки. К аналогичным выводам в приложении к разрушению окатыша приходят и авторы работ [5, 6]. На рис. 5 представлен график изменения расстояния между двумя центральными точками трещины (график раскрытия трещины). Инициирование трещины происходит в момент времени Ь0 = 0,921617 с, раскрытие при Ьф = 0,924073. Исходя из условия линейного возрастания внешнего давления путем расчета нетрудно показать, что начало
Рис. 7. Трещинообразование в центральной части брэкса
трещинообразования соответствует критической нагрузке 6,32 МПа. Рис. 6 иллюстрирует раскрытие трещины при нагрузке 6,73 МПа.
Величина критической нагрузки и форма развития трещины хорошо согласуются с данными, полученными при физическом моделировании разрушения брикета 5,88-6,86 МПа. Образцы брикетов были нарезаны на одинаковые сегменты (длиной, равной двум диаметрам). После чего торцевую поверхность зашлифовывали до создания гладкой ровной поверхности. Подготовленные образцы подвергали нагрузке в диапазоне от 1,96 до 9,8 МПа на ручном прессе с s-образным тензодатчиком. Разрушение образцов брикетов происходило при средней нагрузке 6,8 МПа. Трещинообразование изучали с помощью оптического микроскопа Leica DM ILM. Осмотр образцов показал, что изначально трещины образуются в точке приложения усилия, однако при увеличении нагрузки дальнейший рост трещин на периферии образца не наблюдается (рис. 7). При достижении значений усилия в интервале 5,8-6,8 МПа трещины образуются в центральной части брэкса. Такое удовлет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.