Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии

DOI: 10.52150/2522-9117-2024-38-686-709

Худяков Олександр Юрійович, к.т.н., с.н.с., ст. досл., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-6507-1120.

Ващенко Сергій Володимирович, к.т.н., с.н.с., ст. досл., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0001-8344-961X. E-mail: sergeyvaschenko@yandex.ua

Баюл Костянтин Васильович, д.т.н., с.н.с., ст. досл., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0003-1426-7956. E-mail: baiulkonstantin@gmail.com

Семенов Юрій Станіславович, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0003-2299-5742. E-mail: yuriy.semenov.isi@gmail.com

Крот Павло Вікторович, к.т.н., ас. проф., Вроцлавський технологічний університет, Wybrzeże Stanisława Wyspiańskiego St., 27, Wrocław, 50370, Poland. ORCID 0000-0002-3347-3862

РОЗРОБКА УНІВЕРСАЛЬНОГО МЕТОДУ ПРОГНОЗУВАННЯ ЩІЛЬНОСТІ ПРЕСОВОК З СУХИХ ДРІБНОФРАКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ РЕЗУЛЬТАТІВ ПОРІВНЯЛЬНОГО ДОСЛІДЖЕННЯ ФАКТОРІВ УЩІЛЬНЕННЯ

Анотація. Більшість відомих моделей для прогнозу щільності пресовок з порошкових матеріалів мають емпіричний характер та не можуть бути застосовані до широкої номенклатури матеріалів. З метою створення універсального методу прогнозу щільності, в даній роботі виконане порівняльне дослідження впливу технологічних факторів на ущільнюваність порошків, а також встановлено фундаментальні зв’язки ущільнюваності з фізичними та енергетичними властивостями речовини частинок шихти. З використанням методу двофакторного дисперсійного аналізу (Two-Way ANOVA), було виконане порівняння впливу дисперсності та природи речовини частинок сухого порошку на коефіцієнт інтенсивності його ущільнення.  Встановлено, що в умовах, коли крупність великих та дрібних часток відрізняються не більше, ніж на один порядок, домінуючим фактором впливу на ущільнюваність порошку являються характеристики природи часток. Отримані надійні, фундаментальні зв’язки ущільнюваності порошків з термодинамічно-тепловими (температурою плавління, теплотою сублімації, тощо) та механічними (модуль Юнга, модуль сдвигу, твердість, тощо) властивостями речовини частинок.  Також отримано статистичні зв’язки  ущільнюваності порошків з енергетичними характеристиками кристалічної речовини частинок порошку: енергією кристалічної іонної решітки, енергією атомізації та енергіює остовно-електронної взаємодії. Максимальна тіснота кореляції залежностей оцінюється за шкалою Чеддока як висока та дуже висока. На основі вищевказаних залежностей, розроблено множинну регресійну модель сукупного впливу енергетичних та структурних характеристик кристалічної решітки речовини на ущільнюваність шихти. Коефіцієнт детермінації моделі складає 0,98. Також, з використанням отриманих залежностей, розроблено універсальний метод прогнозування щільності пресовок з сухих порошків в залежності від прикладеного тиску пресування. Погрішність прогнозу при застосуванні методу не перевищує 9,5%. Розроблений метод може бути застосований для виконання, без проведення експериментальних досліджень, попередньої оцінки можливості досягнення необхідної щільності брикету, вибору технологічних режимів, визначення енергосилових характеристик процесу і технічних характеристик пресового обладнання.

Ключові слова: сухі дрібнофракційні матеріали, прогнозування щільності пресовок, технологічні фактори, крупність частинок, фізичні властивості речовини, енергетичні характеристики речовини, двофакторний дисперсійний аналіз.

DOI: https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-686-709

Посилання для цитування: Розробка універсального методу прогнозування щільності пресовок з сухих дрібнофракційних матеріалів на основі результатів порівняльного дослідження факторів ущільнення / О. Ю. Худяков, С. В. Ващенко, К. В. Баюл, Ю. С. Семенов, П. В. Крот // Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2024. Вип. 38. С. 686-709. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-686-709.

Перелік посилань

  1. Comoglu T. An overview of compaction equations. Journal Fac. Pharm. 2007. Vol. 36, Iss. 2. P. 123-133.
  2. Öztürk B., Topcu A., Cora Ö.N. Influence of processing parameters on the porosity, thermal expansion, and oxidation behavior of consolidated Fe22Cr stainless steel powder. Powder Technology. 2021. Vol. 382. P.199-207.
  3. Kempen D., Piccolroaz A., Bigoni D. Thermomechanical modelling of ceramic pressing and subsequent sintering. International Journal of Mechanical Sciences. 2019. Vol. 156. P.146-158.
  4. Improving Sintering Performance of Specularite Concentrates by Pre-briquetting Process / J. Pan, B. Shi, D. Zhu et al. // ISIJ International. 2016. Vol. 56, Is. 5. P. 777-785.
  5. Experimental verification of new compaction equations for fine materials of the mining and metallurgical complex. Part 1. Basic compaction equation / A. Yu. Khudyakov, S. V. Vashchenko, K. V. Baiul et al. // Refract. Industr. Ceram. 2021. Vol. 62, No. 1. P. 15-24.
  6. Optimization of wastes compaction parameters in case of gradual wear of the briquetting press rolls / K. V. Baiul, S. V. Vashchenko, A. Yu. Khudyakov et al. // Structural Integrity. 2022. Vol. 25. P. 293-302.
  7. Modelling the Compaction Step of a Platform Direct Compression Process / R. V. G. Peddapatla, C. Slevin, G. Sheridan et al. // Pharmaceutics. 2022. Vol. 14, 695.
  8. Compression prediction accuracy from small scale compaction studies to production presses / K. G. Pitt, R. J. Webber, K. A. Hill et al. // Powder Technology.  2015. Vol. 270, Part B. P. 490-493.
  9. Persson A. S., Alderborn G. A hybrid approach to predict the relationship between tablet tensile strength and compaction pressure using analytical powder compression. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 2018. Vol. 125. P. 28-37.
  10. Liang Y., Gregory N., Binner J. Green Forming with Nanoparticles. Key Engineering Materials. 2004. Vol. 264-268. P. 2319-2322.
  11.  Obradović N., Djordjevic N., Peles A. The influence of compaction pressure on the density and electrical properties of cordierite-based ceramics. Science of Sintering.  2015.  Vol. 47, Iss. 1. P.15-22.
  12.  Munir Z., Anselmi-Tamburini U., Ohyanagi M. The Effect of Electric Field and Pressure on the Synthesis and Consolidation of Materials: A Review of the Spark Plasma Sintering. Journal of Materials Science.  2006.  Vol. 41, Iss. 2. P.763-777.
  13. Effect of pressure on density, porosity and flexural strength during cold isostatic press of alumina-ysz-chromia cutting tool / T. Norfauzi, A. B. Hadzley, U. A. A. Azlan et al. // Journal of Physics: Conference Series, IRTTEC 2020. 2021. Vol. 1793, 012073.
  14. Evaluation of pressure and temperature effect on the structure and properties of Ca2.93Sr0.07Co4O9 ceramic materials / M. A. Torres, M. A. Madre, O. J. Dura et al. // Ceramics International. 2022. Vol. 48, Iss. 6. P.7730-7747. 
  15. Study on the Manufacturing of Ultra-Fine Ore Briquettes for Charging in a Sintering Machine / B. Jong-Ho, K. Kang-Min, L. Kyeong-Uk et al. // Korean Journal of Metals and Materials. 2021. Vol. 59, Iss. 1. P. 14-20.
  16. New method for predicting the compactability of charges made from fine materials of the mining and smelting industry / A. Yu. Khudyakov, S. V. Vashchenko, K. V. Baiul et al. // Metallurgist. 2022. Vol. 65, No. 9-10. P. 941-951.
  17. Optimization of briquetting technology of fine-grained metallurgical materials based on statistical models of compressibility / A. Khudyakov, S. Vashchenko, K. Baiul et al. // Powder Technology. 2022. Vol. 412, No. 5, 118025.
  18.  Sen R. Mitra K., Dey R. Effect of grading of chromite ores on the quality of briquettes. ISIJ International. 2010. Vol. 50, Iss. 2. P. 200-206.
  19. Influence of fly ash and ground granulated blast furnace slag on the mechanical properties and reduction behavior of cold-agglomerated blast furnace briquettes / M. Mäkelä, T. Paananen, J. Heino et al. // ISIJ International. 2012. Vol. 52, Iss. 6. P. 1101-1108.
  20. Singh M., Björkman B. Effect of Processing Parameters on the Swelling Behaviour of Cement-bonded Briquettes. ISIJ International. 2004. Vol. 44, Iss. 1. P. 59-68.
  21. Basic examination of briquetting technology for ferro-coke process on 0.5 t/d bench scale plant / T. Anyashiki, H. Fujimoto, T. Yamamoto et al. // Tetsu-to-Hagane. 2015. Vol. 101, Iss.10. P. 515-523.
  22. Das R., Mondal M. K., Pramanik S. Strengthening behaviour and microstructural properties during the compaction of reduced blast furnace flue dust – fly ash – iron metal matrix composite fines using powder metallurgy route. Transactions of Indian Institute of Metals. 2022. Vol. 75, Iss. 3. P. 2255-2263.
  23. Study on the Pore Structure and Fractal Characteristics of Briquettes with Different Compression Loads / L. Qi, X. Zhou, X. Peng et al. // Sustainability. 2022. Vol. 14, 12148.
  24. Effect of Briquetting Pressure on the Properties, Reduction Behavior, and Reduction Kinetics of Cold-Bonded Briquette Prepared From Return Fines of Sinter / Y. Li, Y. Zang, Y. Xiong et al. // Metallurgical and Materials Transactions B. 2023. Vol. 54. P. 355-369.
  25. Dvilis E. S. Zakonomernosti processov konsolidacii poroshkovyh sistem pri izmenenii uslovij deformacii i fizicheskih vozdejstvij: dis. dokt. fiz.-mat. nauk : 01.04.07. Tomsk : Tomskij politeh. un-t, 2014. 386 p.
  26. Samsonov G. V., Ristić M. M. Au Essay on the Generalization of the Sintering Theory. International Team for Studyng Sintering. Beograd. 1973.
  27. Andreeva N. V., Radomyselski I. D., Shcherban N. I. Compressibility of powders. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1975. Vol. 14, Iss. 6. P. 457-464.
  28. Andrievskii R. A. Role of the nature of the chemical bond and the dispersion in the formation of powder materials. Powder Metall Met Ceram. 1988. Vol. 27, No. 8. P. 627-633.
  29. Andrievskii R. A. Poroshkovoe materialovedenie. M. : Metallurgiya,  1991.  205 p
  30. GOST 4234-77. Reagents .Potassium chloride. Specifications. M. : Standards Publishing, 2001. 28 p.
  31. GOST 4530-76. Reagents. Calcium carbonate. Specifications. M. : Standards Publishing, 1992. 12 p.
  32. Brudz V. H., Rakovskaia V. A., Uskova L. Ie. Spravochnik pokazatelei kachestva khimicheskikh rieaktivov. Kniha 2. M. : Khimiia, 1968. 992 p.
  33. GOST 29219-91. Fluorite concentrates for acids and ceramics. Specifications.  M. : Standards Publishing, 2004. 7 p.
  34. GOST 9808-84. Pigment titanium dioxide. Specifications. M. : Standards Publishing, 1998. 17 p.
  35. GOST 9428-73. Reagents. Silicon (IV) oxide. Specifications. M. : Standards Publishing, 1993. 10 p.
  36. GOST 30558-98. Alumina, metallurgical. Specifications. M. : Standards Publishing, 2002. 7 p.
  37. Andreeva N. V., Radomyselski I. D., Shcherban N. I. Compressibility of powders. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1975. Vol. 14, Iss. 6. P.457-464.
  38. Kunin N. F, Yurchenko B. D. Regularities in the compacting of powders of different materials. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1963. Vol. 2, Is. 6. P. 433-439.
  39. Yemelianov V. S., Yevstiukhyn A. I. Metalurhiia yadernoho horiucheho. M. : Atomizdat, 1968. 482 p.
  40. Ge R. A new powder compaction equation. International Journal of Powder Metallurgy. 1991. Vol. 27, Iss. 3. P.211-216.
  41. Shapiro I., Kolthoff I. M. The compressibility of Silver Bromide Powders. The Journal of Physical and Colloid Chemistry. 1947. Vol. 51, Iss.2. P. 483-493.
  42. Panelli R., Filho F. A. Compaction Equation and Its Use to Describe Powder Consolidation Behavior. Powder Metallurgy. 1998. Vol. 41, Is. 2. P. 131-133.
  43. Walker E. E. The properties of powders. Part VI. The compressibility of powders. Transactions of the Faraday Society. 1923. Vol. 19. P. 73–82.
  44. Automated generation and analysis of powder compaction diagrams / P. R. Mort, R. Sabia, D. E. Niesz et al. // Powder Technology. 1994. Vol. 79, Iss. 2. P. 111-119. 
  45. Seltman H. J. Experimental Design and Analysis. Pittsburh : Carnegie Mellon University, 2018. 428 p.
  46. Handbook of Design and Analysis of Experiments / A. Dean, M. Morris, J. Stufken, et al. Boca Raton : Tailor and Francis Group, 2016. 946 p.
  47. Yudenkov V. A. Dispiersionnyi analiz. M. : Biznesofsiet, 2013. 76 p.
  48. Emsley J. The elements. Oxford : Clarenden Press, 1998. 292 p.
  49. Samsonov G. V. Handbook of the Physicochemical Properties of the Elementes. NY : Springer New York, 2012. 942 p.
  50. Haynes W. M. Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton : Taylor & Francis Group, 2014. 2665 p.
  51. Dric E. M. Svojstva elementov. M. : Metallurgiya, 1985. 672 p.
  52. Lidin R. A., Andreeva L. L., Molochko V. A. Konstanty neorganicheskih veshestv. M. : Drofa, 2006. 685 p.
  53. Bacanov S. S. Strukturnaya himiya. M. : Dialog – MGU, 2000. 292 p.
  54. Yacmirskij K. B. Termohimiya kompleksnyh soedinenij. M. : Izd-vo Akad. nauk SSSR, 1951. 253 p.
  55. Urusov V. S. Energeticheskaya kristallohimiya. M. : Nauka,  1975. 335 p.
  56. Pauling L. General Chemistry. NY : Dover Publications, 1988. 992 p.
  57. Krasnov K. S. Molekuly i himicheskaya svyaz. M. : Vysshaya shkola, 1984. 295 p.
  58. Zuev V. V. Concept of core electron structure of minerals. Gornyi Zhurnal. 2015. Iss. 5. P. 23- 29.
  59. Zuev V. V. Ostovno-elektronnaya kristallohimiya i svojstva mineralov. SPb. : Nauka, 2009. 270 p.
  60. Prihodko E. V. Metallohimiya mnogokomponentnyh sistem. M. : Metallurgiya, 1995. 320 p.
  61. Sobolev V. S. Vvedenie v mineralogiyu silikatov. Novosibirsk : Geo, 2007.  229 p.
  62. Hasanov O. L., Struc V. S., Dvilis E. S. Soprotivlenie materialov. Tverdost i treshinnostojkost nanostrukturnyh keramik. T. : Yurajt, 2015. 150 p.

No widgets added. You can disable footer widget area in theme options - footer options

Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Logo