CC BY
83
УДК 622.7/.002.5
О.Н. Шагарова
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ АБРАЗИВНОМ ИЗНАШИВАНИИ
Определен механизм влияния абразивной среды на изнашиваемую поверхность. Даны характеристики составляющих процесса абразивного изнашивания. Введена удельная характеристика воздействия абразивной среды на изнашиваемую поверхность. Рассмотрена зависимость износостойкости рабочих поверхностей обогатительного оборудования от энергии структуры их материала.
Ключевые слова: абразивный износ, микроударное воздействие, плотность энергии, долговечность оборудования, среда абразивного изнашивания (САИ).
Семинар № 22
Гехнологические процессы горнообогатительного производства характеризуются большой многотоннаж-ностью добываемого и перерабатываемого сырья, обладающего боль-шой абразивностью. Контактируя с рабочими поверхностями оборудования, перерабатываемая масса разрушает их, поэтому абразивным изнашивание поверхности называют ее разрушение под воздействием более твердых частиц минерального происхождения.
Абразивный износ характеризуется как наиболее распространенный и наиболее интенсивный процесс разрушения материалов из всех видов механического изнашивания.
Воздействие большой массы перерабатываемого абразивного сырья на рабочие поверхности горнообогатительного оборудования приводит к тому, что его моральная долговечность превышает физическую в несколько раз [1]. Это явление характерно только для оборудования горнообогатительного производства.
Процесс абразивного изнашивания необходимо рассматривать, исходя из наличия трех его составляющих:
1. Абразивной среды, воздействующей на изнашиваемую поверхность.
2. Характеристик (механических, структурных, химических) изнашиваемой поверхности.
3. Среды, в которой протекает изнашивание.
В механике горных пород абразивы подразделяют на два основных класса:
1. Сыпучие абразивы и суспензии.
2. Монолиты.
С точки зрения изнашивания горнообогатительного оборудования наибольший интерес представляют абразивы первого класса. Абразивы второго класса характерны для износа породоразрушающего инструмента.
Анализ работ по абразивному изнашиванию показывает, что оно характеризуется микроударным воздействием на изнашиваемую поверхность, однако, универсальной зависимости для расчета изнашиваемости и, как следствие этого, долговечности оборудования нет. Для выбора материала изнашиваемой поверхности необходимо определить параметры, характеризующие степень воздействия абразивной среды на изнашиваемую поверхность, выявить парамет-
ры сопротивляемости изнашиваемой поверхности воздействию абразивной среды и методом сравнительного анализа, с учетом коэффициента влияния среды, в которой протекает процесс абразивного изнашивания, определить долговечность.
Влияние абразивной среды характеризуется скоростью движения этой среды относительно изнашиваемой поверхности или скоростью движения рабочих поверхностей оборудования относительно абразивной массы.
Вторым параметром, характеризующим абразивную среду является масса абразива, воздействующего на изнашиваемую поверхность, поэтому главной составляющей, характеризующей влияние абразивной среды на изнашиваемую поверхность является энергия, с которой воздействует эта среда.
Эту энергию можно назвать энергией воздействия абразивной среды на изнашиваемую поверхность.
Для ее характеристики необходимо ввести понятие плотности энергии Е
P =___ - отношение величины энергии
£
воздействия к величине изнашиваемой поверхности. Плотность энергии является удельной характеристикой. По этому параметру можно сравнивать долговечность, как аналогичного оборудования, применяемого на одной технологической операции Р1 > Р2, так и суммарно всего оборудования, входящего в технологического оборудования горно-
обогати-тельного процесса.
Суммируя плотности энергий абразивного воздействия каждой единицы оборудования одной технологической схемы ^Р1 = Р1 + Р2 + Р3 +... + Рп и сравнивая
ее с другой, выполняющей аналогичные операции процесса
^Р2 = Р1 + Р2 + Р3 +... + Рп , там, где
выше плотность энергии воздействия, при всех остальных равных условиях, там больше износ и, как следствие этого меньше долговечность оборудования.
При оптимальном варианте в технологической схеме горно-обогатительного процесса, долговечность оборудования на каждой операции должна быть одинаковой или кратной по времени.
Для достижения этого изнашиваемые поверхности оборудования необходимо изготавливать из материалов, обладающих различной сопротивляемостью.
В любом случае и при всех условиях процесс изнашивания осуществляется в соответствии с фундаментальными законами природы, в частности с законом сохранения энергии.
Для того, чтобы отделить от монолитной поверхности некоторый микро-или макро- объем материала достаточно затратить энергию, по крайней мере, необходимую для образования двух новых поверхностей соответствующей площади. При этом обязательно происходит процесс разрыва межатомных связей, приводящий к отделению одной части кристаллической решетки от другой и образованию новых поверхностей.
Разрушение станет возможно только тогда, когда изнашиваемая поверхность, хотя бы в отдельных микроучастках, будет насыщена энергией, достаточной для разрыва межатомных связей, а также зарождения и развития трещин.
Количество рабочих циклов изнашивания при микроударном характере воздействия, необходимых для накопления в микроучастках поверхности энергии, достаточной для разрушения составит:
Е
^ Л/Г
т =
Е,
где Ет - энергия, поглощаемая изнашиваемой поверхностью, Еа - энергия абразива.
Количество энергии, поглощаемое микрообъемом изнашиваемой поверхности, зависит от энергоемкости процессов, протекающих в металле при взаимодействии с абразивом.
Величина энергетических затрат при реализации этого процесса связана с энергией структуры материала. Энергия структуры - это работа, необходимая для разъединения твердого тела на отдельные атомы или молекулы, отнесенная к одному моля кристаллического вещества [2]. Энергия структуры материала зависит от сил межатомного взаимодействия, которое определяется связями: ковалентной, ионной, металлической, и Ван-дер-Вальсовой [3], энергия структуры, которых соответственно равны: 1180 кДж/моль, 752 кДж/моль, 108 кДж/моль, 10 кДж/моль. Наиболее полно силы межатомного взаимодействия (химические связи) представлены в таких соединениях как карбиды, обладающие наибольшей твердостью из всех химических соединений.
В тоже время эффективному увеличению сопротивляемости абразивному изнашиванию способствуют факторы твердости и однородности структуры материалов, применяемых для изготовления рабочих поверхностей горнообогатительного оборудования.
Для структурно-однородных материалов зависимость изнашиваемости может быть выражено неравенством:
Нм > На,
где Нм - твердость материалов изнашиваемой поверхности, На - твердость абразива.
Эта же зависимость для структурно неоднородных материалов выражается аналитически следующим образом:
£ =Е ёг '£г
где £ - износ материала поверхности, £i - износ отдельного компонента, входящего в структуру материала, di - объем отдельного компонента в структуре материала, п - число компонентов, входящих в структуру материала.
Данное выражение говорит о том, что чем ниже значение износа отдельного компонента, и больше его объем в структуре, тем ниже значение износа в целом. Однако данная зависимость не учитывает влияния структурных связей между отдельными кристаллами компонентов, входящих в объем материала и расстояния между ними, что при слабых связях и сравнительно больших расстояниях приводит при абразивном воздействии к обычному выбиванию или вымыванию зерен из структуры.
Под структурной связью, в данном случае, следует понимать связь, соединяющую отдельные кристаллы в изделии (поверхность) и придающую материалу поверхности необходимую механическую прочность. Эти механически прочные связи создаются в процессе получения материала изнашиваемой поверхности или изделия, поверхности которого подвергаются износу. Данное положение справедливо и для структурно однородных материалов. Наличие дефектов структуре материала ослабляет межатомные связи и интенсифицирует процесс разрушения. Используя карбиды с различной межатомной связью и технологические методы получения из них изнашиваемых поверхностей (изделий), позволяющих изменять структурные связи между карбидами можно влиять на величину долговечности обору-
дования. Кроме указанных факторов -характеристик абразивной среды, изнашиваемой поверхности на долговечность оборудования может оказывать среда, в которой происходит абразивное изнашивание (САИ). Она может быть основной, кислотной, нейтральной, с большой влажностью или запыленностью, с низкими или высокими температурами, и оказывать соответствующее влияние на интенсивность изнашивания.
В последние время появились методы управления характеристиками САИ с
1. Солод Г.И., Шахова К.И., Русихин В.И. Повышение долговечности горных машин. М., Машиностроение, 1979
2. Пенкин Н.С., Пенкин А.Н., Сербии В.М. Основы трибологии и триботехники. М., Машиностроение, 2008
3. Химическая энциклопедия т.2., Из-во Советская энциклопедия, М., 1990
4. Шагарова О.Н. Обоснование и выбор способов повышения долговечности оборудования технологических линий производства кварцевого песка. Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н. М., МГГУ, 2005
5. Шагарова О.Н. Влияние минералогического состава сырья на долговечность оборудования технологических линий обогащения полезных ископаемых / Г орное оборудование и электромеханика. 2007. № 1. С. 36-37.
целью уменьшения энергии воздействия на изнашиваемую поверхность.
Исследования показали, что изменение механических характеристик абразивной массы при ее прохождении через САИ при реализации метода магнитно-им-пульсной обработки (МИО) позволяет снизить энергию разрушения абразивной массы в процессе размола кварцевых песков [4]. Таким образом, достигнуто снижение энергии воздействия на изнашиваемую поверхность и увеличение долговечности оборудования.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Шагарова О.Н. Гидроабразивное изнашивание рабочих поверхностей гидроциклона в зависимости от гранулометрического состава и содержания твердой фазы в перерабатываемой пульпе / Горный информационно-аналитический бюллетень (научнотехнический журнал) Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal) . 2006. № 4. С. 230-231.
7. Шахова К.И., Шагарова О.Н. Получение качественных кварцевых песков при обработке импульсным магнитным полем // Горный информационно-аналити-ческий бюллетень (научно-технический журнал) Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2005. № 7. С. 282-285.
— Коротко об авторе ---------------------------
Шагарова О.Н. -доцент, кандидат технических наук. Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
A
