Главная >> Диссертации - все темы

Pages: |

| 2 |

«ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ НАКЛЕПОМ ФУТЕРОВОК ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

БОЧКОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ НАКЛЕПОМ ФУТЕРОВОК

ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО

ОБСЛУЖИВАНИЯ

Специальность 05.05.06 – Горные машины

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, старший научный сотрудник В.И. Болобов Санкт-Петербург –

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования.

Дробление и измельчение руд - одна из наиболее энергоемких и капитальные и эксплуатационные расходы на операции дробления и измельчения составляют 50 – 70 %.

Одной из основных статей расходов при измельчении руды являются затраты на мелющие тела и замену футеровки рабочих органов обогатительного оборудования. Так, при эксплуатации барабанных мельниц расходы на воспроизводство шаров, стержней и футеровки достигают стоимости энергетических затрат, а иногда и превышают их. Такой высокий расход материалов обогатительного оборудования объясняется интенсивным их износом об абразивные горные породы в процессе дробления и измельчения.

Ежегодно на воспроизводство изношенных деталей горно-обогатительного оборудования расходуется более 4 млн. т. металла или более 2,5% от его производства в России [1, 2].

повышению ресурса быстро изнашиваемых элементов горно-обогатительного оборудования является важной научной и практической задачей.

Степень научной разработанности проблемы. Вопросам повышения срока службы быстро изнашивающихся элементов горных машин и оборудования посвящены работы многих исследователей: Солода Г.И., Зимина А.И., Барона Л.И., Кузнецова А.В., Хрущова М.М., Бабичева М.А., Тененбаума М.М., Сердитова А.Е. и др. [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Их работы по изучению абразивности горных пород и механизма различных видов изнашивания позволили научно обоснованно подходить к выбору конструкционных материалов для той или иной абразивной среды и условий эксплуатации.

Шаровые мельницы являются одним из основных видов горнообогатительного оборудования и широко используются на отечественных и зарубежных горно-обогатительных предприятиях для измельчения руды крупностью до 60 мм [1]. Для защиты корпуса (барабана) мельниц от воздействия породы он изнутри футеруется броней, которая по мере изнашивания периодически требует замены. Ремонт и замена футеровок шаровых мельниц на горно-обогатительных предприятиях сопровождается выводом из эксплуатации основного производственного оборудования технологической цепи машин, что ведет к значительным экономическим потерям.

Вопросами износостойкости и увеличения срока службы футеровок шаровых мельниц занимались Андреев Е.Е., Андреев С.Е., Маляров П.В., Перов В.А., Олевский В.А., Крюков Д.К., Дун И.Ф., Пенкин Н.С. и др. [1, 2, 12, 13, 14, 15, 16, 16, 17]. В результате проведенных ими исследований были предложены различные пути снижения скорости изнашивания материала футеровок, например:

- применение вместо традиционно используемого материала футеровок стали 110Г13Л других более износостойких металлических материалов, например, белых износостойких чугунов [17];

- замена металлической брони на футеровку из других материалов [12, 18, 19, 20, 21];

- оптимизация геометрии футеровки [22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29] с целью предотвращения проскальзывания по ее поверхности руды и др.

Тем не менее, как показывает практика эксплуатации, разработанные рекомендации недостаточно эффективны и не всегда применимы для реальных условий работы шаровых мельниц на горно-обогатительных предприятиях. Так, например, оказалось, что белые износостойкие чугуны (легированные чугуны типа ИЧ210Х12Н15Г5, ИЧ210Х30Г3, ИЧХ12Г5) показывают высокую работоспособность только при применении шаров диаметром до 50-80 мм, при большем диаметре шаров они раскалываются [15]. Резиновые футеровки, демонстрируя высокую износостойкость, тем не менее, в ряде случаев быстро выходят из строя из-за низкой износостойкости лифтеров, вследствие большого износа их бокового слоя [17].

По этим и другим причинам срок службы применяемых в настоящее время футеровок шаровых мельниц на большинстве горно-обогатительных предприятий все еще недостаточен. Так, например, ресурс футеровки шаровой мельницы МШЦ 55006500 (материал футеровки сталь 110Г13Л) – основного вида измельчительного оборудования на предприятии ОАО «Апатит» - составляет всего ~ 8000 часов. С учетом того, что вес одного сегмента (плиты) этой 24-х сегментной брони 360 кг, понятно, что замена всей футеровки представляет собой дорогостоящий и трудомкий процесс (~384 человеко-часов для одной мельницы).

В этой связи исследования, направленные на изыскание путей повышения срока службы брони шаровых мельниц, остаются по-прежнему актуальными.

Как следует из результатов исследований Саверина М.М., Ткачева В.Н., Одинцова Л.Г., Виноградова В.Н., Львова П.Н. и др. [30, 31, 32, 33, 34], подтвержденных многолетней практикой эксплуатации, одним из путей увеличения усталостной прочности и снижения скорости изнашивания деталей машин, работающих при «металлическом трении», т.е. при трении двух металлических элементов без присутствия абразива, является предварительное их поверхностное механическое упрочнение (наклеп).

Вместе с тем известно [6, 7, 8, 31], что при трении деталей о твердые абразивные породы предварительный наклеп металлических материалов не повышает их износостойкости.

Сведений о влиянии предварительного наклепа на износостойкость материалов, подвергающихся ударно-абразивному воздействию горных пород, в литературе не обнаружено. Поскольку механизм изнашивания при таком воздействии носит усталостный характер [31, 33] и, следовательно, подобен механизму изнашивания при «металлическом трении», можно было предположить, что предварительный наклеп металлических материалов должен снижать скорость их эрозионного разрушения и для случая ударно-абразивного воздействия измельчаемой среды должен повышать срок службы футеровки.

Цель исследования: повышение износостойкости футеровок шаровых мельниц на основе установления закономерностей изменения величины твердости их поверхностного слоя в результате наклепа, осуществляемого в режиме упрочняющей обработки.

Основная идея работы заключается в том, что предварительная упрочняющая обработка футеровки шарами снижает скорость ее ударноабразивного изнашивания в процессе измельчения апатито-нефелиновой руды в шаровых мельницах.

Задачи исследования:

- анализ параметров работы шаровой мельницы МШЦ 55006500 в стационарном режиме измельчения апатито-нефелиновой руды и вида изношенных футеровок на предприятии ОАО «Апатит» для установления доминирующего вида их изнашивания;

- определение рациональных параметров режима работы шаровой мельницы, при которых упрочняющая обработка футеровки шарами обеспечивает наибольшее приращение твердости ее поверхностного слоя;

- установление зависимости приращения твердости поверхностного слоя материала футеровки в результате многократного ударного воздействия шаров от степени пластической деформации металла, достигаемой при работе мельницы в режиме упрочняющей обработки;

- определение зависимости скорости изнашивания материала футеровки в стационарном режиме измельчения апатито-нефелиновой руды в шаровой мельнице от твердости поверхностного слоя футеровки, достигаемой в результате наклепа;

- усовершенствование графика технического обслуживания шаровых мельниц, включением в него цикла операций периодической упрочняющей обработки футеровок.

Научная новизна:

- установлена зависимость вида HВ = Ax повышения твердости HВ металлической поверхности дна отпечатка, образующегося в результате ударного воздействия шаров, от степени пластической деформации металла ;

- обнаружен эффект положительного влияния наклепа поверхностного слоя материала футеровок шаровых мельниц стали 110Г13Л на скорость его ударноабразивного изнашивания.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- на примере основного материала футеровок шаровых мельниц – стали 110Г13Л показано, что упрочняющая обработка поверхностного слоя футеровок снижает скорость их ударно-абразивного изнашивания;

- разработан и защищен патентом № 2451591 [35] способ упрочнения поверхностного слоя стальных футеровок шаровых мельниц, который осуществляется наклепом футеровки шарами без ее демонтажа и извлечения из мельницы;

- определены [36, 37] рациональные параметры операции упрочнения поверхностного слоя футеровок шаровых мельниц путем их ударной обработки шарами в процессе технического обслуживания, периодическое применение которой позволит значительно (в 1,6 раза) увеличить срок службы футеровок;

- разработан экспериментальный стенд для моделирования процесса ударно-абразивного изнашивания футеровок шаровых мельниц и изучения влияния наклепа на износостойкость;

результаты работы планируются к внедрению на предприятии ОАО «Апатит».

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использовался комплексный метод, включающий теоретические и экспериментальные исследования, проведенные с использованием разработанного экспериментального стенда.

Основные результаты исследования получены путем математического моделирования с использованием разработанных методов расчета на основе теории Э.В. Дэвиса о движения шаров в шаровых мельницах. Для обработки экспериментальных данных использованы методы математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Приращение твердости материала поверхностного слоя футеровки (стали 110Г13Л) шаровых мельниц, возникающее в результате последовательных ударных воздействий шаров, зависит от степени деформации е поверхностного слоя в соответствии с уравнением вида HВ = Ax, в котором A и x - константы, характеризующие свойства материала футеровки. При работе мельницы МШЦ 55006500 в режиме упрочняющей обработки - частоте вращения барабана n = 0,24 с -1; коэффициенте загрузки шарами 30%, времени обработки 18 минут, значение составляет 2 %, а твердость поверхностного слоя футеровки в результате обработки возрастает в 1,25 раза.

2. Экспериментально установлено, что наклеп поверхностного слоя футеровки шаровой мельницы МШЦ 55006500, возникающий в результате предлагаемой упрочняющей обработки, повышает в 1,6 раза стойкость материала футеровки стали 110Г13Л к ударно-абразивному изнашиванию при стационарном режиме измельчения апатито-нефелиновой руды в мельнице.

подтверждается их согласованностью с общепризнанной теорией движения шаров в барабанной мельнице и методами повышения долговечности деталей машин, а также экспериментальными исследованиями по моделированию процесса ударноабразивного изнашивания материала футеровок об апатито-нефелиновую руду.

докладывались на:

- Всероссийской конференции «Изобретатели в инновационном процессе России», г. Санкт-Петербург, 2013 г.;

недропользования» Фрайбергская горная академия, г. Фрайберг, Германия, 2012 г.;

- факультетской научной конференции среди молодых учных и студентов, Санкт-Петербургский государственный горный университет, г. Санкт-Петербург, 2012 г.;

- 10-й международной научно-практической конференции: «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», г. Воркута, 2012 г.;

международном форуме-конкурсе молодых учных «Проблемы недропользования», Санкт-Петербургский государственный горный университет, г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

- международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Опыт прошлого – взгляд в будущее», г. Тула, 2011 г.;

- VI международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения», г. Томск, 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 3 в изданиях из перечня рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, общим объемом 119 страниц печатного текста, содержит 10 таблиц и 62 рисунка, список литературы из 84 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Конструкция шаровой мельницы и режимы е работы Конструкция шаровой мельницы и режимы е работы рассмотрены на примере мельницы МШЦ 55006500, широко использующейся на предприятии ОАО «Апатит».

Шаровая мельница с центральной разгрузкой МШЦ (рисунок 1.1) состоит из цилиндрического барабана 1 с торцовыми крышками 2, имеющими пустотелые цапфы 4, 5, посредством которых барабан опирается на коренные подшипники 3. Барабан и крышки защищены от воздействия породы футеровкой (броней) 8, состоящей из отдельных сегментов (плит). В барабан загружают стальные или чугунные шары, диаметр которых (от 40 до 120 мм) определяется размером фрагментов измельчаемой породы. Вращение барабана осуществляется от привода 7.

Рисунок 1.1 – Общий вид шаровой мельницы МШЦ Исходный материал загружается в мельницу через левую загрузочную цапфу 4. Измельченный материал попадает в правую разгрузочную цапфу 5 и разгружается через бутару 6.

Барабан изготовляется сварным или клепаным из толстой листовой стали.

На оба конца барабана приклепывают или приваривают стальные обработанные фланцы для прикрепления торцовых крышек. Иногда барабан изготовляют литым из стали и чугуна или стали с фланцами на концах.

Торцовые крышки 2 с пустотелыми цапфами отливают из чугуна или стали в зависимости от размеров мельницы. Торцовые крышки к фланцам барабана мельницы крепят болтами. Для уплотнения соединения болтами и уменьшения нагрузки на крышках предусмотрен кольцевой выступ. Снаружи на разгрузочных цапфах 4, 5 устраивается кольцевой выступ для предотвращения попадания пульпы в подшипник. Коренные подшипники делаются с большой опорной поверхностью. Часто применяют самоустанавливающиеся подшипники с баббитовыми вкладышами, имеющими шаровую опору в корпусе подшипника.

Мельница данной конструкции устанавливается в горизонтальном положении. Создание уклона пульпы и, тем самым, ее движение от входа к выходу в мельнице достигается использованием несколько большего внутреннего диаметра разгрузочной цапфы 5 по сравнению с загрузочной 4.

Режим работы шаровой мельницы зависит от скорости вращения е барабана. Теории движения загрузки (шаров и измельчаемого материал) в барабанных мельницах посвящены работы ряда ученых: Дэвиса Э.В. [38], Левенсона Л.Б. [39], Олевского В.А. [13, 40, 41, 42], Таггарта А.Ф. [43, 44], Канторовича З.Б. [45], Андреева С.Е. [2, 46, 47], Андреева Е.Е. [1] и др. [48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55].

При низкой скорости вращения мельницы вся шаровая нагрузка делает поворот в сторону вращения на некоторый угол и при постоянной скорости вращения остатся в таком положении. Шары непрерывно циркулируют, поднимаясь с проскальзыванием по концентрическим круговым траекториям и скатываясь параллельными слоями каскадом вниз. Такой режим работы мельницы называется каскадным (рисунок 1.2). Измельчение материала при каскадном режиме происходит главным образом его раздавливанием и истиранием перекатывающимися шарами [1, 2, 9].

Рисунок 1.2 – Каскадный режим работы шаровой мельницы Каскадный режим работы мельницы характеризуется тонким измельчением с увеличенным выходом шламов и повышенным износом футеровки из-за проскальзывания породошаровой загрузки по стенке барабана и, как следствие, абразивного характера изнашивания [1, 2, 13].

По мере повышения скорости вращения барабана угол поворота шаровой загрузки увеличивается, шары по круговым траекториям поднимаются вс выше, но режим работы остается еще каскадным. Когда, наконец, шары поднимутся до известной, ещ большей высоты, определяемой частота вращения мельницы, они сходят с круговых траекторий и, как тела, брошенные под углом к горизонту, по параболическим траекториям падают водопадом обратно на круговые траектории.

Такой режим работы мельницы называется водопадным (рисунок 1.3).

Измельчение материала при водопадном режиме происходит главным образом ударом падающих шаров и отчасти истиранием.

Рисунок 1.3 – Водопадный режим работы шаровой мельницы При водопадном режиме вся траектория движения шара в каком-либо слое делится на два участка (рисунок 1.4) [1, 2, 9]. При подъме шара от точки падения А1 до точки отрыва А5 шар движется по круговой траектории A1 A5 и от точки отрыва A5 до точки падения А1 падает по параболической кривой А5А1.

Рисунок 1.4 – Траектория движения шара при водопадном режиме работы мельницы и Положение шара на круговой траектории определяется углом отрыва (рисунок 1.4), образуемым радиусом барабана мельницы, проходящим через центр шара, с вертикальным диаметром барабана.

В любой точке круговой траектории радиуса R шар находится под действием силы тяжести G и центробежной силы C mv2 R, где v - линейная скорость шара на круговой траектории. Силу тяжести G можно разложить на составляющие: радиальную N = G·cos и тангенциальную Т = G·sin.

При постоянной угловой скорости вращения барабана центробежная сила С сохраняет постоянную величину на всех участках круговой траектории и постоянное направление от оси мельницы к периферии. Величина же и направление радиальной силы N меняются и зависят от положения шара на круговой траектории.

Шаровая нагрузка увлекается в движение по круговым траекториям силами трения, возникающими между футеровкой барабана и прилегающим к ней внешним слоем шаров, и, вследствие трения между смежными слоями шаров, стремится вращаться как сплошное тело вместе с барабаном. Величина сил трения зависит от коэффициента трения и нормального давления на внутреннюю поверхность барабана, оказываемого радиальными составляющими силы тяжести N и центробежными силами С. Тангенциальные составляющие силы тяжести Т стремяться повернуть шаровую нагрузку против направления вращения. Для того чтобы нагрузка не скользила по футеровке, момент сил трения относительно оси мельницы должен уравновешивать момент тангенциальных составляющих сил тяжести относительно той же оси [2, 15].

Наибольшее давление на поверхность барабана шары оказывают в нижних квадрантах, где радиальные силы N и С действуют в одну сторону. Здесь и возникает наибольшее трение, создающее «подпор», обеспечивающий вращение шаровой нагрузки. В верхнем квадранте радиальная сила N, действуя в противоположную сторону, уменьшает давление, оказываемое центробежной силой C, уменьшая тем самым и силу трения.

Шар какого-либо слоя движется по круговой траектории и переходит из нижнего квадранта в верхний не как единичный изолированный шар, в силу индивидуально вызываемого им трения, а за счт трения всей шаровой нагрузки, как е составная часть, увлекаемый в движение всей вращающейся массой шаров и «подпираемый» последующим рядом шаров того же слоя [1, 2, 13, 15].

Сила трения зависит, главным образом, от коэффициента заполнения барабана мельницы шарами (отношения объема шаров к свободному объему барабана) и характера поверхности футеровки, в меньшей – от свойств измельчаемой породы и консистенции пульпы (отношения Ж : Т). При небольших шаровых загрузках, гладкой поверхности футеровочных плит и малой скорости вращения мельницы давление шаров оказывается недостаточным и наблюдается скольжение внешнего слоя шаров по поверхности барабана и одного слоя шаров по другому. С увеличением шаровой загрузки силы трения между футеровкой и шарами внешнего слоя возрастают и, при значениях выше 30%, скольжение шаров по футеровке практически отсутствует [2].

Можно также выделить ещ один режим работы шаровой мельницы критический. Он возникает при достижении критической скорости вращения мельницы, определяемой [2] по формуле где nкр – критическая угловая частота вращения барабана, об/мин, Rвшс – радиус окружности внешнего шарового слоя барабана мельницы, м.

При критической частоте вращения барабана начинает центрифугировать только внешний слой шаров (около брони) и работа измельчения продолжается.

центрифугирование постепенно вступают шары слоев, расположенных ближе к оси мельницы. При некоторой сверхкритической частоте все слои шаров начинают центрифугировать и падение шаров прекращается. Мельница в этот момент уподобляется маховому колесу: расход полезной энергии при этом равен нулю, но и работа измельчения также равна нулю.

Переход от каскадного режима к водопадному происходит постепенно. При промежуточных частотах вращения в мельницах реализуется смешанный режим.

Незначительное повышение частоты вращения барабана по сравнению с частотой при каскадном режиме обусловливает переход на параболические траектории сначала только внешнего слоя загрузки. Экспериментальные исследования, выполненные на модели шаровой мельницы с прозрачным торцом и различными типами футеровок, показали [2, 12, 13, 17], что в диапазоне параметров, при которых работают промышленные рудоразмольные мельницы, реализуется смешанный режим движения шаров.

При этом режиме шары вместе с барабаном движутся по части окружности, одновременно происходит скольжение между слоями шаровой загрузки, интенсивность которого зависит от параметров работы мельницы и ( отношение скорости вращения барабана мельницы n к nкр ), а также типа профиля футеровочных плит. При обычно используемых в рудоразмольных мельницах частотах вращения барабана ( = 65-80%) и степенях заполнения его шарами > 30% реализуется трехфазный цикл движения шаров внешнего слоя загрузки [13] (рисунок 1.5, а): I - подъем по круговой траектории CDА; II - движение по параболической траектории АВ; III - откатка на «пяте» ВС.

Рисунок 1.5 – Движение шаровой загрузки (а) и эпюра (б) заполнения мелющими телами барабана мельницы при смешанном трехфазном цикле движения шаров Важно отметить, что в мельницах с фасонной футеровкой любого профиля скольжение внешнего слоя шаровой загрузки на большей части дуги CDА подъема отсутствует [17].

Футеровки, составленные из плит с большими углами подъема рабочих поверхностей, поднимают загрузку на большую высоту и позволяют ей накопить потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию измельчения.

Таким образом, зона пяты является зоной наиболее активного измельчения при смешанном режиме, а подвижность слоев шаровой загрузки в этой зоне в известной мере зависит от профиля футеровочных плит. На рисунке 1.5, б представлена эпюра заполнения мелющими телами барабана мельницы при смешанном режиме. Относительное проскальзывание между внутренними слоями шаровой загрузки обусловливает образование каскадной зоны. Шары этих слоев при этом движутся вокруг неподвижной точки O1 [17].

Для расчта и определения траекторий движений шаров различных слов загрузки обычно используют [2, 15] параметр K, зависящий от относительной скорости вращения мельницы и коэффициента заполнения барабана мельницы шарами, при превышении предельных значений которого (кривая AB на рисунке 1.6 [15]) начинает реализовываться чисто водопадный режим.

Рисунок 1.6 – Предельные значения параметра K для различных относительных скоростей вращения и коэффициентов заполнения барабана мельницы В областях ниже кривой AB реализуются смешанные режимы, т.е. часть шаровой загрузки движется в каскадном режиме, а часть в водопадном (рисунок 1.5).

футеровочные плиты или, как их еще называют, броню. По мере изнашивания плиты подлежат замене, для чего мельницу останавливают на ремонт.

Футеровочные плиты различаются в зависимости от материала, профиля и метода монтажа. Они должны легко устанавливаться и заменяться. Обычно плиты для шаровых мельниц, в которых используются шары диаметром более 80 мм, изготовляют из марганцовистой стали 110Г13Л (стали Гадфильда) [57, 58, 59], гораздо реже из резины [1, 12, 18, 19, 20, 21] или керамики. Толщина футеровочных плит колеблется от 50 мм для малых мельниц и до 130-160 мм для больших.

Заметное влияние на работу мельницы оказывает форма футеровочной плиты [12, 15, 17].

Для грубого измельчения (крупность исходного продукта 10-30 мм, измельченного 1-5 мм) применяют футеровки, имеющие ребра (поз. 5, 6, 9, 12- рисунок 1.7). Для тонкого (крупность исходного продукта 1-5 мм, измельченного 0,074-1 мм) - используют гладкие (поз. 10, 11) или волнистые (поз. 1- 4, 7, 8) конструкции футеровок.

Рисунок 1.7 – Типы футеровок цилиндрической части барабана мельниц 1-15 – стальные футеровки; 16 – резиновая футеровка с лифтером; 17-18 – футеровка мельниц самоизмельчения; 4 и 15 – с безболтовым креплением; остальные – с болтовым Как показывает практика [1, 17], резиновые футеровки (вида 16 рисунка 1.7) рационально применять в шаровых мельницах в основном для тонкого измельчения, в которых используют шары диаметром менее 80 мм. В этом случае применение резиновой футеровки снижает эксплуатационные расходы. В случае использования шаров диаметром 80 и 100 мм (стадия грубого измельчения), применять металлическую футеровку становится более рационально ОАО «Апатит».

Рисунок 1.8 – Расходы на замену изнашиваемых стальной (1) и резиновой (2) футеровок шаровых мельниц в зависимости от диаметра используемых шаров [1] 1.3 Влияние наклепа на износостойкость металлических материалов при В соответствии с [12, 60] в зависимости от режима работы мельницы, соотношения твердости материала футеровки и породы, вида футеровки можно выделить три основных вида изнашивания брони:

- непосредственно абразивный - при интенсивном движении породы относительно барабана, когда твердость зерен породы превышает твердость материала футеровки и зерна оказывают режущее действие на металл.

Проявляется у гладких и волнистых футеровок при работе мельницы в каскадном режиме на твердых породах, например, железной руде с твердостью ~1000 НV [60];

- ударно-абразивный – при измельчении породы более твердой, чем материал футеровки, но при работе мельницы в водопадном или каскадноводопадном режиме без заметного проскальзывания измельчаемой породы, когда зерна породы под действием падающих шаров пластически деформируют металл, не оказывая режущего действия;

- усталостный - при работе мельницы, как в водопадном, так и каскадном режимах на сравнительно мягких породах, например, известняке с твердостью 135 НV. При вдавливании зерен этих пород в футеровку они не способны подвергнуть ее материал пластической деформации, но оказывая многократную упругую деформацию (вместе с шаровой загрузкой), приводят к усталостному разрушению поверхностного слоя футеровки.

Ниже анализируются обнаруженные в литературе и полученные с участием автора сведения о возможном влиянии предварительного наклепа на износостойкость стали 110Г13Л и других металлических конструкционных материалов в случае того или иного вида изнашивания.

При трении твердого абразива о более мягкий металл происходит резание последнего твердыми частицами абразива. В процессе резания на поверхности металла образуются борозды, направленные в сторону направления движения абразивных частиц (рисунок 1.9 [61]), что и является характерным для абразивного изнашивания.

Рисунок 1.9 – Общий вид и отдельные точки верхней (а) и нижней (б) поверхностей зуба Важным является то обстоятельство, что, наряду с резанием, материал дна и наплывов борозд подвергается наклепу, интенсивность которого превышает деформировании образца [8]. Об этом, в частности, свидетельствуют результаты [34] замера микротвердости образцов из стали 110Г13Л, подвергнутых абразивному изнашиванию: величина НV на дне бороздок (до 900) превышает предельную твердость материала, достигаемую в результате наклепа (584 [62], 654 [63], 781НV [7]). Поэтому осуществление предварительного наклепа деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания по твердой породе, не может способствовать повышению износостойкости их материала. Такой вывод подтверждается результатами различных эрозионных испытаний, например [7] (таблица 1.1), в том числе и проведенных с участием автора (рисунок 1.10 [60]).

Таблица 1.1 – Результаты испытаний стали 110Г13Л на абразивное изнашивание образцов, подвергнутых различной степени пластической деформации сжатием Степень обжатия, % Твердость HV, кгc/мм2 Относительная износостойкость, Рисунок 1.10 – Временная зависимость потери относительной массы стали Гадфильда при трении исходного (1) и наклепанного (2) образца о железную руду Как можно рассчитать, исходя из угла наклона прямых рисунка для установившейся стадии процесса, скорости эрозионного разрушения стали ( 6,7 0,4 10 4 к г м 2 с ) образцов весьма близки.

Отсюда можно заключить, что при работе металлической футеровки в условиях абразивного изнашивания предварительный наклеп материала футеровки не приведет к снижению скорости его эрозионного разрушения.

Что касается возможного влияния наклепа на скорость разрушения металлической футеровки в случае наличия других видов ее изнашивания в мельнице, по этому поводу можно отметить следующее.

Из опыта многолетней практики известно [31, 32, 64], что поверхностное упрочнение (наклеп) является эффективным средством повышения усталостной прочности деталей, а в определенных условиях, и их износостойкости.

Усталость представляет собой процесс постепенного накопления повреждений в металле под действием переменных напряжений, приводящих к образованию и развитию усталостных трещин. Из-за различной ориентировки зерен и блоков, макро- и микродефектов напряжения в металле распределяются неравномерно. При расчетной нагрузке ниже временного сопротивления в отдельных перенапряженных локальных объемах происходит пластическая деформация и, как следствие ее предельного развития, возникают микротрещины.

Микротрещины постепенно сливаются, образуя макротрещину, с течением времени распространяющуюся на все сечение.

Различают три стадии усталостного разрушения: зарождение усталостной трещины на поверхности образца, ее медленный рост до критического размера и быстрый долом оставшегося сечения образца или детали. После зарождения трещины каждый последующий цикл нагружения приводит к ее постепенному подрастанию. Направление роста усталостной трещины зависит от характера нагружения. При циклической нагрузке растяжение – сжатие трещина развивается под прямым углом к направлению приложенного напряжения, а при кручении трещина развивается в плоскости под углом 45° к направлению напряжения [65].

напряжений и числом циклов до разрушения N имеет для металлических материалов три характерных участка (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 – Зависимость действующих напряжений от числа циклов до разрушения:

I — квазистатическое разрушение; II – малоцикловое усталостное разрушение; III – Первый участок называют участком квазистатического разрушения, так как в этой области разрушение мало отличается от разрушения при однократном приложении нагрузки. Второй участок характеризует малоцикловую усталость, при которой разрушение сопровождается пластической деформацией. На третьем участке имеет место многоцикловое усталостное разрушение, проходящее при почти полном отсутствии пластической деформации.

Хотя деление на мало- и многоцикловую усталость носит условный характер, принято считать, что при малоцикловой усталости полное разрушение происходит в упругопластической области до 5·104 циклов, а при многоцикловой от 5·104 циклов и более.

Для кривых усталости, имеющих горизонтальный участок, определяют предел выносливости – наибольшее напряжение цикла, которое выдерживает металл без разрушения. Кроме того, в пределах спадающего участка кривой может быть определен предел ограниченной выносливости. Для сталей предел ограниченной выносливости обычно определяют на базе N = 107, для цветных металлов N = 108 с обозначением -1 для симметричного цикла нагружений и R для несимметричного цикла. Значения -1 (R) углеродистых сталей обычно составляют ~ 0,6B.

Другой характеристикой выносливости металла является усталостная долговечность, определяемая числом циклов нагружения образцов перед разрушением при заданном напряжении.

Поскольку усталостные трещины зарождаются почти всегда на поверхности, вероятность их зарождения зависит от качества поверхности детали и свойств поверхностного слоя. Чем выше чистота обработки и твердость поверхностного слоя, тем меньше опасность усталостного разрушения. По этой причине наклеп поверхности детали препятствует зарождению на ней усталостных трещин и, как следствие, повышает сопротивление как к много, так и к малоцикловой усталости [32].

Так, например, наклеп, возникающий при обкатке роликами образцов материала турбинных лопаток стали ЭИ-437Б, повышает их предел выносливости с 350 до 400 МПа, при этом число циклов до разрушения, например при = 430 МПа, возрастает в 5 раз (рисунок 1.12) [66].

Рисунок 1.12 – Кривые усталости обкатанных роликами (1) и шлифованных (2) образцов Ещ большая разница в значениях предела выносливости (430 по сравнению с 260 МПа) наблюдается при испытании этой же стали при наличии на образцах концентраторов напряжений (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 – Кривые усталости обкатанных роликами (1) и точеных (2) образцов стали Такая же картина наблюдается и при испытаниях коленчатых валов [67]:

ненаклепанными возрастает с 35 до 80 МПа (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14 – Кривые усталости коленчатых валов с галтелями, упрочненными Одной из разновидностей усталостного разрушения является контактная выкрашивания. Этот вид изнашивания деталей машин, как правило, наблюдается при «металлическом трении», т.е. при трении двух металлических элементов без присутствия абразива, хотя может иметь место и при других условиях взаимодействия трущихся пар, например при многократном соударении двух тел.

Причиной образования поверхностных повреждений является пульсационное действие контактных напряжений, возникающих в результате переменного давления на трущиеся поверхности [31].

питтингов (pit (англ.) - ямка), наиболее наглядно образующихся на поверхности тяжелонагруженных зубчатых колес (рисунок 1.15), а также на беговых дорожках подшипников качения.

Рисунок 1.15 – Питтинги на поверхности зубчатого колеса В основе контактной усталости наряду со специфическими явлениями, разновидностей усталостных явлений закономерности.

Нормальные напряжения, возникающие в месте контакта детали с другим телом, имеют максимальное значение на поверхности и уменьшаются вглубь детали. Касательные напряжения достигают максимального значения на контактирующих поверхностях, значительно увеличивают величину касательных напряжений, которые являются основной причиной зарождения усталостных трещин. Развитие усталостных трещин совпадает с направлением действия касательных напряжений.

зарождением усталостной трещины на поверхности и постепенным развитием ее вглубь детали. Очагом микротрещины чаще всего являются неметаллические включения или другие дефекты микроструктуры, проявляющиеся по мере действия переменных контактных напряжений, которые обычно не превышают предела текучести. Зарождение трещины может происходить и на «здоровых»

участках микроструктуры или в зонах ликвации, так как в отдельных субмикрообъемах происходит постепенное «расшатывание» и разупрочнение слабых (неблагоприятно ориентированных) зерен с последующим образованием в них микротрещин. Развитие трещины в дальнейшем происходит так же, как и обычном усталостном разрушении.

Контактная выносливость характеризуется пределом усталостного приводящего к питтингованию при заданном числе циклов.

Особенностью явлений контактной усталости является начальное и выкрашивания, которое не прекращается с момента возникновения, начальное выкрашивание наблюдается только в первый период работы контактирующих деталей, а образовавшиеся питтинги в процессе работы заплывают металлом.

Самозалечивание питтингов происходит вследствие повышения предела усталостного выкрашивания в результате наклепа и снижения величины контактного давления вследствие увеличения площади контакта по мере выглаживания трущихся поверхностей [31].

Максимально допустимые удельные давления на контактной площадке прямо пропорциональны твердости поверхности и для зубчатых зацеплений могут быть выражены приближенной эмпирической зависимостью [31] Для роликов при фрикционном качении величина предела усталостного выкрашивания может быть ориентировочно принята на 20-25% выше предела усталостного выкрашивания того же материала в условиях работы зубьев зубчатых зацеплений [31].

Одним из путей снижения скорости изнашивания деталей машин в результате усталостного выкрашивания является их предварительное поверхностное механическое упрочнение (наклеп). Так, например, в условиях металлического трения (качения ролика по чугунному вкладышу) наклеп образцов стали 40, возникающий в результате их обкатки, приводит к 2-х кратному снижению скорости изнашивания материала (рисунок 1.16 [64]).

Рисунок 1.16 – Зависимость величины износа от времени изнашивания (давление при изнашивании 20 кгс/см2 ) стали 40 для ненаклепанных (кривая 1) и наклепанных (давление при Так же сообщается [32], что износостойкость материалов при трении скольжения в результате упрочнения гидроабразивной обработкой возрастает на 25 При использовании поверхностного упрочнения толщина упрочненного слоя должна быть больше глубины распространения максимальных касательных напряжений, а материал основы должен обладать достаточной твердостью, предупреждающей продавливание упрочненного слоя под действием контактных растрескивания упрочненного слоя [31].

Ударно-абразивное изнашивание имеет место при ударе по металлической динамического внедрения этих частиц. Качественным признаком ударноабразивного изнашивания является специфическая поверхность, представляющая собой сочетание лунок, разделенных перемычками (рисунок 1.17) [33]. На направленной шероховатости в виде рисок, свойственной шероховатости при относительном перемещении твердых частиц вдоль этой поверхности.

Рисунок 1.17 – Макрорельеф поверхности при ударно-абразивном изнашивании Условия появления ударно-абразивного изнашивания весьма разнообразны [68]. Этот вид изнашивания развивается на плоских цилиндрических и сферических поверхностях контакта, совершающих удар по абразивным или иным твердым частицам. Кроме того, прямое динамическое внедрение твердых частиц в поверхность контакта возможно при качении цилиндра и шара по плоской цилиндрической и сферической поверхностям. Твердые частицы, вызывающие при ударе по ним ударно-абразивное изнашивание, могут быть различного происхождения. Обычно это минеральные абразивные частицы, более твердые, чем поверхность детали, свободно расположенные в зоне контакта.

В механизме ударно-абразивного изнашивания проявляется малоцикловая усталость микрообъемов металла, вызванная повторным приложением динамической нагрузки при упругом и упругопластическом контактах. В основе механизма этого вида изнашивания лежит прямое динамическое внедрение в металл твердой частицы и связанная с ним деформация, завершающаяся разрушением микрообъемов металла и образованием частиц изнашивания.

Твердая частица, внедряясь в поверхность изнашивания, стремится сдвинуть металл перемычек путем повторного деформирования или хрупкого выкрашивания в зависимости от его твердости [33].

В литературе не обнаружено прямых сведений о влиянии наклепа на износостойкость материалов при ударно-абразивном изнашивании, но, с учетом того, что при образовании лунок металл подвергается только пластической деформации без разрушения, когда критерием износостойкости является твердость металла [33], можно было предположить, что предварительный наклеп должен повышать стойкость материала к ударно-абразивному воздействию.

Такой вывод, возможно, подтверждают данные [33] (рисунок 1.18) о зависимости ударно-абразивной стойкости стали 110Г13Л от величины ее предела прочности (в работе не сообщается за счет чего было получено изменение В стали). Если предположить, что в экспериментах авторов [33] величина В изменялась в результате предварительной пластической деформации исходных образцов с различной интенсивностью, эти данные могут свидетельствовать о благоприятном воздействии наклепа на ударно-абразивную стойкость стали.

Рисунок 1.18 – Влияние предела прочности B аустенитной стали 110Г13Л на е При ударном воздействии на сталь породы, имеющей твердость зерен меньше твердости металла, изнашивание происходит в результате многократной упругой деформации поверхностных слоев металла и носит усталостный металлических материалов.

Из сказанного выше можно было предположить, что в условиях, когда изнашивание футеровок при работе шаровых мельниц носит ударно-абразивный характер, вне зависимости от твердости породы предварительное поверхностное упрочнение футеровки должно положительно сказаться на ее износостойкости.

1.4 Явления, происходящие при поверхностном механическом упрочнении Все виды упрочняющей поверхностной обработки можно разделить на механические - за счет поверхностного пластического деформирования (ППД) и осуществляемые другими методами [31, 32].

Поверхностный слой при обработке деталей ППД формируется в результате сложных взаимосвязанных явлений, происходящих в очаге деформирования и прилегающих к нему зонах: многократных упругих и пластических деформаций, изменения прочностных и пластических свойств деформируемого металла, трения и тепловых процессов, изменения микро- и макроструктуры, микрогеометрии самой поверхности и др.

Основные параметры ППД: величина упругой и пластической деформации в очаге деформирования, площадь контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью, сила воздействия на инструмент, напряжения, возникающие под действием этой силы, и кратность приложения силы.

Как при статическом, так и при ударном воздействии на обрабатываемой поверхности в первоначальный момент образуется отпечаток от инструмента, который затем превращается в примыкающие друг к другу следы или в серию отпечатков. При нагружении твердого шара статической или ударной силой Р (рисунок 1.19, а) он вдавливается в обрабатываемый материал: по мере увеличения силы Р вначале происходит упругая деформация поверхности, а затем пластическая (линия ОАВ, рисунок 1.19, б). Вследствие возникших пластических деформаций обратный процесс идет по линии ВС. Остаточная пластическая деформация выражается в размере отпечатка d, соответствующего ОС.

Рисунок 1.19 – Течение металла при вдавливании сферического индентера:

а - отпечаток; б - зависимость упругой и пластической деформаций от напряжения равномерно и как бы копирует с некоторым искажением поверхность шара (рисунок 1.20).

Рисунок 1.20 – Зона распространения пластического деформирования по искажению пропорциональна глубине отпечатка h1: т. е. h = mh1. Для различных условий обработки коэффициент m = 2... 20 [32].

Зависимость между диаметром отпечатка d и нагрузкой Р на шар при его внедрении в упругой и пластической областях описывается уравнениями Герца и Мейера, соответственно:

где D - диаметр шара; E, E1 — модули упругости шара и обрабатываемого материала;, 1 — коэффициенты Пуассона шара и материала; а, n - константы пластичности.

Эти формулы справедливы для условий деформирования без учета трения, когда контактирующие тела изотропны, подчиняются закону Гука, площадь контакта мала и нагрузки приложены перпендикулярно к обрабатываемой поверхности. Процессы ППД протекают в более сложных условиях, поэтому указанные формулы в данном виде имеют ограниченное применение, однако они показывают основные силовые зависимости при ППД.

Степень пластического деформирования при вдавливании сферического индентора обычно выражают [32] в виде = d/D, где d - диаметр отпечатка (лунки); D - диаметр вдавливаемой сферы.

Для различных методов ППД и различных условий обработки для конструкционных сталей обычно = 0,3...0,7.

Структурные составляющие имеют различную способность к упрочнению.

Для структуры мартенсита глубина наклепанной зоны больше, чем при тех же условиях для других структур. Структуры сорбита имеют наименьшую глубину наклепанного слоя (рисунок 1.21).

Рисунок 1.21 – Зависимость глубины наклепанной зоны h от глубины отпечатка hi для углеродистых сталей с различными структурами: а — железо Армко; б — сталь 35; в — сталь Степень наклепа различных структур, оцененная по относительному приращению твердости 100 и полученная при одних и тех же условиях, показана на рисунок 1.22. Сорбит имеет не только минимальную глубину, но и минимальную степень наклепа.

Рисунок 1.22 – Степень максимального наклепа для структур металла различной твердости Глубина наклепа h связана с силой деформирования Р соотношением h P 2 t, где Т - предел текучести материала [32].

Для конструкционных сталей с погрешностью не более ±10 % справедливо соотношение Т = НВ/3, поэтому h 3P HB, h 1,5d (рисунок 1.23).

Рисунок 1.23 – Характер распространения наклепанной зоны под поверхностью Многократное приложение одной и той же статической нагрузки при вдавливании шара в одно и тоже место не приводит к заметному увеличению размеров пластического отпечатка. В отличие от статического, при ударном вдавливании шара с увеличением числа ударов до 15 - 20 размер отпечатка для различных условий обработки увеличивается в 1,25 - 1,55 раза (рисунок 1.24). Это увеличение не зависит от диаметра шара и убывает с увеличением твердости материала в соответствии с формулой [32, 69] Рисунок 1.24 – Изменение диаметра отпечатка при увеличении числа ударов: а – Ст Глубина наклепанной зоны, полученной при ударном вдавливании шара, практически равна глубине наклепанной зоны, полученной при статическом однократном вдавливании шара, при условии равенства диаметров отпечатков.

Поэтому зависимости параметров от глубины наклепанного слоя для условий статического вдавливания могут быть применимы для ударного нагружения [32].

деформирования. Энергия удара создается различным образом: путем придания определенных параметров струе дроби или струе стальных шариков с помощью сжатого воздуха, давлением жидкости, посредством использования центробежных сил, использованием вибрационных перемещений рабочей среды, путем использования пневматических и пружинных устройств для сообщения деформирующему инструменту (бойку) ударного нагружения.

Боек, помимо полезной работы деформирования, затрачивает энергию на упругий отскок и на преодоление сил трения. Поэтому потенциальная энергия бойка при обработке конструкционных сталей должна быть на 15 - 20% больше полезной работы деформирования. Величина энергии упругого отскока бойка ЕОТ зависит от массы, жесткости обрабатываемой детали и характеристик ее материала, она может составлять 25 - 30% и более. Зная силу сжатия пружины Рср и ход бойка X, можно с достаточной точностью определить потенциальную энергию бойка Еп и энергию удара Еу :

В зависимости от диаметра вдавливаемого бойка (шара) и твердости обрабатываемого материала оптимальное значение энергии удара составляет 5 – 80 Дж, в том числе 15 – 50 Дж для конструкционных сталей (рисунок 1.25).

Рисунок 1.25 – Зависимость энергии однократного ударного вдавливания Еу сферического шара от степени деформирования для шаров различных диаметров Ударное вдавливание по сравнению со статическим в зависимости от твердости обрабатываемого материала требует в 1,7 - 2,8 раза больше энергии (рисунок 1.26).

Рисунок 1.26 – Соотношение энергий вдавливания при ударном (Еу ) и статическим (Ест) Одна из причин этого заключается в том, что чем больше скорость нагружения, тем меньше время протекания пластического деформирования, и, следовательно, выше напряжение, при котором происходит переход от упругого деформирования к пластическому. В результате зависимости напряжения материалов от степени деформации для динамического нагружения расположены на диаграммах выше таких зависимостей для статического нагружения (рисунок 1.27) с соответственным значительным повышением пределов текучести и прочности [32, 33].

Рисунок 1.27 – Зависимости напряжения от степени деформирования для малоуглеродистой Так увеличение скорости нагружения до 100 м/с приводит к повышению предела текучести железа «Армко» - в 3,4 раза, стали 45 - в 3 раза, стали Ст3 - в 2,8 раза. При этом с увеличением твердости материала интенсивность изменения прочностных характеристик уменьшается. Так, если в результате увеличения скорости нагружения предел прочности железа «Армко» способен увеличиться на 55%, то в случае углеродистых термообработанных сталей только на 43%.

Меньше всего указанные характеристики изменяются для высокопрочных сталей [32].

Характер изменения механических свойств металла поверхностного слоя при обработке методами ППД показан на рисунок 1.28. Так, при алмазном выглаживании коррозионно-стойкой стали и алюминиевого сплава на поверхностного слоя увеличивается до двух раз.

Рисунок 1.28 – Характер изменения механических свойств металла поверхностного слоя от При обработке ППД в результате деформирования поверхностного слоя металла и работы трения выделяется теплота, расходуемая на нагрев обрабатываемой заготовки, инструмента и рабочих тел, а также окружающей среды. Теплота деформирования генерируется в очаге деформирования, теплота трения - непосредственно на поверхности контакта. Источник теплоты - местный, характеризуемый эффективной тепловой мощностью, т. е. количеством теплоты, образующимся в единицу времени, и распределением теплоты по объему. Теплота образуется в основном вследствие пластического деформирования, поэтому источник теплоты соответствует форме очага деформирования (рисунок 1.29), а сам процесс характеризуется мгновенным локальным нагревом и быстрым отводом теплоты внутрь заготовки. Время контактирования поверхности заготовки с источником теплоты зависит от скорости перемещения источника и его размеров в направлении перемещения. Наибольшее время контакта с источником теплоты имеют точки, лежащие на оси X (в случае перемещения источника по оси X). Для точек теплоты, расположенных в глубине (z > 0), время контакта с источником меньше. Наконец, для точки, находящейся на оси Z на границе источника, контакт будет мгновенным.

Рисунок 1.29 – Схема действия мгновенного источника теплоты у поверхности тела [29] Так как на размеры очага деформирования влияют многие параметры обработки, то время нагрева зависит не только от скорости, но и от давления и размеров инструмента.

При интенсивных режимах обработки локальные участки поверхностных слоев нагреваются до различной температуры: при обкатывании - до 300 - 400 °С, при выглаживании - до 600 - 700°С, при ударных методах - до 800 - 1000 °С [32].

Такой нагрев может вызывать термопластическое деформирование и другие явления, снижающие эффект упрочнения. Термопластическое деформирование приводит к резкому спаду остаточных сжимающих напряжений на поверхности, а в некоторых случаях - к превращению их в растягивающие. Могут образовываться также вторичные структуры, снижающие эксплуатационные свойства поверхности. Стыки структур являются концентраторами напряжений, что приводит к зарождению усталостных трещин. Необходимо устанавливать такие давления и скорости обработки конкретных материалов, которые не вызывают повышения температуры поверхности более допустимой.

Обработка ППД сопровождается сложными структурными и фазовыми превращениями, характерными для формирования поверхностного слоя. В первоначальный момент происходит дробление зерен металла на блоки (полигонизация) и образуется мозаичная структура. Далее вследствие усиления развития сдвигов по плоскостям скольжения образуются новые, значительно измельченные зерна. При этом кристаллиты теряют свою глобоидную форму, сплющиваются, вытягиваются в направлении деформирования. Резко изменяется соотношение их размеров, образуется упорядоченная ориентированная структура волокнистого характера с анизотропными механическими свойствами, когда пластичность вдоль волокон выше, чем в поперечном направлении.

Основной причиной упрочнения является лавиноподобное развитие дислокаций - дефектов кристаллической решетки металла, образующихся вблизи линий сдвигов, и последующее их скапливание перед различного рода препятствиями, образующимися в процессе деформирования (скрещение дислокаций, траектории движения которых пересекаются между собой под некоторым углом; полосы деформирования и т. д.) или существовавшими до него (межкристаллические граничные слои, скопление атомов примесей, элементы второй фазы и т. д.). Дробление на блоки объемов металла, заключенных между линиями скольжения, поворот этих блоков, искривление плоскостей скольжения и накопление на них продуктов разрушения кристаллической решетки способствуют увеличению неровностей по плоскостям скольжения, а, следовательно, и упрочнению [32].

При наклепе перенасыщенных твердых растворов частично происходит их распад, в результате которого выделяются мельчайшие частицы новых структурных образований. Последние, попав на плоскости скольжения, блокируют развитие сдвигов. При деформировании сталей с феррито-перлитной структурой распадается твердый раствор углерода в - железе, роль «шипов»

играют карбиды железа, выделяющиеся в виде очень мелких карбидных включений. Возможно и выпадение соединений азота - нитридов. Увеличение твердости при пластическом деформировании сталей со структурой мартенсита закалки объясняется частичным превращением остаточного аустенита в мартенсит [32].

Удельный объем структурных составляющих следующий (в порядке уменьшения): тетрагональный мартенсит, мартенсит с кубической решеткой, перлит (сорбит, троостит), аустенит. Если при обработке происходят структурные превращения, сопровождаемые увеличением удельного объема (например, переход аустенита в мартенсит), то образуются остаточные сжимающие напряжения, при обратном процессе - растягивающие напряжения. Увеличение концентрации точечных и линейных дефектов кристаллического строения и образование субмикроскопических (не опасных и не вредных) трещин также увеличивает удельный объем металла. Суммарное максимальное увеличение удельного объема в результате наклепа для сталей достигает 1,1%. Это обусловливает образование в наклепанной зоне остаточных напряжений сжатия, которые в зависимости от материала и метода обработки достигают 1200МПа; глубина залегания напряжений обычно на 10-50% превышает глубину слоя с повышенной твердостью [32].

Об уменьшении плотности материала в результате его пластической деформации сообщается и в работах [70, 71] (рисунок 1.30).

Рисунок 1.30 – Изменение плотности в зависимости от степени пластической деформации образца, подвергнутого растяжению [70] Это явление авторы [70, 71] объясняют тем, что при большой пластической деформации между зернами и внутри них образуются поры (так называемая деструкция), создаются новые дислокации, вакансии, появляются упругие искажения и дробятся структурные составляющие.

При завышенных силовых параметрах обработки может происходить перенаклеп, в результате которого в поверхностном слое появляются опасные микротрещины, намечается образование частичек отслаивающегося металла, поверхностные зерна сплющиваются так, что становятся почти неразличимыми.

Резко увеличивается шероховатость поверхности. Наклеп металла можно частично или полностью снять путем отжига. Перенаклеп - необратимый процесс, при котором нагрев не восстанавливает исходную структуру металла и его механические свойства [32].

1.5 Основные виды упрочняющей поверхностной обработки осуществляемые поверхностным пластическим деформированием (ППД) металла можно подразделить на статические и ударные [31, 32].

При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с определенной постоянной силой Р с плавным перемещением очагов (очага) воздействия, которые последовательно проходят всю поверхность, подлежащую обработке. При этом инерционные силы не оказывают существенного влияния на ППД. К таким методам относятся различные виды выглаживания (рисунок 1.31, а) и накатывания (рисунок 1.31, б), а также метод однократного обжатия обрабатываемой поверхности (рисунок 1.31, в) без перемещения очагов воздействия.

Рисунок 1.31 – Характер контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой При ударных методах (рисунок 1.31, г) инструмент, рабочие тела или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или на ее часть, при этом сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля или от некоторого значения Р1 до максимума, а в случае локального ударного воздействия очаг деформирования может (как и в статических методах) последовательно и равномерно проходить всю обрабатываемую поверхность.

Инструментами при ППД могут быть ролик, шар с принудительной осью вращения или без нее, гладилка, дорн с нережущими кольцами, боек-чекан и т. д.

В качестве рабочих тел при ППД могут быть использованы дробь, шарики из стали, стекла, пластмассы и др. Рабочей средой при ППД могут быть жидкость, газ и их суспензии с частицами абразива.

Основные, наиболее распространенные методы ППД:

Дробеструйный наклеп [32] - относится к ударным способам ППД. В основе процесса лежит пластическое деформирование поверхностного слоя под действием кинетической энергии потока дроби. В результате наклепа повышается твердость поверхностных слоев деталей, которая возрастает с ростом кинетической энергии удара дроби и продолжительности обработки. Толщина поверхностного слоя с максимальной твердостью в зависимости от режима обработки может достигать 0,5 мм.

В промышленности дробеструйная обработка выполняется на специальных пневматических и механических установках. В пневматических дробеструйных установках необходимая скорость дроби сообщается струей сжатого воздуха (рисунок 1.32, а). В механических дробеметах энергия дроби сообщается быстровращающимися лопатками ротора (рисунок 1.32, б) или путем свободного падения дроби с определенной высоты.

Рисунок 1.32– Схемы работы пневматической (а) и механической (б) дробеструйных Сообщается [31], что в результате дробеструйной обработки аустенитной нержавеющей стали Х18Н9Т ее твердость способна повысится с 230 HV до 460 HV, т.е. в 2 раза. Ещ в большей степени повышение твердости достигается в сталях, аустенит в составе которых при наклепе способен распадаться с образованием мартенситных структур. В результате распада увеличивается объем, повышается твердость и растут остаточные сжимающие напряжения. Наиболее типичным представителем таких сталей является сталь 110Г13Л, для которой, например, при степени деформация = 69% твердость возрастает с 180 до 781HV [7].

Наклеп центробежными упрочнителями [32] также относится к ударным способам ППД. Принцип их работы основан на использовании кинетической энергии стальных шариков или роликов, расположенных на периферии вращающегося диска. Схема центробежно-шарикового наклепа приведена на рисунке 1.33. Шарики могут свободно перемещаться в гнездах приспособления.

При вращении диска шарики отбрасываются центробежной силой в крайнее положение, где, встречая обрабатываемую поверхность, наносят по ней удар и отталкиваются вглубь гнезда. Постоянство скорости вращения и продольной подачи обеспечивает равномерный наклеп.

Глубина наклепанного слоя металлов невысокой твердости достигает 1,5 мм и уменьшается с увеличением исходной твердости материала. Величина остаточных напряжений в поверхностных слоях при наклепе центробежными упрочнителями достигает 784,8 МПа, повышение твердости - до 50%, размер заготовки увеличивается на 3-5 мкм, шероховатость поверхности увеличивается на 1-2 класса, точность формы не нарушается.

Глубина и степень наклепа, а также величина остаточных напряжений возрастают с увеличением скорости взаимного перемещения упрочнителя и заготовки, исходной шероховатости поверхности, диаметра шарика и величины выхода его из сепаратора. В качестве смазки применяют смесь индустриального масла и керосина. Центробежно-шариковый наклеп применяется для обработки наружных поверхностей лонжеронов лопастей вертолетов, колец, валов, внутренних поверхностей гильз, втулок и других деталей.

При упрочнении обкаткой [32] процесс осуществляется путем перемещения по обрабатываемой поверхности ролика или шарика под определенным давлением (рисунок 1.34). Обкатку применяют в тех случаях, когда необходимо значительно повысить усталостную прочность деталей с сохранением или повышением класса чистоты обрабатываемой поверхности. Существуют упрочняющие и упрочняюще-сглаживающие режимы обкатки. При упрочняющей обкатке, которую производят при высоких удельных давлениях, достигается напряжениями сжатия в упрочненном слое.

гидравлический привод. Могут быть однороликовыми (одношариковыми), двух-, инструментальных или легированных сталей с последующей термической Шероховатость поверхности роликов должна быть меньше той, которую требуется получить в результате обкатки. От правильного выбора режимов обкатки (давления, подачи, скорости, числа проходов) и геометрии ролика зависят окончательные результаты упрочнения и его технико-экономические показатели. В то же время режимы обработки устанавливаются в зависимости от свойств обрабатываемых материалов и назначения обкатки. При обкатке в двухроликовом приспособлении необходимые прочность и класс чистоты поверхности могут быть достигнуты обкаткой первым роликом по упрочняющему режиму, вторым - по сглаживающему Влияние давления при обкатке роликами с различными радиусами рабочего профиля на результаты упрочнения показано на рисунке 1.35.

Рисунок 1.35 – Зависимость величины остаточных напряжений ост, твердости НВ, толщины наклепанного слоя h и глубины залегания остаточных напряжений сжатия h от давления при накатывании роликом диаметром 100 мм с радиусами рабочего профиля: 5 мм (кривые 1, 3, 5, 7) С увеличением давления при обкатке интенсивность и глубина наклепанного слоя увеличиваются; остаточные напряжения возрастают до некоторого предела, после чего наступает спад, что является следствием чрезмерной глубины наклепанного слоя.

Более высокие значения остаточных напряжений при меньших давлениях обкатки достигаются применением роликов с меньшим радиусом кривизны рабочего профиля (кривая 1 рисунка 1.35). При упрочняющей обработке режим обкатки считается правильным, если повышение твердости составляет 24 - 40% и глубина наклепа составляет 0,02 - 0,04 диаметра детали; при сглаживающих режимах глубина наклепа рекомендуется не более 0,01 диаметра детали. Хотя в основе возникновения остаточных напряжений и повышения твердости наклепанного металла лежит один и тот же процесс пластической деформации, прямой зависимости между величинами ост и НВ не наблюдается. Зависимости, представленные на рисунке 1.34, позволяют сделать вывод [31], что повышение твердости только на определенном этапе сопровождается повышением остаточных напряжений.

Дальнейший рост твердости сопровождается снижением остаточных напряжений.

Глубина сжатого слоя в 1,5 - 2 раза превышает глубину наклепанного слоя и также не имеет прямой связи с величиной остаточных напряжений. Величина остаточных напряжений при одних и тех же режимах обкатки снижается с уменьшением диаметра детали и тем значительнее, чем больше давление при обкатке; твердость упрочненного слоя повышается с уменьшением диаметра детали.

Влияние режимов обкатки шариками и роликами на результаты обработки приведены в таблице 1.2 [31].

Таблица 1.2 – Влияние параметров режима обкатывания на свойства обрабатываемых поверхностей деталей Изменение обкатывания Увеличение ролика, Уменьшается Уменьшается максимума, затем Увеличение Продолжение таблицы 1. Увеличение исходной Упрочненные обкаткой поверхности иногда подвергают механической обработке. При этом, при частичном снятии (>25%) с поверхности упрочненной детали слоя металла происходит значительное снижение эффекта упрочнения [31].

Механическую обработку после обкатки не следует производить также потому, что в результате обкатки достигается не только упрочнение, но и уменьшение шероховатости поверхности.

Обкатка находит широкое применение в различных отраслях машиностроения.

Ее применение позволяет ликвидировать появление усталостных трещин в шейках осей подвижного состава железных дорог, в 3–4 раза повысить срок службы штоков штамповочных молотов, на 40-50% повысить предел выносливости зубьев зубчатых колес тепловоза, на 50-100% повысить усталостную прочность коленчатых валов из стали и высокопрочного чугуна.

Упрочнение вибрирующим роликом [32]. Устройство для обкатки деталей вибрирующим роликом представляет собой сочетание однороликового накатного приспособления и чеканочного устройства (рисунок 1.36). Ролик постоянно прижат к обрабатываемой поверхности пружиной. По нему с определенной частотой наносят удары с помощью пневматического или механического устройства. Преимуществами таких приспособлений являются простота конструкций, малые габариты и большая глубина наклепанного слоя (до 20 мм).

Ролики специального профиля применяют для накатывания резьбы на валах диаметром до 60 мм. При правильном выборе режима такая обработка обеспечивает повышение предела выносливости при переменном изгибе более чем в 3 раза.

Упрочнение может производиться как путем обжатия впадин неполного профиля резьбы, так и выдавливанием полного профиля.

Упрочнение чеканкой [32] осуществляется путем ударного воздействия на обрабатываемую поверхность специальными бойками. Схема устройства для осуществления механической чеканки показана на рисунке 1.37. Наклеп пневматическими молотками применяют для чеканки крупногабаритных конструкций и в труднодоступных местах. Такой наклеп трудно контролируется изза неупорядоченного нанесения ударов. Более совершенной является станочная чеканка. Чеканочное приспособление закрепляют в суппорте токарного станка и наносят упорядоченные удары по детали, перемещаемой с постоянной скоростью. В результате ударного воздействия происходит наклеп: создаются высокие остаточные напряжения сжатия - до 981 МПа, на 30-50% возрастает твердость обработанной поверхности, глубина наклепа может достигать 35 мм. Шероховатость обработанных чеканкой поверхностей находится в пределах 2 - 4-го классов чистоты поверхности и может быть повышена при применении бойков с увеличенными радиусами кривизны рабочей поверхности или механической обработки на глубину не более 0,5 мм [31].

Применение чеканки для упрочнения ступенчатых, валов обеспечивает равнопрочность галтелей и гладких частей и в 1,5 раза повышает несущую способность валов. Чеканка галтелей крупных валов и швов металлоконструкций часто бывает эффективнее и экономически целесообразнее, чем другие виды поверхностного упрочнения. Рифление поверхностей чеканкой используют также для повышения усталостной прочности, сопротивления относительному перемещению и контактной коррозии поверхностей.

Гидроабразивная обработка [32] - находит применение для повышения эксплуатационных свойств деталей машин. Ее упрочняющее действие основано на создании оптимальной микрогеометрии поверхности и создании в тонких поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия. Отличительной чертой упрочняющего действия гидроабразивной обработки является снятие дефектного поверхностного слоя, образовавшегося в результате предшествующей обработки (микротрещины, направленные следы обработки, обезуглероженный слой).

Сущность процесса гидроабразивной обработки заключается в том, что струя жидкости, содержащая абразивный материал различной зернистости, при помощи сжатого воздуха со скоростью 50 - 70 м/с выбрасывается на обрабатываемую деталь.

Абразивные зерна, ударяясь об обрабатываемую поверхность, снимают верхний слой металла, сглаживают следы предшествующей обработки, одновременно пластически деформируя нижележащие тонкие поверхностные слои. После гидроабразивной обработки поверхность покрыта равномерно распределенными углублениями.

Рабочая смесь состоит из воды, абразива (электрокорунда), 0,5% нитрида натрия и 1,5% кальцинированной соды. Соотношение воды и абразива колеблется в пределах (2 - 5) : 1.

В результате гидроабразивной обработки достигается удаление дефектного поверхностного слоя на глубину до 0,1 мм, наклеп на глубину до 0,2 мм; величина остаточных напряжений сжатия достигает 1471,5 МПа; чистота поверхности 8 - 11-го классов. Предел выносливости деталей, имеющих концентраторы напряжений, в результате гидроабразивной обработки повышается более значительно (до 15%), чем в результате механического полирования деталей. Износостойкость при трении скольжения в результате гидроабразивной обработки возрастает на 25-30%.

Гидроабразивная обработка может быть рекомендована для обработки металлорежущего инструмента, рессор, зубчатых колес, пружин, для удаления с деталей мелких заусенцев, подготовки деталей под гальванические покрытия и декоративное полирование Трудность контроля величины снятого в процессе обработки поверхностного слоя и малая глубина наклепа являются недостатками этого метода, особенно в условиях массового производства.

Статические методы ППД, как правило, обеспечивают меньшую шероховатость поверхности с благоприятной формой микронеровностей; с помощью ударных методов можно достичь большой степени упрочнения, которая характеризуется степенью повышения микротвердости, значениями сжимающих остаточных напряжений и толщиной упрочненного слоя. Это относится к статическим и ударным методам, близким по удельной нагрузке и кратности ее приложения.

Необходимо учитывать, что обработка, основанная на пластическом деформировании тонкого поверхностного слоя, имеет по сравнению с обработкой точением, шлифованием, полированием, доводкой ряд преимуществ, в том числе:

- сохраняется целость волокон металла и образуется мелкозернистая структура-текстура в поверхностном слое;

- отсутствует шаржирование обрабатываемой поверхности частичками шлифовальных кругов, полировочных паст;

- отсутствуют термические дефекты;

- стабильны процессы обработки, обеспечивающие стабильное качество поверхности;

- можно достигать минимального параметра шероховатости поверхности (Ra = 0,1...0,05 мкм и менее) как на термически необработанных сталях, цветных сплавах, так и на высокопрочных материалах, сохраняя исходную форму заготовок;

- можно уменьшить шероховатость поверхности в несколько раз за один рабочий ход;

- создается благоприятная форма микронеровностей с большей долей опорной площади;

- можно образовывать регулярные микрорельефы с заданной площадью углублений для задержания смазочного материала;

- создаются благоприятные сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое;

- плавно и стабильно повышается микротвердость поверхности.

Указанные и другие преимущества методов ППД обеспечивают повышение износостойкости, сопротивления усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей на 20-50%, а в некоторых случаях - в 2-3 раза (при условии выбора в каждом конкретном случае наиболее рационального метода и назначения оптимальных режимов обработки).

Наряду с обеспечением высокого качества поверхности ППД во многих случаях позволяет механизировать ручной труд и повысить производительность на окончательных операциях.

Поверхностное упрочнение, кроме ППД, может быть достигнуто и другими методами: химико-термическим, закалкой токами высокой чистоты, плазменным, лазерной обработкой и др.

Химико-термическая обработка заключается в насыщении поверхности обрабатываемого изделия легирующими элементами. При введении в поверхностный слой хрома, кремния, алюминия и других элементов можно придать изделию устойчивость против коррозии, жаростойкость, кислотоупорность и другие свойства.

В промышленности получили широкое распространение следующие виды химико-термической обработки:

- цементация – насыщение углеродом;

- азотирование – насыщение азотом;

- цианирование – одновременное насыщение углеродом и азотом;

- диффузионная металлизация – насыщение различными элементами (кроме углерода и азота), например, хромом, бромом, алюминием и другими. Каждый из этих способов имеет свои особенности, преимущества и недостатки.

Метод закалки токами высокой частоты разработан советским ученым Вологдиным В.П. Метод основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев поверхностного слоя металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Глубина закаленного слоя - до 2 мм.

Обычно при закалке в качестве источника тока используются машинные генераторы с частотой 50...15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 106 Гц. Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Поэтому температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2...4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150...200 °С (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Преимущества метода:

большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;

высокие механические свойства;

отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;

снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;

возможность автоматизации процесса;

использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;

возможность проведения закалку отдельных участков детали.

Основной недостаток метода - высокая стоимость индукционных установок и индукторов, в связи, с чем метод целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.

При газопламенной закалке нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосино-кислородным пламенем с температурой 3000...3200 °С.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2...4 мм, твердость 50...56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или - наоборот.

Недостатки метода:

невысокая производительность;

сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

Поскольку все указанные выше способы поверхностного упрочнения можно осуществить только на фрагментах футеровки после извлечения их из мельницы, процесс которого является весьма трудоемкой операцией, при участии автора был разработан способ [35, 36, 37] поверхностного упрочнения футеровки, не требующий ее демонтажа, чему и посвящены последующие главы диссертации.

1. На примере мельницы МШЦ 5500х6500 – основного измельчительного оборудования предприятия ОАО «Апатит» рассмотрены конструкция шаровой мельницы, ее режимы работы, виды и материалы используемых футеровок.

2. Представлены сведения о возможных видах изнашивания футеровок, встречающихся при работе шаровых мельниц, и проанализировано влияние механического поверхностного упрочнения на износостойкость металлических материалов при том или ином виде изнашивания.

3. Рассмотрены основные способы поверхностного пластического деформирования металлических деталей и отмечено, что возникающее в результате поверхностное упрочнение (наклеп) является эффективным средством повышения усталостной прочности деталей, а, в определенных условиях, и их износостойкости.

4. Сделан вывод, что если воздействие измельчаемой породы на футеровку происходит в условиях трения, то есть носит абразивный характер, предварительный наклеп ее материала не будет способствовать уменьшению скорости изнашивания. В то же время, в случае ударно-абразивного характера воздействия породы предварительный наклеп материала футеровки способен повысить его износостойкость.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА РЕЖИМА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ

ФУТЕРОВКИ ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЫ

Поскольку, как было показано выше, благоприятное воздействие наклепа на износостойкость может проявиться только в случае, если изнашивание футеровок носит ударно-абразивный характер, в первую очередь представлялось необходимым проанализировать условия работы шаровых мельниц в ОАО «Апатит» с определением доминирующего вида изнашивания их футеровок.

Указанный анализ и дальнейшая разработка режима упрочняющей обработки проводились на примере шаровой мельницы МШЦ 5500х6500 основного вида производственного оборудования обогатительных фабрик ОАО «Апатит», эксплуатирующейся на фабрике АНОФ-3 при следующих значениях рабочих параметров:

- частота вращения барабана n = 13,95 мин-1;

- степень загрузки шарами = 42 %;

- диаметр измельчающих шаров Dш = 0,08 и 0,10 м;

- профиль поверхности футеровочных плит – волнообразный;

- толщина футеровочной плиты 160 мм, из которой 76 мм высота «волны»;

- материал футеровки сталь 110Г13Л;

- твердость футеровки в состоянии поставки по чертежу – 217НВ.

При определении доминирующего вида изнашивания футеровки в расчет принимались следующие обстоятельства, установленные по результатам анализа технической документации и визуального осмотра изношенных футеровочных плит:

- как можно заключить из величины - отношения используемой скорости вращения барабана мельницы n = 13,95 мин-1 к критической скорости вращения внешнего слоя шаров nкр (при внутреннем диаметре корпуса барабана 5,42 м, толщине футеровки 0,16 м, диаметре шара 0,1 м, диаметр окружности вращения внешнего слоя шаров Rвсш = 2,5 м, а значение nкр в соответствии с (1.1) 18,9 мин-1) при используемой величине шаровой загрузки ( = 42%) значение коэффициента K в соответствии с рисунком 1.6 может быть оценено ~ 0,45. Поскольку это значение находится ниже линии АВ рисунка, можно сделать вывод, что эксплуатируемые на фабриках ОАО «Апатит» мельницы МШЦ 5500х работают в каскадно-водопадном режиме, когда внешние слои шаровой загрузки движутся в водопадном режиме, а внутренние в каскадном. Движение шаровой загрузки при таком смешанном режиме происходит по траектории, указанной на рисунке 1.5, с падением внешнего слоя шаров на «пяту» из лежащих шаров при практическом отсутствии перемещения измельчаемого сырья относительно футеровки [1, 2, 13, 15, 17];

- рабочая поверхность броневых плит после эксплуатации испещрена кратерами размером 1-3 мм (рисунок 2.1, а) без следов царапания футеровки породой;

Рисунок 2.1 – Вид поверхности изношенной плиты футеровки шаровой мельницы с - по всему периметру изношенной футеровки в направлении поперечном оси вращения барабана обнаруживаются линии из параллельных кольцеобразных впадин глубиной несколько миллиметров (рисунок 2.1, б), на расстоянии друг от друга (0,075 – 0,085 м) близком к диаметру используемых при измельчении шаров (0,08 и 0,10 м).

Указанные обстоятельства позволили заключить, что в условиях работы шаровых мельниц на обогатительных фабриках ОАО «Апатит» не происходит заметного проскальзывания породы по поверхности футеровки и она подвергается не абразивному, а ударно-абразивному воздействию сырья, при котором, как полагает автор, наклеп должен благоприятно сказываться на скорости изнашивания футеровки.

Обнаруженную закономерность образования на поверхности футеровки параллельных друг другу кольцеобразных впадин можно объяснить следующим образом. Так как мельница МШЦ 5500х6500 в рабочем состоянии находится в горизонтальном положении, при ее работе в каскадно-водопадном режиме шары каждого внешнего слоя загрузки циркулируют по одинаковой траектории в параллельных друг другу плоскостях, не смещаясь вдоль оси барабана. Это приводит к тому, что все места ударов каждого внешнего слоя шаров находятся на своей круговой линии, отделенной от соседней линии расстоянием, близким к диаметру шара. По этим линиям футеровка изнашивается с большей интенсивностью, что приводит к образованию там кольцеобразных впадин. А то обстоятельство, что эти впадины имеют на всем своем протяжении практически одну и ту же глубину, может свидетельствовать о равномерном распределении мест удара шаров по длине линии падения.

Перечень предполагаемых необходимых действий и их последовательность при разработке способа поверхностного упрочнения футеровки представлен на рисунке 2.2.

Разработка способа поверхностного упрочнения Установление рабочих параме тров Установление вида износа ф уте ровки мельницы для осуще ствления наиболее эффективного наклепа Разработка экспериментального Определение размеров отпечатка на футеровке в результате многократного ударного воздействия Установление твердости, Экспериментальная оценка влияния достигаемой в результате наклепа на скорость ударнобомбардировки ф уте ровки шарами абразивного износа Рисунок 2.2 – Алгоритм необходимых действий по разработке способа поверхностного 2.2 Установление рабочих параметров мельницы для осуществления наиболее эффективного наклепа футеровки шарами Исходя из того, что для осуществления эффективного наклепа удар шарами должен наноситься по футеровке с максимально возможной энергией, для условий проведения упрочняющей обработки можно сформулировать следующие требования к условиям работы мельницы в режиме упрочняющей обработки:

- мельница должна работать в водопадном или каскадно-водопадном режиме, когда внешний слой шаров на заключительной стадии траектории падает по параболической кривой;

- удар шаром должен осуществляться непосредственно по футеровке, для чего мельница должна работать без породы или при ее минимальном содержании в барабане;

- для выполнения этого же требования с целью предотвращения появления «пяты» из лежащих шаров (зона BC рисунок 1.5) степень загрузки шарами в соответствии с [17] не должна превышать 30 %;

- шар должен иметь такую траекторию движения, чтобы его удар по футеровке был направлен нормально к ее поверхности.

Как показано в п. 2.1, первое требование выполняется в процессе эксплуатации мельницы.

Второе - реально осуществимо на производстве, так как, например, во время проведения профилактических ремонтов барабан мельниц всегда освобождается от породы.

Для выполнения третьего требования необходимо снизить степень загрузки шарами с рабочего уровня ( = 42 %) до = 30 %.

Расчет параметров работы мельницы, при которых выполняется четвертое последнее требование, представлен ниже.

В соответствии с [2, 13] работа мельницы в каскадно-водопадном режиме, когда шары внешнего слоя падают на футеровку перпендикулярно к е поверхности, выполняется при частоте вращения барабана что для наших условий (nкр = 18,9 мин-1) дает величину n = 14,2 мин-1, несколько Соответствующая ей линейная скорость движения vш внешнего слоя шаров на круговой траектории составляет ~ 3,7 м/с.

При данной скорости vш шар отрывается от корпуса барабана в точке, находящейся под углом = 55044’ к вертикальной оси сечения мельницы [2, 13] (рисунок 2.3) и движется дальше по параболической траектории, координата Н наиболее высокой точки которой, может быть рассчитана [2, 13] по формуле Рисунок 2.3 – Предлагаемая траектория движения шаров в мельнице для наиболее Соответственно, скорость движения v шара в момент удара о футеровку, рассчитанная из уравнения свободного падения шара, имеет величину Так как профиль, использующейся в мельнице МШЦ 5500х6500 футеровки, имеет волнистую траекторию для различных ее точек были рассчитаны нормальные составляющие vn скорости шара (рисунок 2.4), среднее значение из которых (vср = 8,1 м/с) использовали в расчетах.

Рисунок 2.4 – Схема взаимодействия шара (1) с поверхностью футеровки (2) при работе Таким образом, значения рабочих параметров мельницы МШЦ 5500х6500, при которых необходимо осуществлять упрочняющую обработку футеровки шарами, составляют:

- частота вращения барабана n = 14,2 мин-1;

- коэффициент загрузки шарами ~30% (при значительно меньших значениях возможно проскальзывание шаровой загрузки по футеровке).

2.3 Определение размеров отпечатка на футеровке от многократного удара Расчет проводили для плиты из стали Гадфильда с твердостью НВ0 = 280 НВ (среднее значение НВ изношенных футеровок после их эксплуатации на фабрике АНОФ-3 ОАО «Апатит», установленное автором), на которую падает по нормали шар диаметром Dш = 0,1 м из более твердого материала, например отбеленного чугуна, со скоростью v = 9,2 м/с.

Поскольку в литературе не обнаружено сведений о способах установления размеров отпечатка от падающего шара, расчет производили по способу [35 - 37], разработанному с участием автора.

Известны [72] формулы (2.5, 2.6), связывающие диаметр (d) и глубину (h1) сферической вмятины, образующейся на пластине в результате ударного воздействия шара диаметром – Dш, плотностью материала –, скоростью в момент удара - vср :

где пропорциональности между усилием Р, с которым по пластине наносится удар, и диаметром d получаемого отпечатка), не зависящая от величины энергии удара и диаметра шара.

В литературе не обнаружено сведений по динамической твердости стали Гадфильда и методах ее определения. Поэтому значение НД устанавливали расчетным путем, исходя из твердости этой стали при статическом вдавливании шарика.

В соответствии с законом Майера, справедливого при вдавливании, как для статических, так и для динамических испытаний [72, 73] где а0, n – постоянные Майера, характеризующие материал пластины.

Поскольку для динамических условий n = 2 [72] с учетом (2.7, 2.8) Значение а0 дин определяли по величине параметров а0, n стали Гадфильда в статических условиях.

По табличным данным [73] определяли диаметр d отпечатка от вдавливания шарика по методу Бринелля, соответствующего твердости 280 НВ (твердости материала изношенной футеровки). Он оказался равным 3,63 мм. Затем, исходя из условий проведения замеров твердости по этому методу (Р = 30 кН, D = 10 мм), определяли по формуле (2.8) для d = 3,63 мм значение постоянной а0 (при n = 2, для статических условий [72]), которая оказалась равной 2650 МПа.

Для перехода от статических к динамическим условиям воспользовались данными таблицы 2.1 из [73] о соотношении а0 дин и а0 для сталей, в соответствии с которыми значение а0 дин стали Гадфильда с твердостью 280 НВ было оценено в 4310 МПа.

Таблица 2.1 – Соотношение значений постоянных а0 и n для сталей с различной твердостью Соответственно, величина НД, рассчитанная по уравнению (2.6), оказалась равной 5490 МПа.

После подстановки величин Dш = 0,1 м, = 7880 кг/м3 и установленных значений v и НД в уравнения (2.5, 2.6) рассчитанные диаметр и глубина сферической вмятины на сегменте из стали Гадфильда, полученной от единичного удара мелющего шара, оказались равными d = 14 мм, h1 = 0,46 мм.

Поскольку шар в мельнице падает на вращающуюся вместе с барабаном футеровку (рисунок 2.3), необходимо было оценить влияние фактора движения футеровки на геометрическую форму отпечатка. Оценку проводили, рассчитывая время (t =1,14·10-4 с), в течение которого шар внедряется в поверхность футеровки на глубину h1 = 0,46 мм, и расстояние l, на которое сдвинется отпечаток за это время из-за движения футеровки с линейной скоростью 3,7 м/с.

Ввиду малости полученной величины l (0,42 мм или 3 % от величины d) пришли к выводу, что влиянием движения футеровки на форму отпечатка можно пренебречь.

Далее учитывали [32, 69], что при многократном ударном вдавливании шара с увеличением числа вдавливаний до 15 - 20 размер отпечатка d от единичного удара увеличивается в 1,25 - 1,55 раза в зависимости от твердости материала, в который вдавливается шар. По этой причине расчет диаметра отпечатка dм от многократного вдавливания производили по формуле из [29, 67] в соответствии с которой значение dм оказалось равным 17,6 мм.

Глубину наклепанного слоя h, с учетом радиусов мелющих шаров (Rш = 50 мм) и углублений между «волнами» футеровки (Rф = 250 мм), определяли по формуле (2.11) из [32, 69] В соответствии с расчетом величина m оказалась близкой к 3, а глубина наклепанного слоя h ~ 10 мм.

2.4 Установление вида зависимости, связывающей деформацию поверхностного слоя футеровки с твердостью, получаемую в результате В литературе не обнаружено зависимостей, связывающих твердость дна отпечатка, возникающего в результате вдавливания шарообразного предмета, с интенсивностью воздействия - степенью деформации материала. Имеющиеся в литературе экспериментальные данные о величине твердости НВ, приобретаемой металлическими материалами при упрочнении пластической деформацией, в деформирования металлов сжатием при прокатке. При этом способе деформирования за степень пластической деформации принимают [74] отношение разности площадей сечения заготовки до (F0) и после (Fk ) прокатки к исходной площади сечения, т. е.

а зависимость твердости от величины представляют в виде уравнения Поэтому необходимо было решить вопрос, как существующие зависимости [62, 74] перенести на случай деформации поверхностного слоя шаром и какое выражение должно быть использовано при этом способе деформирования.

Pages: |

| 2 |

Главная >> Диссертации - все темы

[ СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА .pdf ]

Похожие работы:

«ДЫМО АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ УДК 681.5:004.9:65.012 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТАМИ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ С ОТКРЫТЫМ ИСХОДНЫМ КОДОМ 05.13.22 – Управление проектами и программами Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель Шевцов Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор Николаев – СОДЕРЖАНИЕ...»

«РАЩЕНКО АНДРЕЙ ИГОРЕВИЧ ФАРМАКОКИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НОВОГО ОБЕЗБОЛИВАЮЩЕГО СРЕДСТВА ПРОИЗВОДНОГО ИМИДАЗОБЕНЗИМИДАЗОЛА 14.03.06 – фармакология, клиническая фармакология. Диссертация на соискание ученой степени кандидата фармацевтических наук Научный руководитель Академик РАН...»

«Вельмин Александр Сергеевич ПРОИЗВОДСТВО ПО ДЕЛАМ ОБ АДМИНИСТРАТИВНОМ НАДЗОРЕ ЗА ЛИЦАМИ, ОСВОБОЖДЕННЫМИ ИЗ МЕСТ ЛИШЕНИЯ СВОБОДЫ, В ГРАЖДАНСКОМ ПРОЦЕССЕ 12.00.15 – гражданский процесс, арбитражный процесс ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель : доктор юридических наук, доцент Юдин Андрей...»

«ТУЧИН Андрей Георгиевич Баллистико-навигационное проектирование полётов к Луне, планетам и малым телам Солнечной системы Специальность 01.02.01 – Теоретическая механика Диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук Москва – 2010 Содержание Обозначения и сокращения Введение Глава 1 Проектирование квазисинхронных орбит КА вокруг Фобоса для решения задачи посадки...»

«ЗАЙКИН ОЛЕГ АРКАДЬЕВИЧ Совершенствование приводов транспортно-технологических машин использованием зубчатого бесшатунного дифференциала Специальность 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный...»

«Полилова Татьяна Алексеевна Инфраструктура регионального образовательного Интернет-пространства 05.13.11 — Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва 2000 г. 2 Оглавление Введение Исторический и социальный контекст Этапы информатизации российского образования Интернет в...»

«Баканев Сергей Викторович Динамика популяции камчатского краба (Paralithodes camtschaticus) в Баренцевом море (опыт моделирования) Специальность 03.00.18 – Гидробиология Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель – доктор биологических наук, профессор А. В. Коросов Мурманск – 2009 Содержание Введение... Глава 1....»

«РУССКИХ СВЕТЛАНА НИКОЛАЕВНА КНИЖНАЯ КУЛЬТУРА ВЯТСКОГО РЕГИОНА В 1917-1945 ГГ. В 2 томах. Том 1 Специальность 05.25.03 — Библиотековедение, библиографоведение, книговедение Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук Научный руководитель...»

«МУХА (DIPTERA MUSCIDAE) КАК ПРОДУЦЕНТ КОРМОВОГО БЕЛКА ДЛЯ ПТИЦ НА ВОСТОКЕ КАЗАХСТАНА 16.02.02 – кормление сельскохозяйственных животных и технология кормов Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук КОЖЕБАЕВ БОЛАТПЕК ЖАНАХМЕТОВИЧ Научный руководитель – доктор биологических наук профессор Ж.М. Исимбеков...»

«АНУФРИЕВ ДЕНИС ВИКТОРОВИЧ АДВОКАТУРА КАК ИНСТИТУТ ГРАЖДАНСКОГО ОБЩЕСТВА В МНОГОНАЦИОНАЛЬНОЙ РОССИИ Специальность 23.00.02. – политические институты, этнополитическая конфликтология, национальные и политические процессы и технологии Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель – доктор юридических наук,...»

«Куницына Ирина Валентиновна СПОР В ПРАВЕ И ПРОЦЕССУАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЕГО РАЗРЕШЕНИЯ 12.00.01 – теория и история права и государства; история учений о праве и государстве диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель : доктор юридических наук, профессор Павлушина Алла Александровна...»

«Мозговой Максим Владимирович Машинный семантический анализ русского языка и его применения Специальность 05.13.11 — математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель — доктор физико-математических наук, профессор Тузов В.А. Санкт-Петербург – 2006 2 Оглавление ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ О...»

«Александрова Татьяна Львовна ХУДОЖЕСТВЕННЫЙ МИР М. ЛОХВИЦКОЙ Диссертация на соискание ученой степени кандидата филологических наук специальность 10.01.01 – русская литература Научный руководитель – доктор философских наук И.Ю. Искржицкая Москва 2004 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.. ГЛАВА 1. ВЕХИ БИОГРАФИИ И ПЕРИОДИЗАЦИЯ ТВОРЧЕСТВА. ГЛАВА 2. ХУДОЖЕСТВЕННЫЙ МИР I. СЕМАНТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ I. 1 Мироощущение,...»

«Омельченко Галина Георгиевна ГИПЕРГРАФОВЫЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель доктор физ.-мат.наук, профессор В.А. Перепелица Черкесск - Содержание ВВЕДЕНИЕ...»

«АСАДОВ Али Мамедович КОСВЕННЫЕ (ОПОСРЕДОВАННЫЕ) АДМИНИСТРАТИВНОПРАВОВЫЕ ОТНОШЕНИЯ В СФЕРЕ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ Специальность: 12.00.14 – административное право; административный процесс ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора юридических наук Научный консультант – доктор юридических наук, профессор, Заслуженный деятель науки Российской Федерации БАХРАХ Демьян Николаевич Челябинск ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.. ГЛАВА 1....»

«КИРИЛЛОВА Альбина Александровна ОСНОВЫ КРИМИНАЛИСТИЧЕСКОЙ МЕТОДИКИ СУДЕБНОГО РАЗБИРАТЕЛЬСТВА ПО УГОЛОВНЫМ ДЕЛАМ ОБ УБИЙСТВАХ (ч. 1 ст. 105 УК РФ) Специальность 12.00.12 – криминалистика; судебно-экспертная деятельность; оперативно-розыскная деятельность ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель : доктор юридических наук, профессор Ю.П. Гармаев Улан-Удэ – Оглавление Введение Глава 1....»

«Пономарев Денис Викторович Импульсно-скользящие режимы дифференциальных включений с приложением к динамике механических систем с трением Специальность 01.01.02 Дифференциальные уравнения, динамические системы и оптимальное управление Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«ТЮТРИНА Лариса Николаевна АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ РЫЧАЖНОРЕЕЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДЛЯ МУСКУЛЬНЫХ ПРИВОДОВ Специальность 05.02.02. - Машиноведение, системы приводов и детали машин Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель кандидат...»

«Палойко Людмила Валерьевна ОБРАЗ ПЕРСОНАЖА В ОРИГИНАЛЕ И ЛИТЕРАТУРНОМ ПРОДОЛЖЕНИИ АНГЛОЯЗЫЧНОГО РОМАНА КАК ОБЪЕКТ ФИЛОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Специальность 10.02.04 – германские языки Диссертация на соискание...»

«МАКАРЕВИЧ Ольга Владимировна ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЛИГИОЗНЫХ ТЕКСТОВ В ТВОРЧЕСТВЕ Н.С. ЛЕСКОВА ВТОРОЙ ПОЛОВИНЫ 1870-х – 1890-х гг.: ВОПРОСЫ ПРОБЛЕМАТИКИ И ПОЭТИКИ Специальность 10.01.01 – Русская литература Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

наверх

<< ГЛАВНАЯ | КОНТАКТЫ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА (Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)