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

Для этой цели было проведено экспериментальное исследование по замеру твердости материала дна лунки от шарика, вдавливаемого в металл с различной интенсивностью.

Для получения достаточно представительных данных в качестве объекта исследования, наряду со сталью 110Г13Л, были использованы конструкционные материалы различных классов, а именно: углеродистая и легированная стали (45 и 30ХГСА), технические никель и титан (НП2, ВТ1-0), промышленные сплавы меди и алюминия (латунь Л62, АМг3, АМц), сведения о виде зависимости (2.13) для которых обнаружены в литературе [74, 75]. Из листов и прутков в состоянии поставки указанных сталей и сплавов изготавливали шлифованные образцы в виде пластин размером 20х40х2 мм. Образцы стали 30ХГСА изготавливали из двух видов листового проката, существенно отличающегося по твердости.

Пластины из стали 110Г13Л получали литьем с последующей закалкой отливок с температуры 1100 0С в воде.

Эксперименты проводили по следующей схеме:

- с использованием универсального твердомера Zwick ZHU 187,5 замеряли исходную твердость HV0 поверхности образцов материалов;

- в различные точки поверхности образцов с использованием силовой части устройства по замеру твердости по методу Бринелля вдавливали шарики из закаленной высокоуглеродистой стали различного диаметра (D = 2,5-10 мм) при нагрузках Р, изменяющихся от 600 до 30000 Н, что обеспечивало деформацию металла с различной интенсивностью (рисунок 2.5);

Рисунок 2.5 - Вид пластины стали 35ХГСА после различной степени деформации в результате - с помощью микроскопа и измерительной системы универсального твердомера определяли диаметр d полученных лунок и твердость по Виккерсу HV (при нагрузках 30 Н) поверхности в центральной точке их донной части.

Поскольку радиус кривизны получаемых лунок в 10-50 раз превосходил размер отпечатков х, остающихся в результате вдавливания пирамидки по методу Виккерса, считали, что при измерении твердости дна лунок поправку на криволинейность поверхности можно не учитывать;

- для каждого соотношения диаметра шарика D и усилия вдавливания Р проводили 3 параллельных опыта, по результатам которых определяли среднеарифметические значения d и HV лунок (разброс в значениях d и HV в параллельных опытах не превышал 2,3 % и 3,5 %, соответственно);

- рассчитывали разность HV между полученной усредненной величиной твердости HV дна лунки и исходным значением HV0 поверхности образца данного материала до деформации.

Схему испытаний иллюстрирует рисунок 2.6.

Рисунок 2.6 - Схема вдавливания шарика с замером диаметра d лунки (а) и определения твердости ее донной части замером диагоналей пирамидки (б) Установленные значения d, HV, HV материалов представлены в таблице 2.2. Там же приведены значения средней деформации поверхностных слоев лунок (степени пластической деформации), достигаемой в результате вдавливания шарика, рассчитанные различными способами.

Таблица 2.2 – Твердость донной части отпечатка (лунки) от вдавливания шарика при различной степени пластической деформации (HB =153.0) (HB =143;

=197,6) (HB Продолжение таблицы 2. =56.7) Сплав =56.1) Сплав =56.1) Титан =130,9) По первому способу, получившему широкое распространение в литературе, например [32, 69], значение рассчитано, как отношение диаметров лунки d и вдавливаемого шарика D По второму, предложенному М.П. Марковцом [73], По третьему, описанному в трудах В.М. Матюнина [77, 78], как отношение площади поверхности сферического отпечатка к половине площади поверхности вдавливаемого шара M' На графиках рисунка 2.7 представлен вид полученных экспериментальных зависимостей HВ = f() (после пересчета HV в HВ) в сопоставлении с аналогичными зависимостями из [62, 74, 75], установленными при прокатке материалов таких же или близких к ним наименований.

Рисунок 2.7 – Сравнение зависимостей приращения твердости HВ дна отпечатка сталей и сплавов от степени деформации при выражении в виде d/D (),(M - F)/ M () и M/M' () с аналогичными зависимостями для материалов близкого состава, установленными при прокатке Как можно заключить из данных рисунка, выражение степени пластической деформации при вдавливании шарика в виде отношения диаметров d/D (данные ) приводит к полному несоответствию вида установленных зависимостей HВ = f() всех материалов аналогичным зависимостям (-), полученным при прокатке. Так, например, повышению HВ стали 45 на 10 единиц (рисунок 2.6, а) при выражении в виде d/D соответствует деформация = 10 %, в то время как при прокатке только = 1 %. В то же время, в случае выражения в виде отношения площадей (M - F)/M или M/M' полученные зависимости (результаты и рисунка 2.6) оказываются близкими к установленным для прокатки, особенно для сталей и сплавов, одинаковых наименований. При этом, в наибольшей степени совпадают с литературными данными [62, 74, 75] зависимости HВ = f(), рассчитанные при выражении в виде отношения площади поверхности сферического отпечатка M к половине площади поверхности вдавливаемого шара M'. Обращает на себя внимание, что при существенном различии в исходной твердости HВ0 образцов из двух видов проката стали 30ХГСА (143 и 220 НВ) полученные для всех образцов значения HВ удовлетворительно ложатся на общую для них зависимость HВ = f().

Подобным образом соотносятся с установленными для прокатки и значения постоянных A, x выражения (2.13) (таблица 2.3), рассчитанные из вида зависимостей HВ = f() рисунка 2.6 для вдавливания шара.

Таблица 2.3 – Значения параметров A, x уравнения HВ=HВ0 +A x, установленные экспериментально при вдавливании шара, в сопоставлении с литературными данными для прокатки – для стали 110Г13Л по данным [62], для остальных материалов по данным [74, 75] Указанные обстоятельства могут свидетельствовать о том, что зависимости HВ = f(), получаемые при измерении твердости дна отпечатка, в случае представления степени пластической деформации в виде отношения площадей отпечатка M и полусферы M' с достаточной достоверностью могут быть перенесены на другие случаи деформирования, в частности, на прокатку и наоборот. Так, например, при степени пластической деформации = 5% расхождение между величинами HВ, рассчитанными по формуле (2.13) при значениях A, x из таблицы 2.3 для прокатки и вдавливании шарика (при выражении в виде M/M'), составляет: 67 МПа (3,7 %) для стали 45, 34 МПа (1,6 %) для стали 30ХГСА и 2 МПа (0,57 %) для алюминиевого сплава АМц.

Можно предположить, что такое расхождение при определении твердости вполне допустимо при проведении инженерных расчетов.

Исходя из сказанного выше, для установления степени пластической деформации футеровки в результате многократного вдавливания в нее шара было использовано уравнение (2.16). В соответствии с ним, получаемому диаметру отпечатка dм = 17,64 мм при диаметре сферы Dш = 0,1 м соответствует степень деформации ~ 2%.

2.5 Определение твердости поверхностного слоя футеровки в результате многократного ударного воздействия шаром Как указывалось в аналитическом обзоре (рисунок 1.27), такие прочностные характеристики металлических материалов, как сопротивление пластической деформации (предел текучести Т) или сопротивление разрушению (предел прочности B) при быстром возрастании нагрузки, т. е. в динамических условиях, существенно превышают значения тех же характеристик, демонстрируемых материалом при медленном нагружении, т. е. в статических условиях.

С другой стороны установлено [32], что при одинаковых удельной нагрузке и кратности ее приложения с помощью ударных методов можно достичь большей степени упрочнения, характеризуемой степенью повышения микротвердости, значениями сжимающих остаточных напряжений и толщиной упрочненного слоя, по сравнению со статическими методами ППД.

В этой связи можно было ожидать, что при одинаковой степени пластической деформации, которой подвергается металл при динамическом и статическом вдавливании шарика, твердость поверхности при динамическом воздействии должна быть существенно выше, чем при статическом вдавливании.

Об этом, косвенно, могли свидетельствовать обнаруженные в литературе сведения [79], что приращение твердости НВ поверхности железнодорожных крестовин в результате воздействия взрывной волны до 2 раз превышает величину аналогичного показателя, демонстрируемого в случае обкатки крестовин роликом.

Приращение твердости поверхностного слоя футеровки в результате ударного воздействия на нее шарами определяли экспериментально. По шару, находившемуся на массивном отфрезерованном с 2-х сторон фрагменте футеровки шаровой мельницы МШЦ 5500х6500, наносили удар различной интенсивности с замером диаметра и твердости HV донной части получаемых отпечатков. Рассчитывали степень пластической деформации = (M /M')·100 % и приращение твердости материала HВдин относительно начального значения HВ с построением соответствующей зависимости.

Оказалось (рисунок 2.8), что приращение твердости HВдин материала футеровки шаровых мельниц - стали 110Г13Л, 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.

Рисунок 2.8 – Зависимость приращения твердости поверхности дна отпечатка от степени пластической деформации стали 110Г13Л при ударном воздействии шара Для = 2 % величина HВдин, рассчитанная в соответствии с установленной приобретаемая поверхностным слоем футеровки в результате упрочняющей обработки (при НВ0 = 2800 МПа), была оценена в 3550 МПа, что в 1,25 раза превышает исходную твердость футеровки.

2.6 Расчет необходимого времени упрочняющей обработки футеровки При установлении необходимого времени упрочняющей обработки (2.17) предполагали, что места падения шаров на футеровку в каждом поперечном сечении барабана распределены равномерно и для получения непрерывного по длине упрочненного слоя каждый шар внешнего слоя загрузки должен нанести не менее 20 ударов по футеровке (рисунок 2.9). (Согласно [69] большее число ударов не приводит к увеличению размера отпечатка).

где Dвшс- диаметр окружности внешнего слоя шаров, ti - время между ударами по футеровке одного и того же шара (2,9 с), N - количество шаров (50 штук) внешнего слоя шаровой загрузки в каждом поперечном сечении барабана при степени заполнения = 30%.

Рисунок 2.9 – Образование упрочненного слоя на футеровки в результате многократного удара 1. По результатам расчетного анализа и визуального осмотра изношенных футеровочных плит сделано заключение, что в условиях работы шаровых мельниц на обогатительных фабриках ОАО «Апатит» не происходит заметного проскальзывания измельчаемого сырья по поверхности футеровки и она подвергается ударно-абразивному воздействию породы.

2. Рассчитаны значения рабочих параметров мельницы МШЦ 5500х6500:

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

- коэффициент загрузки шарами ~30 %, при которых упрочняющая обработка футеровки шарами наиболее эффективна.

3. Предложена методика расчета, с использованием которой установлены диаметр отпечатка dм = 17,6 мм и глубина наклепанного слоя hн.с ~ 10 мм, образующиеся на футеровке в результате многократного ударного воздействия шара при работе мельницы в предлагаемом режиме упрочняющей обработки.

4. На основании результатов экспериментов, проведенных на 9 марках металлических конструкционных материалов различных классов, сделан вывод, что широко использующееся в литературе выражение степени пластической деформации материала при вдавливании шарика в виде отношения диаметров d/D приводит к полному несоответствию вида зависимостей HВ = f(), аналогичным зависимостям, полученным при прокатке. В то же время, в случае выражения в виде отношения площади поверхности сферического отпечатка M к половине площади поверхности параметров шара M' указанные сравниваемые зависимости оказываются близкими.

5. Исходя из установленной формы выражения степени пластической деформации ( = M /M'), была определена величина, соответствующая диаметру отпечатка dм = 17,6 мм, получаемому в результате упрочняющей обработки: при 6. Экспериментально установлено, что приращение твердости HВдин материала футеровки шаровых мельниц - стали 110Г13Л, 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 этом, для = 2 % величина HВдин = 750 МПа, а твердость, приобретаемая поверхностным слоем футеровки в результате упрочняющей обработки достигает 3550 МПа, что в 1, раза выше исходной твердости футеровки.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

СТЕНДА ПО ИЗУЧЕНИЮ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ УДАРНОАБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ О

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Следующей задачей, которую предстояло решить при разработке предлагаемого способа упрочнения, являлась оценка влияния наклепа на скорость изнашивания металлических материалов при ударно-абразивном воздействии среды. Поскольку в литературе не удалось обнаружить необходимых сведений по данному вопросу, потребовалось провести специальное экспериментальное исследование, для чего были разработаны соответствующие методика и экспериментальная установка.

3.1 Существующие методы определения скорости ударно-абразивного зависимости от реальных условий эксплуатации может происходить при ударе, как по монолитному абразиву, так и по подвижной абразивной массе, в том числе, и при наличии в зоне контакта жидкости. В связи с указанной спецификой работы в литературе [33, 80] описано несколько отличающихся друг от друга методов испытаний на изнашивание, при использовании которых удар наносится:

расположенному на металлическом основании;

- по абразиву, закрепленному на тканевом основании;

- по монолитному абразиву;

- по абразивной массе.

В основу метода при ударе по незакрепленному абразиву положено испытание на изнашивание цилиндрических образцов, которыми наносится ряд многократных ударов по слою незакрепленного абразива определенной толщины, расположенного на плоской наковальне. Метод реализуется на специальной лабораторной установке У-1-АС (рисунок 3.1) [33, 80].

Рисунок 3.1 – Установка У-1-АС для испытания на изнашивание при ударе по слою абразива На сварной раме 1 укреплен электродвигатель 2, вращение от которого передается через упругую муфту двухступенчатому редуктору 3 с набором сменных зубчатых колес. На выходном валу редуктора укреплен ведущий шкив клиноременной передачи. Ведомый шкив 5 насажен на кулачковый вал, смонтированный на двух опорах качения. При вращении вала закрепленный на нем кулачок 6 с помощью ролика 7 поднимает шпиндель-боек 8 на заданную высоту, а затем освобождает его. На нижнем торце бойка в оправке закреплен испытуемый образец 16.

Под действием собственного веса и грузов 10 шпиндель-боек, перемещаясь в направляющих, совершает свободное падение, которое завершается ударом торцовой поверхности образца по слою незакрепленного абразива, размещенного на наковальне 15.

Установка снабжена дозатором, обеспечивающим дозирование абразива, подачу его в зону удара и очистку забоя. Устройство состоит из дозатора 12, бункера 11 и поворотного диска 13. Диск получает вращение от кулачкового валика через коническую зубчатую передачу 9 и шарнирное сочленение. В пазах диска установлены и неподвижно закреплены щетки 14.

Дозатор за время одного удара совершает: подачу из бункера отмеренной очередной порции абразива на дно чаши; выравнивание подвижными ножами этой порции абразива в слой заданной толщины; очистку наковальни щетками от абразивных частиц предыдущей партии и дозировку очередной порции абразива.

Установка снабжена приспособлением, позволяющим регулировать толщину абразивного слоя на наковальне, и устройством для перемещения наковальни после каждого цикла испытаний.

Энергия единичного удара определяется как произведение веса бойка и размещенных на нем грузов на высоту свободного падения (50 мм). Изменение энергии удара от 2,5 до 30 Дж осуществляется с помощью закрепленных на шпинделе грузов различного веса. Частота ударов 60, 75, 92, 100 и 120 мин- регулируется подбором сменных зубчатых колес.

На установке можно проводить одновременно испытания на ударноабразивное изнашивание образца и наковальни, что позволяет подбирать износостойкую пару для определенных условий соударения.

По второму методу испытание материала на изнашивание проводится путем многократных последовательных ударов образцом по абразиву, закрепленному на тканевом основании, расположенном на плоской стальной поверхности.

Для реализации этого метода была создана специальная установка У-1-АЛ (рисунок 3.2) [33, 80].

Рисунок 3.2 – Установка У-1-АЛ дли испытания на изнашивание при ударе по абразивной От электродвигателя 1 через редуктор 2 и клиноременную передачу приводится во вращение вал, на котором установлен кулачок 4. С помощью кулачка шпиндель 5 вместе с испытуемым образцом 6, закрепленным в специальной оправке, поднимается на определенную высоту, а затем при падении совершает удар торцовой поверхностью образца по абразивной ленте 7.

Абразивная лента находится на наковальне 8 из стали Ст3, подверженной цементации, закалке и низкому отпуску для получения на е поверхности твердости 60-62 HRC.

Прерывистая подача ленты осуществляется храповым механизмом синхронно с движением шпинделя. В момент удара образца по наковальне абразивная лента неподвижна.

Одновременно с образцом изнашивается наковальня. Для обеспечения идентичности условий испытания вкладыши наковальни после каждого эксперимента перемещают на определенную величину, всегда большую диаметра испытуемого образца. При испытании последовательно используют все четыре грани наковальни. Энергию удара образца о наковальню регулируют изменением веса грузов 10, закрепленных на шпинделе.

Мощность машины позволяет проводить испытания при максимальной энергии удара 50 Дж, частота ударов 144 мин-1. При испытании на изнашивание в зону соударения образца с абразивной лентой подается вода, которая охлаждает образец и предотвращает налипание абразивных частиц на поверхность трения.

Особенность третьего метода - испытание на изнашивание путем последовательных многократных ударов по монолитному абразиву. Удар образца в течение одного цикла испытаний происходит все время по одному месту абразива, поскольку, как считают авторы [33, 80], в результате разрушения породы ее абразивная способность восстанавливается.

Для применения этого метода создана [33, 80] установка У-1-АМ (рисунок 3.3). Основание установки, представляющее собой стол с размещенным на нем узлом крепления блока горной породы, жестко соединен с колонной. Привод, состоящий из двигателя 2, редуктора 5 со сменными зубчатыми колесами и шкивами 3, 6 и шпиндель 13 укреплены на траверсе 4, которая может подниматься и опускаться по колонне с помощью гайки 7.

Рисунок 3.3 – Установка У-1-АМ для испытания на изнашивание при ударе по Вращение через шкив 6 передается шпинделю или через шкив 3 шкиву 12.

Шпиндель ступенчатый, благодаря чему может свободно висеть, опираясь на дно кулачка, выполненного в виде втулки с отверстием в середине. Шкив снабжен роликом 8, перекатывающимся по беговой дорожке кулачка 9. В нижней части шпинделя укреплены грузы 14 и цилиндрический образец 15 в оправке.

Для обеспечения удара образца о блок породы 16 вращение от шкива передается на кулачок 9, который, вращаясь, поднимает шпиндель. В этом случае шлицевая втулка 10 фиксируется винтом 11. Достигнув наивысшей точки, шпиндель падает с высоты 100 мм; при этом происходит соударение образца с монолитным абразивом; частота ударов 90 мин-1.

Кроме испытания на удар данная установка позволяет проводить испытания при ударе с проскальзыванием, а также предусматривает возможность изнашивания образца при скольжении его торцовой поверхности по породе. При ударе со скольжением движение шпинделю передается от шкива 3 через шкив 12.

Шпиндель, вращаясь вместе с втулкой 10, поднимается по закрепленному кулачку 9. При падении он продолжает вращаться, создавая проскальзывание во время удара.

При получении чистого скольжения движение также передается шпинделю через шкив 12, но кулачок при этом не закреплен, а вращается вместе со шпинделем.

Частоту вращения и удара можно изменять с помощью сменных зубчатых колес, а высоту падения шпинделя - гайкой 7.

Установка снабжена устройствами для промывки и продувки воздухом зоны соударения образца с монолитным абразивом, благодаря чему можно исследовать изнашивание.

Для подсчета числа ударов или частоты вращения машина снабжена счетчиком ЕСА-3 с фотодатчиком сопротивления, работа которого обеспечивает автоматическое отключение машины по достижении заданной частоты вращения или ударов.

По четвертому методу испытаний образец совершает последовательные превышающей размеры единичных зерен. При ударе инструмента по такой массе условия взаимодействия отдельных абразивных частиц с поверхностью трения отличаются от условий при ударе по слою толщиной в одну частицу тем, что у частиц, составляющих массу, больше степеней свободы, чем у частиц, насыпанных ровным слоем на металлическое основание.

Испытания проводятся на уже описанной машине У-1-АС (рисунок 3.1) при использовании металлического стакана, заполненного частицами абразива.

Образец, ударяя по массе частиц, углубляется в нее, создавая кратер. Высота засыпки абразивной массы в среднем остается постоянной и уменьшается лишь со степенью дробления частиц. Для получения абразивной массы используются породы, из которых изготавливаются блоки для испытания материалов при ударе по монолитному абразиву. Куски породы подвергаются дроблению и последующему просеиванию для получения фракции заданного размера.

При проведении испытаний в гидроабразивной массе в стакан с абразивом добавляется необходимое количество требуемой жидкости.

Именно данный метод испытаний, как метод, условия проведения которого наиболее близки к условиям воздействия породы на футеровку шаровых мельниц, был использован в качестве прототипа при разработке методики испытаний.

3.2 Методика испытаний металлических материалов в условиях, моделирующих ударно-абразивное изнашивание футеровок шаровых Для моделирования процесса изнашивания футеровки шаровой мельницы МШЦ 4500х5000 при ее работе на обогатительных фабриках ОАО «Апатит» к разрабатываемым условиям испытаний были сформулированы следующие требования:

- доминирующий вид изнашивания – ударно-абразивный;

- материал изнашиваемого образца – материал футеровки сталь 110Г13Л;

- минералогический состав абразива в экспериментах - апатитонефелиновая руда Кировского месторождения;

- гранулометрический состав абразива – частицы руды размером dср = 0,0001…0,001 м;

- наличие в абразивной массе жидкости (воды) в соотношении Ж : Т ~ 1 : 3;

- кислотность абразивной массы, близкая к кислотности апатитонефелиновой пульпы в мельнице (pH ~ 9,5);

- нанесение удара по породе с удельной энергией близкой к удельной энергии удара, передающейся от падающего на «пяту» шара через породошаровую загрузку к футеровке.

При разработке методики испытаний за основу был взят метод изнашивания образца при ударе по абразивной массе [33, 80]. Принципиальная схема разработанной установки представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Установка (а) по изучению ударно-абразивного изнашивания материалов и ее принципиальная схема (б): 1- емкость; 2 – водо-абразивная масса; 3 – испытуемый образец; 4 – боек; 5 – кулачок; 6 – ролик; 7 – ремень; 8 – шкив вала электродвигателя Установка позволяет наносить удар фиксированной энергии с заданными частотой (100 мин-1) и амплитудой (до 0,05 м). Энергия удара регулируется массой и высотой падения бойка 4.

Изнашиваемый образец 3 в экспериментах представлял собой цилиндр диаметром d = 0,007 м, изготовленный литьем из материала футеровки шаровой мельницы, используемой на предприятии ОАО «Апатит». В соответствии с результатами рентгено-флуоресцентного анализа, проведенного с использованием спектрометра XRF-1800, химический состав материала был близок к составу стали 110Г13Л по табличным данным.

Абразивная среда готовилась из фрагментов апатито-нефелиновой руды (рисунки 3.5, 3.6), полученных с рудника «Центральный» ОАО «Апатит».

Минералогический состав, установленный по результатам микроскопических исследований (микроскоп Сarl Zeiss), и твердость основных компонентов руды по табличным данным [81] представлены в таблице 3.1.

Рисунок 3.5 – Вид рудного фрагмента, используемого для получения абразивной массы Рисунок 3.6 – Фрактограмма фрагмента апатито-нефелиновой руды при различном освещении, Таблица 3.1 – Минералогический состав апатито-нефелиновой руды, используемой в качестве абразива Как можно заключить из данных таблицы 3.1, все основные компоненты используемой руды имели твердость не ниже 5 единиц по шкале Мооса, то есть величину, превышающую твердость стали Гадфильда по этой шкале (~ единицы).

Фрагменты руды измельчали молотком и подвергали просеиванию с отбором фракции (0,0001…0,001мм), близкой, к имеющей место на выходе из шаровой мельницы МШЦ 4500х5000. Навеску рудной массы весом ~ 1 кг помещали в металлическую емкость, заливали водой в пропорции Ж : Т ~ 1 : 3 и выдерживали ~ 1- 3 суток для получения нужной кислотности среды (pH ~ 9,5), которую замеряли pH-метром 673М;

Требование о близости удельной энергии удара Qуд в экспериментах к величине Qуд, имеющей место в шаровой мельнице, обеспечивали необходимой высотой hоб падения бойка с образцом (рисунки 3.7, 3.8), рассчитываемой из равенства удельных энергий где М – масса шара диаметром Dш = 0,1 м (М = 4,1 кг), Н – высота падения внешнего слоя шаров до соприкосновения с пульпой при работе мельницы, F – площадь контакта породы с футеровкой, воспринимающая ударное воздействие от удара шара по породе (принималась равной площади сечения шара F = 7,85·10-3 м2), Kосл – коэффициент ослабления удара, показывающий во сколько раз энергия падающего шара ослабляется при передаче ее через слой пульпы к футеровке (в соответствии с опытами [1] по измерению действительной силы удара, испытываемой измельчающей подложкой, минеральная пульпа почти наполовину смягчает ударную силу, откуда принимали Kосл = ~ 2), m – суммарная масса груза и образца в экспериментах (m = 2,51 кг), hоб – высота падения груза с образцом до соприкосновения с абразивной массой, Fоб – площадь контакта образца с абразивной массой при ударе (принималась равной площади сечения образца F = 3,85·10-5 м2).

Рисунок 6 – Схема ударного изнашивания в шаровой мельнице при ее работе в штатном режиме (а) и экспериментах (б): 1 - поверхность футеровки; 2 – пульпа апатито-нефелиновой Высоту Н устанавливали из расчетной траектории падения внешнего слоя шаров до соприкосновения с шаровой загрузкой и породой («пятой» ВС, рисунок 1,5, а) при работе мельницы в штатном режиме (n = 13,95 мин-1, = 42%).

В соответствии с расчетом величина Н была оценена в 3,01 м, а значение hоб, для выполнения равенства (3.1), оказалось равным 12 мм.

Опыты проводили по следующей схеме. Исходный образец из стали 110Г13Л после замера твердости HV0 его торцевой поверхности и взвешивания на аналитических весах (точность взвешивания ± 1·10-7 кг) закрепляли в зажимах бойка установки. Под образец помещали емкость с водоабразивной массой на необходимом расстоянии hоб до торцевой поверхности образца. Включали электродвигатель и осуществляли удары образцом по абразивной массе с частотой = 100 мин-1 в течение заданного времени t (1 – 5 мин). Отключали электродвигатель, извлекали образец из зажимов, очищали от следов абразива, просушивали, подвергали повторному взвешиванию и замеряли твердость изнашиваемой поверхности.

На этом же образце опыт повторяли 3 – 7 раз. Строили зависимость суммарной убыли относительной массы образца (потеря массы металла m продолжительности испытаний t.

изготовленных из той же отливки стали.

На втором этапе испытаний продолжали изнашивание этих же образцов по указанной схеме, но перед изнашиванием образцы подвергали упрочняющей обработке. Причем, для каждого образца обработку проводили с различной интенсивностью. Для этого емкость с рудой под образцом меняли на (рисунок 3.8) осуществляли удары образцом с заданной частотой ( = 100 мин -1).

Различную для каждого образца интенсивность ударов обеспечивали последовательным увеличением массы бойка М и высоты его падения h. После нанесения в течении t = 3-5 мин серии ударов замеряли твердость рабочей (наклепанной) поверхности образца (рисунок 3.9) и изучали ее распределение по глубине металла. (Максимальная твердость поверхности, которая была достигнута в результате такой упрочняющей обработки, оказалась близкой к 450 НВ).

Рисунок 3.9 – Вид испытательных образцов после упрочняющей обработки и замера твердости Изучение распределения твердости по глубине наклепанного образца проводили рентгено-томографическим методом, при обосновании применения которого для указанной цели исходили из следующего.

В соответствии с [82], наряду с медициной, способ рентгеноструктурного анализа используется для изучения строения горных пород, различающихся по плотности в различных точках. При этом участкам породы с меньшей плотностью, например имеющим поры, на рентгенограммах соответствует большая интенсивность проходящих рентгеновских лучей (в дальнейшем – плотность излучения). С другой стороны, как сообщалось в аналитическом обзоре (рисунок 1.30 [70, 71]), пластическая деформация, протекающая в металле, приводит к уменьшению его плотности.

В этой связи предполагали, что наличие на наклепанных образцах участков подвергнутых пластической деформации и отличающихся, в результате, повышенной твердостью и пониженной плотностью должно найти свое отражение на соответствующих им рентгенограммах, а способ рентгеновской микротомографии может быть использован для изучения распределения твердости по толщине наклепанного слоя металла.

Исходные и наклепанные образцы стали 110Г13Л последовательно помещали в рабочую камеру томографа SkyScan1173, где проводили их сканирование (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 – Принцип работы микротомографа SkyScan Съемку проводили при следующих параметрах:

- напряжении источника 50 кВ (ток = 200 мА), - пространственном разрешении 0,600018 мкм, - выдержке 990 мс, - с угловым шагом 0,300 градуса.

Реконструкцию проводили для угла поворота 188.10 градусов, без осреднения, с коррекцией увеличения жесткости излучения 87%.

Результатом сканирования и компьюторной обработки являлось получение микротомографического изображения внутренней структуры образца и профилей распределения коэффициентов поглощения рентгеновского излучения, из вида которых устанавливали распределение твердости по высоте цилиндра.

Полученные томограммы анализировали на предмет определения расстояния от наклепанной поверхности, выше которого плотность поглощения принимает постоянное значение. Установленную величину принимали за толщину наклепанного слоя.

исследования сконструирован экспериментальный стенд, позволяющий исследовать закономерности ударно-абразивного изнашивания материалов о горные породы.

2. Разработана методика испытаний исходных и наклепанных образцов металлических материалов на ударно-абразивное изнашивание в условиях, моделирующих изнашивание футеровок при работе шаровых мельниц, в том числе и при кислотности абразивной среды, близкой к кислотности апатитонефелиновой пульпы в мельнице (pH ~ 9,5);.

3. Предложен способ определения глубины наклепанного слоя на металлических конструкциях методом рентгеновской компьюторной томографии.

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЛИЯНИЯ НАКЛЕПА НА СКОРОСТЬ УДАРНО-АБРАЗИВНОГО

ИЗНАШИВАНИЯ МАТЕРИАЛА ФУТЕРОВОК

4.1 Определение скорости изнашивания исходных образцов Результаты экспериментов по изнашиванию исходных (ненаклепанных) образцов, изготовленных из фрагмента футеровки, представлены в таблице 4.1.

Значения v0 таблицы – скорость изнашивания образца на установившемся участке кривой.

Таблица 4.1 - Результаты экспериментального исследования ударно-абразивного износа исходных образцов стали 110Г13Л об апатито-нефелиновую руду Как видно из графика рисунка 4.1, в течение начального индукционного времени рост суммарной убыли массы образца замедляется. Как показали измерения НВ, этому участку графика соответствует и увеличение твердости изнашиваемой поверхности до своего предельного значения (до ~250 НВ). Как можно заключить, это обстоятельство свидетельствует о том, что в начальный период ударно-абразивного изнашивания поверхность образца подвергается «самонаклепу», интенсивность которого (НВ) определяется силой удара в испытаниях. Можно отметить, что подобному «самонаклепу» подвергается и футеровка шаровых мельниц в процессе работы (см. п. 2.1, 2.3), о чем можно заключить, исходя из сопоставления твердости изношенных футеровок (~ 280 НВ) с твердостью футеровок в состоянии поставки (180 – 200 НВ).

Рисунок 4.1 – Экспериментальные данные и аппроксимирующая кривая временной зависимости суммарной убыли относительной массы исходных образцов стали 110Г13Л в результате ударно-абразивного изнашивания об апатито-нефелиновую руду, I – участок кривой характеризующий «самонаклеп» до твердости 250 HB, II – участок кривой установившегося поверхности образцов уже практически не изменяется, а суммарная убыль массы зависимостью. Тангенс угла наклона этой прямой принимали за массовую скорость ударно-абразивного изнашивания исходных образцов в испытаниях:

По результатам статистической обработки полученных экспериментальных данных по изнашиванию исходных образцов среднеквадратическое отклонение составило 0,0023 мг/(мм2 мин), а коэффициент вариации 28 %.

Для оценки, насколько полученная величина скорости близка к реальной скорости изнашивания vэкспл футеровки шаровых мельниц, полученную в экспериментах массовую скорость v0 пересчитывали [83] на соответствующую ей линейную скорость изнашивания v0лин где N - количество часов в году (8760 ч); - плотность материала образца (7,89·103 кг/м3).

Затем, для моделирования условий воздействия породы на футеровку представляющий собой отношение количества ударов nш, наносимых породой по одному и тому же месту футеровки в результате ударного воздействия внешнего слоя шаровой загрузки в единицу времени, к количеству ударов, наносимых образцом по породе в опытах ( = 100 мин -1).

За величину nш принимали частоту вращения шара на внешней оболочке, которую рассчитывали по формуле (4.2) из [2] где n – частота вращения барабана мельницы (13,95 мин-1), – угол отрыва шара от поверхности футеровки, который, исходя из относительной скорости вращения барабана ( = 0,74), может быть рассчитан из равенства [2] откуда = 56047`.

Линейная скорость изнашивания образцов, приведенная к условиям работы футеровки мельницы, оказалась равной Такая величина уменьшения линейного размера образца оказалась близкой к высоте волнообразного выступа футеровочных плит (0,076 м), используемых на шаровых мельницах МШЦ 55006500. Поскольку на фабриках ОАО «Апатит»

футеровку меняют при полном изнашивании указанного выступа, а это происходит в среднем через год (360 сут), величина vэкспл могла быть оценена в 8,710-6 м/ч (76 мм/год).

Таким образом, полученная в экспериментах скорость ударно-абразивного изнашивания образцов (8,310-6 м/ч) оказалась весьма близкой к демонстрируемой скорости износа футеровок в процессе их работы в шаровых мельницах (8,710- м/ч), что подтверждает близость условий проведения эксперимента к реальным условиям работы футеровок и правомочность допущений, принятых при разработке методики испытаний.

4.2 Результаты испытаний предварительно наклепанных образцов В таблице 4.2 и на рисунке 4.2 представлены экспериментальные данные по изнашиванию в аналогичных условиях тех же, что и в п. 4.1 образцов, но подвергнутых предварительному наклепу различной интенсивности до значений твердости (до 390 НВ), превышающих величину НВ поверхности (250 НВ), достигаемую при «самонаклепе» образцов в экспериментах по п. 4.1.

Таблица 4.2 - Результаты экспериментального исследования ударно-абразивного изнашивания предварительно упрочненных образцов из стали 110Г13Л об апатито-нефелиновую руду m, мг/мм Рисунок 4.2 – Зависимость скорости ударно-абразивного изнашивания наклепанных образцов Видно (рисунок 4.2), что для всех интенсивностей наклепа с самого первого цикла испытаний зависимости m = f(t) удовлетворительно описываются прямыми линиями. Причем тангенс угла наклона этих линий (скорость изнашивания vупр ) убывает с увеличением интенсивности предварительного наклепа (величины HВ) образцов.

По результатам статистической обработки полученных экспериментальных данных по изнашивания наклепанных до разной величины твердости образцов среднеквадратическое отклонение составило 0,0001-0,0005 мг/(мм2 мин), а коэффициент вариации 6-19 %.

Как показало математическое моделирование, зависимость скорости изнашивания vупр от твердости HB, достигаемой при предварительном наклепе (рисунок 4.3), в наилучшей степени описывается линейным уравнением вида со значениями постоянных A = 0,72 кг/(м2·ч), B = 1,5110-10 кг·/(м2·ч·Па), Рисунок 4.3 – Зависимость скорости изнашивания vупр упрочненных образцов от твердости HB Установление экспериментальной зависимости (4.5) позволило рассчитать прогнозируемую скорость изнашивания материала футеровки после упрочнения в разработанном в гл. 2 режиме: для величины твердости 355HB, достигаемой в результате упрочняющей обработки футеровки шарами, массовая скорость изнашивания образцов в экспериментах составляет vупр ~ 187 г/(м2час), что в пересчете (4.1, 4.4) на приведенную линейную скорость изнашивания футеровки дает значение vрасч упр = 510-6 м/ч (44 мм/год).

Как показывает сопоставление полученных скоростей vрасч = 8,310-6 м/ч с предлагаемом режиме способно снизить скорость изнашивания футеровки примерно в 1,6 раза.

Рисунок 4.4 иллюстрирует результаты томографических исследований структуры образцов стали 110Г13Л в исходном состоянии (после закалки в воде) и после наклепа.

Рисунок 4.4 – Компьютерное изображение и распределение рентгеновской плотности по высоте образца: исходного с твердостью 195HB (а) и предварительно наклепанного до твердости Как видно из рисунка, плотность излучения по высоте исходного образца распределена практически равномерно, в то время как для наклепанного в прилегающей к рабочей поверхности зоне толщиной, она существенно меньше, чем на основной длине образца. Логично было предположить, что указанное расстояние соответствует толщине наклепанного слоя, который для образца, представленного на рисунке 4.4, б, составляет ~ 0,0035 м.

В свою очередь, как следует из вида рентгенограммы рисунка 4.4, б, до расстояния от поверхности примерно равном 0,25 плотность поглощения практически неизменна, а только затем начинает повышаться. Поскольку плотность поглощения рентгеновских лучей является функцией от удельного объема материала образца, а тот в свою очередь функционально связан с микротвердостью различных зон материала, автор предполагал, что аналогичный вид имеет и распределение твердости по глубине образца. Это обстоятельство учитывали в главе 5 при установлении допустимой части наклепанного слоя, которая может быть подвергнута изнашиванию в процессе эксплуатации футеровки.

Таким образом, в результате экспериментов, проведенных в условиях, моделирующих ударно-абразивное воздействие апатито-нефелиновой породы на футеровку шаровой мельницы, было установлено, что предварительный наклеп футеровки должен привести к существенному снижению скорости ее изнашивания. При этом для уровня твердости, которую получит поверхность футеровки в результате предлагаемой упрочняющей обработки (~355 НВ), снижение скорости изнашивания составит ~ 1,6 раза.

1. С использованием разработанной методики и экспериментального стенда проведены испытания на ударно-абразивное изнашивание об апатитонефелиновую руду образцов, изготовленных из материала фрагмента футеровки мельницы, в том числе и подвергнутых предварительному наклепу.

2. При изучении кинетики ударно-абразивного изнашивания исходных образцов гравиметрическим методом установлено, что в начальный период испытаний убыль массы образцов больше, чем в последующие временные промежутки, когда изнашивание протекает с постоянной скоростью. Это обстоятельство автор связывает с «самонаклепом» образцов до предельного постоянного во всех экспериментах уровня в начальный момент испытаний.

3. Показано, что экспериментально установленная скорость изнашивания исходных образцов на устоявшемся участке кинетических кривых, приведенная к условиям воздействия руды на футеровку (8,310-6 м/ч), весьма близка к демонстрируемой скорости изнашивания футеровок в процессе их работы в шаровых мельницах (8,710-6 м/ч), что подтверждает близость условий проведения эксперимента к реальным условиям работы футеровок и правомочность допущений, принятых при разработке методики испытаний.

4. Обнаружено, что предварительный наклеп стали 110Г13Л до значений твердости, превышающих величину НВ поверхности, достигаемую при «самонаклепе» образцов в опытах, приводит к существенному (в 1,6 раза) снижению скорости ударно-абразивного изнашивания материала.

5. С применением рентгено-томаграфического метода анализа показано, что упрочненный слой, образующийся на образцах стали в результате ударного воздействия, примерно на 25 % своей глубины имеет практически постоянную твердость.

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ

МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФУТЕРОВКИ В ПРОЦЕССЕ ТЕХНИЧЕСКОГО

ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ

5.1 Расчет времени допустимой эксплуатации мельницы между возникающего в результате упрочняющей обработки (h ~ 0,01 м).

За допустимую толщину наклепанного слоя hдоп, которая может быть подвергнута истиранию в процессе работы мельницы, была принята величина равная четверти hн.с При принятии такого допущения исходили из результатов рентгенотомографического анализа о распределении твердости по глубине наклепанного образца, а так же заключения [31] о том, что снятие более 25 % толщины наклепанного слоя приводит к существенной потере положительных свойств деталью, приобретенных в результате наклепа.

В предположении, что реальная скорость изнашивания футеровки vэкспл (2,1·10-4 м/сут) в результате упрочняющей обработки уменьшится в такой же степени, как и в экспериментах (в 1,6 раза) скорость изнашивания упрочненной брони vэкспл упр может быть оценена в 1,3·10-4 м/сут.

Время, в течение которого упрочненная футеровка износится на допустимую величину hдоп составит Полученную величину tизн и принимали за допустимый период между проведениями упрочняющего наклепа.

С учетом того, что футеровку меняют, как правило, при достижении полного истирания ее волнообразного выступа (толщиной = 0,076 м), время непрерывной эксплуатации футеровки составит tн.р. = / vэкспл упр = 0,076 / 1,3·10-4 = 585 сут или 1,6 года (5.3) За это время потребуется провести ~ 29 упрочняющих обработок Таким образом, для обеспечения непрерывного наклепанного состояния футеровочных плит из стали Гадфильда требуется периодическая (в течение ~ 18 мин) упрочняющая их обработка шарами с периодом между обработками ~ 20 сут. Проведение упрочняющей обработки с такой периодичностью позволит продлить срок непрерывной службы футеровочных плит до 1,6 года.

5.2 Технология упрочнения металлической футеровки шаровых мельниц в процессе их технического обслуживания и ремонта Для обеспечения работоспособности используемые на ОАО «Апатит»

шаровые мельницы подвергаются в процессе эксплуатации непрерывному техническому обслуживанию и периодическим ремонтам, проводимым с остановкой мельницы.

Ремонты подразделяются на текущие, проводимые через 1440 часов (60 дней) эксплуатации мельницы, продолжительностью 84 часа каждый и капитальные, которые проводятся через 8640 часов (360 дней) непрерывной работы шаровой мельницы, продолжительностью 384 часа каждый.

Текущий ремонт включает в себя проверку гидравлической и механической систем шаровой мельницы, подтяжку болтовых соединений, проверку и смазку зубчатого зацепления, проверку подшипников скольжения, замену изношенных и поврежденных сегментов футеровки.

Капитальный ремонт включает в себя мероприятия текущего ремонта, а также замену футеровки, баббитовых вкладышей подшипников скольжения, зубчатого венца, вал-шестерни в зависимости от величины их износа.

Для уменьшения массы и пускового момента на электрическом двигателе при его последующем запуске перед проведением как капитального, так и текущего ремонтов мельницу разгружают от породы. Разгрузка осуществляется следующим образом: за 20 минут до остановки прекращают загрузку породы в барабан мельницы при непрекращающейся подаче воды, за счет чего порода постепенно вымывается из барабана.

Режим запуска мельницы зависит от вида проводимой ремонтной операции.

Если проводился текущий ремонт, то после запуска и выхода мельницы на рабочую частоту вращения в нее сразу начинают подавать смесь породы с водой (пульпу). В случае капитального ремонта с заменой футеровки мельница запускается и работает без породы в течение ~30 минут. Такая операция называется «подбивкой» [84] и предназначена для проверки болтовых соединений футеровки с корпусом барабана мельницы. После этого мельница останавливается для подтяжки ослабших болтовых соединений и вновь запускается. После выхода скорости вращения мельницы на рабочую частоту в не начинают подавать измельчаемую горную породу с водой.

Как было установлено в гл. 2, для осуществления эффективного наклепа футеровки требуется:

- максимально возможное освобождение барабана мельницы от породы;

- обеспечение коэффициента загрузки шарами на уровне 30%;

- обеспечение скорости вращения барабана во время упрочняющей обработки на уровне ~ 14,2 мин-1;

- проведение упрочняющей обработки в течение 18 минут;

- упрочняющую обработку проводить через каждые 20 суток.

Сопоставляя выдвигаемые условия обработки с планограммой технического обслуживания и ремонта шаровых мельниц, логично было заключить, что часть упрочняющих обработок необходимо совместить с проведением текущего ремонта (через 60 суток), а остальные недостающие обработки (по 2 через 20 дней) проводить между указанными ремонтами, прерывая работу мельницы на время упрочняющей операции. Время проведения обработки (~18 минут) не окажет существенного влияния на производительность мельницы.

Циклограмма работы мельницы МШЦ 5500х6500 с учетом предлагаемых режимов упрочняющей обработки представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Существующая (а) и предлагаемая (б) планограммы технического обслуживания и ремонта шаровой мельницы МШЦ 5500х6500 на ОАО «Апатит» ( – текущий ремонт, – начало и окончание капитального ремонта, – упрочняющая обработка) Таким образом, внедрение упрочняющих обработок в технологию обслуживания и ремонта шаровых мельниц МШЦ 5500х6500 позволит продлить период между заменами футеровки с 393,5 до 627 суток, т. е. в 1,6 раза. В течение этого времени потребуется провести 29 упрочняющих обработок, 9 из которых предлагается проводить во время текущих ремонтов, а 20 - между указанными ремонтами, прерывая работу мельницы на время упрочняющей операции.

Обработку предлагается проводить по следующей схеме:

- за 20 минут до момента остановки мельницы прекратить загрузку породы в барабан при непрекращающейся подаче воды, за счет чего освободить барабан от породы;

- остановить барабан и слить из него воду;

- поскольку коэффициент загрузки шарами раб использующихся шаровых мельниц (например, для мельницы МШЦ 5500х6500 раб = 42%) существенно выше, чем требуется для осуществления эффективного наклепа (упр ~ 30%), излишние шары из барабана удалить через боковое отверстие барабана мельницы;

- включить электрический двигатель привода мельницы и осуществить вращение барабана с оставшимися шарами со скоростью ~14,2 мин-1 в течение ~ 18 минут.

После проведения обработки недостающие до рабочего уровня раб шары загрузить в барабан и мельница готова к работе.

упрочняющей обработки, а также загрузку недостающих шаров, может быть оценено в 2 часа.

Выгрузка излишних для обработки шаров Nизл и их последующая загрузка до рабочего уровня может быть проведена с использованием крана с магнитной шайбой, имеющегося на предприятии ОАО «Апатит». Количество указанных шаров может быть рассчитано из соотношения где – Nраб количество шаров в барабане при рабочей загрузке.

В случае использования мельниц, снабженных весами, контроль величины выгрузки-загрузки излишних шаров может осуществляться по этим весам.

(Указанные конструкции мельниц с весами используются, например, на обогатительных фабриках ОАО «Карельский окатыш»).

Сопоставляя необходимую для упрочняющей обработки частоту вращения барабана (14,2 мин-1) с его рабочей частотой в мельнице МШЦ 5500х (n = 13,95 мин-1), можно отметить их практическое совпадение. По этой причине упрочняющую обработку для мельницы МШЦ 5500х6500 предлагается проводить при рабочей частоте вращения барабана. В случае других мельниц, у которых рабочая частота вращения барабана существенно отличается от требуемой для упрочняющей обработки, то для ее регулирования может быть применен частотный преобразователь, устанавливаемый на электрический двигатель привода мельницы.

Необходимо отметить, что, как показывают проведенные прочностные расчеты, работа мельницы в разработанном упрочняющем режиме не приведет к снижению работоспособности ее основных узлов. Такой вывод подтверждается многолетней практикой проведения операции «подбивки», осуществляемой после капитального ремонта на мельницах, работающих с полной шаровой загрузкой без породы в течение времени, превышающем время, необходимое для упрочняющей обработки.

В соответствии с расчетами, проведенными для условий ОАО «Апатит», внедрение предлагаемого способа упрочнения в технологический цикл работы и ремонта шаровых мельниц за 10 лет эксплуатации мельницы при практическом отсутствии капитальных затрат позволит:

- за счет уменьшения числа циклов демонтажа и монтажа футеровки (с 9 до 5) повысить срок работы мельницы на 1360 часов (~ 57 суток), - сократить на ~ 1,5 млн. руб. затраты на заработную плату персоналу, занятому в проведении плановых ремонтов, - сэкономить ~ 2,0 млн. руб. за счет количества закупаемых комплектов футеровок (5 вместо 9 при цене 1 комплекта ~ 0,5 млн. руб.).

1. Рассчитано время (~ 20 суток) допустимой эксплуатации мельницы между упрочняющими обработками, в течении которого изнашивание наклепанного слоя не приведет к заметному снижению износостойкости материала футеровки.

2. Из сопоставления разработанных параметров упрочняющей обработки с планограммой технического обслуживания и ремонта шаровых мельниц МШЦ 5500х6500 на ОАО «Апатит» сделан вывод, что треть упрочняющих обработок необходимо совместить со временем проведения текущих ремонтов, а остальные проводить между указанными ремонтами, прерывая работу мельницы на время упрочняющей операции.

3. По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана технология поверхностного упрочнения футеровок шаровых мельниц путем их ударной обработки шарами в процессе технического обслуживания и ремонта мельниц, применение которой позволит в 1,6 раза увеличить срок службы футеровок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований решена задача повышения износостойкости материала футеровки шаровых мельниц упрочняющей обработкой е поверхностного слоя шарами, проводимой в процессе технического обслуживания мельниц, что вносит существенный вклад в повышение эффективности измельчения руды.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Определена зависимость вида HВ = A·x повышения твердости поверхностного слоя дна отпечатка, образующегося в результате ударного воздействия шаров на металлическую поверхность футеровки шаровой мельницы, от степени пластической деформации ее металла.

2. Установлен эффект положительного влияния наклепа поверхностного слоя материала футеровок шаровых мельниц стали 110Г13Л на скорость его ударно-абразивного изнашивания об апатито-нефелиновую руду.

3. Определены значения рациональных параметров работы мельницы МШЦ 5500х6500 в режиме упрочняющей обработки: частота вращения барабана n = 0,24 с -1; коэффициент загрузки шарами ~30%, время обработки 18 минут, при котором приращение твердости материала футеровки достигает максимального значения (3550 МПа).

4. Экспериментально установлено, что упрочнение поверхностного слоя футеровки в предлагаемом режиме повышает его износостойкость при измельчении апатито-нефелиновой руды в мельнице в 1,6 раза.

5. Включение предлагаемого режима упрочнения в график технического обслуживания шаровых мельниц на ОАО «Апатит» за 10 лет эксплуатации мельницы приведет к:

- увеличению срока службы футеровки мельницы на 1360 часов (57 суток);

- сокращению на 1,5 млн. руб. затрат на заработную плату;

- снижению затрат на закупку расходных материалов на 2,0 млн. руб.

6. Результаты диссертационной работы планируются к внедрению на предприятии ОАО «Апатит».

7. Результаты работы рекомендованы к использованию в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Технологические машины и оборудование» и инженеров по направлению «Горное дело» специализации «Горные машины и оборудование».

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

a – константа пластичности;

а0, n - постоянные Майера, характеризующая материал пластины в статических условиях;

а0 дин, nдин – постоянные Майера, характеризующие материал пластины в динамических условиях;

C – центробежная сила, Н;

Dш – диаметр мелющего шара, м;

D – диаметр шарика вдавливаемого в испытываемый материал, м;

Dм – внутренний диаметр барабана шаровой мельницы, м;

d - диаметр сферической вмятины, м;

dм - диаметр сферической вмятины после многократного воздействия шара, м;

EОТ – энергия упругого отскока бойка, Дж;

EП – потенциальная энергия бойка, Дж;

EУ – энергия удара, Дж;

E, E1 – модули упругости шара и обрабатываемого материала, МПа;

F – площадь проекции отпечатка, м2;

F – площадь контакта породы с футеровкой, принимающей ударное воздействие мелющего шара, м2;

F1 – площадь торцевой поверхности наклепанного образца, м2;

F0 - площадь сечения заготовки до прокатки (сжатия), м2;

Fk - площадь сечения заготовки после прокатки (сжатия), м2;

Fоб – площадь контакта образца с абразивной массой при ударе, м 2;

G – сила тяжести, Н;

g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;

Н – высота падения шаров внешнего слоя на футеровку, м;

НД - динамическая твердость материала пластины, МПа;

h – глубина наклепанного слоя, м;

h1 – глубина сферической вмятины, м;

h – глубина залегания остаточных напряжений сжатия, м;

hдоп – допустимая толщина наклепанного слоя, которая может быть подвергнута истиранию в процессе работы мельницы, м hоб – высота падения груза с образцом до соприкосновения с абразивной массой, I – величина износа, кг;

K – параметр, характеризующий траектории движения шаров разных слоев;

K – коэффициент перехода от статических к динамическим условиям вдавливания;

Kосл – коэффициент ослабления удара;

L – длина дуги окружности, на которой находятся шары внешнего слоя, м;

M – масса шара, кг;

M - площадь поверхности отпечатка после вдавливания шара, м2;

M'- площадь поверхности полусферы шара, м2;

m – константа пластичности;

m – суммарная масса груза и образца в экспериментах, кг;

N – радиальная составляющая силы тяжести, Н;

N – количество шаров во внешнем шаровом слое, шт.;

N - количество часов в году, ч;

Nуд - количество ударов по футеровке;

n - частота вращения барабана, мин-1;

nкр – критическая частота вращения барабана, мин-1;

P, P1 – усилие, Н;

Pк – максимально допустимые удельные давления на контактной площадке, МПа;

Pср – сила сжатия пружины, Н;

R – радиус барабана шаровой мельницы, м;

Ra – параметр шероховатости, мкм;

Rвсш – радиус окружности внешнего слоя шаров, м;

Rш – радиус мелющих шаров, м;

Rф – радиус углублений между «волнами» футеровки, м;

T – тангенциальная составляющая силы тяжести, Н;

t – продолжительность ударно-эрозионных испытаний, мин (с);

ti - время между ударами по футеровке одного и того же шара, с;

t – время упрочняющей обработки, мин;

tизн - время, в течение которого упрочненная футеровка износится на допустимую величину, ч;

v - скорость движения шара в момент удара о футеровку, м/с;

v0лин, v0лин упр – линейная скорость изнашивания исходных и упрочненных образцов, м/ч;

vрасч, vрасч упр – линейная скорость изнашивания исходных и упрочненных образцов приведенная к условиям работы футеровки, м/ч;

v0, vупр – массовая скорость ударно-абразивного изнашивания исходных и упрочненных образцов, кг/м2·ч;

vш - линейная скорость движения внешнего слоя шаров по круговой траектории, м/с;

vэкспл – скорость изнашивания футеровок шаровых мельниц, м/ч;

– скорость изнашивания футеровок шаровых мельниц после vэкспл упр упрочняющей обработки, м/ч;

X – ход бойка, м.

– угол отрыва шара, градус;

– относительная деформация, %;

m – суммарная убыль относительной массы, кг/м2;

– толщина, м;

– степень пластической деформации, %;

– относительная износостойкость, кг-1;

, 1 – коэффициенты Пуассона шара и материала;

– частота ударов в экспериментах по ударно-абразивному изнашиванию, мин-1;

- плотность материала, кг/м3;

– напряжение, МПа;

-1 (R) – предел выносливости для симметричного и не симметричного цикла нагружения, МПа;

В – предел прочности, МПа;

Т – предел текучести материала, МПа;

ОСТ – остаточные напряжения, МПа;

– коэффициент заполнения мельницы шарами, %;

– относительная частота вращения мельницы, %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

обогащению: Учебник / Е.Е. Андреев, О.Н. Тихонов. – СПб: СПГГИ (ТУ), 2007.

– 439 с.

Андреев, С.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых / C.Е.Андреев, В.В.Зверевич, В.А.Перов. – М.: Недра, 1966. – 396 с.

3. Солод, Г.И. Повышение долговечности горных машин / Г.И. Солод, К.И. Шахова, В.И. Русихин. – М.: Машиностроение, 1979. – 184 с.

4. Зимин, А.И. Повышение износостойкости молотковых мельниц и дробилок / А.И. Зимин, В.П. Шабанов, Б.В. Фаддеев – Свердловск: Б.и., 1982. – 57 с.

5. Барон, Л.И. Абразивность горных пород при добывании. / Л.И. Барон, А.В. Кузнецов. – М.: изд. АН СССР, 1961. – 168 с.

6. Хрущов, М.М. Трение, износ и микротвердость материалов: Избранные работы (к 120-летию со дня рождения) / Отв. ред. И.Г. Горячева; Предисл.

И.Г. Горячевой; Вступ. ст. И.А. Буяновского, М.М. Хрущова (мл.). – М.:

КРАСАНД, 2012. – 512 с.

7. Хрущов, М.М. Исследования изнашивания металлов. /М.М. Хрущов, М.А. Бабичев. – М.: изд-во АН СССР, 1960. – 352 с.

Износостойкость. М.: изд-во «Наука», 1975. – 192 с.

9. Тененбаум, М.М. Износостойкость деталей и долговечность горных машин. – М.: ГН-ТИЛ по ГД, 1960. – 247 с.

10. Тененбаум, М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании. М., изд. «Машиностроение», 1966.

– 320 с.

горнодобывающей техники: дис. … канд. тех. наук: 05.16.01/Сердитов Антон Евгеньевич. – СПб, 2008. – 141 с.

12. Маляров, П.В. Основы интенсификации процессов рудоподготовки:

Монография. – Ростов-на-Дону: ООО «Ростиздат», 2004. – 320 с.

ископаемых: Учеб. пособие для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. / В.А.Перов, Е.Е.Андреев, Л.Ф.Биленко. М.: Недра, 1990. – 301 с.

14. Олевский, В.А. Размольное оборудование обогатительных фабрик. М.:

Госгортехиздат, 1963. – 447 с.

15. Крюков, Д.К. Футеровки шаровых мельниц. М.: Машиностроение, 1965.

– 184 с.

измельчения и износа в шаровой мельницы / И.Ф. Дун, В.А. Цукерман // Обогащение руд. – 1974. – № 3. – С. 30-35.

17. Пенкин, Н.С. Повышение износостойкости горно-обогатительного оборудования / Н.С. Пенкин. – М.: Недра, 1992. – 265 с.

18. Пенкин, Н.С. Гуммированные детали машин / Н.С. Пенкин. – М.:

Машиностроение, 1977. – 200 с.

19. Beebe, R.R. Rubber Versus steel in Ball mill Liners / R.R. Beebe, К.Е. Merklin // Mining Congress Journal. – 1969. – vol. 55, № 12. – P. 54-58.

20. Diel Costa, W. Design as peets of rubber mill linings / W. Diel Costa, G.A. Criffinths // Can. Mining J. – 1970, – № 6. – P. 76-79.

21. Tord Andren. Appraisal of the use of Rubber Linings in grinding mills / Tord Andren, Gustav Nilsson // London: Tenth International Mineral. Prognosing Congress.

– 1973. – P. 47.

22. Арефьев, В.А. Увеличение срока службы деталей мельницы и дробилок / В.А. Арефьев // Цемент. – 1965. – № 2. – С. 14-15.

23. Барышев, Н.П. Повышение износостойкости футеровки загрузочной части шаровой мельницы / Н.П. Барышев и др. // Горный журнал. – 1970. – № 5. – С. 74-75.

24. Быков, В.И. Сроки службы футеровок барабанных мельниц / В.И. Быков, А.Г. Дербас // Бюллетень, ЦНИИЧМ. – 1969. – № 6. – С. 27-29.

25. Данилов, Л.И. Промышленные испытания унифицированной футеровки шаровых мельниц / Л.И. Данилов и др. // Обогащение руд. – 1973. – № 4. – С. 17Егерман, У.Ф. Ремонт и замена брони шаровых мельниц / Х.Ф. Егерман // Энергетик. – 1960. – № 4. – 35 c.

27. Зеленов, Н.И. Промышленные испытания резиновой футеровки шаровой мельницы / Н.И. Зеленов, Н.И. Просвиряков, Ю.А. Рухлов // Горный журнал. – 1970. – № 8. – С. 50-52.

28. Сафрай, В.А. Унификация футеровок шаровых мельниц / В.А. Сафрай, Н.Ф. Дун, Н.В. Белевич // Цветная металлургия. – 1970. – № 21. – С. 16-23.

29. Хватов, Ю.А. Новые износостойкие профили футеровочных плит рудоразмольных мельниц / Ю.А. Хватов, Д.М. Виленкин, С. А. Княжицкий // Горный журнал. – 1963. – № 12. – С. 31-35.

30. Саверин, М.М. Дробеструйный наклеп. М.: Машгиз, 1955. – 312 с.

31. Ткачев, В.Н. Методы повышения долговечности деталей машин. / В.Н.Ткачев, Б.М.Фиштейн, В.Д.Власенко, В.А.Уланов. М.: Машиностроение, 1971. – 272 с.

32. Одинцов, Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с.

Г.М. Сорокин, А.Ю. Албагачиев. – М.: Машиностроение, 1982. – 192 с.

34. Львов, П.Н. Износостойкость деталей строительных и дорожных машин.

– М.: Машгиз, 1962. – 89 с.

35. Пат. 2451591 Российская Федерация, МПК B24C1/10. Способ поверхностного упрочнения стальных футеровок шаровых мельниц [Текст] / Болобов В.И., Бочков В.С., Баталов А.П., Бойцов Ю.П.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «СПГГИ им. Г.В. Плеханова (ТУ)». заявл. 09.08.10; Опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15 – 4 с.

36. Болобов, В.И. Обоснование возможности эффективного наклепа стали Гадфильда в условиях работы футеровок шаровых мельниц. / В.И. Болобов, В.С. Бочков, А.П. Баталов // Горное оборудование и электромеханика. – 2012. – №1. – С. 38-42.

37. Болобов, В.И. О возможности эффективного наклепа стали Гадфильда в условиях работы футеровок шаровых мельниц. / В.И. Болобов, В.С. Бочков, А.П.

Баталов, Ю.П. Бойцов // Записки Горного института. – 2012. – т. 196. – С. 226-230.

38. Дэвис, Э.В. Тонкое измельчение в шаровых мельницах: сборник института «Механобр». Теория и практика дробления и тонкого измельчения / Э.В. Дэвис. – М.: Гостехиздат, 1932. – С. 194-234.

39. Левенсон, Л.Б. Дробление и грохочение полезных ископаемых / Л.Б. Левенсон, Г.И. Прейгерзон. – М.: Гостехиздат, 1940 – 771 с.

40. Олевский, В.А. Наивыгоднейший размер шаров для шаровых мельниц / В.А. Олевский // Горный журнал. – 1948. – № 1. – С. 30-33.

41. Олевский, В.А. Размольное оборудование обогатительных фабрик / В.А. Олевский. – М.: Недра, 1963. – 447 с.

42. Олевский, В.А. Графические методы определения производительности шаровых мельниц / В.А. Олевский // Обогащение руд. – 1964. – № 2. – С. 37-44.

43. Таггарт, А.Ф. Справочник по обогащению полезных ископаемых / А.Ф. Таггарт. – М.: Металлургиздат, 1950. – 2 т. – 955 с.

44. Таггарт, А.Ф. Основы обогащения / А.Ф. Таггарт. – М.: Металлургиздат, 1958. – 566 с.

З.Б. Канторович. – М.: ОНТИ, 1937. – 178 с.

46. Андреев, С.Е. Закономерности измельчения и исчисления характеристик гранулометрического состава / С.Е. Андреев и др. – М.: Металлургиздат, 1959. – 437 с.

47. Андреев, С.Е. Законы дробления // Горный журнал. – 1952. – №7. – С. 36-38.

48. Жуде, Э.К. Измельчение при каскадном режиме работы шаровой мельницы / Э.К. Жуде, В.А. Перов // Горный журнал. – 1965. – № 4. – С. 60-61.

49. Загустин, A.M. Теория измельчения в шаровой мельнице: сборник института «Механобр» / A.M. Загустин. – JI., 1985. – 245 с.

50. Казеннов, М.Н. Измельчение и классификация руд цветных металлов (Обзор материалов Всесоюз. школы по обмену опытом измельчения и классификации руд на обогат. Фабриках предприятий цвет. металлургии) / М.Н. Казенов, В.П. Яшин. – М.: Металлургиздат, 1963. – 140 с.

51. Перов, В.А. Измельчение руд / В.А. Перов, В.Ю. Бранд. – М.:

Металлургиздат, 1950. – 220 c.

52. Рыжов, А.В. Об условиях устойчивого режима работы дробящей загрузки в шаровой мельнице / А.В. Рыжов, A.M. Иванов, М.Н. Гайворонский // Химическое и нефтяное машиностроение. – 1968. – № 6. – С. 10-15.

53. Хуки, Р.Т. Новые закономерности тонкого измельчения / Р.Т. Хукки // Цветные металлы. – 1958. – № 10. – С. 3-16.

производительность / В.В. Яшин, В.А. Туманян, Л.Ф. Беленко // Обогащение руд.

– 1973. – № 3. – С. 17-19.

55. Dunn, D.J. Build a better mill liner / David Dunn // Mining Year Book. – Denver, Colo, 1973. – Pp. 29-30.

56. Андреев, С.Е. Наивыгоднейшее число оборотов шаровой мельницы / С.Е. Андреев // Горный журнал. – 1964. – №10. – С. 44-49.

57. Крюков, Д.К. Усовершенствование размольного оборудования горнообогатительных предприятий / Д.К. Крюков. – М.: «Недра», 1966. – 174 с.

58. Михельсон, Н.Г. Требование к материалу футеровки барабана мельницы / Н.Г. Михельсон // Цветные металлы. – 1972. – № 11. – С. 74-78.

59. Тененбаум, М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании / М.М. Тененбаум. – М.:

Машиностроение, 1966. – 331 c.

60. Болобов, В.И. О возможности повышения износостойкости стали Гадфильда наклепом в условиях работы футеровок шаровых мельниц. / В.И. Болобов, В.С. Бочков // Современные проблемы машиностроения: труды VI Международной научно-технической конференции / Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета. – 2011. – С. 42-46.

61. Болобов, В.И. О целесообразности изготовления зубьев ковшей экскаваторов из стали 110Г13Л / В.И. Болобов, В.С. Бочков, Ю.В. Лыков, А.П.

Баталов // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решеия: Труды 10-ой международной научно-практической конференции 11-13 апреля 2012 г. / Воркутинский горный институт (филиал) ФГБ ОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». – Воркута. – 2012. – С. 319-322.

62. Марганцовистая сталь. Пер. с англ. Б.А. Белоуса под ред. М.Е. Блантера.

М.: Металлургиздат, 1959. – 94 с.

63. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко – М.:

Машиностроение, 2003. – 784 с.

64. Натчук, А.И. Износ обкатанных поверхностей / А.И. Натчук // Упрочнение деталей машин механическим наклепыванием. – М.: Наука, 1965 – С. 151-156.

65. Солнцев, Ю.П. Металловедение и технология металлов: Учебник для вузов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демянцевич. – М.: Металлургия, 1988. – 512 с.

66. Дерягин, Г.А. Упрочнение наклепом замковой части турбинных лопаток / Г.А. Дерягин // Упрочнение деталей машин механическим наклепыванием. – М.:

Наука. – 1965. – С. 93-99.

67. Жук, Е.И. Обкатка коленчатых валов вибрирующими роликами / Е.И. Жук // Упрочнение деталей машин механическим наклепыванием. – М.:

Наука. – 1965 – С. 204-205.

68. Виноградов, В.Н. Ударно-абразивный износ буровых долот / В.Н. Виноградов, Г.К. Шрейбер, Г.М. Сорокин – М.: Недра, 1975. – 166 с.

69. Кудрявцев, И.В. Влияние кривизны соприкосающихся поверхностей на глубину пластической деформации при упрочнении деталей поверхностным наклепом / И.В.Кудрявцев, Г.Е.Петушков // Повышение прочности деталей машин поверхностным деформированием: материалы II научно-технической конференции. Пермский политехнический институт. Пермь. – 1967. – С 40-52.

70. Гуляев, А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. / А.П. Гуляев – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.

71. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник том I. Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. – М.: ГН-ТИЛ по Ч и ЦМ, 1961. – 747 с.

72. Саверин, М.М. Дробеструйный наклеп / М.М. Саверин. – М.: Машгиз, 1955. – 312 с.

Н.А. Шапошников. – М.-Л.: Машгиз, 1954. – 443 с.

74. Третьяков, А.В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / А.В. Третьяков, В.И. Зюзин. – М.: Металлургия, 1973. – 224 с.

75. Третьяков, А.В. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. Справочник / А.В. Третьяков, Г.К. Трофимов, М.К. Гурьянова. – М.: Машиностроение, 1971. – 250 с.

76. Марковец, М.П. Построение диаграмм истинных напряжений по твердости и технологической пробе / М.П. Марковец // ЖТФ. – 1949. – Т. XIX, вып. 3. – С. 371- 77. Матюнин, В.М. Деформационные характеристики и константы материалов при испытаниях ступенчатым и непрерывным вдавливанием индентора / В.М. Матюнин // Заводская лаборатория. – 1992. – № 11. – С. 56- 78. Матюнин, В.М. Оперативная диагностика механических свойств конструкционных материалов / В.М. Матюнин – М.: Издательский дом МЭИ, 2006. – 216 с.

79. Кац, Р.З. Упрочнение стали Г13Л взрывом / Р.З. Кац, Ф.П. Заманская, М.В. Генце, В.П. Хорошко, С.Т. Кашкина // Вестник машиностроения. – 1966. – №3 – С. 67-69.

80. Виноградов, В.Н. Износостойкость сталей и сплавов: Учебное пособие для вузов. / В.Н. Виноградов, Г.М. Сорокин – М.: Нефть и газ, 1994. – 417 с.

81. Бетехтин, А.Г. Курс минералогии. – М.: Государственное Издательство геологической литературы, 1951. – 542 с.

82. Еременко, М.Н. Применение методов рентгеновской микротомографии для определения пористости в керне скважин [Электронный ресурс] / М.Н. Еременко, Ю.А. Муравьева // Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2012. – Т.7. – №3. – Режим доступа: http://www.ngtp.ru/rub/2/35_2012.pdf.

83. Воробьева, Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е пер. и доп. / Г.Я. Воробьева – М.:

«Химия», 1975. – 816 с.

84. Горбачевский, В.В. Эксплуатация и ремонт шаровых барабанных мельниц. – Киев, 1967. – 40 с.