автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение износостойкости наклепом футеровок шаровых мельниц при проведении их технического обслуживания

005552097

На правах рукописи

БОЧКОВ Владимир Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОИКОСТИ НАКЛЕПОМ ФУТЕРОВОК ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005552097

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Болобов Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

Лагунова Юлия Андреевна - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», кафедра горных машин и комплексов, профессор

Казаков Сергей Владимирович - кандидат технических наук, НПК «Механобр-техника» (ЗАО), научно-конструкторская служба, старший инженер-конструктор

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Защита состоится 24 июня 2014 г. в 12 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 24 апреля 2014 г.

диссертационного совета

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

Андрей Сергеевич

ФОКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Дробление и измельчение руд - одна из наиболее энергоемких и дорогостоящих операций. На горнообогатительных фабриках общие 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 мелющих тел и футеровки достигают стоимости энергетических затрат, а иногда и превышают их. Такой высокий расход материалов обогатительного оборудования объясняется их интенсивным износом об абразивные горные породы в процессе дробления и измельчения.

Ежегодно на воспроизводство изношенных деталей горнообогатительного оборудования расходуется более 4 млн. т. металла или более 2,5 % от его производства в России.

Поэтому разработка рациональных и обоснованных решений по повышению ресурса быстро изнашиваемых элементов горнообогатительного оборудования является важной научной и практической задачей.

Степень научной разработанности темы исследования. Вопросами увеличения срока службы быстро изнашиваемых элементов горных машин и обогатительного оборудования, в том числе и футеро-вок (брони) шаровых мельниц, занимались Солод Г.И., Зимин А.И., Андреев Е.Е., Андреев С.Е., Маляров П.В., ПеровВ.А., Олевский В.А., Крюков Д.К., Дун И.Ф. и др. В результате проведенных ими исследований были предложены различные пути снижения скорости износа футе-ровок, такие как:

- применение вместо традиционно используемого материала футеровки - стали 110Г13Л других более износостойких металлических материалов, например, белых износостойких чугунов;

- замена металлической брони на футеровку из других материалов;

- оптимизация геометрии футеровки с целью предотвращения проскальзывания по ее поверхности руды и др.

Тем не менее, как показывает практика эксплуатации, разработанные рекомендации не всегда применимы. По этим и другим причинам срок службы применяемых в настоящее время футеровок шаровых мельниц на большинстве горно-обогатительных фабрик все еще невелик. Так, срок службы футеровки шаровой мельницы МШЦ 5500x6500 (материал футеровки сталь 1 ЮГ 13Л) - основного вида измельчительного оборудования на предприятии ОАО «Апатит» - составляет всего около 1 года. С учетом того, что масса одного сегмента футеровки ~360 кг, понятно, что замена всей футеровки представляет собой трудоемкий и дорогостоящий процесс.

В связи с этим исследования, направленные на повышение срока службы футеровок шаровых мельниц, остаются по-прежнему актуальными.

Цель исследования: повышение износостойкости футеровок шаровых мельниц на основе установления закономерностей изменения 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 ударно-абразивного изнашивания в процессе измельчения апатито-нефелиновой руды в шаровых мельницах.

Задачи исследования:

анализ параметров работы шаровой мельницы МШЦ 5500х6500 в стационарном режиме измельчения апатито-нефелиновой руды и вида дефектов изношенных футеровок на предприятии ОАО «Апатит» для определения 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.

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

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

Защищаемые научные положения:

1. Приращение твердости материала поверхностного слоя футеровки (стали 1 ЮГ 13Л) шаровых мельниц, возникающее в результате последовательных ударных воздействий шаров, зависит от степени деформации е её поверхностного слоя в соответствии с уравнением вида АНВ=Ае', в котором А их- константы, характеризующие свойства материала футеровки. При работе мельницы МШЦ 5500x6500 в режиме упрочняющей обработки - частоте вращения барабана п = 0,24 с"1, коэффициенте загрузки шарами ср=30 %, времени обработки 18 минут, значение е 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 5500x6500, 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.

Научная новизна:

- установлена зависимость вида АНВ = Аех повышения твердости АНВ металлической поверхности дна отпечатка, образующегося в ре-

зультате ударного воздействия шаров, от степени пластической деформации металла е;

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

Соответствие паспорту специальности.

Работа посвящена повышению ресурса футеровок шаровых мельниц, как элементов оборудования горно-обогатительных предприятий, и соответствует п. 5 области исследований «Повышение долговечности горных машин и оборудования».

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

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 способ упрочнения поверхностного слоя стальных футеровок шаровых мельниц, который осуществляется наклепом футеровки шарами без ее демонтажа и извлечения из мельницы;

- определены 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 доя моделирования процесса ударно-абразивного изнашивания футеровок шаровых мельниц и изучения влияния наклепа на износостойкость;

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

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Всероссийской конференции «Изобретатели в ин-

новационном процессе России», г. Санкт-Петербург, 2013 г.; международной конференции «Научные доклады по проблемам недропользования» Фрайбергская горная академия, г. Фрайберг, Германия, 2012 г.; 10-й международной научно-практической конференции: «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», г. Воркута, 2011 г и др.

Личный вклад автора. Проведен анализ научно-исследовательских работ по теме диссертации. На предприятии ОАО «Апатит» изучена техническая документация на шаровые мельницы, проанализирован вид износа футеровок и проведены измерения твердости их поверхностного слоя. Сформулированы научные положения, разработана методика ударно-абразивных испытаний материалов, проведены эксперименты по изучению влияния наклепа на износостойкость материала футеровки.

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

Объем и структура диссертации. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность выбранной темы.

В первой главе проанализированы режимы работы шаровых мельниц, конструкции используемых футеровок, возможные виды их износа, влияние наклепа на износостойкость металлических материалов при том или ином виде эрозионного разрушения.

Во второй главе описан способ поверхностного упрочнения футеровки шарами в процессе работы мельницы в режиме упрочняющей обработки. Определены частота вращения барабана и коэффициент загрузки шарами, при которых упрочняющая обработка наиболее эффективна. Приведена методика расчета глубины наклепанного слоя и поверхностной твердости в результате многократного ударного воздействия шаров на футеровку.

Третья глава посвящена анализу существующих методик и разработке экспериментального стенда по изучению закономерностей удар-

но-абразивного изнашивания материалов о горные породы. Приводится методика испытаний исходных и наклепанных металлических образцов в условиях, моделирующих изнашивание футеровок при работе шаровых мельниц.

В четвертой главе приведены результаты ударно-абразивных испытаний по апатито-нефелиновой руде образцов, изготовленных из фрагмента футеровки, в том числе и подвергнутых предварительному наклепу. Показано, что наклеп образцов до значений твердости, достигаемой в результате предлагаемой упрочняющей обработки, приводит к существенному (в 1,6 раза) снижению скорости их ударно-абразивного изнашивания.

В пятой главе изложена методика расчета времени допустимой эксплуатации мельницы между упрочняющими обработками. Предложена технология упрочнения металлической футеровки в процессе технического обслуживания шаровых мельниц. Приведены результаты расчета экономического эффекта от внедрения разработанного способа упрочнения.

В заключении приведены основные выводы и рекомендации.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Приращение твердости материала поверхностного слоя футеровки (стали 110Г13Л) шаровых мельниц, возникающее в результате последовательных ударных воздействий шаров, зависит от степени деформации г её поверхностного слоя в соответствии с уравнением вида АНВ=А^, в котором Аид:- константы, характеризующие свойства материала футеровки. При работе мельницы МШЦ 5500x6500 в режиме упрочняющей обработки - частоте вращения барабана п = 0,24 с"1, коэффициенте загрузки шарами ф=30 %, времени обработки 18 минут, значение £ составляет =2 %, а твердость поверхностного слоя футеровки в результате обработки возрастает в 1,25 раза.

По результатам анализа условий эксплуатации и вида дефектов изношенных футеровок (рисунок 1) сделан вывод, что в процессе работы шаровой мельницы МШЦ 5500x6500 на ОАО «Апатит» преобладающим видом изнашивания футеровок является ударно-абразивный, при котором наклеп их поверхностного слоя способен привести к снижению скорости изнашивания.

Исходя из положений теории Дэвиса о закономерностях движения шаровой загрузки были установлены значения рациональных параметров работы мельницы МШЦ 5500x6500 в режиме упрочняющей обработки: частота вращения барабана п = 0,15-пкр = 0,24 с"1, коэффициент загрузки шарами ср^ -30 %, при которых упрочняющая обработка наиболее эффективна (рисунок 2). При таких параметрах шары внешнего слоя загрузки будут падать по нормали к касательной поверхности барабана и воздействовать не на лежащие внизу шары, а непосредственно на футеровку.

Рисунок 1 - Вид поверхности изношенной футеровки шаровой мельницы с ОАО «Апатит»

Рисунок 2 - Рациональная траектория движения шаров в мельнице для наиболее эффективного наклепа футеровки

Полученная частота вращения барабана при упрочняющей обработке практически совпала с номинальной (0,23 с"1) для стационарного режима работы мельницы, в то время как необходимый коэффициент загрузки шарами оказался значительно меньшим, чем используемый в мельнице (фр,6= 42 %).

Так как профиль использующейся в мельнице МШЦ 5500x6500 футеровки имеет волнистую траекторию, для различных ее точек были рассчитаны нормальные составляющие V,, скорости шара в момент удара (рисунок 3), среднее значение из которых (уср = 8,1 м/с) было использовано в расчетах.

Рисунок 3 - Схема взаимодействия шара (/) с поверхностью футеровки (2) при работе мельницы в упрочняющем режиме

Были определены диаметр d и глубина h отпечатка, образующегося на футеровочной плите из стали 110Г13Л с твердостью НВ0 в результате падения по нормали шара диаметром Д„ = 0,1 м (диаметр шаров, используемых в мельнице) из более твердого материала со скоростью vcp. Расчет проведен по формулам

М.М. Саверина ___

d = 2 • £>ш • 4/(р/6) • (vi /Ня), h = £>ш • уф • 7(р/6) • (1/Яд),

где р - плотность, кг/м3; Яд = 4-Pln-d2 = 4-a0„Jn - динамическая твердость материала пластины, не зависящая от величины энергии удара и диаметра шара, МПа; Р - усилие, с которым по пластине наносится удар, Н; а0д„„ - постоянная Майера, характеризующая материал пластины, МПа.

Значение а0л1Ш было установлено исходя из твердости НВ0 = 2800 МПа (среднее значение HB поверхности изношенных футеро-вок после их эксплуатации на фабрике АНОФ-3 ОАО «Апатит») и величин постоянных Майера (а0 = 2650 МПа, п =2,15) для стали 110Г13Л при статическом вдавливании в нее шарика, а также данных Шапошникова H.A. о соотношении а0 для сталей в статических и динамических условиях. В результате этого значение а0дин было оценено в 4310 МПа, величина Яд - в 5490 МПа, а диаметр d и глубина h отпечатка оказались равными - 14 мм и 0,46 мм соответственно.

Поскольку шар в мельнице падает на вращающуюся вместе с барабаном футеровку (рисунок 2), необходимо было оценить влияние фактора движения футеровки на геометрическую форму отпечатка. Рассчитывали время (t =1,14-10"4 с), в течение которого шар внедряется в поверхность футеровки на глубину h= 0,46 мм, и расстояние AI, на которое сдвинется отпечаток за это время из-за движения футеровки с линейной скоростью 3,7 м/с. Ввиду малости полученной величины А/ (0,42 мм или 3 % от величины d) сделано заключение, что указанным фактором можно пренебречь.

Влияние многократного ударного воздействия шара на величину отпечатка d было учтено по формуле Л.Г. Одинцова исходя из твердости НВ0 материала футеровки, dM = d-(l,54~HB0-lO ) = 17,6 мм. Глубина наклепанного слоя /г„.с, с учетом радиусов мелющих шаров (RIU = 50 мм) и углублений между «волнами» футеровки

(Яф = 250 мм) в соответствии с формулой И.В. Кудрявцева оказалась равной hux=l,5-djm ~ 10 мм, здесь m = 1+0,07-R = 3, где R - приведенный радиус, рассчитываемый из выражения 1/Д=2/Яш-1/Лф.

По результатам проведенных экспериментов по вдавливанию с различной интенсивностью в пластину шара для 8 марок сталей и сплавов были определены зависимости приращения АНВ поверхности дна отпечатка относительно исходной твердости материала от степени деформации при выражении в в виде d/D, (M-F)/M и М/М\ где d - диаметр отпечатка, D - диаметр вдавливаемого шара^

М = ~dlплощадь поверхности сферического от-

печатка, F=n-d2/4 - площадь проекции отпечатка и M'-n-D2!2 -половина площади вдавливаемого шара. Был сделан вывод, что широко используемое в литературе выражение степени пластической деформации материала s при вдавливании шара в виде отношения диаметров d/D приводит к несоответствию вида зависимостей АНВ =/(е), зависимостям, установленным при других способах деформирования. В случае выражения е в виде отношения площадей М/М' указанные зависимости практически совпадают.

Исходя из установленной формы выражения степени пластической деформации (в = M /М), была определена величина в ~ 2 %, соответствующая диаметру отпечатка dM = 17,6 мм, получаемому в результате упрочняющей обработки.

Приращение твердости поверхностного слоя футеровки в результате ударного воздействия на нее шарами было установлено экспериментально. По шару, находившемуся на массивном фрагменте футеровки шаровой мельницы МШЦ 5500x6500, наносился удар различной интенсивности с последующим измерением диаметра и твердости HV донной части получаемых отпечатков. Определялись степень пластической деформации s = (M /М')-100 % и приращение твердости материала АЯВДНН относительно начального значения НВ0. Оказалось (рисунок 4), что приращение твердости АНВДИИ материала футеровки, возникающее в результате ударного воздействия шара, зависит от степени деформации е её поверхностного слоя в соответствии с уравнением вида АНВ = Ае\ в котором А их- константы, характеризующие свойства материала футеровки.

180 160 140 £0 120 <3 100 80 60

"Д НВП 'Я2 —\—

58,096е

0,9108

8

£, %

10

12

14

16

Рисунок 4 - Зависимость приращения твердости поверхности дна отпечатка от степени пластической деформации стали 110Г13Л при ударном воздействии шара

Для е = 2 % величина АМВтн, рассчитанная в соответствии с установленной зависимостью, равна 750 МПа. Соответственно, твердость, 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 материала.

При установлении необходимого времени ^ упрочняющей обработки было принято, 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 (согласно И.В. Кудрявцеву, большее число ударов не приводит к увеличению размера отпечатка).

?х = 20-л-£вшс-Г;/<4-Л^ = 1036 с (18 мин), где Двшс - диаметр круговой траектории центров шаров внешнего слоя, £>вшс = 5 м; г, - 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 фупр = 30 %.

Таким образом, при шаровой загрузке 30 %, номинальной частоте вращения барабана мельницы и времени упрочняющей обработки 18 мин поверхностный слой футеровки в результате последовательных ударных воздействий шаров деформируется до значений в ~2 % с увеличением твердости в 1,25 раза.

2. Экспериментально установлено, что наклеп поверхностного слоя футеровки шаровой мельницы МШЦ 5500x6500, 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.

Принципиальная схема разработанной экспериментальной установки представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Установка по изучению ударно-абразивного изнашивания материалов (а) и ее принципиальная схема (б): 1 - емкость; 2 - водо-абразивная масса; 3 - испытуемый образец; 4 - боек; 5 - кулачок; 6 — ролик; 7 - ремень; 8 — шкив привода

Для моделирования процесса изнашивания футеровки эксперимент проводили при следующих условиях:

- доминирующий вид изнашивания - ударно-абразивный;

- материал изнашиваемого образца - материал фрагмента футеровки из стали 110Г13Л;

- минералогический состав абразива - апатито-нефелиновая руда Кировского месторождения;

- гранулометрический состав абразива - частицы руды размером с/ср = 0,1... 1 мм;

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

- кислотность абразивной массы, близкая к кислотности апа-тито-нефелиновой пульпы в мельнице (рН ~ 9,5);

- нанесение удара образцом по абразивной массе с удельной энергией <2уд, близкой к удельной энергии удара, передающейся от падающего шара через породо-шаровую загрузку к футеровке мельницы.

Последнее требование было обеспечено установлением необходимой высоты /гоб падения бойка с образцом, определяемой из равенства

где М - масса используемых в мельнице шаров, М= 4,1 кг; Я - расчетная высота падения внешнего слоя шаров до соприкосновения с шаровой загрузкой («пятой») и породой при работе мельницы в ста-циионарном режиме, Н= 3,01м; Косл - коэффициент ослабления удара, показывающий во сколько раз энергия падающего шара ослабляется при передаче ее через слой шаров и пульпы к футеровке (согласно литературным данным принимался равным 2); F = л£>ш2/4 - площадь контакта футеровки с породой, принимающая ударное воздействие шара, ^ = 7,85-10"3 м2; т - суммарная масса бойка и образца в экспериментах, т = 2,51 кг; - площадь контакта образца с абразивной массой при ударе, Ро5 = 3,85-10"5 м2.

Изнашиваемый образец (цилиндр диаметром 7 мм) после измерения твердости поверхности НВ0 и взвешивания на аналитических весах (дискретность 0,0001 г) закрепляли в зажимах бойка установки. Под образцом на рассчитанном расстоянии /гоб = 0,012 м от его торцевой поверхности устанавливали емкость с водоабразивной массой, предварительно выдержанной ~ 1-3 суток для получения нужной кислотности среды (рН ~ 9,5). Включали электродвигатель и осуществляли удары образцом по абразивной массе с частотой V = 1,67 Гц в течение заданного времени Г (1-5 мин). Электродвигатель отключали, извлекали образец, очищали от следов абразива, подвергали повторному взвешиванию и измерению твердости изнашиваемой поверхности. Опыт повторяли до 9 раз. Аналогичную серию испытаний проводили на других образцах, изготовленных из той же отливки стали. Строили зависимость суммарной убыли относительной массы образцов Ат (мг/мм2) от продолжительности испытаний г.

Как следует из вида полученной экспериментальной кривой, в течение начального промежутка времени (участок / рисунка 6) рост суммарной убыли массы образцов замедляется. Этому участку графика, как показало измерение НВ, соответствует увеличение твердости изнашиваемой поверхности до своего предельного значе-

ния (-250 НВ). Подобному «самонаклепу» подвергается и футеровка шаровых мельниц в процессе работы, о чем свидетельствует увеличение твердости изношенных футеровок (до 280 НВ) по сравнению с их твердостью в состоянии поставки (180 - 200 НВ).

Рисунок 6 - Экспериментальные данные и аппроксимирующая кривая временной зависимости суммарной убыли относительной массы исходных образцов стали 110Г13Л в результате ударно-абразивного изнашивания об апатито-нефелиновую руду

В последующих циклах (участок II рисунка 6), соответствующих постоянной твердости изнашиваемой поверхности, суммарная убыль массы Дт образцов принимает значения, которые можно аппроксимировать линейной зависимостью. Тангенс угла наклона этой прямой принят за массовую скорость установившейся стадии ударно-абразивного изнашивания исходных образцов в испытаниях: у0= 0,0051 мг/(мм2-мин) = 0,3 кг/(м2-ч).

Значение у0, пересчитанное на соответствующую линейную скорость изнашивания с учетом разницы в частоте ударов, наносимых по породе шарами в мельнице (пш = 0,37 Гц) и образцом в экспериментах (V = 1,67 Гц)

Урасч = г>0 «ш /р V = 8,ЗТ0"6 м/ч (73 мм/год), (1)

оказалось близким к реальной скорости изнашивания футеровок мельниц на ОАО «Апатит» (8,7Т0~б м/ч или 76 мм/год).

На втором этапе испытаний изнашивали те же образцы, но предварительно подвергнутые упрочняющей обработке до различной величины НВ, ударом изнашиваемой поверхностью по металлической наковальне.

Было установлено (рисунок 7), что для всех величин твердости с первого цикла испытаний зависимости Дт =Д0 удовлетвори-

тельно аппроксимируются прямыми зависимостями, тангенс угла наклона которых (скорость изнашивания уупр) убывает с увеличением величины НВ образцов (рисунок 8) в соответствии с зависимостью

уупр = А-В-НВ ^ (2)

со значениями постоянных А = 0,72 кг/(м2-ч), В = 1,51 • 10"10 кг7(м2-ч-Па).

Рисунок 7 - Временные зависимости суммарной убыли относительной массы предварительно наклепанных образцов из стали 110Г13 Л в результате ударно-абразивного изнашивания об апатито-нефелиновую руду

ш г

£

£

о

336НВ 353НВ

Дт = 0,0022/ - 0,0003. Я2 = 0,9719

15 20 25

МИН

3) Дт - 0,0023/ + 0,0006, Я2 = 0,9952

0,180 0,160 0,140 0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0,000

371 не

Рисунок 8 - Зависимость скорости ударно-абразивного изнашивания упрочненных образцов из стали 110Г13Л от твердости НВ их поверхности

Для значений твердости (355 НВ), достигаемой в результате предлагаемой упрочняющей обработки, массовая скорость изнашивания упрочненных образцов уупр в соответствии с (2) составляет

~ 0,19 кг/(м2-ч), что в пересчете (1) на линейную скорость износа футеровки дает значение урасч упР = 5-1СГ6 м/ч (44 мм/год).

Как показывает сопоставление полученных скоростей урасч и урасч упР, предлагаемое поверхностное упрочнение снижает скорость изнашивания футеровки шаровых мельниц в 1,6 раза.

Для определения доли упрочненного слоя, которая может быть изношена без заметного увеличения скорости изнашивания, было изучено распределение твердости по глубине наклепанных образцов методом рентгеновской компьютерной томографии. Предполагали, что наличие на наклепанных образцах участков, подвергнутых пластической деформации и отличающихся, как следствие, повышенной твердостью и пониженной плотностью, должно найти свое отражение на соответствующих рентгенограммах.

Было обнаружено, что коэффициент поглощения рентгеновского излучения Кп по высоте исходного образца распределен практически равномерно (рисунок 9, а), в то время как для наклепанного (рисунок 9, б) в прилегающей к рабочей поверхности зоне, шириной 5, он существенно ниже, чем на основной длине образца. Причем, до расстояния от поверхности ~ 0,25 5 коэффициент поглощения практически неизменен и только после этого его значение повышается. Предполагали, что распределение твердости по глубине наклепанного слоя носит аналогичный характер.

а) б)

Рисунок 9 - Компьютерное изображение и распределение коэффициента поглощения рентгеновского излучения по высоте исходного (а) и предварительно наклепанного (б) образцов стали 110Г13Л

Время эксплуатации мельницы между упрочняющими обработками (20 суток) установлено, исходя из толщины слоя 0,25 /гн.с, износ которого не приведет к заметному снижению твердости наклепанного материала, и, как следствие, скорости изнашивания материала наклепанных футеровок урасч упр.

Предлагаемая схема проведения обработки:

Общее время упрочняющей обработки ~2 часа

Из сопоставления существующей планограммы технического обслуживания и ремонта шаровых мельниц МШЦ 5500x6500 на ОАО «Апатит» (рисунок 10, а) и предлагаемой планограммы (б), включающей упрочняющие обработки, заключили, что треть упрочняющих обработок целесообразно совместить со временем проведения текущих ремонтов, а остальные проводить между указанными ремонтами, прерывая работу мельницы на время упрочняющих операций.

394 СУТОК

Сутки

а)

625 суток

° 10О 200 ЗОО <*сю ООО ООО

Сутки

б)

Рисунок 10 - Существующая (а) и предлагаемая (б) планограммы технического обслуживания и ремонта шаровой мельницы МШЦ 5500x6500 на ОАО «Апатит» (о - текущий ремонт, ■ А - начало и окончание капитального ремонта, | - упрочняющая обработка)

Таким образом, внедрение упрочняющих обработок в технологию обслуживания и ремонта шаровых мельниц МШЦ 5500x6500 позволит продлить период между заменами футеровки с 393,5 до 625 суток, т. е. в 1,6 раза. В течение этого времени потребуется провести 29 упрочняющих обработок, 9 из которых совпадают с проведением текущих ремонтов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В представленной диссертационной работе решена важная научно-техническая задача повышения износостойкости материала футеровки шаровых мельниц путем упрочняющей обработки её поверхностного слоя шарами, проводимой в процессе технического обслуживания мельниц.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Определена зависимость вида АНВ = А гх повышения твердости поверхностного слоя дна отпечатка, образующегося в результате ударного воздействия шаров на металлическую поверхность футеровки шаровой мельницы, от степени пластической деформации е ее металла.

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

3. Определены значения рациональных параметров работы мельницы МШЦ 5500x6500 в режиме упрочняющей обработки: частота вращения барабана п = 0,24 с"1, коэффициент загрузки шарами Фупр-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 служ-

бы футеровки мельницы на 1360 часов (=57 суток), сокращению на ~1,5 млн. руб. затрат на заработную плату и 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 151000 «Технологические машины и оборудование» и инженеров по направлению 130400 «Горное дело» специализации «Горные машины и оборудование».

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

2. Бочков, B.C. О возможности эффективного наклепа стали Гадфильда в условиях работы футеровок шаровых мельниц. / B.C. Бочков, В.И. Болобов, А.П. Баталов, Ю.П. Бойцов // Записки Горного института. - 2012. - т. 196. - С. 226-230.

3. Болобов, В.И. Износостойкость стали Гадфильда при больших удельных нагрузках / В.И. Болобов, B.C. Бочков, Сюй Цинянь // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. -№Ю.-С. 12-14.

4. Пат. 2451591 Российская Федерация, МПК В24С1/10. Способ поверхностного упрочнения стальных футеровок шаровых мельниц / Болобов В.И., Бочков B.C., Баталов А.П., Бойцов Ю.П.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «СПГГИ им. Г.В.Плеханова (ТУ)». - №2010133477/02; заявл. 09.08.10; Опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15 -4 с.

РИЦ Горного университета. 22.04.2014. 3.326. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201459800

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 — 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..................................................................................................................4

Глава 1 Аналитический обзор................................................................................11

1.1 Конструкция шаровой мельницы и режимы её работы................................11

1.2 Использующиеся виды футеровок................................................................18

1.3 Влияние наклепа на износостойкость металлических материалов при различных видах изнашивания..........................................................................20

1.4 Явления, происходящие при поверхностном механическом упрочнении деталей...............................................................................................................32

1.5 Основные виды упрочняющей поверхностной обработки...........................43

1.6 Выводы по главе 1........................................................................................56

Глава 2 Разработка режима упрочняющей обработки футеровки шаровой мельницы................................................................................................................57

2.1 Определение доминирующего вида изнашивания футеровки шаровых мельниц в условиях их работы в ОАО «Апатит»...............................................57

2.2 Установление рабочих параметров мельницы для осуществления наиболее эффективного наклепа футеровки шарами........................................................60

2.3 Определение размеров отпечатка на футеровке от многократного удара шарами...............................................................................................................63

2.4 Установление вида зависимости, связывающей деформацию поверхностного слоя футеровки с твердостью, получаемую в результате внедрения шара..................................................................................................66

2.5 Определение твердости поверхностного слоя футеровки в результате многократного ударного воздействия шаром.....................................................74

2.6 Расчет необходимого времени упрочняющей обработки футеровки...........76

2.7 Выводы по главе 2........................................................................................76

Глава 3 Разработка методики и экспериментального стенда по изучению закономерностей ударно-абразивного изнашивания металлических материалов о горные породы.......................................................................................................78

3.1 Существующие методы определения скорости ударно-абразивного

изнашивания материалов...................................................................................78

3.2 Методика испытаний металлических материалов в условиях, моделирующих ударно-абразивное изнашивание футеровок шаровых мельниц ............................................................................................................................84

3.3 Выводы по главе 3........................................................................................90

Глава 4 Результаты экспериментального исследования влияния наклепа на скорость ударно-абразивного изнашивания материала футеровок........................92

4.1 Определение скорости изнашивания исходных образцов............................92

4.2 Результаты испытаний предварительно наклепанных образцов..................95

4.3 Выводы по главе 4........................................................................................98

Глава 5 Разработка технологии упрочнения металлической футеровки в процессе технического обслуживания и ремонта шаровых мельниц..................................100

5.1 Расчет времени допустимой эксплуатации мельницы между упрочняющими обработками.....................................................................................................100

5.2 Технология упрочнения металлической футеровки шаровых мельниц в процессе их технического обслуживания и ремонта........................................101

5.3 Выводы по главе 5......................................................................................105

Заключение..........................................................................................................106

Список сокращений и условных обозначений.....................................................108

Список литературы..............................................................................................112

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования.

Дробление и измельчение руд - одна из наиболее энергоемких и дорогостоящих операций. На горно-обогатительных фабриках общие 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 производетва в России [1,2].

Поэтому разработка рациональных и обоснованных решений по 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 A.B., ХрущоваМ.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 горно-обогатительпого 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 целыо 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, ИЧ2ЮХЗОГЗ, 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 5500х6500 (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 трудоёмкий 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 ударно-абразивного изнашивания в процессе измельчения апатито-нефелиновой руды в шаровых мельницах.

Задачи исследования:

- анализ параметров работы шаровой мельницы МШЦ 5500x6500 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 АНВ = Агх повышения твердости АНВ металлической поверхности дна отпечатка, образующегося в результате ударного воздействия шаров, от степени пластической деформации металла в;

- обнаружен эффект положительного влияния наклепа поверхностного слоя материала футеровок шаровых мельниц стали 110Г13Л на скорость его ударно-абразивного 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 удар но-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. Дэвиеа 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 1 ЮГ 13Л) шаровых мельниц, возникающее в результате последовательных ударных воздействий шаров, зависит от степени деформации 8 её поверхностного слоя в соответствии с уравнением вида АНВ = Агх, в котором А их - константы, характеризующие свойства материала футеровки. При работе мельницы МШЦ 5500x6500 в режиме упрочняющей обработки - частоте вращения барабана п = 0,24 с"1; коэффициенте загрузки шарами ф~30%, времени обработки 18 минут, значение в 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 5500x6500, 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.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается их согласованностью с общепризнанной теорией движения шаров в барабанной мельнице и методами повышения долговечности деталей машин, а также экспериментальными исследованиями по моделированию процесса ударно-абразивного изнашивания материала футеровокоб апатито-нефелиновую руду.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на:

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

- международной конференции «Научные доклады по проблемам недропользования» Фрайбергская горная академия, г. Фрайберг, Германия, 2012 г.;

- факультетской научной конференции среди молодых учёных 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 учёных «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 её работы

Конструкция шаровой мельницы и режимы её работы рассмотрены на примере мельницы МШЦ 5500x6500, широко использующейся на предприятии ОАО «Апатит».

Шаровая мельница с центральной разгрузкой МШЦ 5500x6500 (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 раз