Разработка технологии создания и исследования композиционных материалов со специальными свойствами для горной промышленности

И.А. Волегжанин

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ

СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ

КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ

СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ГОРНОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Рассмотрены вопросы создания новых видов изделий из композиционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами для нужд горной промышленности, включая технологическое оборудование горнодобывающей и перерабатывающей отраслей промышленности, а также машины и механизмы, изготавливаемые на предприятиях горного машиностроения. Основной упор при разработке новых видов изделий сделан на высокие износостойкие и химически стойкие свойства композитных изделий, позволяющие повысить надежность эксплуатации, срок службы и ремонтопригодность новых видов изделий. На примере создания нового вида штучных футеровочных материалов, автор продемонстрировал результаты испытаний на ударную прочность, износо-и химическую стойкость футеровочной плитки, предназначенной для защиты основного технологического оборудования промышленных предприятий от воздействия опасных производственных факторов.

Ключевые слова: композиты, изделия производственно-технического назначения, горная промышленность, исследования.

Экономическое развитие страны базируется на научно-техническом прогрессе, который невозможен без роста эффективности горнодобывающей промышленности, обусловленного конструктивным совершенствованием и повышением экономичности горношахтного оборудования (ГШО) и оборудования смежных областей производства.

Однако по таким важным показателям, как стоимость изготовления, сборки, монтажа, трудоемкость обслуживания и ремонта существенные сдвиги в положительную сторону не наблюдаются. То же касается и требований, предъявляемых к ГШО в части надежности и предполагающих безотказную ра-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 373-379. © 2016. И.А. Волегжанин.

боту техники в течение заданного периода. До настоящего времени показатели надежности оборудования отрасли остаются весьма низкими. По данным ИГД им. А.А. Скочинского, случайные перерывы в работе ГШО в основном по причине внезапных отказов превышают 50% продолжительности смены.

Определяющую роль и с точки зрения стоимости, и с точки зрения надежности играют материалы, из которых изготовлены детали машины. Подавляющее большинство деталей ГШО (в России — 98—99% от общего их числа в изделии), выполнено из сталей и сплавов. Необходимо отметить, что добыча полезных ископаемых относится к числу отраслей, использующих наиболее мощные и сложные в конструктивном и эксплуатационном отношении, а потому весьма металлоемкие машины и агрегаты.

Большим резервом снижения массы, трудоемкости сборки, монтажа, ремонта, повышения технологичности изготовления, надежности и долговечности является снижение металлоемкости ГШО путем полномасштабного использования конструкционных неметаллических материалов. Практика показывает, что широкое применение композитов в машиностроении позволяет достичь: снижения массы изделия в 3—4 раза; трудоемкости изготовления в 1,5—3 раза; энергоемкости производства в 8—10 раз; увеличения ресурса в 2—3 раза. Кроме того, отмечается существенное уменьшение расходов на транспортировку и ремонт.

Основными производственными факторами, определяющими надежность работы ГШО, наряду с механической прочностью самих конструкций, являются износостойкость и химическая стойкость рабочего оборудования. В этом плане специальные композиционные материалы как нельзя лучше подходят для этих целей. При этом, различные способы изготовления изделий из композитов, позволяют оптимизировать процесс создания новых видов изделий по критериям качества, надежности и быстроты освоения принципиально новых инновационных видов изделий производственно-технического назначения.

На рис. 1 показаны основные группы способов производства изделий из ПКМ с термореактивным связующим. Синим цветом выделены группы, содержащие технические решения, которые или запатентованы СКБ «Мысль», или подкреплены ноу-хау. Технологии, обозначенные синей рамкой, также входят в сферу деятельности СКБ и в настоящее время являются предметом интенсивных исследований.

Рис. 1. Основные способы производства изделий из ПКМ

Анализу представленных способов производства и разработке на этой основе процессов изготовления изделий различного вида и назначения для горной промышленности посвящен ряд работ [1, 2, 3, 4], поэтому автор ограничится рассмотрением последних работ по данной теме, а именно совершенствованию технологии создания и исследования свойств нового вида штучных футеровочных материалов для защиты технологического оборудования горных предприятий от абразивного износа и повышения химической стойкости ГШО.

В данном аспекте, прежде всего, рассматриваются различные способы прессования дисперсно-наполненных композиционных материалов, а также литьевые (центробежно-литье-вые) способы производства композитов.

Целью работы является разработка рецептуры, оптимизация технологических процессов производства и исследование эксплуатационных свойств полимерной футеровочной плитки, обладающей существенными преимуществами перед известными аналогами, предназначенными для защиты технологического оборудования от абразивного и химического воздействия промышленной среды.

С этой целью был проведен комплекс работ по выбору материалов, гранулометрическому и объемному составу, подбору типа связующего и анализу способов производства футеровоч-ной плитки.

26,58

25,00

20,00

£ СЕ

? 15,(

10,42

10,00

2,91

0..62

1,41

керамогранит напольная керамическая бетон (толщина - керзмэгранит полимерная полимерная полимерная полимерная плитка плитка 16 мм) усиленный плитка (кварц) плитка (никель плитка ¡корунд) плитка (купер

шлак) шлак)

Рис. 2. Исследование ударной прочности образцов покрытий

Получены следующие результаты:

1. Признано целесообразным использовать в качестве дисперсного наполнителя кварц, как высокопрочный, относительно дешевый и химически стойкий компонент, обладающий высокой адгезией и совместимостью с различными видами полимерного связующего.

2. В результате физико-механических испытаний образцов композита с кварцевым наполнителем установлены зависимости прочности композита в функции от гранулометрического состава кварца и его объемного наполнения.

3. Проведены сравнительные исследования ударной прочности образцов покрытий, выполненных из кварца и известных аналогов, выполненных из других материалов. Результаты исследования представлены на рис. 2.

4. Проведены исследования стойкости полимерной плитки с разным гранулометрическим составом наполнителя на абра-зивостойкость в воздушной струе.

5. Определены режимные параметры и регламенты производства полимерной футеровочной плитки методом виброформования (вибропрессования).

6. Состав наполнителя, подобранный для изготовления футе-ровочной плитки, был испытан на возможность изготовления из него трубчатых абразиво-химстойких изделий методом центробежного литья. Полученные результаты представлены на рис. 3.

Результаты данного направления научно-исследовательских работ заключаются в следующем:

• подана заявка на изобретение нового ротационно-цент-робежного виброформования цилиндрических изделий;

Рис. 3. Трубки из дисперсного композита изготовленные методом центробежного литья

• практическое применение данного способа производства позволит изготавливать цилиндрические изделия, эксплуатируемые в условиях интенсивного абразивного и химического воздействия производственной среды, в частности, как вкладыши пульпопроводов и эрлифтов, технологические трубопроводы обогатительных производств, емкости контактных чанов и пр.

7. В данный момент проводится комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) по применению дисперсно-наполненных композитов для изготовления деталей машин и механизмов, эксплуатируемых в агрессивной рабочей среде с высокой степенью абразивного и химического воздействия. Например, таких как рабочие колеса грунтовых насосов. Образец разрабатываемой продукции представлен на рис. 4.

В представленной статье рассмотрены результаты научных работ по разработке технологии создания и исследованию свойств композиционных материалов, на примере изделий для горной промышленности, эксплуатируемых в условиях абразивного и химического воздействия рабочей среды. Выбраны материалы, разработан состав, изготовлены и испытаны образцы продукции. Экспериментально подтверждены высокие эксплуатационные свойства изделий из дисперсных наполнителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Холодников Ю. В. Промышленные композиты // Композитный мир. - 2012. - № 5. - С. 48-54.

2. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И. Защита оборудования листовым композитом // Композитный мир. - 2010. - № 1. - С. 36-38.

3. Холодников Ю. В., Альшиц Л.И. Футеровка технологического оборудования и строительных конструкций композиционными материалами: Справочное пособие. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. - 145 с.

4. ГОСТ Р 55074-2012. Химостойкие полимерные композиты для футеровки технологических емкостей.

5. Холодников Ю.В., Волегжанин И.А. Социально-экономические предпосылки создания регионального инновационного научно-технологического центра специальных композиционных материалов / Сборник публикаций XXXVI Международной научно-практической конференции: «Современная экономика и финансы: исследования

Рис. 4. Рабочее колесо грунтового насоса из дисперсного композита

и разработки». — СПб.: Центр экономических исследований, 2015. — С. 34-36. ЕПЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Волегжанин Иван Александрович — аспирант, Уральский государственный горный университет, e-mail: office@ursmu.ru, ООО СКБ «Мысль».

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 373-379. I.A. Volegzhanin

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR THE CREATION AND STUDY OF COMPOSITE MATERIALS WITH SPECIAL PROPERTIES FOR THE MINING INDUSTRY

The paper deals with the creation of new kinds of products made of composite materials with high performance for the needs of the mining industry, including technological equipment of mining and processing industries, as well as machinery manufactured at the enterprises of mining machinery.

The main emphasis in the development of new kinds of products made in the high wear-resistant and chemical-resistant properties of the composite products that improve operational reliability, service life and remontoprogodnost new types of products.

For example, creating a new kind of piece of lining material, the author has shown the results of tests on impact strength, abrasion resistance and chemical resistance lining tiles, designed to protect the main technological equipment of industrial enterprises from the effects of hazardous factors.

Key words: composites products for industrial purposes, mining, research.

AUTHOR

Volegzhanin I.A., Graduate Student,

Ural State Mining University, 620144, Ekaterinburg, Russia, e-mail: office@ursmu.ru, LLC SKB «Thought», Ekaterinburg, Russia.

REFERENCES

1. Kholodnikov Yu. V. Kompozitnyy mir. 2012, no 5, pp. 48—54.

2. Kholodnikov Yu. V., Al'shits L. I. Kompozitnyy mir. 2010, no 1, pp. 36—38.

3. Kholodnikov Yu. V., Al'shits L. I. Futerovka tekhnologicheskogo oborudovaniya i stroitel'nykh konstruktsiy kompozitsionnymi materialami: Spravochnoe posobie (Lining of technological equipment and building structures composite materials: Reference aid), Ekaterinburg, Izd-vo UGGU, 2013, 145 p.

4. Khimostoykiepolimernye kompozity dlya futerovki tekhnologicheskikh emkostey. GOST R 55074-2012 (Chemically resistant polymer composites for lining process tanks. State Standart R 55074-2012).

5. Kholodnikov Yu. V., Volegzhanin I. A. Sbornik publikatsiy ХХХVI Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii: «Sovremennaya ekonomika i finansy: issledovaniya i razrabotki» (Coll. Content XXXVI International scientific-practical conference «Modern economics and finance: research and development»), Saint-Petersburg, Tsentr ekonom-icheskikh issledovaniy, 2015, pp. 34—36.

UDC 678: 622.3