Исследования геометрических параметров и прочностных характеристик материала тюбингов ствола № 4 СКРУ-3

УДК 621.32

ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА ТЮБИНГОВ

СТВОЛА № 4 СКРУ-3

Н.М. Качурин, И.А. Афанасьев, В.В. Тарасов, В.С. Пестрикова

Представлены результаты комплексных исследований геометрических параметров и прочностных характеристик материала тюбингов реконструируемого ствола. Определены фактические типоразмеры тюбинговых колец. Показано, что исследованные образцы материала тюбингов соответствуют чугуну марки СЧ 30.

Ключевые слова: геометрические параметры, прочностные характеристики, рудник, вертикальный ствол, чугунный тюбинг.

В соответствии с программой обследования шахтного ствола № 4 СКРУ-3 ОАО «Уралкалий» выполнены замеры геометрических параметров тюбинговой крепи и определены фактические типоразмеры тюбинговых колец, установленных в стволе № 4. Частично результаты замеров представлены в табл. 1. В результате выполненных замеров установлено, что в стволе № 4 СКРУ-3 были установлены тюбинговые кольца польского завода «Дозамет» типа TG-01.12 N : «7-40», «7-50», «7-60» и опорные коробки типа Т0-01.12Р-2774, «7-80» с толщиной спинки в тюбинговой крепи от 40 до 60 мм.

Таблица 1

Геометрические параметры тюбинговых колец ствола № 4

Номер тюбингового кольца Номер точки замера Полка, мм Размер головки болта М36 под ключ

высота ширина

1-15 1-12 35 135 55 70 7...40

ОП-1 1-12 55 7...80

16 (верхнее пико-тажное кольцо) 1-12 40 135138 50 70 7...50

17 (нижнее пико-тажное кольцо) 1-12 40 135 55 70 7...50

18-60 1-12 35 130 55 70 7...40

ОП-2 1-12 55 7...80

61-108 1-12 35 130 55 70 7...40

Окончание табл. 1

ОП-3 1-12 55 7...80

109 (верхнее пико-тажное кольцо) 1-12 40 135 55 70 7...50

110 (нижнее пико-тажное кольцо) 1-12 40 135 55 70 7...50

111-120 1-12 40 135 55 70 7...50

121 (верхнее пико-тажное кольцо) 1-12 40 135 55 70 7...50

122 (нижнее пико-тажное кольцо) 1-12 40 135 55 70 7...60

123 1-12 40 135 55 70 7...60

124-137 1-12 40 135 55 70 7...50

Определение параметров структуры металла, химического состава, параметров прочности и твердости для исследованных тюбингов проводилось в лабораторных условиях. Исследования проведены в Испытательном лабораторном центре ТулГУ. Объектом исследований являлись образцы, вырезанные из кусков чугунных тюбингов крепи шахтного ствола №4 СКРУ - 3, материал - серый чугун (точная марка материала была неизвестна). Целью испытаний являлось определение предела прочности при растяжении стР, относительного удлинения 6, предела прочности при сжатии серого чугуна ст°ж. Испытания проводились на соответствие серого чугуна ГОСТу 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки» [1]. Методика испытаний соответствует требованиям ГОСТ 27208-87 «Отливки из чугуна. Методы механических испытаний» [2]. В соответствии с ГОСТ 27208-87 из куска чугунного тюбинга крепи шахтного ствола изготовлены образцы для испытания на растяжение и сжатие. Для первой серии испытаний было изготовлено по 2 образца. Для определения предела прочности при растяжении образец подвергали растяжению под действием плавно возрастающего усилия до разрушения. Наибольшее усилие растяжения, предшествующее разрушению образца, принималось за усилие, соответствующее временному сопротивлению на растяжение.

При определении предела прочности при растяжении ст^ скорость деформирования была не более 10 МПа/с. Для определения предела прочности при сжатии серого чугуна ст°ж образец нагружали осевым сжимающим усилием до разрушения. Наибольшее усилие сжатия, предшествующее разрушению образца, принималось за усилие, соответствующее

временному сопротивлению на сжатие. Перемещение подвижной траверсы обеспечивало скорость нагружения образца не более 20 МПа/с.

По представленной методике были проведены еще две серии испытаний чугуна тюбингов, расположенных на различных тюбинговых кольцах. В каждой серии было испытано по 3 образца. Результаты испытаний трех серий образцов, вырезанных из кусков чугунных тюбингов крепи шахтного ствола, представлены в табл. 2 - 4. В табл. 2 для сравнения приведено значение временного сопротивления при растяжении для серого чугуна СЧ10.

Таблица 2

Временное сопротивление при растяжении в первой серии образцов

Наименование показателя Образец №1 Образец №2 Требование ГОСТ 1412 - 85, МПа

Временное сопротивление разрыву ар, МПа 140,4 98,5 Не менее 100

Таблица 3

Относительное удлинение и предел прочности на сжатие

в первой серии образцов

Наименование показателя Образец №1 Образец №2

Относительное удлинение 5, % 1,4 0,8

Предел прочности на сжатие ст°ж, МПа 820,6 848,8

Таким образом, были определены пределы прочности на растяжение, относительные удлинения при растяжении и пределы прочности на сжатие при испытании чугунных образцов, вырезанных из кусков чугунных тюбингов крепи ствола № 4 СКРУ - 3 (материал - серый чугун). Анализ результатов показывает, что чугун, не нарушенный трещинами, соответствует требованиям ГОСТ 1412 - 85. Образец №2 первой серии образцов разрушился по трещине, имевшейся в материале тюбинга.

Таблица 4

Результаты исследований второй и третьей серий образцов

Наименование показателя Образец №1 Образец №2 Образец №3 Среднее значение

Вторая серия образцов

Временное сопротивление разрыву <,МПа 174,10 196,15 186,70 185,6

Условный предел текучести стт, МПа 80,57 85,3 83,55 83,14

Относительное удлинение 5, % 0,57 0,78 0,99 0,78

Предел прочности при сжатии, МПа 849,2 866,2 922,8 879,4

Третья серия образцов

Временное сопротивление разрыву ст£, МПа 207,0 215,34 201,4 207,9

Условный предел текучести стт, МПа 90,1 93,6 85,54 89,75

Относительное удлинение 5, % 0,67 0,73 0,99 0,80

Предел прочности при сжатии, МПа 905,8 860,6 866,2 877,5

Измерения твердости проводили в соответствии с ГОСТ 9012 - 59 Металлы. Методы измерения твердости - по Бринеллю [3]. Сущность метода заключается во вдавливании стального шарика в образец под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца в течение определенного времени, и измерении диаметра отпечатка после снятия усилия.

Твердость образцов серого чугуна измеряли пять раз. В качестве испытательного средства использован универсальный твердомер ТШ-2М. Свидетельство о поверке № 1979/10-2 от 28 июня 2013. По результатам статистической обработки, проводимой в программе STATGRAPHICS Plus 5.1, среднее значение твердости составило 174 ± 5 НВ 5/750/30.

Данное значение твердости, по ГОСТ 1412 - 85, соответствует твердости:

1) чугуна марок СЧ 10, СЧ 15 и СЧ 20 в стенках отливки от 4 до 30

мм;

2) чугуна марки СЧ 25 в стенках отливки от 4 до 50 мм;

3) чугуна марки СЧ 30 в стенках отливки от 4 до 80 мм;

4) чугуна марки СЧ 35 в стенках отливки от 4 до 150 мм [1].

Определить марку серого чугуна, основываясь только на значение

твердости, невозможно. Точно установить марку серого чугуна возможно только на основе комплекса испытаний по определению временного сопротивления при растяжении, химического состава и структуры.

Определение параметров микроструктуры образцов серого чугуна осуществлялось в лаборатории кафедры «Физика металлов и материаловедение» при комнатной температуре. Испытания проводились на соответствие серого чугуна ГОСТ 3443-87 Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры [4].

Определение параметров микроструктуры серого чугуна проводили на двух образцах.

Приготовление микрошлифов (образцов) для металлографического анализа осуществляли по стандартной методике на шлифовальных станках «Нерис - 3882».

Шлифовка производилась в шесть переходов от наждачной шкурки с более крупным абразивом к шкурке с более мелким абразивом.

Полировку поверхности образцов производили на круге из драповой ткани с применением окиси хрома. Завершали процесс полирования на чистом влажном круге, периодически промываемом водой.

Травление образцов проводили стандартным реактивом, применяемым для выявления структуры сталей и чугунов (3.. .5 % - й раствор азотной кислоты в этиловом спирте) [5, 6] при комнатной температуре, погружением до потускнения поверхности. Продолжительность травления составляла 5.10 с.

Металлографический анализ производили на оптических микроскопах «Neophot - 21» и Observer. Dim фирмы Zeiss при увеличении х100; х500. Фотосъемку микроструктуры осуществляли на микроскопе Observer. Dim фирмы Zeiss при различных увеличениях.

Структуру чугуна определяют по виду графита и типу металлической основы. Определение содержания графита проводят на нетравленом металлографическом шлифе, а металлической основы - на шлифе после травления. Исследование структуры чугуна проводят визуально сопоставлением структуры, видимой в микроскопе, со структурой эталона соответствующей шкалы при увеличениях, указанных на эталонных шкалах ГОСТа 3443 - 87 [4].

При определении вида графита оценке подлежат: форма, распределение, размеры, количество включений графита. При определении типа металлической основы оценке подлежат: вид структуры, форма перлита, содержание перлита (или феррита), дисперсность перлита, строение, рас-

пределение, размеры ячеек сетки и площадь включений фосфидной эвтектики, количество и размеры включений цементита (или цементита ледебурита). Для обозначения компонентов структуры и их характерных особенностей применяют условные обозначения, предусмотренные ГОСТ 3443 -87 [4]. Изучение нетравленых шлифов чугуна (рис. 1) показало, что графит имеет пластинчатую завихренную форму - ПГф2, имеет длину включений 60...120 мкм - ПГд9, равномерное распределение - Гр1, занимает на микрошлифе площадь равную 8.12 % - ПГ10.

При изучении поверхности шлифов после травления (см. рис. 2) определили, что металлическая основа является перлитной с пластинчатой морфологией - Пт1, содержание перлита в структуре чугуна составляет 98.100 %, а феррита - 0.2 % - П(Ф0), дисперсность пластинчатого перлита равна 1,3.1,6 мкм - ПД1,4; в структуре чугуна присутствует тройная мелкозернистая фосфидная эвтектика - ФЭ3; распределение включений фосфидной эвтектики является равномерным - Фэр1; диаметр ячеек сетки фосфидной эвтектики более 1250 мкм - ФЭд1250.

Согласно ГОСТ 3443 - 87 структуру исследуемых образцов серого чугуна можно описать следующим образом:

ПГф2 - ПГд90 - ПГр1 - ПГ10 - Пт1 - П(Ф0) - ПД1,4 - ФЭ3 - ФЭр1, то есть структура исследуемых образцов представляет собой структуру чугуна с равномерно распределенным пластинчатым графитом завихренной формы с длиной включений от 60 до 125 мкм; тип металлической основы представляет собой пластинчатый перлит в количестве от 98 % с межпластинчатым расстоянием 1,3.1,6 мкм; фосфидная эвтектика тройная мелкозернистая, равномерно распределенная с единичными включениями [4].

Структура исследуемых образцов серого чугуна после травления, согласно ГОСТ 3443 - 87, также представляет собой структуру чугуна с равномерно распределенным пластинчатым графитом завихренной формы с длиной включений от 60 до 125 мкм.

Рис. 1. Графитные включения в образце чугуна *100

а б

Рис. 2. Структура образца чугуна: а - *100; б, в - *500

По результатам проведенного металлографического анализа возможно предположить, что исследуемые образцы изготовлены из серого чугуна марок СЧ 21, СЧ 24, СЧ 28, СЧ 30, СЧ 35, СЧ 38.

Проведение химического анализа образцов серого чугуна осуществлялось в лаборатории кафедры «Физика металлов и материаловедение» при комнатной температуре. Испытания проводились на соответствие серого чугуна ГОСТу 1412 - 85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки».

Для определения химического состава образцов серого чугуна с пластинчатым графитом был использован количественный эмиссионный спектральный анализ металлов и сплавов. Этот метод предусматривает измерение интенсивностей аналитических спектральных линий различных элементов и сравнение их со стандартными образцами.

Определение химического состава чугуна проводили на одном образце. Результаты химического анализа исследуемого образца чугуна представлены в табл. 5. Рекомендуемый химический состав серых чугунов [1] представлен в табл. 6.

Таблица 5

Результаты химического анализа исследуемого образца чугуна

Наименование показателя Химические элементы

C Si Mn & P S

Содержание, % 3,15 1,50 0,80 0,06 0,044 0,046

Таблица 6

Рекомендуемый химический состав серых чугунов [9]

Марка чугуна Массовая доля элементов, %

С Si Mn P S

не более не более

СЧ 10 3,5 ... 3,7 2,2 ... 2,6 0,5 ... 0,8 0,3 0,15

СЧ 15 3,5 ... 3,7 2,0 ... 2,4 0,5 ... 0,8 0,2 0,5

СЧ 20 3,3 ... 3,5 1,4 ... 2,4 0,7 ... 1,0 0,2 0,15

СЧ 25 3,2 ... 3,4 1,4 ... 2,2 0,7 ... 1,0 0,2 0,15

СЧ 30 3,0 ... 3,2 1,3 ... 1,9 0,7 ... 1,0 0,2 0,12

СЧ 35 2,9 ... 3,0 1,2 ... 1,5 0,7 ... 1,1 0,2 0,12

По результатам проведенного химического анализа можно сделать вывод, что состав исследуемого образца чугуна соответствует химическому составу чугуна марки СЧ 30. Следовательно, тюбинговые кольца польского завода «Дозамет» типа TG-01.12 N : «7-40», «7-50», «7-60» и опорные коробки типа TG-01.12Р-2774, «7-80» с толщиной спинки в тюбинговой крепи от 40 до 60 мм соответствуют прочностным характеристикам чугуна марки СЧ 30. Аналогичные ситуации могут возникать и при реконструкции других стволов, которые были пройдены в 90-е годы прошлого столетия.

Список литературы

1. ГОСТ 1412 - 85 Чугун с пластинчатым графитом для отливок.

Марки.

2. ГОСТ 27208-87 Отливки из чугуна. Методы механических испытаний.

3. ГОСТ 9012 - 59 Металлы. Методы измерения твердости по Бри-

неллю.

4. ГОСТ 3443-87 Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры.

5. Беккерт М., Клемм Х.М. Способы металлографического травления: справ. изд.: Пер. с нем.: Металлургия, 1988. 400 с.

6. Коваленко B.C. Металлографические реактивы. М.: Металлургия, 1973. 112 c.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology @,tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Афанасьев Игорь Александрович, канд. техн. наук, ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Тарасов Владислав Викторович, аспирант, ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пестрикова Варвара Сергеевна, аспирант, ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет

RESEARCHING GEOMETRICAL PARAMETERS AND STRENGTH CHARACTERISTICS OF TUBING MATERIAL IN SHAFT№4 SKRU - 3

N.M. Kachurin, I.A. Afansiev, V.V. Tarasov, V.S. Pestrikova

Results of complex researching geometrical and strength characteristics of tubing material in reconstruction shaft were submitted. Real sizes of tubing rings were identified. It's shown that researched tubing material patterns correspond with cast-iron brand SCh 30.

Key words: geometric parameters, strength characteristics, mine, vertical shaft, cast-iron tubing.

Kachurin N.M., Doctor of Sciences, Full Professor, Chief of a Department, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Afansiev I.A., Candidate of Technical Science, Scientific Associate, ecology@tsu. tu-la.ru , Russia, Tula, Tula State University,

Tarasov V.V., Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pestrikova V.S., Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University