Способ определения термостойкости углей к их циклическому замораживанию и оттаиванию
METHOD FOR DETERMINING THE THERMAL RESISTANCE OF COALS TO THEIR CYCLIC FREEZING AND THAWING

Изобретение относится к области исследования устойчивости углей к циклическим термовоздействиям, каждый цикл которых охватывает отрицательный и положительный диапазон температур. Также оно может быть использовано для определения текущей степени криогенной дезинтеграции угольной продукции.
Известен способ испытания материалов на термостойкость, заключающийся в том, что поверхность испытываемого образца материала подвергают циклическому тепловому воздействию, включающему нагрев и последующее охлаждение, производят контроль поверхности испытываемого образца материала, а о термостойкости материала судят по количеству циклов теплового воздействия до появления трещин на упомянутой поверхности, при этом после охлаждения с поверхности образца материала периодически снимают слой материала толщиной, соответствующей интенсивности изнашивания материала в процессе эксплуатации, а контроль поверхности испытываемого образца материала осуществляют после снятия слоя материала с поверхности образца через заданное количество циклов теплового воздействия или после каждого цикла (Патент РФ №2117274, кл. G01N 3/60, G01N 3/56. Опубл. 10.08.1998).
Недостатком данного способа является то, что он не применим к исследованию исходно трещиноватых и значительно структурно неоднородных материалов, к которым, в частности, относятся угли.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению относится способ определения термостойкости углей, заключающийся в приложении к исследуемым образцам циклического знакопеременного температурного воздействия, в заданных временных интервалах которого определяют среднюю активность акустической эмиссии, по которой судят о термостойкости углей (Патент РФ №2593441, G01N 3/60. Опубл. 10.08.2016).
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет определять термическую стойкость углей к их криогенной дезинтеграции под влиянием циклического замораживания и оттаивания.
Отмеченный недостаток обусловлен тем, что известный способ предполагает исследование акустоэмиссионного отклика угля на серию возрастающих по интенсивности термоударов, каждый из которых представляет собой кратковременное высокоамплитудное (проводимое с высокой скоростью) термическое воздействие, лежащее в температурном диапазоне от 100°С до 190°С. Происходящие при таком воздействии дезинтеграционные процессы отличаются от соответствующих процессов под влиянием отрицательных температур, а тем более когда последние изменяются циклически, переходя из отрицательной области в положительную и обратно. Основной механизм дезинтеграции угля при этом связан с циклическим изменением фазового состояния поровой влаги, то есть переходом ее в лед и затем льда в жидкость, а не с интенсификацией поверхностного окисления и быстрым, различным для отдельных структурных элементов объемным расширением (как это имеет место при термоударном воздействии - в прототипе). Причем в реальных климатических условиях транспортировки и хранения угля температурное воздействие на него изменяется относительно плавно и медленно с незначительным градиентом температуры во времени, то есть не носит термоударный характер.
В настоящей заявке решается задача разработки способа определения термостойкости углей к их криогенной дезинтеграции под влиянием циклического замораживания и оттаивания за счет учета особенностей и режимов такого влияния на параметры термостимулированной акустической эмиссии в углях.
Техническим результатом изобретения является определение термостойкости угля к их криогенной дезинтеграции под влиянием циклического замораживания и оттаивания.
Технический результат достигается за счет учета особенностей и режимов влияния циклического замораживания и оттаивания на параметры термостимулированной акустической эмиссии в углях.
Для решения поставленной задачи в способе определения термостойкости углей к их циклическому замораживанию и оттаиванию, заключающемся в приложении к исследуемым образцам циклического знакопеременного температурного воздействия, в заданных временных интервалах которого определяют среднюю активность акустической эмиссии, по которой судят о термостойкости углей, серию однотипных образцов подвергают циклическому замораживанию и естественному оттаиванию до положительных температур при числе М таких циклов для каждого образца, равном его порядковому номеру в серии, после чего все образцы серии равномерно с малой скоростью прогревают до одинаковой температуры в диапазоне (80-90)±5°С, при которой их выдерживают не менее четырех часов, при этом измерение активности акустической эмиссии осуществляют в процессе нагревания и выдержки, определяют границы последовательных временных интервалов, первый из которых начинается после прогрева образца до 30°С и заканчивается достижением им постоянной температуры, а второй интервал той же длительности начинается при возрастании уровня активности акустической эмиссии до значения, не менее чем в полтора раза превышающего соответствующий уровень фоновых шумов, для каждого образца рассчитывают коэффициент К, равный отношению средних активностей акустической эмиссии во втором и первом интервалах, строят зависимость изменения коэффициента К в функции от числа М циклов замораживания и естественного оттаивания и по числу этих циклов, при котором происходит выполаживание указанной зависимости К(М), судят о термостойкости угля к влиянию циклически изменяющихся отрицательных и положительных температур.
р
Способ определения термостойкости углей к их циклическому замораживанию и оттаиванию иллюстрируется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 1 представлена схема лабораторной установки для реализации способа, где 1 - образец угля, 2 - круговая платформа, 3 - трубчатая нагревательная печь, 4 - кварцевый волновод, 5 - приемный акустический преобразователь, 6 - акустоэмиссионная измерительная система. На фиг. 2 представлена характерная экспериментально полученная зависимость активности  термостимулированной акустической эмиссии образцов бурого угля первой выборки (марка 3Б) в функции от времени с начала эксперимента. На фиг. 3. представлена характерная экспериментально полученная зависимость активности  термостимулированной акустической эмиссии образцов бурого угля второй выборки (марка 2БР) в функции от времени с начала эксперимента. На фиг. 2 и фиг. 3: 7 - временной интервал неустановившегося температурного режима продолжительностью Т от момента прогрева образца до 30°С и до момента достижения им постоянной рабочей температуры Т, на которой производится длительная выдержка образца; 8 - временной интервал той же продолжительности Т, начинающийся в момент возрастания уровня активности акустической эмиссии до значения, не менее чем в полтора раза превышающего соответствующий уровень фоновых шумов. На фиг. 4 и фиг. 5 представлены зависимости коэффициента К (равного отношению среднего значения  активности акустической эмиссии в интервале 8 к среднему значению  активности акустической эмиссии в интервале 7), от числа М циклов замораживания и оттаивания образцов бурого угля первой и второй выборок соответственно.
min
max
Предложенный способ базируется на установленных авторами экспериментально закономерностях термостимулированной акустической эмиссии при длительной выдержке на определенной температуре (лежащей в диапазоне (80-90)±5°С) образцов бурого угля двух выборок, состоящих из 10 образцов каждая. Первая выборка была представлена углем марки 3Б Азейского месторождения, среднее значение W равновесной влаги которого составляло W~10%. Вторая выборка была представлена углем марки 2БР Канско-Ачинского месторождения, среднее значение равновесной влаги которого составляло W~24%. Каждый из образцов обеих выборок с текущим номером М был подвергнут М циклам замораживания/оттаивания, включающим охлаждение образца до минимальной температуры T=-30°С, выдержку на этой температуре в течение 90 мин. и последующее естественное оттаивание до температуры Т=+10°С. Далее все образцы подвергались нагреву до температуры 90°С и последующей выдержке при этой температуре в течение 4 часов с одновременным измерением и регистрацией активности  акустической эмиссии. Полученные в результате для каждого образца зависимости , представленные на фиг. 2 и фиг. 3, состояли из двух областей I (начальной по времени) и II с повышенными значениями , между которыми располагалась область с пониженным значением . Очевидно, что областям I и II соответствует повышенное дефектообразование. Причем в области I, где действуют относительно малые термонапряжения, дефектообразование связано с разрушением имеющихся в образце исходно слабых (нарушенных) структурных связей. В то же время в начале области II (сдвинутой по времени относительно области I) терморапряжения достигают уровня, сопоставимого с пределом прочности исследуемого угля. В результате в этой области интенсифицируется процесс дефектообразования, в ходе которого термическая стойкость и связанные с ней свойства объекта испытания снижаются практически по экспоненциальному закону вплоть до полного разрушения образца. При этом у изначально менее нарушенного угля уровень  в области II выше за счет большего количества нереализованных источников акустической эмиссии, т.е. сохранившихся до этого момента структурных связей. Поэтому, сравнивая у образцов одной выборки уровни  в области II, принципиально можно судить о том, какая часть их структурных связей была изначально устойчива настолько, что они разрушились только под действием критических термонапряжений. Чтобы исключить влияние на величину  размеров и индивидуальных структурных особенностей конкретного образца, эта величина была пронормирована к безразмерному численному показателю К, характеризующему степень устойчивости угля к циклическому замораживанию и оттаиванию. , где  - средняя активность акустической эмиссии в области I на временном интервале 7 (на фиг. 2 и фиг. 3), который начинается после прогрева образца до 30°С и заканчивается достижением им постоянной температуры, a  - средняя активность акустической эмиссии в области II на временном интервале 8 (на фиг. 2 и фиг. 3) той же длительности, который начинается при возрастании уровня активности акустической эмиссии до значения, не менее чем в полтора раза превышающего соответствующий уровень фоновых шумов.
Построенные по результатам акустоэмиссионных измерений зависимости (фиг. 4 - марка 2БР; фиг. 5 - марка 3Б) изменения коэффициента К в функции от числа М циклов замораживания и естественного оттаивания показали следующее. Выполаживание зависимости К(М) у менее влагонасыщенного (W~10%) и, соответственно, более стойкого к циклическому замораживанию и оттаиванию (морозостойкого) бурого угля марки 3Б Азейского месторождения произошло после 7-го цикла. В свою очередь бурый уголь марки 2БР Канско-Ачинского месторождения с W~24% выдержал только 5 циклов. Из этого следует, что уменьшение К(М) показывает относительный прирост доли структурных связей, затронутых явлением криогенной дезинтеграции, а стабилизация (выполаживание) К(М) показывает, что не затронутые (не ослабленные) морозным воздействием структурные связи в объекте контроля уже практически полностью отсутствуют (условный «ресурс морозостойкости» выработан).
Сравнивая полученные для различных углей значения соответствующих точек выполаживания зависимости К(М), показывающей количество циклов, после которых в исследуемом угле практически не остается прочных структурных связей, можно проранжировать эти угли по их относительной морозостойкости.
min
max
Для определения степени криогенной дезинтеграции в углях одного типа принимают K (точка выполаживания) за 0, а K (исходный уголь не испытавший морозного воздействия) за 1, тогда можно рассчитать относительную степень S развития криогенной дезинтеграции в угле, у которого К=X, по формуле:
min
max
min
S=(X-K)/(K-K)
Учитывая, что при криогенной дезинтеграции исходные структурные связи геоматериала могут как разрушаться, так переходить в категорию «слабых» (для разрушения достаточно непродолжительного низкоамплитудного нагрева), проведено микроскопическое изучение поверхности и рельефа аншлифов-кусков испытуемых углей на оптической видеоустановке, состоящей из микроскопа OLYMPUS 51ВХ, совмещенного с системой видеозахвата и обработки изображений. Установлено, что превалирует именно механизм ослабления структурных связей, а не их разрушения, т.к. значимых изменений удельной трещиноватости углей (до и после каждого цикла их заморозки/оттаивания) не выявлено. Соответственно испытавшие криотермическое воздействие связи разрушаются и становятся источниками акустической эмиссии именно в ходе термоакустоэмиссионного испытания (стадия нагрева), а не на этапе пробоподготовки (стадия заморозки/оттаивания).
Реализация способа
Способ определения термостойкости углей к их циклическому замораживанию и оттаиванию реализуют следующим образом.
min
max
В соответствии с требованиями действующих нормативных документов (сейчас ГОСТ 9815) отбирают пробы углей, из которых изготавливают серию образцов в виде призм примерно одинакового между собой объема с длиной ребер 25-35 мм. Каждый из серии образцов с текущим номером М подвергают М циклам замораживания до температуры T=-30°С, выдержки на этой температуре в течение 90 мин и последующего естественного оттаивания до температуры T≈+10°С.
Далее каждый из исследуемых образцов угля подвергают термоакустоэмиссионным испытаниям. Для этого образец 1 угля помещают на круговую платформу 2, находящуюся в трубчатой нагревательной печи 3, например, типа Nabertherm RT 50/250/11 (фиг. 1). Образец 1 прижимают к платформе 2 с помощью кварцевого волновода 4, на свободном конце которого закрепляют приемный акустический преобразователь 5, который подключают к акустоэмиссионной измерительной системе 6, например A-Line 32D. Температурный режим испытаний, включающий нагревание образца 1 со скоростью не более 3°С/мин до температуры, лежащей в диапазоне (80-90)±5°С, и последующую выдержку на максимальной температуре в течение не менее 4-х часов, устанавливают с помощью контроллера нагревательной печи 3. Возникающие в образце 1 сигналы термостимулированной акустической эмиссии через кварцевый волновод 4 подают на приемный акустический преобразователь 5 и далее на измерительную систему 6, с помощью которой измеряют и регистрируют активность  акустической эмиссии в функции от времени (фиг. 2 и фиг. 3).
р
На экспериментально полученной зависимости активности  термостимулированной акустической эмиссии образца 1 угля выделяют временной интервал 7 неустановившегося температурного режима продолжительностью Т от момента прогрева образца до 30°С и до момента достижения им постоянной рабочей температуры Т, на которой производится длительная выдержка образца. Затем на указанной зависимости выделяют временной интервал 8 той же продолжительности Т, начинающийся в момент возрастания уровня активности акустической эмиссии до значения, не менее чем в полтора раза, превышающего соответствующий уровень фоновых шумов. В каждом из интервалов 7 и 8 рассчитывают средние значения активности акустической эмиссии,  и  соответственно. Далее для испытанного образца находят значение коэффициента .
По совокупности результатов определения коэффициентов К всех испытанных образцов строят зависимость коэффициента К в функции от числа М циклов замораживания и естественного оттаивания. По числу этих циклов, при котором происходит выполаживание зависимости К(М), определяют количество циклов замораживания и оттаивания, выдерживаемое углем до перехода на финальную стадию дезинтеграции. Так, для примера на фиг. 4, соответствующего бурому углю 2БР Канско-Ачинского месторождения со средним значением W равновесной влаги W~24%, - это 5 циклов, а для примера на фиг. 5, соответствующего бурому углю 3Б Азейского месторождения с W~10%, - 7 циклов. Сравнивая между собой количество указанных циклов, полученных для разных партий угля, судят об относительной термостойкости каждой из них к влиянию замораживания и оттаивания. Сравнивая величины К у образцов угля одной марки, определяют степень развития криогенной дезинтеграции в каждом из этих образцов. На основе этой информации, зная точки отбора проб, можно составить карту развития процесса криогенной дезинтеграции в местах его складирования - выявить приоритетные участки для проведения соответствующих профилактических мероприятий.
Пример реализации способа
Были исследованы две выборки бурых углей марок 3Б и 2БР со средним значением равновесной влаги W~10% и W~24% соответственно. Каждая из двух выборок состояла из 10 образцов. Образцы были подвергнуты 10 циклам замораживания/оттаивания, включающим охлаждение образцов до температуры Т=-30°С, выдержку при данной температуре в течение 90 мин и последующее оттаивание до температуры Т=+10°С, затем образцы нагревали до температуры Т=90°С и выдерживали при этой температуре 4 часа, одновременно регистрировали активность  акустической эмиссии.
р
На зарегистрированной термоакустограмме (фиг. 2), соответствующей образцу 3Б, выделяли временной интервал 7 неустановившегося температурного режима продолжительностью Т от момента прогрева образца до 30°С и до момента достижения им постоянной рабочей температуры Т, при которой производится длительная выдержка образца.
На зарегистрированной термоакустограмме (фиг. 2), соответствующей образцу 3Б, выделяли временной интервал 8, продолжительностью Т, начинающийся в момент возрастания уровня активности акустической эмиссии до значения, не менее чем в полтора раза превышающего соответствующий уровень фоновых шумов.
р
На зарегистрированной термоакустограмме (фиг. 3), соответствующей образцу 2БР, выделяли временной интервал 7 неустановившегося температурного режима продолжительностью Т от момента прогрева образца до 30°С до момента достижения им постоянной рабочей температуры Т, при которой производится длительная выдержка образца.
На зарегистрированной термоакустограмме (фиг. 3), соответствующей образцу 2БР, выделяли временной интервал 8, продолжительностью Т, начинающийся в момент возрастания уровня активности акустической эмиссии до значения, не менее чем в полтора раза превышающего соответствующий уровень фоновых шумов.
В каждом из интервалов 7 и 8 (фиг. 2 и фиг. 3) рассчитывали средние значения активности акустической эмиссии,  и  соответственно. Далее рассчитывали значение коэффициента  и строили зависимость коэффициента К в функции от числа циклов замораживания/оттаивания для угля марки 2БР (фиг. 4) и для угля марки 3Б (фиг. 5).
Бурый уголь марки 3Б (W~10%) выдержал 7 циклов до выполаживания зависимости К(М), а уголь марки 2БР (W~24%) - 5 циклов до выполаживания зависимости К(М). Это свидетельствует о большей термостойкости угля марки 3Б по сравнению с углем марки 2БР.
Таким образом, предложенный способ обеспечивает определение термостойкости угля к циклическому замораживанию и оттаиванию за счет учета особенностей и режимов такого влияния на параметры термостимулированной акустической эмиссии в углях.