Исследование защитного покрытия технологического оборудования производства калийных удобрений

Авторы: В.П. Муленков, Ю.В. Костылев (группа компаний «Возрождение»),
Б.Д. Олейник (Пермский государственный технический университет)

УДК 667.61

Технологическое оборудование для переработки калийных солей флотационным способом работает в контакте с пульпой и при длительном воздействии подвержено интенсивному износу. Так некоторые узлы и элементы этого оборудования изготовленные из стали уже через 9-12 месяцев эксплуатации изнашиваются настолько, что их приходится заменять новыми.

Современные разработки по новым материалам и технологиям позволяют решать подобные проблемы, заменяя традиционно используемые стали на композиционные материалы или защищая их стойкими покрытиями. Высокие физико-механические свойства, коррозионная и химическая стойкость конструкционных композитов и защитных покрытий обеспечивают значительное увеличение срока службы технологического оборудования.

Данные исследования касаются защитного покрытия и ставят своей целью определение степени воздействия пульпы на его физико-механические характеристики. В качестве покрытия взят композиционный материал на основе эластичного полимера. Он является одним из эффективных защитных материалов, стойких как к воздействию агрессивных сред, так и гидроабразивному износу. Была изготовлена пластина с размерами 300*400 мм, толщиной h=3,0...3,5 мм. Из нее вырезали различные по форме и размерам образцы, соответствующие определенным видам испытаний. Пульпа представляла собой двух фазную среду: насыщенный водный раствор солей KCl, NaCl и твердые частицы этих солей.

При исследовании влагопоглощения материалом покрытия эксперименты проводились с использованием двух жидких сред: воды и насыщенного водного раствора KCl, NaCl; и 6 образцов с размерами 50*50*3 мм. Образцы предварительно маркировали и взвешивали на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. 3 образца подвешивали в насыщенный водный раствор солей, а 3 других - в воду. По ходу эксперимента образцы периодически контролировали, измеряя их массу и записывая результаты и даты контроля. Перед взвешиванием образцы тщательно промывали в струе воды и насухо протирали. Затем в комнатных условиях подсушивали в течение 1 часа. По полученным экспериментальным данным определяли поглощение жидкости (Δm).

Δm=(mi-m0)/m0*100%,

где m0 - начальная масса образца;
mi - масса образца экспонированного в жидкости.

Длительность эксперимента составила 1 месяц, его результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1
Поглощение жидкости покрытием

Параметры Поглощение жидкости, %
Время экспозиции 17 ч. 70 ч. 132 ч. 254 ч. 396 ч. 450 ч. 720 ч.
Среда Вода 0,4 1,4 1,8 2,06 2,13 2,17 2,2
Раствор KCl, NaCl 0,31 0,87 1,11 1,15 1,17 1,19 1,2

Из табл. 1 следует, что покрытие поглощает воду более интенсивно, чем насыщенный водный раствор солей. Наиболее интенсивное набухание происходит в первые десятки часов, далее этот процесс постепенно затухает и примерно к 10 суткам экспонирования образцы подходят близко к насыщенному состоянию. Максимальные значения 2,2% и 1,2% соответствуют полному насыщению материала водой и раствором солей. Разницу в максимальных показателях можно объяснить разницей плотностей и вязкостей данных жидкостей. Поглощение покрытием жидкостей, особенно таких агрессивных как раствор солей, будет отражаться на его физико-механических характеристиках.

При определение модуля упругости и прочности покрытия пользовались методикой изложенной в «ГОСТ 270-75. Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении». ГОСТ регламентирует форму образцов, методику испытаний, расчетные формулы. Были подготовлены 2 группы образцов в форме 2-х сторонних лопаток: 1-я группа - исходные образцы, 2-я группа - образцы экспонированные в течение 1,5 месяцев в насыщенном растворе солей. Испытания проводили на машине Р-5, при силовой шкале 0...250 кгс. Чтобы исключить выскальзывание образца из захватов, перед закреплением на его концы накладывали с обеих поверхностей крупнозернистую наждачную бумагу в виде полосок размером 45x30 мм.

В соответствие с ГОСТ 270-75 условную прочность рассчитывали по формуле:

σ=N/(h0*b0),

где N - сила, соответствующая разрыву образца;
h0, b0 - начальная толщина и ширина рабочей части образца.

При определении модуля упругости расчеты проводили по формуле:

E=(N1*l0)/(b0*h0*(l1-l0)),

где N1 - растягивающее усилие; l0 - начальная длина базового участка; l1 - длина базового участка при усилии N1.

Результаты испытаний и расчетов приведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что от воздействия раствора солей у композита снижаются прочность и модуль упругости. Это безусловно будет сказываться на износостойкости защитного покрытия.

Таблица 2
Влияние раствора солей на физико-механические свойства покрытия

Параметры Предел прочности σ, МПа Модуль упругости E, МПа Твердость по Шору A, усл. ед.
Исходный материал 17,5 14,0 67
Выдержанный в растворе солей 12,8 10,6 75
Степень влияния раствора снижение на 27% снижение на 24% повышение на 12%

При определении твердости покрытия руководствовались «ГОСТ 263-75. Резина. Метод определения твердости по Шору А.» Образцы для испытаний имели форму квадрата 50*50, толщиной 3,5 мм. Как и в предыдущих исследованиях использовали две группы образцов: 1-я группа - исходные образцы, 2-я группа - образцы выдержанные в растворе солей в течении 1,5 месяцев. Все замеры проводили твердомером ТЭМП-4, каждый образец испытывали по 3-5 раз, за результат брали среднее значение. Результаты эксперимента приведены в табл. 2. Из таблицы следует, что от воздействия раствора солей твёрдость покрытия несколько увеличивается. Это можно объяснить тем, что микропоры в поверхностном слое покрытия заполнились раствором, вытеснив воздух, и слой стал твёрже. Очевидно, что некоторое увеличение твёрдости, а следовательно снижение эластичности, ухудшает стойкость покрытия.

Таким образом, результаты исследований позволяют оценить степень влияния технологического контакта пульпы на физико-механические свойства покрытия. Полученные данные необходимы для прогнозирования износостойкости технологического оборудования работающего в контакте с соляной пульпой. Используемые при этом расчётные формулы включают в качестве параметров в том числе и физико-механические характеристики материала покрытия.

Список литературы

1. Кашкаров О.Д. Технология калийных удобрений. - Л.: Химия; 1978. - 248 с.
2. Зуев Ю.С. Стойкость эластомеров в эксплуатационных условиях. - М.: Химия; 1986. - 264 с.
3. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. - М.: Машиностроение; 1976. - 71 с.