Опыт использования композиционных материалов в нестандартном оборудовании

Авторы: В.П. Муленков, Ю.В. Костылев

Анализ технических заданий, получаемых нашими предприятиями на разработку и изготовление нестандартного оборудования, показывает, что основными техническими требованиями к материалам и конструкциям в химической и горно-добывающей отраслях промышленности являются:

- стойкость к агрессивным средам, в том числе к кислотам и щелочам при повышенных температурах,

- стойкость к абразивному (эрозионному) износу;

- адгезионные и антиадгезионные свойства;

- огнестойкость,

- механические свойства и их изменение при действии комплекса внешних факторов. Кроме того, на выбор материала влияет стоимость изделия, гарантийный срок его эксплуатации, ремонтопригодность.

Выполнить эти требования могут высоколегированные стали, цветные металлы, специальные покрытия или композиционные материалы на основе эпоксидных, полиэфирных, виниловых, фенолформальдегидных и других смол и армирующих наполнителей в виде стеклянных, базальтовых, угольных или органических волокон, тканей, матов.

Основными способами изготовления изделий из композиционных материалов (КМ) являются: намотка пропитанного связующим жгута на оправку (рис. 1), напыление рубленого волокна и связующего в матрицу или на оправку (рис. 2), послойная выкладка ткани или мата с одновременной пропиткой связующим в матрице(рис. 3).


Рис. 1. Намотка на оправку	Рис. 2. Матрица для лодки (выкладка)	Рис. 3. Напыление

Следовательно, композит, как материал, формируется одновременно с изделием, и появляется возможность создания материала со свойствами, наилучшим образом, отвечающими условиям эксплуатации данного изделия. Например, в тяжелонагруженных элементах конструкции армирующие материалы принято располагать по направлениям главных напряжений, минимизировуя расход материала, вес и стоимость изделия.

Стойкость КМ к агрессивным средам обеспечивает связующее на основе той или иной смолы и специальных добавок.

Пример использования химически стойких смол - разработанный и изготовленный на нашем производстве элемент химического аппарата, прошедший испытания при действии 20%-ой HCl в течение 500 часов при температуре 95°С с потерей массы в пределах менее 0,4% и изменением механических свойств в пределах 15-18%.

Также есть опыт применения емкостного оборудования (рис. 4) для хранения кислот и щелочей.

Рис. 4. Бак-смеситель

В настоящее время на Карналлитовой фабрике СКРУ-1 ОАО «Сильвинит» г. Соликамск в течение 2-х лет эксплуатируется, изготовленный ГК «Возрождение», трубопровод Ø200 мм длиной 90 м, по которому транспортируется растворяющий щелок с температурой 120°С.

Оправдали себя при долгосрочной эксплуатации в агрессивных средах различного вида укрытия, крышки, кожухи защиты из КМ. Они имеют малый вес, длительный срок использования, не требуют повторного окрашивания (красящий пигмент веден в состав КМ).

Основными факторами, влияющими на износ материала, являются:

- энергия частиц, которая зависит от массы и скорости движения частиц В момент сопротивления с материалом изделия;

- твердость и форма частиц;

- «угол атаки» частиц;

- концентрация частиц В потоке;

- агрессивность среды,

- свойства материала изделия.

Изменить свойства транспортируемой среды изделия, как правило, не допускается, поэтому для борьбы с износом материала остается:

1. Выбор (создание) связующего, стойкого к агрессивной среде и механическому воздействию частиц или подбор покрытия (при необходимости).

2. Изменение угла атаки частиц.

В таблице 1 показаны результаты исследований уноса связующего на основе смолы Derakane и специальных добавок в различных пропорциях. [2]

Таблица 1

Показатели	Варианты связующего
Показатели	D+Д	D+Д	D+Д	D+Д	D+Д
Соотношение смола/добавка, %	100:0	70:30	50:50	30:70	0:100
Износ покрытия, г	0,0647	0,0101	0,0333	0,0406	0,0453
ПРогноз по износу покрытия, мм/год	3,36	0,52	1,73	2,09	2,34

Исследования показали, что зависимость уноса материала от угла «атаки» при прочих равных условиях имеет четко выраженный экстремум при 40-45° (рис. 5). [2]

Рис. 5. Зависимость коэффициента уноса материала от угла «атаки», где m_max - максимальная масса унесенного материала, m_y - масса материала, унесенного при различных углах «атаки», k_a - безразмерный коэффициент, a - угол «атаки» - угол между направлением движения частиц и поверхности материала

Оптимизация только этих двух параметров позволила увеличить срок службы циркуляционного кармана флотационной машин с 6 месяцев (металл) до 5-ти лет (композит). Эксперимент продолжается, разрушений циркуляционных карманов флотационных машин нет, и ожидаемый срок службы составит, по нашему мнению, не менее 8 лет (рис. 6, рис. 7). После двухлетнего испытания все металлические карманы СКРУ-2 ОАО «Сильвинит» заменены на композитные, что значительно сократило объем ремонтных работ.


Рис. 6. Циркуляционный карман из стали после шести месяцев эксплуатации	Рис. 7. Циркуляционный карман из композиционного материала после 5 лет эксплуатации

Безопорные металлические трубы подачи пульпы на сгуститель Ø500 мм, длиной 12-13 м с толщиной стенки 15 мм служат 1 год. Причем, через 6 месяцев после начала эксплуатации ее необходимо повернуть вокруг оси на 180°С, из-за более быстрого износа нижней стенки трубы.

Спроектированные и изготовленные нами трубопроводы подачи пульпы на сгустителя (рис. 8) прослужили на 01.06.2010 г. более 3-х лет без видимого уноса материала. Ожидаемый срок службы не менее 8 лет.

Рис. 8. Трубопровод питания сгустителя

Антиадгезионные свойства материала, как правило, необходимы для оборудования транспортирующего сухой или влажный продукт в измельченном виде. Это трубопроводы аспирации, пересыпные бункеры, кузова транспортных средств, вагоны.

При перевозке руды от шахты до обогатительной фабрики в зимний период и в межсезонье происходит слеживание и налипание калийной руды на днище и, частично, на стенки вагона «Думпкар» (рис. 9). Для обеспечения непрерывной работы фабрики нормативное время разгрузки одного вагона составляет 11 минут, а фактическое - растягивалось до часа, а иногда и больше. В 2006 году нами было предложено полимерное покрытие днища вагона, которое полностью себя оправдало и после испытаний опытной партии вагонов в производственных условиях в течение года по решению руководства ОАО «Уралкалий» данный материал был нанесен на весь парк вагонов «Думпкар» (рис. 10). Поскольку предложенные заказчиком условия, в которых предполагалось наносить покрытие, нас не удовлетворили, была разработана следующая технология: на производственных площадях нашего предприятия в г. Пермь на подготовленные стальные листы толщиной 2 мм было нанесено полимочевинное покрытие толщиной (2,0 ± 0,3) мм, затем листы были перевезены в г. Березники на БКПРУ-4 и приварены к днищам вагонов. Это позволило произвести ремонт вагонов в зимних условиях под открытым небом в кратчайшие сроки. Контрольные замеры показали, что износ покрытия за время непрерывной эксплуатации в течении 2-х лет незначителен. Проблемы разгрузки вагонов «Думпкар» в ОАО «Урал- калий» на сегодня не существует.


Рис. 9. Вагон Думпкар без покрытия	Рис. 10. Вагон Думпкар с полимерным покрытием

В настоящее время в объединении «Ураласбест» проходят испытания опытные вагоны, доработанные с нашим покрытием в условиях заказчика. Ведутся переговоры по вопросу решения аналогичных проблем с объединениями «Оренбургские минералы», ГМК «Североникель», «Оренбургуголь», «Кыштымский завод огнеупоров» и т.д.

Антиадгезионные свойства материала также важны в системах аспирации, где собирается и удаляется сухая или влажная пыль.

Освоенные нами на сегодня системы вентиляции и аспирации включают: пылегасители, корпуса вентиляторов, скрубберы, приточные камеры, газопроводы и крышные дефлекторы. Все вышеперечисленные изделия из КМ значительно легче и долговечнее стальных. Как показала практика, в стеклопластиковых трубопроводах отсутствует налипание пыли. Это подтверждено на нескольких нитках аспирации и компенсационных емкостях ОАО «Сильвинит» и ОАО «Уралкалий». Наибольшим спросом из перечисленного пользуются пылегасители и дефлекторы, как наиболее подверженные коррозии. Подтвержденный срок службы этих элементов 7 лет, ожидаемый - не менее 10-ти лет в агрессивных средах.

Горючесть композиционного материала определяет природа связующего. К сожалению, все смолы, кроме кремнийорганических, горят. Простые смолы обеспечивают пожаростойкость изделия по группе Г3-Г2. Введение в состав связующего антипиренов дает возможность обеспечить группу Г1. При этом происходит некоторое падение физико-механических характеристик и повышение стоимости. Использование негорючих связующих на основе кремний- органических смол ведет к значительному повышению стоимости изделия.

Прочность композита в первую очередь зависит от природы армирующего волокна и схемы армирования. Влияют также доля волокна в композите, природа связующего, режимы отверждения и многое другое.

Факторы, влияющие на свойства композита на этапе изготовления, изучены достаточно подробно. Гораздо более сложным является влияние факторов на этапе эксплуатации. Химическая активность среды, силовые нагрузки, тепловые потоки, унос материала зачастую действуют одновременно, и, что особенно важно, действие их носит синергетический характер. Выход из этого положения один - испытания опытных образцов оборудования в натурных условиях.

Примером правильного выбора марки армирующего материала и схемы армирования является вышеупомянутая труба подачи пульпы (рис. 8). Выполнив спиральные слои из стеклоровинга, а продольные слои из высокомодульного базальта и придав трубе форму эллипса удалось получить прогиб трубы под нагрузкой (равной 4 тоннам плюс собственный вес) 20 мм при заданных 70 мм max.

Как известно, цена изделия состоит из стоимости исходных материалов (цена, расход), заработной платы исполнителей (трудоемкость, квалификация, обязательные выплаты и накладные расходы) (схема 1).

Схема 1. Обеспечение экономической целесообразности использования полимерных композиционных материалов

Несмотря на высокую цену исходных материалов стоимость изделий из композитов ниже стоимости изделий из легированных сталей и цветных металлов. Происходит это благодаря возможности направленного регулирования состава и структуры композита, где стойкость к агрессивным средам, и следовательно, увеличение срока службы обеспечивается связующим, оптимальная схема армирования позволяет получить высокие физико-механические характеристики и минимизировать вес конструкции, а технологии получения изделий обеспечивают высокий КИМ (не ниже 0,8). Понятно, что при минимальном расходе материала снижается трудоемкость и энергоемкость изделий, а минимальный вес конструкций обеспечивает низкие затраты на транспортировку и монтаж оборудования из КМ.

Кроме того, значительное увеличение срока службы изделий до первого капитального ремонта и возможность, в большинстве случаев, проводить ремонт на месте существенно влияют на окупаемость оборудования из композиционных материалов.

Комплексная замена быстро изнашиваемого металлического оборудования на оборудование из КМ (карманы, трубы, коллекторы, системы вентиляции и аспирации, защиты приводов, бункеры и пр.) позволило ОАО «Сильвинит» сократить затраты обогатительных фабрик при ежегодных капитальных ремонтах.

Опубликовано в издании "ЗОЛОТОдобывающая промышленность"
№3 (39) от 07.2010 г.