Оборудование из композитных материалов для горных и обогатительных производств

Ю.В. Холодников, к.т.н., Генеральный директор ООО Специальное конструкторское бюро (СКБ) «Мысль»

Введение В «Основах политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу», утверждённых Президентом Российской Федерации В.В.Путиным 30 марта 2002 г., а также в «Перечне критических технологий РФ», утверждённых им же 21.05.2006 г. включены «Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов». Распоряжением Правительства РФ №1243-р от 25 августа 2008 г., в «Перечне технологий, имеющих важное социально-экономическое или важное значение для обороны страны и безопасности государства» опять подчёркивается приоритетная роль технологий создания композитов. В ежегодном послании Федеральному Собранию нынешний президент РФ Д.А. Медведев, подчеркнул приоритетность промышленного развития России, ориентированного на выпуск высокотехнологичной, наукоёмкой, конкурентоспособной и востребованной продукции мирового качества, что невозможно выполнить без широкого и повсеместного внедрения изделий из композитов.

Композиты, их конкурентные преимущества В практике делового общения со специалистами промышленных предприятий, НИИ и проектных организаций часто приходится сталкиваться с проблемой разночтений в трактовке понятий: что такое композит, который часто воспринимается как разновидность пластмассы, с соответствующим скептически-пренебрежительным отношением к этому материалу в качестве конструкционного материала для машиностроения и других отраслей промышленности. Поэтому разговор о применении композитов для горного оборудования необходимо начать с базовых определений и оценки основных конкурентных преимуществ этих материалов.

Композиционные материалы (КМ) – это материалы образованные объёмным сочетанием химически разнородных компонентов с чёткой границей раздела между ними, при этом КМ характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности [1]. Композит состоит из связующего (матрицы) и различных видов армирующих материалов и наполнителей. Классификация композитов по виду матрицы и армирующих материалов раскрыта в статье [2].

Оборудование из композитных материалов

В мировой практике около 80% композиционных материалов представлены стекло(угле)-наполненными композитами с матрицей в виде органических термореактивных смол – полиэфирных или модифицированных эпоксидных. Поэтому есть смысл рассматривать именно эти композиты и группы изделий, которые можно получить с их помощью. Общеизвестно, что применение композитов в машиностроении позволяет снизить массу изделия в 3–4 раза, трудоёмкость изготовления в 1.5–2 раза и энергоёмкость производства в 8–10 раз, эксплуатационные, транспортные и монтажные затраты – почти в 2 раза с повышением эксплуатационных параметров оборудования (ремонтопригодности, химической стойкости, ресурса безопасной работы, долговечности эксплуатации и др.) – в 1.5–2 раза.

При этом особо следует подчеркнуть, что по удельным механическим характеристикам композиты не уступают, а с принятием специальных мер – превосходят аналогичные характеристики конструкционных марок стали.

Оборудование из композитных материалов

Композиты не подвержены коррозии, стойки к воздействию ультрафиолетовых лучей и радиации, не поддерживают горение, а с введением специальных присадок могут приобретать новые полезные качества такие как, антиадгезивность, износостойкость, термо-, тепло,- огнестойкость, повышенные триботехнические характеристики и многое другое. В этом плане перспективны разработки, относящиеся к сфере нанокомпозитов.

Оборудование для горнодобывающей промышленности из композиционных материалов

Композиционные материалы, как и любой другой относительно новый вид продукции широкого спектра применения, упорно пробивает себе путь, в том числе и для использования при производстве оборудования для горнодобывающей промышленности. Композиты, футеровка композитами, композитные покрытия и ремонтные составы, полимербетон – постепенно становятся важной составляющей при производстве оборудования и его эксплуатации для добычи и первичной переработки угля, апатитов, бокситов, никеля, железной руды, меди, кобальта и других полезных ископаемых. Рассмотрим примеры применения композитов в горной промышленности из опыта работ, выполненных в последнее время нашей компанией – СКБ «Мысль».

Элементы насосных установок

В 2007 г. нашими специалистами спроектирован и изготовлен комплект рабочих колёс из композиционных материалов для насоса главного водоотлива 14М8y4 по заказу ОАО «СУБР» (СУАЛ). В конце года колёса были установлены на ротор насоса, в январе 2008 г. насос был пущен в эксплуатацию. Результаты замеров производительности насоса и потребляемой активной мощности с применением приборов, задействованных в автоматизированной системе диспетчерского контроля и регулирования электроэнергии шахты «Красная шапочка», представлены в таблице.

Оборудование из композитных материалов

Количество потребляемой электроэнергии агрегатом, укомплектованным стальными колёсами, составило при месячной наработке 510 час. – 562056 кВт·ч.; для насоса с колесами из композита – 520812 кВт·ч. Таким образом, экономия потребляемой электроэнергии модернизированным насосным агрегатом составила за календарный месяц 41244 кВт·ч. Следует отметить, что масса стального колеса – 56 кг, композитного – 15 кг, что существенно облегчает проведение ремонтно-профилактических работ.

Полученные результаты могут быть объяснены снижением доли гидравлических потерь за счёт оптимизации конструкции и качества изготовления проточной части рабочего колеса. Также были откорректированы в сторону увеличения на 3° углы установки лопаток, что и привело к некоторому увеличению потребляемой мощности, а производительность и напор возросли на 20% по сравнению с базовым насосом [3].

В 2010 году нами изготовлены очередные четыре комплекта рабочих колёс для этих же типов насосов, которые недавно были установлены и работают безотказно.

В 2009 году по заданию ОАО «СУМЗ» УГМК, в СКБ «Мысль» с применением химически стойкого полимербетона отремонтировали (восстановили) проточную часть нескольких кислотных насосов, работающих на откачке абразивной пульпы в сернокислотном цехе предприятия. Для одного из насосов был полностью изготовлен стеклопластиковый корпус взамен изношенного стального. Более года у заказчика нет претензий (а раньше насосы приходилось ремонтировать ежеквартально!).

Элементы вентиляторных установок

Уровень развития турбомашиностроения, наряду с другими приоритетными техническими и экономическими показателями, определяет степень промышленного развития и интеллектуальный потенциал любой экономически развитой общественно-политической системы. Низко- и средненагруженные турбины осевого или центробежного типа находят широкое применение в горной промышленности в качестве рабочего органа вентиляторов, газодувок, турбокомпрессоров и другого оборудования. За последние несколько лет проделана большая работа по исследованию, проектированию, изготовлению и испытаниям рабочих лопаток осевых вентиляторов и рабочих колёс центробежного типа для вентиляторов различных типоразмеров из композиционных материалов.

Оборудование из композитных материалов

Расчёт напряженно-деформированного состояния рабочей лопасти осевого вентилятора диаметром 2.4 м, выполненный с использованием программы АРМ Structure 3D, показал, что уровень численных значений напряжений ни в одном расчётном случае не превысил допускаемых значений, а запас прочности превышает 200% – для самого критичного случая нагружения лопаток [4]. При этом рассчитывались различные варианты исполнения лопаток: обычное, усиленное и облегченное (пустотелое). Под каждый вариант исполнения лопаток была разработана технология их изготовления, включающая как варианты ручного ламинирования при единичном или малосерийном производстве, так и вариант массового производства методом прессования. Проведены испытания лопаток на термостойкость, электро- и искробезопасность, прочностные испытания композита с различным типом армирующего материала (рогожа, стеклоткань, стекломат, ровинг) на предмет соответствия требуемым критериям прочности.

Лопатки, изготовленные для разных типов вентиляторов, подвергались испытаниям на разрывном стенде, имитирующем действие центробежных нагрузок при вращении ротора турбомашины. Испытания подтвердили результаты расчётов и показали высокую прочность лопаток, многократно превышающую требуемые прочностные характеристики для реальных условий эксплуатации.

В настоящее время на предприятии СКБ «Мысль» из композиционных материалов производятся лопатки вентиляторов разных типов для шахт и метрополитенов с диаметром рабочего колеса от 0.6 до 3.0 м, крыльчатки осевых вентиляторов общепромышленного назначения и лопасти градирен размерами, превышающими 3 м, а также ступицы, диффузоры, коллекторы и корпуса осевых и центробежных вентиляторов.

Кроме того, специалистами СКБ «Мысль» прорабатывается отдельная и очень интересная тема исследований, связанная с внедрением рабочих колёс центробежных вентиляторов из специальных композиционных материалов для работы в агрессивных средах. К настоящему времени разработан, изготовлен и прошёл сертификационные, включая аэродинамические испытания, центробежный вентилятор, полностью выполненный из композитов, включая рабочее колесо, корпус, раму. Испытания подтвердили соответствие вентилятора выбранной аэродинамической схеме, и при этом, по сравнению с металлическим аналогом, отмечены: снижение уровня звуковой мощности; более высокие значения удельной гидравлической мощности; существенно меньшие значения уровня вибрации на всём частотном диапазоне; демпфирующее влияние рамы вентилятора, выполненной из упругого композита. Кроме того, отпадает необходимость в электрозащите конструкции вентилятора, т.к. композитный материал обладает необходимой диэлектрической прочностью и защищает от несанкционированного перехода напряжения на конструкцию. Среди достоинств композитной конструкции также следует отметить снижение массы вентилятора, отсутствие искрообразования (т.е. взрывобезопасность) в паре «рабочее колесо – корпус вентилятора», эргономичность конструкции, коррозионную стойкость и хорошую ремонтопригодность, вызванную как свойствами композитного материала, так и принятыми техническими решениями, заложенными в конструкцию вентилятора.

Однако, на наш взгляд, перспектива широкого внедрения вентиляторов из композитов в практику горнодобывающих и перерабатывающих производств связана, прежде всего, с изготовлением вентиляторов из специальных композитов взамен традиционно применяемых для работы с агрессивными газами и смесями вентиляторов из нержавеющих, алюминиевых, титановых, биметаллических сплавов. В этом случае, помимо перечисленных достоинств вентиляторов из композита, важным оказывается существенно (до 50%) меньшая себестоимость изготовления и в несколько раз большая надёжность работы, связанная с тем, что у вентиляторов из композитов нет сварных швов, коррозия которых является основной причиной выхода из строя металлических вентиляторов. Подтверждением последнего тезиса служит богатый практический опыт изготовления специальных типов вентиляторов, накопленный за последние годы [5].

Защита технологического оборудования

Для оборудования, эксплуатируемого в горнодобывающих и горно-обогатительных производствах, основными агрессивными факторами являются абразивный износ и химическое воздействие рабочей среды.

Для нейтрализации негативного воздействия абразивного износа на технологическое оборудование хорошо зарекомендовали себя композиты типа полимербетона. Эти материалы, получаемые путём смешивания 10–20% термореактивной полимерной смолы и 70–80% абразивостойкого дисперсно-зернистого сыпучего материала (корунд, кварц, каменная крошка и т.п.), после полимеризации представляют из себя мощный заградительный барьер между абразивной средой и поверхностью защищаемого оборудования. Полимербетон, в котором в качестве матрицы используются кремнийорганические смолы, кроме хорошей износостойкости, обладает ещё и отличной теплостойкостью (до 1500°С). А если в качестве матрицы взять модифицированные эпоксидные, эпоксивинилэфирные, эпоксифурановые и прочие органические смолы, то получается абразиво-химическистойкая защита. Таким образом, подбирая тип связующего и наполнителя возможно создание полимербетона со свойствами, максимально отвечающими конкретным условиям эксплуатации. При этом важное преимущество описываемого способа защиты заключается в универсальности его исполнения: в виде шпатлёвки, футеровки, штучных футеровочных элементов, сочетаемых с другими видами и материалами, применяемыми для аналогичных работ.

Особого внимания заслуживает способ защиты от воздействия агрессивной рабочей среды (химическая, биологическая, газовая и пр.) посредством химически стойкого стеклонаполненного композита, выполняемого либо методами футеровки, либо путём изготовления такого оборудования целиком из композита (ванны выщелачивания, смесители, скрубберы, газоходы, ёмкости, контактные чаны и многое другое). Футеровка химически стойким композитом, в зависимости от условий эксплуатации, вида оборудования и других производственных факторов может осуществляться или по технологии «мокрого» ламинирования, или листовым композитом, а также сочетанием этих способов.

Описанию преимуществ защиты оборудования специальными композитами методами футеровки посвящён ряд статей [6, 7, 8]. Не останавливаясь подробно на этом вопросе, сформулируем итог многолетней работы специалистов СКБ «Мысль» следующим тезисом: учитывая совокупность особенностей воздействия различных агрессивных факторов и организации производственных процессов в различных отраслях промышленности, определяющих целесообразность применения того или иного вида футеровочного материала для оборудования, эксплуатируемого в особо опасных производственных условиях, следует констатировать, что в настоящее время футеровка химически стойким стеклопластиком представляется наиболее предпочтительным видом антикоррозионной защиты вследствие универсальности, отличной стойкости в широком диапазоне агрессивных сред, технологичности и высоких эксплуатационных характеристик, среди которых ремонтопригодность, возможность визуального и инструментального контроля, высокая скорость проведения ремонтно-восстановительных работ, совместимость с другими видами и методами защиты и другое.

Можно констатировать, что отечественная экономика подошла к такому этапу индустриального развития, когда необходимость широкого внедрения изделий из композиционных материалов в практику изготовления и защиты оборудования для промышленности, не вызывает явного отторжения и неприятия. Однако говорить о том, что это направление занимает подобающее место в практике машиностроения и в проведении защитных или ремонтно-восстановительных работ, к сожалению, ещё рано.

Изделия из композитов в общем объёме машиностроительной продукции страны занимают около 1.5–2%, общемировой уровень достиг 25%, то есть поле для деятельности – огромное. При этом считаем, что сдерживающими факторами на этом пути служат:

1. Общая отсталость, а так же недооценка руководством страны производственного сектора экономики, в формировании промышленной и экономической стратегии развития государства;

2. Производство изделий из композитов для различных отраслей промышленности – это сфера эффективной работы предприятий малого и среднего бизнеса, поскольку производство не требует больших капитальных вложений, огромных производственных площадей, уникальной квалификации рабочих и среднего руководящего персонала и, наконец, выбор технологии производства (ручное ламинирование, пултрузия, прессование, намотка и т.д.) – позволяют реализовать практически любой доступный для конкретного исполнителя способ производства. Состояние же отечественного малого производственного бизнеса, особенно в условиях современного кризиса – не нуждается в комментариях.

3. Отсутствие стандартов, регламентов, нормативов, справочной литературы и информационной поддержки – делают весьма сложным вопрос внедрения разработок в промышленность, специалисты которой до сих пор путают пластмассы и композиты. Очень мало готовится специалистов – конструкторов по композитам, а без них спроектировать и заложить новое изделие в проект – некому. 4. Отсутствие четко скоординированной программы развития композитостроения в стране – проблема, которую «растащили» по разным корпорациям, министерствам и союзам (в отличие от нанотехнологий).

В целом, проведенная СКБ «Мысль» работа с композиционными материалами в областях химзащиты, производства технологического оборудования, разработке нормативно-технической документации и т.д. показывает, что направление модернизации производства выбрано верно и возрастающий со стороны промышленности интерес к этому виду материалов – наглядное подтверждение выхода нашей экономики из кризиса и трезвой оценки экономической и технической составляющей любого производственного процесса.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Политехнический словарь. Изд. 2е, под ред. Ишлинского А.Ю. М., «Советская эн циклопедия» 1980. 654 стр.

2. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И. О взаимосвязи и особенностях композиционных ма териалов. Журнал «Композитный мир» №2/2009 г., СПб. «Издательский дом «Мир Композитов», с. 34–37.

3. Миняев Ю.Н., Холодников Ю.В., Князев А.Е. Применение композиционных матери алов в вентиляторах и насосах. // «Технологическое оборудование для горной и неф тегазовой промышленности». Сб. трудов VI Междунар. науч.технич. конференции. Чтения памяти В.Р.Кубачека. 2008 г. Екатеринбург, УГГУ.

4. Савинова Н.В., Шестаков В.С., Холодников Ю.В. Исследование напряженнодеформи рованного состояния вентиляторных лопаток. // «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложноструктурных МПИ». Сб. докладов III Меж дунар. науч.технич. конференции. Чтения памяти В.Р.Кубачека. 2005 г. Екатерин бург, УГГУ.

5. Дыбунов А.В., Замараев С.Ю., Пигасова М.Н. Опыт применения и эксплуатации обо рудования из композиционных материалов на Челябинском цинковом заводе. Жур нал «Композитный мир», №3, 2009 «Издательский дом «Мир Композитов» СПб, с. 46–47.

6. Холодников Ю.В., Собянин А.С. Пути повышения безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов. Журнал «Glass Russia. Стекло», июль 2009 г., Изво «АльфаМедиа» М., с. 27–29.

7. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И. Защита оборудования листовым композитом. Жур нал «Композитный мир» №1, 2010 г., «Издательский Дом «Мир Композитов», СПб. с. 32–33.

8. Холодников Ю.В. Перспективы развития в России производства композиционных материалов и изделий из них. Журнал «Вестник машиностроения» М. №8/2009 г., с. 80–83.

Журнал "Горная Промышленность" №4 (92) 2010, стр.30