Износостойкость узлов и (или) конструкционных материалов

Эксплуатация экологически безопасного оборудования, используемого в процессах подготовки сырьевых материалов, сопровождается интенсивным изнашиванием поверхностей основных рабочих органов: роторов мельниц, корпусов смесителей, валков пресса и др.

Согласно классификации изнашивания по разным принципам, например по виду сред и условиям работы пар трения, выделяют механическое, абразивное, высокотемпературное окислительное изнашивание и др. По механизму разрушения трущихся поверхностей различают следующие виды изнашивания: адгезионное, абразивное, при резании, коррозионное, поверхностно-усталостное; ударное, кавитационное-эрозионное, а также их разновидности: окислительное и химико-механическое.

Реальный износ детали, как правило, является совокупностью нескольких видов износа. Поэтому часто на практике для дифференциации вклада в суммарную величину износа используют разные методы испытаний. Предлагаемая схема предусматривает три основных вида испытаний, проводимых последовательно по мере разработки конструкции, постановки на производство и контроля качества во время производства: исследовательские, технологические и эксплуатационные испытания. Испытания на износостойкость можно разделить на полные стойкостные и ускоренные. Полные испытания рабочих органов проводят в соответствии с заданными режимно-технологическими параметрами основного процесса до установления критерия отказа. Ускоренные методы позволяют сократить трудоемкость испытаний.

В основу методов ускорения испытаний положены принцип физического прогнозирования (моделирования), экстраполяции по нагрузке (форсирование режимов испытаний) и времени (статическое прогнозирование), двойной экстраполяции.

Реальные механизмы и экспериментальные исследования позволяют определить достоверность установленных на модели закономерностей. Эксперимент в реальных условиях обходится дороже, более трудоемок и не всегда раскрывает внутренние связи сложного процесса.

Логическим дополнением к модельным исследованиям следует считать теоретическое решение данной задачи. Теорию подобия, моделирования, основные законы механики и реологии сред с разными характеристиками служат основой научной постановки опытов и достоверного обобщения экспериментальных данных.

Задача повышения долговечности перерабатывающего оборудования, а следовательно и эколого-экономических показателей технологического процесса в целом заключается, прежде всего, в увеличении износостойкости их рабочих органов. Износостойкость металла зависит от его твердости: при низких ее значениях износ развивается интенсивно даже при малой нагрузке. При высокой твердости повышение нагрузки почти не вызывает увеличение износа. Повышение твердости металла сопровождается увеличением его износостойкости, а при одинаковой твердости износ в некоторой степени зависит от структуры металла. Установлено, что для снижения износа необходимо подбирать сопряженные детали с учетом твердости. Быстрое изнашивание и интенсивное разрушение поверхностных слоев трущихся деталей при подготовке сырья в измельчителях, смесителях, валковых прессах может повлечь за собой засорение шихты и, как следствие, ухудшение качества готовых стекол. Кроме этого, в результате изнашивания сопряженных пар возможно нарушение заданных технологией режимных параметров процесса. В результате воздействия на узлы тарельчатого смесителя шихты, содержащей высокоабразивные компоненты, истираются днище, смешивающие и зачищающие лопасти и боковые стенки. Продолжительность работы смесителя составляет в среднем 240 ч/мес. Смешивающие и зачищающие лопасти заменяют через каждые два-три месяца. Износ рабочих поверхностей приводит к образованию «мертвых зон» МППМ, которые снижают однородность шихты. Установка на зачищающих и смешивающих лопастях съемных накладок с твердосплавными пластинами дает возможность продлить срок службы лопастей с одного до шести месяцев, повысить качество смещения и обеспечить экономию металла. Фирма «Granella Engineering Ltd» (Великобритания) все внутренние поверхности, контактирующие со смешиваемыми материалами, изготовляет из абразивностойких материалов, а загрузочные и разгрузочные лотки снабжает сменной футеровкой. Смесительные лопасти ротора часто поверхностно упрочняют и делают легкосъемными, а параллельное движение чаши и материала почти полностью исключает контакты. Фирма «Rexnord (UK) Ltd» (Великобритания) выпускает состав Nordbak Pneu-Wear (эпоксидная смола с микрошариками из керамики) для восстановления и защиты поверхностей оборудования, работающих в условиях газоабразивного износа систем, например, пневмоструйных смесителей и газоструйных измельчителей. Наиболее характерной в процессах компактирования порошков на валковых прессах является поверхностная усталость. Этот вид износа связан с периодическим действием напряжений сдвига в поверхностном слое валка, результатом которых являются локальные разрушения.

Повышение нормального давления (давления прессования) ведет не только к увеличению износа рабочей поверхности валков, но и к изменению характера изнашивания. Оптимальным для повышения износостойкости следует считать метод, обеспечивающий минимальное значение суммарных удельных затрат на производство и эксплуатацию валков. На первом этапе рекомендуется натурный эксперимент на действующем объекте с целью ограничения числа факторов и укрупнения их. На втором этапе, после снижения числа возможных взаимосвязей системы (се дробности), необходимо использовать математическое моделирование и ЭВМ.

Использование оперативных методов реставрации, например, наплавки и закалки, не всегда соответствует цели для оборудования разных классов. Поэтому наряду с процессами восстановления деталей осуществляют и поиск оптимальной их конструкции с учетом износостойкости.

Результатом поисков конструкции валков, отвечающей поставленным задачам, явилась разработка валков со сменными элементами (см. рис. 3.8, 3.9). Использование таких прессующих узлов не только повышает износостойкость рабочей поверхности валков, но и обеспечивает высокую производительность пресса и качество компактированной шихты. При расчете конструктивных и режимно-технологических параметров такого оборудования наряду с расчетом узлов на прочность необходим их расчет на износ.

Таким образом, величина износа определяется соотношением пластичных и абразивных компонентов шихты, физико-механическими свойствами материала рабочих органов оборудования, их конструкцией и др. Анализ практической работы, экспериментальные и расчетные зависимости позволяют не только прогнозировать и повышать долговечность оборудования, но и добиться стабильности технологических параметров высокотемпературных процессов дальнейшей переработки стекольной шихты и меньших затрат на утилизацию (временных и материальных) отслуживших узлов оборудования или отдельных деталей, или сырьевых отходов.