\"Горное оборудование из композитов»

УДК: 62-03; 622.23.05

Холодников Ю.В., к.т.н., Генеральный директор

ООО СПЕЦИАЛЬНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО «Мысль»

E-mail: sdo_mysl@mail.ru

Рассмотрены достоинства и недостатки оборудования, изготовленного из композиционных материалов для эксплуатации на горнорудных предприятиях.

На технологию производства и конструкцию некоторых деталей и узлов получены патенты РФ.

Ключевые слова: композиты, композиционные материалы, оборудование, насосы, вентиляторы, химическая защита.

«The mountain equipment from composites»

Kholodnikov Y. Director General

PLC SDO «Mysl»

Merits and demerits of the equipment made of composite materials for operation at the mining enterprises are considered.

On \"the know-how\" and a design of some details and knots patents of the Russian Federation are received.

Keywords: composites, composite materials, the equipment, pumps, fans, chemical protection.

Введение.

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

Композиты – 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 промышленных отраслей экономики. Поэтому разговор о применении композитов для горного оборудования считаю необходимым начать с базовых определений и оценки основных конкурентных преимуществ этих материалов.

Итак, композиционные материалы (КМ) – это материалы образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой 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].

В мире около 80% композиционных материалов – это стекло(угле)-наполненные композиты 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;

- снизить трудоемкость изготовления в 1,5-2 раза;

- снизить энергоемкость производства в 8 – 10 раз;

- повысить эксплуатационные параметры оборудования (ремонтопригодность, химическую стойкость, ресурс безопасной работы, долговечность эксплуатации и др.) – в 1,5 – 2 раза;

- снизить эксплуатационные, транспортные и монтажные затраты почти в 2 раза.

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

Композиты не подвержены коррозии, стойки к воздействию UF 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 угля, апатитов, бокситов, никеля, железной руды, меди, кобальта и других полезных ископаемых.

Рассмотрим несколько удачных примеров применения композитов в горном деле, на базе работ, выполненных в последнее время.

Элементы насосных установок.

В 2007г. мы спроектировали и изготовили комплект рабочих колес из композиционных материалов для насоса главного водоотлива 14М8х4 по заказу ОАО «СУБР» (СУАЛ). В конце года колеса были установлены на ротор насоса и в январе 2008г. насос был пущен в эксплуатацию. В результате замеров производительности насоса и потребляемой активной мощности с применением приборов, задействованных в автоматизированной системе диспетчерского контроля и регулирования электроэнергии шахты «Красная шапочка» получены следующие результаты:

Таблица 1.

Насос Мощность

Производительность

Время работы

Час. Удельный расход электроэнергии

кВт % м3 % кВт.ч/м3 %

С колесами из стального литья 943 100 577 100 202 1,91 100

С колесами из композита 1024 109 690 120 238 1,48 77,5

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

Полученные результаты могут быть объяснены снижением доли гидравлических потерь за счет оптимизации конструкции и качества изготовления проточной части рабочего колеса, также были откорректированы в сторону увеличения на 30 углы установки лопаток, что и привело к некоторому увеличению потребляемой мощности, зато производительность и напор возросли на 20% по сравнению с базовым насосом [3].

В 2010 году мы изготовили четыре комплекта рабочих колес для этих же типов насосов, которые недавно были установлены и пока работают безотказно.

В 2009 году по заданию ОАО «СУМЗ» УГМК, в СКБ с применением химстойкого 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, учитывая, что раньше ремонтировать насосы приходилось 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 т.п.

За последние несколько лет проделана большая работа по исследованию, проектированию, изготовлению и испытаниям рабочих лопаток осевых вентиляторов и рабочих колес центробежного типа для вентиляторов различных типоразмеров из композиционных материалов.

Расчет напряженно-деформированного состояния рабочей лопасти осевого вентилятора диаметром 2,4 метра, выполненного с использованием программы АРМ Structure 3D, показал, что уровень численных значений напряжений ни в одном расчетном случае не превысил допускаемых значений, а запас прочности превышает 200% - для самого критичного случая нагружения лопаток [4]. При этом рассчитывались различные варианты изготовления лопаток: обычный, усиленный и облегченный (пустотелый). Под эти же варианты лопаток была разработана технология изготовления, включающая как варианты ручного ламинирования при единичном или мелкосерийном производстве, так и вариант массового производства методом прессовании. 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.

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

В настоящее время на нашем предприятии из композиционных материалов производятся: лопатки вентиляторов разных типов для шахт и метрополитенов с диаметром рабочего колеса от 0,6 до 3,0 метров, крыльчатки осевых вентиляторов общепромышленного назначения и лопасти градирен размерами, превышающими 3 метра, а также ступицы, диффузоры, коллекторы и корпуса осевых и центробежных вентиляторов.

Отдельная и очень интересная тема исследований и разработок – это тема, связанная с внедрением рабочих колес центробежных вентиляторов из специальных композиционных материалов для работы с агрессивными рабочими средами. Мы разработали конструкцию, изготовили и провели сертификационные, включая аэродинамические, испытания центробежного вентилятора, полностью выполненного из композитов, включая рабочее колесо, корпус, раму. Испытания подтвердили соответствие вентилятора выбранной аэродинамической схеме, при этом, по сравнению с металлическим аналогом, было отмечено снижение уровня звуковой мощности, более высокие значения удельной гидравлической мощности, существенно меньшие значения уровня вибрации на всем частотном диапазоне, и демпфирующее влияние рамы вентилятора, выполненной из упругого композита. Отпадает необходимость в электрозащите конструкции вентилятора, т.к. материал обладает необходимой диэлектрической прочностью и защищает от несанкционированного перехода напряжения на конструкцию. Среди достоинств 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 материала (композита), так и принятыми техническими решениями, заложенными в его конструкцию.

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 вентиляторов традиционно применяемых для работы с агрессивными газами и смесями - нержавеющих, алюминиевых, титановых, биметаллических. В этом случае, помимо перечисленных достоинств вентиляторов из композита, важным положительным фактором выступает существенно (до 50%) меньшая себестоимость изготовления и в несколько раз большая надежность 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 является богатый практический опыт изготовления специальных типов вентиляторов, накопленный за последние годы [5].

Защита технологического оборудования.

Для оборудования, эксплуатируемого в горнодобывающей и горно-перерабатывающей отраслях промышленности, 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 путем 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 используется кремнийорганические смолы, помимо хорошей износостойкости, обладают отличной теплостойкостью (до + 15000С), а если в качестве матрицы взять модифицированные эпоксидные, эпоксивинилэфирные, эпоксифурановые и пр. органические смолы, то получается абразиво-химстойкая защита. Таким образом, подбирая тип связующего и наполнителя возможно создание полимербетона со свойствами, максимально отвечающими конкретным условиям эксплуатации. При этом важным преимуществом описываемого способа защиты, является универсальность его исполнения: в виде шпатлевки, 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 химстойкого стеклонаполненного композита, выполняемого, либо методами футеровки, либо путем изготовления такого оборудования целиком из композита (ванны выщелачивания, смесители, скрубберы, газоходы, емкости, контактные чаны и т.д., и т.п.).

Футеровка химстойким композитом, в зависимости от условий эксплуатации, вида оборудования и других производственных факторов может осуществляться либо по технологии «мокрого» ламинирования, либо листовым композитом, либо сочетанием этих способов.

Описанию преимуществ защиты оборудования специальными композитами методами футеровки посвящены ряд статей [ 6, 7, 8 ], поэтому не останавливаясь подробно на этом вопросе подведем итог многолетней работы, заключающийся в следующем тезисе:

- 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 является наиболее предпочтительным видом антикоррозионной защиты, вследствие универсальности, отличной стойкости в широком диапазоне агрессивных сред, технологичности и высоких эксплуатационных характеристик (ремонтопригодность, возможность визуального и инструментального контроля, скорость проведения ремонтно-восстановительных работ, совместимость с другими видами и методами защиты и т.д.).

Выводы.

Мы, наконец, подошли 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 эта тема занимает заслуживающее себя место в практике машиностроения, проведения защитных или ремонтно-восстановительных работ – тоже, к сожалению, рано.

У нас в стране изделия из композитов в общем объеме машиностроительной продукции занимают около 1,5-2% при общемировом уровне – до 25%. То есть поле для деятельности – огромное. При этом считаем, что сдерживающими факторами на этом пути служат:

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

2. Производство изделий из композитов для различных отраслей промышленности - это зона ответственности малого и среднего бизнеса, поскольку производство не требует больших кап. вложений, огромных производственных площадей, уникальной квалификации рабочих и среднего звена и, наконец, выбор технологии производства (ручное ламинирование, пултрузия, прессование, намотка и т.д.) – позволяют реализовать практически любой доступный для конкретного исполнителя способ производства. Состояние нашего малого производственного бизнеса, особенно в условиях 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 четкой, скоординированной программы развития композитостроения в стране, проблема, которую «растащили» по разным корпорациям, министерствам и союзам (в отличие от нанотехнологий).

В целом, проведенная на предприятием работа с композиционными материалами в области 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.

Холодников Юрий Васильевич, кандидат технических наук.

Генеральный директор ООО Специальное конструкторское бюро «Мысль».

Домашний адрес: 620023, г.Екатеринбург, ул.Крестинского 55/1 кв.257.

Рабочий адрес: 620076, г.Екатеринбург, пл. Жуковского 1в.

Тел. (343)295-98-29; Факс (343)295-98-56.

E-mail: sdo_mysl@mail.ru

www. Sdo-mysl.ru

Литература:

1. «Политехнический словарь». Изд.2-е, под ред. Ишлинского А.Ю.

Из-во «Советская энциклопедия» М., 1980 г. 654 стр.

2. «О взаимосвязи и особенностях композиционных материалов». Авт. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И. Журнал «Композитный мир» №2, 2009 г., стр. 34-37. Из-во ООО «Издательский дом « Мир Композитов», г. С-Петербург.

3. «Применение композиционных материалов в вентиляторах и насосах». Авт. Миняев Ю.Н., Холодников Ю.В., Князев А.Е. «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности». Сб. трудов VI Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В.Р.Кубачека. 2008 г. Екатеринбург, УГГУ.

4. «Исследование напряженно-деформированного состояния вентиляторных лопаток». Авт. Савинова Н.В., Шестаков В.С., Холодников Ю.В. «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно-структурных МПИ». Сб. докладов III Международной научно-технической конференции. Чтения памяти В.Р.Кубачека. 2005 г. Екатеринбург, УГГУ.

5. «Опыт применения и эксплуатации оборудования из композиционных материалов на Челябинском цинковом заводе». Авт. Дыбунов А.В., Замараев С.Ю.. Пигасова М.Н. Журнал «Композитный мир» №3, 2009 г., стр. 46-47. Из-во ООО «Издательский дом «Мир Композитов», г. С-Петербург.

6. «Пути повышения безопасности при эксплуатации опасных производственных объектов». Авт. Холодников Ю.В., Собянин А.С. Журнал «Glass Russia. Стекло» июль 2009 г., стр. 27-29. Из-во ООО «Альфа-Медиа» г. Москва.

7. «Защита оборудования листовым композитом». Авт. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И. Журнал «Композитный мир» №1, 2010 г., стр. 32-33. Из-во ООО «Издательский Дом «Мир Композитов», г. С-Петербург.

8. «Перспективы развития в России производства композиционных материалов и изделий из них». Авт. Холодников Ю.В. Журнал «Вестник машиностроения» №8, 2009 г., стр. 80-83. г. Москва.