Технические науки

Айтпаев Ерлан

магистрант

Карагандинского государственного технического университета

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ РАБОЧИХ КОЛЕС ПУЛЬПОВЫХ НАСОСОВ

Аннотация. Представлено детальное описание получения стабильных характеристик структуры, механических и специальных свойств хромоникелевых чугунов, используемых в настоящее время для изготовления деталей насосов, за счет усовершенствова­ния их химического состава и разработка нового состава прочного чугуна с высокими служебными свойствами. Для получения поставленной цели ре­шались следующие вопросы:

• установление взаимозависимости химического состава, структуры, механиче­ских свойств и износостойкости хромоникелевых чугунов и улучшение на основе этого их состава для получения стабильных пока­зателей свойств и структуры отливок;
• изучение структурообразования и свойств сплавов сис­тем Fе-V и Fе-C-Vв зависимости от типа литейной формы и выбор базового легирующего комплекса для оптимального состава износостойкого чу­гуна;
• установление взаимосвязи химического состава, структуры, механиче­ских свойств и прочности комплексно-легированных ванадиевых чугунов для выбора нового состава с требуемыми свойствами;
• исследование взаимосвязи типа литейной формы на структуру и свойства ва­надиевых чугунов;
• промышленное опробование и внедрение в производство отливок из улучшенного и нового составов чугуна.

Ключевые слова: горно-обогатительное оборудование, пульповые насосы, рабочие колеса.

Одной из главных задач горной промышленности является повышение надежно­сти и долговечности машин, работающих в сложных условиях эксплуатации.

Для многих машин и механизмов долговечность и надежность тесно свя­заны с износостойкостью их деталей. Особенно велико значение долговечности для быстроизнашивающихся деталей горно-обогатительного оборудования, так как оно работает в условиях наиболее интенсивного износа.

Измельчение и основные процессы обогащения руд цветных и черных ме­таллов, угля и горно-химического сырья связаны с необходимостью перемеще­ния больших объемов рудных материалов. Для реализации сложных технологических схем обогащения на современных фабриках и удаления хво­стов широко применяют центробежные песковые и грунтовые насосы. Повы­шение прочности и долговечности рабочих деталей насосов представляет осо­бый интерес вследствие их быстрого износа под воздействием абразивных частиц. Из строя, в первую очередь, выходят рабочие колеса, уплот­няющие элементы, что приводит к значительным расходам и сни­жению производительности оборудования.

Для ремонта износившихся деталей требуется вывод насосов из эксплуатации либо установка дублирующих насосов по основным техноло­гическим цехам, на что затрачивается до 20-25 % полезного времени и уве­личивается себестоимость обогащенного концентрата. Если учесть, что по при­чине износа данных деталей насосы работают с пониженной производительно­стью, то общие потери и расходы в масштабе страны составляют десятки миллионов тенге в год.

Низкая прочность литых рабочих деталей насосов связана с тем, что при­меняемые сплавы не всегда соответствуют по своим свойствам условиям производства. При выборе состава для изготовления данных деталей следует учи­тывать определённые условия их эксплуатации. Но даже детали, изготовленные из од­ного и того же сплава чугуна и работающие в одних и тех же условиях, имеют различный срок службы. Это связано с тем, что изменение состава легирующих элементов в пределах марочного состава сильно влияет на их свойства.

Так, например, ТОО «Maker» (бывшее название Карагандинский литейно-машиностроительный завод) изготовля­ет рабочие детали насосов из хромоникелевых чугунов типа ИЧХ28Н2, которые поставляет различным горно-обогатительным предприятиям. Ресурс работы данных деталей нестабилен в одних и тех же условиях и различается в 2-3 раза.

В связи с этим проблема изготовления надежных, прочных и недоро­гих литых рабочих деталей насосов является актуальной задачей и имеет боль­шое производственное значение.

На основании анализа сделан вывод о том, что повышение свойств чугунов и стойкости отливок деталей насосов можно достичь как за счет совершенствования составов применяемых чугунов, так и путем разработки нового состав.

На обогатительных фабриках цветной и черной металлургии, горно­химического сырья и индустрии строительных материалов эксплуатируются дробилки, шаровые и стержневые мельницы, грохота, спиральные классифи­каторы, гидроциклоны, флотационные, песковые и грунтовые насосы, и дру­гое оборудование.

Практика показывает, что определенные детали подвергаются либо одному, ли­бо одновременно сразу нескольким видам абразивного изнашивания. Общим для них будет характер взаимодействия свободных частиц с по­верхностным слоем материала детали и наличие среды (жидкой или газооб­разной).

Из анализа изношенных образцов, следует, что для большинства деталей, указанных выше, характерен либо абразивный, либо ударно-абразивный механизм изнашивания со скольжением.

Появление местного износа в виде углублений или сквозных каверн при­водит к резкому падению прочности всей отливки и, как следствие, вы­ходу насоса из строя.

К основной причине, определяющей малые ресурсы рабочих деталей и на­дежность работы насосов типа ГР, ГРТ, ПС, ПБ, следует отнести не корректный выбор сплава для их изготовления. То есть прочность дан­ных деталей определяется химическим составом, структурой и свойствами определенного сплава и выражается способностью данных деталей сопротивлять­ся износу при заранее известных условиях эксплуатации.

Другими словами, отливки деталей насосов из конкретного сплава, хорошо зарекомендовавшие себя при работе на песчаных грунтах, показывают весьма невысокие результаты при работе на гравийных грунтах.

Анализ характера износа и мест его первоначального появления при рабо­те на различных грунтах способствовало бы решению общей задачи по выбору наиболее рационального прочного материала для изготовления данных деталей. Для этой цели было проведено множество экспериментов, уточняющих характер износа и его расположение.

Проанализировав данные этих экспериментов, можно сделать выводы:

1. Износ подразделяется на местный и общий: первый из них распре­деляется по всей поверхности проточного канала, а второй концентрирует­ся на отдельных участках и носит явный абразивно-ударный характер. Данный вид износа вызывает быстрое появление сквозных отверстий в де­талях и изменение длины и формы лопаток, что является основной причи­ной малого срока работы данных машин. Таким образом общий износ, распространяясь по всей поверхности канала, хотя и является основной причиной большой потери металла, но он менее влияет на ресурс работы данных деталей.
2. На характер износа деталей насоса влияет крупность и твердость перекачиваемого грунта. При работе как на песчаных, так и на гравийных грунтах наиболее интенсивному износу подвергаются выходные элементы лопаток, задний диск и улита в расчетном сечении. На мелких песчаных грунтах износ более равномерен, а на крупных песчаных и гравийных грунтах износ носит явный неравномерный характер. Так, если на мелких песчаных грунтах весь износ можно охарактеризовать как общий абразив­ный износ, то на крупных песчаных и гравийных грунтах износ можно охарактеризовать как смесь общего абразивного и местного ударно- абразивного износа, притом, что общий абразивный износ увеличивается с увеличением площади мест, подверженных местному ударно-абразивному износу.

Для повышения срока службы рабочих деталей насоса следует выбирать сплав для их изготовления с учетом интенсивности работы насоса и характеристик перекачиваемого материала. В настоящее время данные детали для Жезказганской обогатительной фабрики изготавливаются в основном из хромоникелевых прочных чугунов типа ИЧХ28Н, которые не удовлетворяют по своим свойствам нынешние требования к сплавам, использующимся для изготовления данных деталей. Следовательно, нужно разработать прочный чугун, хорошо работающий в условиях Жезказганской обогатительной фабрики и который по своим харак­теристикам превосходил бы известные сплавы. Белый легированный чугун имеет более высокие значения твердости и износостойкости, чем серый, так как весь углерод в нем свя­зан в карбиды сильными карбидообразующим и элементами (Fe, Ti, Cr, V, Мо, W, Mn и др.). Поэтому его используют в качестве конструкционного для из­готовления отливок, работающих в условиях абразивного износа с ударными и безударными нагрузками. Для увеличения надежности и долговечности об­ливок из таких чугунов их состав рекомендуется подбирать с учетом условий работы, которые влияют на характер их износа.

Для изготовления рабочих органов песковых, грунтовых насосов приме­няют хромомарганцевые, хромомолибденовые и хромоникелевые чугуны. Но в большинстве случаев широко используются хромоникелевые чугуны типа ИЧХ28Н2. Дан­ные чугуны не показывают рекордных результатов по стойкости в различных условиях эксплуатации, но они не так чувствительны к отклонениям в тех­нологии производства и условиям изнашивания, как хромомолибденовые и хромомарганцевые.

С другой стороны, для повышения механических и служебных свойств от­ливок из данных чугунов требуется двойная термообработка, которая зачастую не проводится на заводах-изготовителях из-за увеличения стоимости продук­ции.

Из этого следует, что для увеличения срока службы деталей насосов без увеличения их стоимости требуется либо усовершенствование химического со­става хромоникелевых чугунов, либо разработка нового состава чугуна, обла­дающего высокими механическими и специальными свойствами в литом со­стоянии.

В этой роли могут выступить высокохромистые или ванадиевые износо­стойкие чугуны со следующими легирующими дополнениями: (Mn, Ni, Ti, Мо, Сu, В, Sb, Са и др.), которые повысят механические и служебные свойства от­ливок из данных чугунов.

Содержание углерода в износостойких чугунах находится в пределах 1,7­%. Углерод является главным регулятором количества карбидов в структуре чугуна, действуя сильнее хрома почти в 20 раз. Столь широкие преде­лы изменения концентраций углерода именно и связаны с целью по­лучения в структуре определенных количества и типов карбидов.

Влияние углерода на износостойкость и прочность носит экстремальный характер с максимумом в пределах 2,8-3,6 % С, в то время как твердость непре­рывно возрастает. Снижение прочности и износостойкости при более высоких концентрациях углерода связано с выделением заэвтектических первичных карбидов, а также карбидов которые оказывают большее влияние на износостойкость и прочность.

Хром является главным легирующим элементом группы белых износо­стойких чугунов. Он уменьшает растворимость углерода в железе, увели­чивает степень устойчивости твердого раствора и количество эвтектической со­ставляющей. В железе хром имеет неограниченную растворимость, в железе растворяется до 12% Cr. В чугунах даже при небольшом содержании хрома образуется карбидная фаза цементитного типа, обогащенная хромом.

Его содержание в чугунах достигает 35 %. От содержания хрома и углеро­да в чугуне зависит тип образуемого карбида. Хром может частично замещать атомы железа в орторомбическом карбиде железа или образовывать карбиды хрома, в которых часть атомов хрома замещена железом: тригональный и кубический.

При содержании хрома 12—24% образуются карбиды, что способ­ствует повышению твердости, прочности и износостойкость сплава. Дальнейшее повышение содержания хрома снижает прочность сплава, так как в чугу­не появляются крупные хрупкие иглы заэвтектических карбидов.

Кремний в белом чугуне можно рассматривать как легирующий элемент, распределяющийся при кристаллизации между аустенитом и эвтектическим расплавом. Его содержание может находиться в пределах 0,3 — 2,0%. Кремний повышает температуру эвтектической кристаллизации, расширяет интервал эв­тектического превращения, препятствует переохлаждению, уменьшает влияние скорости охлаждения. Это приводит к снижению всех механических свойств.

Марганец стабилизирует аустенит во всех температурных зонах превраще­ния. С увеличением количества марганца углерод перераспределяется между аустенитом и эвтектическим расплавом, и его концентрация в аустените суще­ственно возрастает. При этом заметно снижается количество карбидов и воз­растает доля остаточного аустенита. Износостойкость, прочность и твердость при этом снижаются.

С другой стороны, износостойкие чугуны, легированные марганцем, име­ют высокие значения пластичности и вязкости, что оказывается полезным при работе в условиях абразивно-ударного изнашивания. При этом прочность марганцевых белых чугунов может возрастать за счет структурного и фазового превращения аустенита. При этом снижается твердость, повышаются пластичность и вязкость сплавов, что полезно для износостойких деталей, претерпевающих ударные нагрузки.

Молибден в износостойких чугунах может содержаться в пределах 0,3 — 5,0%. Он относится к числу элементов, сильно задерживающих распад аустени­та в перлитной области, увеличивающих прокаливаемость и получение мартен­сита. С увеличением концентрации молибдена износостойкость и твердость по­вышаются, особенно при 0,8%, а прочность достигает максимума в интер­вале 1,3-1,8% почти не изменяется с увеличением его концентрации.

Высокая износостойкость определяется также металлической основой, в которой закреплены карбиды. При испытаниях лопастей на дробеметных ап­паратах с повышенной производительностью (до 250 — 300 кг/мин) установ­лено, что высоколегированные чугуны с 2,5% С и метастабильным аустенитом практически непригодны для работы в условиях ударно-абразивного изно­са.

Лучшая износостойкость у сплавов с мартенситной основой. Поэтому ввод в сплавы дорогих и дефицитных легирующих элементов (V, Мо, Ni, W и др.) оправдан только при условии получения необходимой структуры.

Статистический анализ химических составов хромоникелевых чугунов показал, что в большинстве из них содержание элементов находится в более широких пределах, чем регламентировано нормативно-технической документацией. Изменение концентраций легирующих элементов в столь широких пределах приводит к изменению структуры и нестабильности основных механических свойств и износостойкости, что снижает рабочий ресурс отливок деталей насосов.

Установлено, что наиболее высокая эксплуатационная прочность наблюдается у отливок деталей насосов, изготовленных из хромоникелевых чугунов, обладающих ферритно-перлитной структурой с карбидами, а также прочностью не ниже 550 МПа, твёрдостью и износостойкостью.

Получены математические зависимости, описывающие взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств и износостойкости хромо-никелевых чугунов. Их анализ позволил определить весовые коэффициенты влияния и установить пределы содержания химических элементов в чугунах, что обеспечило получение требуемой структуры и стабильных свойств отливок в условиях эксплуатации. Внедрение технологических рекомендаций по совершенствованию химического состава хромоникелевых чугунов позволило снизить расход ферросплавов при их выплавке на 10%.

Изложенный краткий технологический процесс, показывает, что повышения эксплуатационной стойкости отливок деталей насосов нельзя добиться дальнейшим улучшением химического состава хромоникелевого чугуна вследствие того, что невозможно существенно улучшить его структуру без применения дополнительных легирующих элементов. Для увеличения стойкости отливок деталей насосов их микроструктура должна быть качественно иной, что может обеспечить чугун с принципиально новым легирующим комплексом ферритно-перлитной структурой с карбидами.

Литература

1. Повышение износостойкости горно-обогатительного оборудования / Пенкин Н.С., Капралов Е. П., Маляров П.В., и др. М.: Недра. 1992. 265 с.
2. Тенебаун М. М. Износостойкость и долговечность горных машин. М.: Госгортехиздат, 1960. 246 с.
3. Клейс И. Р., Умыс X. Г. Износостойкость измельчителей ударного действия. М.: Машиностроение, 1986. 167 с.
4. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник / Ю. Н. Дроздов, В. Г. Павлов, В. Н. Пучков. М.: Машиностроение, 1986. 223 с.
5. Погодаев JI. И., Лукин Н. В. Режимы работы и долговечность деталей землесосных снарядов. М.: Транспорт, 1990. 192 с.
6. Карташов А.В., Пенкин Н.С., Погодаев Л.И. Износостойкость деталей земснарядов. Л.: Машиностроение, 1972. 160 с.
7. Супрун В. К. Абразивный износ грунтовых насосов и борьба с ним. М.: Машиностроение, 1972. 104 с.
8. Смойловская Л. А., Кожевникова Е. И., Цыбаев Н. Т. Повышение износостойкости грунтовых насосов. М.: ЦИНТИАМ, 1964. 128 с.
9. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства -М: Металлургия, 1988. 56 с.
10. Войнов Б. А. Износостойкие сплавы и покрытия. М.: Машиностроение, 1980. 126 с.
11. Львов П. Н. Основы абразивной износостойкости деталей строительных машин. М.: Стройиздат, 1970. 72 с.
12. Потапов М.Г. Разработка нового состава износостойкого чугуна для отливок деталей насосов, 2002. 156 с.