CC BY
14
- © В.И. Болобов, 2015
УДК 669. 18 В.И. Бопобов
О ВОЗМОЖНОСТИ ИНИЦИИРОВАНИЯ ВЗРЫВОВ ПЫЛЕГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ФРАГМЕНТАМИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОГО ИНСТРУМЕНТА
Выдвинута гипотеза, что в качестве одного из инициаторов взрывов в шахтах могут выступать фрагменты разрушения горного инструмента, разогретые за счет работы разрушения до высоких температур Т*. Исходя из того, что скорость распространения вязкой трещины на заключительной стадии разрушения металлов составляет ~300-700 м/с, а хрупкой достигает скорости звука полагали, что в конечный момент разрушения разрыв металлических конструкций происходит практически мгновенно и вся работа, переходящая в тепло, расходуется только на разогрев разрушаемого объема металла. При этом для отдельных его фрагментов, отличающихся затруднённым теплоотводом, указанный разогрев AT близок к адиабатическому и может быть рассчитан по формуле ATsA^k / с р, которая после подстановки значения удельной работы имеет вид AT s
Sk■ k / (рс р), где к - коэффициент, характеризующий долю работы
разрушения A, перешедшей в тепло (k s0,9); с р - среднее значение теплоёмкости материала в интервале температур разогрева. Рассчитаны температуры Т* (705 - 1192 К), до которых способны разогреться фрагменты разрушения державки (стали 35ХГСА, У8А) и армирующей вставки (сплавы ВК6, ВК15) тангенциальных резцов проходческих и добычных комбайнов.
Ключевые слова: породоразрушающий резец, температура разогрева фрагментов разрушения, пылегазовые смеси, инициатор воспламенения.
Несмотря на значительные усилия по повышению уровня техники безопасности число взрывов метана и угольной пыли в шахтах достаточно велико, что обуслаивает необходимость дальнейших исследований по изучению причин взрывов и разработке мероприятий по их предотвращению.
Считается [1], что основными источниками взрывов пыле-газовых смесей в шахтах являются взрывные работы и искре-
ние различного вида оборудования, а так же искры, возникающие в процессе разрушения горного массива резцами исполнительного органа комбайна. Для предотвращения взрывов в последнем случае в местах контакта исполнительных органов с породой распыляется вода.
По мнению автора настоящей статьи в качестве дополнительного инициатора взрывов в шахтах могут выступать фрагменты разрушения горного инструмента, разогретые за счет работы разрушения до высоких температур Т*. Дополнительную опасность таким фрагментам придает то обстоятельство, что они могут появляться в местах, не орошаемых водой. Ниже, на примере материалов державки и твердосплавной вставки породоразрушающих резцов, предпринята попытка оценить уровень температур Т*, до которых способны разогреться фрагменты разрушения горного оборудования, и проанализировать возможность инициирования этими фрагментами взрывов пылегазовых смесей в шахтах.
Известно, что в процессе эксплуатации породоразру-шающего инструмента горных машин (резцов, коронок, пик и др.) периодически происходит его поломка: ломается, как правило, армирующая вставка (рис. 1, 2) из металлокерами-ческих твердых сплавов группы ВК, реже — державка из углеродистых и низколегированных сталей У7, У8, У8А, 30ХГСА, 35ХГСА и др. [2, 3].
Рис. 1. Вид бурового резца Рис. 2. Вид поворотных тангенци-со сколом пластины твердого альных резцов проходческого ком-сплава байна с поломкой керна
Известно, что при пластической деформации металлических материалов затраченная механическая работа А частично расходуется на изменение внутренней энергии кристаллической решетки металла и, а частично — превращается в тепло ф.
При этом, как можно заключить из итогового обзора экспериментальных результатов [4], вне зависимости от деформируемого материала и вида воздействия доля работы, переходящая в тепло, с увеличением степени деформации е возрастает и составляет перед разрушением не менее 90%. При сравнительно медленной деформации это тепло успевает отводиться в соседние части металла и окружающую среду. По этой причине величина разогрева А Т деформируемых участков образцов, фиксируемая в экспериментах (например, при растяжении и сжатии меди [5, 6]), как правило, не превышает нескольких градусов. При быстром деформировании и его заключительной стадии — разрушении наблюдается иная картина, о чем свидетельствует, например, значительный разогрев стружки при обработке металлов резанием. В экспериментах [7] автора было обнаружено, что для образцов титана, подвергаемых разрыву путем растяжения в инертной среде, разогрев АТ объема образца вблизи места разрыва достигает 70 К.
Данных о тепловых эффектах, сопровождающих процесс разрушения металлов, как и необходимых расчетных формул, в литературе обнаружить не удалось.
Исходя из сказанного выше и учитывая, что разрушение является завершающей стадией пластической деформации, автор заключает, что вывод [4] о подавляющей части работы, переходящей в тепло при пластической деформации, является справедливым и для процесса разрушения вне зависимости от вида разрушающего воздействия. (Аналогичным образом теплота разрушения металла при резании ассоциируется [8] с теплотой деформации срезаемого слоя. Последнюю, в виду сложности прямого расчета, определяют по разнице между работой резания, устанавливаемой экспериментально, и расчетным значением теплоты трения по передней и задней граням резца. При этом принимают [9], что от 95 до 99% механической работы резания переходит в тепло).
Оценку Т* производили, исходя из работы разрушения А материалов державки и армирующей вставки резцов. В соответствии с [10, 11] работу выражали в виде произведения разрушающей нагрузки Р на путь <<Ь, на протяжении которого совершается работа. При представлении разрушаемого объема в виде V = Р • (где Р - площадь сечения элемента в месте и в момент разрыва) удельная работа разрушения
Лул = Л / V? = Р Л / (М.-Р) = Р/(Рр) = / Р, (1)
где 5* - истинное разрушающее напряжение, р - плотность материала.
В процессе разрушения породы элементы резца подвергаются сжимающим и изгибающим нагрузкам [2], под действием которых они и разрушаются. Поскольку напряжения, требующиеся для разрушения материалов, при сжатии значительно больше, чем при изгибе (для пластичных материалов 5*сж ^ для хрупких — 5*сж ~ (4 ^ 10) Бкизг [12]), логично было заключить, что разрушение державки и керна в условиях эксплуатации происходит в результате изгиба.
Исходя из того, что для материалов державок — сталей, как материалов пластичных, разрушение при изгибе определяется растягивающими напряжениями за значения 5*изг принимали 5* материалов при растяжении. Последние рассчитывали [12] по табличным величинам св (условный предел прочности) и у (относительное сужение площади поперечного сечения) соответствующих сталей
5* = Св • (1 + 1,35 • у). (2)
Разрушению материалов армирующей вставки — сплавов группы ВК, как хрупких материалов, предшествует только упругая деформация. Поскольку разрушенный объем металла не восстанавливает свою первоначальную форму, работу разрушения для этих материалов приравнивали к работе, затраченной на их упругую деформацию перед разрушением, и так же рассчитывали по формуле (1). При этом величину Бкизг сплавов, как для хрупких материалов, принимали равной табличным значениям условного предела прочности материалов на изгиб
Бизг _ изг /о\
к = Св . (3)
Исходя из того, что скорость распространения вязкой трещины на заключительной стадии разрушения составляет ~300-700 м/с [13], а хрупкой достигает скорости звука полагали, что в конечный момент разрушения разрыв державки резца и твердосплавной вставки происходит практически мгновенно и вся работа, переходящая в тепло, расходуется только на разогрев разрушаемого объема металла. При этом для отдельных его фрагментов, отличающихся затруднённым теплоотводом (например, верхушек сталактитообразных фрагментов на образовавшейся поверхности разрушения), указанный разогрев АТ близок к адиабатическому и может быть рассчитан по формуле
АТ= Ауд-к / с р, (4)
которая, после подстановки значения удельной работы (1), имела вид:
АТ = Бк-к / (р. с р), (5)
где к - коэффициент, характеризующий долю работы разрушения А, перешедшей в тепло (исходя из [4] к =0,9); с р - среднее значение теплоёмкости материала в интервале температур разогрева.
Конечная температура Т*, до которой способны разогреться фрагменты разрушения равна
Т* = Т0 + АТ, (6)
где То - исходная температура материала.
Результаты расчета Бк, Ауд, АТ, Т (для Т0 = 293 К) наиболее часто применяемых материалов державок резцов (сталей У8А и 35ХГСА) и армирующей вставки (сплавов ВК6, ВК15) иллюстрирует таблица. (Использованные для расчета и представленные в таблице значения св и у сталей из [14] соответствуют механическим свойствам этих материалов после термической обработки, применяемой при изготовления инструмента: закалке и отпуску при 400 0С для стали У8А и изотермической закалке в случае стали 35ХГСА). Там же, для сравнения с удельной работой пластической деформации (значения в скобках), представлены результаты аналогичных расчетов работы разрушения для углеродистой стали Ст3, технических меди и алюминия, как для материалов, сведения о величинах работы пластической деформации которых при растяжении образцов обнаружены в литературе.
Таблица
Материал МПа Sk, МПа Ауд, кДж/кг c р, кДж/кг • К AT, К к'
Сплав 1600изг - 1600 14,6 0,184 536 829
ВК6
Сплав 2300изг - 2300 13,9 0,184 899 1192
ВК15
Сталь 1670 0,52 2840 362 0,584 558 858
35ХГСА
Сталь 1420 0,37 2130 272 0,594 411 711
У8А
Сталь 420 0,55 732 93 0,461 181 481
Ст3 (31,8 е=30%[4])
Медь 220 0,75 443 49,6 (7,74 е=36%[4]) 0,399 112 412
Алюми- 58 0,85 125 46 0,951 44 344
ний (11,0 £=0.44 %[4J
Видно (табл.), что фрагменты разрушения элементов резцов способны подвергаться значительному разогреву (AT от 411 до 899 К) за счет тепла, выделяющегося при разрушении металла. При этом с увеличением прочности материала (значений Sk) величина разогрева его фрагментов разрушения возрастает. Существенное превышение удельной работы разрушения над работой пластической деформации объясняется тем обстоятельством, что величина Ауд при деформации (в расчете на единицу объема) представляет собой усредненное значение истинного напряжения Scp для интервала изменения е от 0 до еь которое вследствие упрочнения материала в процессе пластической деформации всегда меньше разрушающего напряжения Sk.
Вывод автора настоящей статьи о возможности значительного разогрева фрагментов разрушения металлов, находит подтверждение в результатах экспериментов Бэкофена по растяжению до разрыва образцов никелевой стали (0,48% С — 20% Ni) в ледяной воде, представленных в [13] (стр. 286). Сообщается, что при осмотре разорванных образцов, имеющих до разрыва структуру отпущенного мартенсита, на поверхности излома обнаруживаются фрагменты (например, верхушки пиков) со структурой аустенита. Установленный факт превращения мартенсита в аустенит в результате разрушения образца служит, по мнению [13], индикатором значительного разогрева
этих фрагментов в момент образования. Согласно диаграмме состояния Ре - N1 [15] для приобретения сплавом с 20% никеля аустенитной структуры необходим его нагрев не менее чем до 773 К, из чего можно заключить, что как минимум до этой температуры и были разогреты указанные фрагменты на поверхности разрушения образца. Поскольку температура обратного превращения аустенита в мартенсит для этого сплава ниже 273 К [15], приобретенная аустенитная структура фрагментов при охлаждении сохраняется и регистрируется под микроскопом.
Анализируя представленные в таблице результаты можно отметить, что температуры Т*, до которых способны разогреться фрагменты разрушения (от 711 до 1192 К), близки или значительно превышают уровень температур воспламенения мета-но-воздушных смесей при контакте с накаленными поверхностями (943 - 703 К [1]), из чего можно сделать вывод об опасности появления указанных фрагментов разрушения в контакте с пылегазовой средой.
В заключение необходимо отметить, что подобными потенциальными инициаторами взрывов пылегазовых смесей в шахтах могут выступать продукты разрушения и других конструкций горного оборудования, например, резцедержателей исполнительных органов комбайнов, а так же скребков и рештаков скребковых конвейеров.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мясников А. А. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах / А.А.Мясников, С.П.Старков, В.И.Чикунов. М., 1985, 213 с.
2. Крапивин М. Г. Горные инструменты / М.Г.Крапивин, И.Я.Раков, Н.И.Сысоев. М., 1990, 230 с.
3. Тененбаум М. М. Износостойкость деталей и долговечность горных машин. М., 1960, 260 с.
4. Лариков Л. Н. Структура и свойства металлов и сплавов. Справочник. Тепловые свойства металлов и сплавов / Л.Н.Лариков, Ю.Ф.Юрченко. Киев, 1985, 440 с.
5. Кунин В. Н. Поглощение энергии металлом при пластическом растяжении // ФММ. 1959. Т. 7, № 5. С. 790-793.
6. Студенок Ю.А. Влияние скорости предварительной деформации на поглощение энергии при сжатии меди // ЖТФ. 1950. Т. 20, № 2. С. 431-439.
7. Болобов В. И. К механизму самовозгорания титановых сплавов в кислороде // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38, № 6. С. 1-7.
8. Резников А. Н. Теплообмен при резании и охлаждение инструментов. М., 1966. 195 с.
9. Технология металлов и материаловедение / Под ред. Ё. Ф. Усовой М.: Металлургия, 1987.
10. Bolobov V.I., Podlevskikh N.A. Mechanism of metal ignition due to fracture. Combustion, Explosion, and Shock Waves. Vol. 43, No.4, pp. 405-413, 2007.
11. Bolobov V.I. Theory of Ignition of Metals at Fracture. Combustion, Explosion, and Shock Waves. Vol. 48, No.6, pp. 689-693, 2012
12. Гастев В. А. Краткий курс сопротивления материалов. — М.: ГИФМЁ, 1959.
13. Бернштейн М.Л. Механические свойства металлов / М.Ё. Берн-штейн, В.А.Займовский. М., 1979.
14. Марочник сталей и сплавов. Под ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение. 1989.
15. Гуляев А. 77. Металловедение. М., Металлургия, 1986. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Болобов Виктор Иванович — доктор техических наук, профессор, старший научный сотрудник, boloboff@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 669. 18
THE POSSIBILITY INITIATION OF EXPLOSION DUST-GAS MIXTURE FRAGMENTS OF FRACTURE MINING TOOLS
Bolobov Viktor Ivanovich, doctor of technical sciences.,boloboff@mail.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia.
It is hypothesized that, as one of the initiators of explosions in mines can act fracture fragments mining tools, heated by the fracture to a high temperature T*. Based on the fact that the velocity of a viscous crack at the final stage of fracture of metals is ~ 300-700 m / s, and the destruction of fragile crack reaches the speed of sound believed that at the final destruction of the gap of metal structures is nearly instantaneous, and all work is turning into heat consumed for heating only the destroyed metal volume. In addition, for some of its fragments differing labored heat sink, declared heating AT nearly adiabatic and can be calculated by the formula AT sAy/t-k / C p, which, after substituting the values of specific work takes the form AT = Sk- k / (p■ C p), where k — factor describing the share of the fracture A,
turns into heat (k s0,9); C p — the average value of the specific heat of the material in the temperature range of heating. Calculated temperature T* (705 — 1192 K), which are able
to warm up the fragments of destruction of the holder (steel 35HGSA, U8A) and reinforcing insert (alloys VK6, VK15) tangential cutters tunneling and mining combines. From a comparison of the values of T* with the level of the ignition temperature of methane and coal gas mixtures (~ 923 K) concluded that the possibility of ignition of dust-gas mixture indicated fragments.
Key words: rock cutting tool, the temperature of the heating fragments, dust and gas mixture, igniter.
REFERENCES
1. Mjasnikov A. A. Preduprezhdenie vzryvov gaza i pyli v ugolnyh shahtah (Prevention of gas and dust explosions in coal mines) / A.A.Mjasnikov, S.P.Starkov, V.l.Chikunov. Moscow, 1985, 213 p.
2. Krapivin M. G. Gornye instrumenty (Mining Tools)/ M.G.Krapivin, l.Ja.Rakov, N.l.Sysoev. Moscow, 1990, 230 p.
3. Tenenbaum M. M. ¡znosostojkost' detalej i dolgovechnost' gornyh mashin (Wear resistance of parts for mining machines and durability). Moscow, 1960, 260 p.
4. Larikov L. N. Struktura i svojstva metallov i splavov (The structure and properties of metals and alloys). Spravochnik. Teplovye svojstva metallov i splavov / L.N.Larikov, Ju.F.Jurchenko. Kiev, 1985, 440 p.
5. Kunin V. N. Pogloshhenie jenergii metallom pri plasticheskom rastjazhenii (Energy absorption metal during plastic tensile) // FMM. 1959. T. 7, No 5. pp. 790-793.
6. Studenok Ju.A. Vlijanie skorosti predvaritel'noj deformacii na pogloshhenie jenergii pri szhatii medi (Impact velocity preliminary deformation energy absorption under compression copper) // ZhTF. 1950. T. 20, No 2. pp. 431-439.
7. Bolobov V. I. K mehanizmu samovozgoranija titanovyh splavov v kislorode (The mechanism of spontaneous combustion of titanium alloys in oxygen) // Fizika gorenija i vzryva. 2002. T. 38, No 6. pp. 1-7.
8. Reznikov A. N. Teploobmen pri rezanii i ohlazhdenie instrumentov (Heat transfer and cooling in cutting tools). Moscow, 1966. 195 p.
9. Tehnologija metallov i materialovedenie (Metals and Materials Technology) / Pod red. L. F. Usovoj Moscow: Metallurgija, 1987.
10. Bolobov V.l., Podlevskikh N.A. Mechanism of metal ignition due to fracture. Combustion, Explosion, and Shock Waves. Vol. 43, No.4, pp. 405-413, 2007.
11. Bolobov V.l. Theory of lgnition of Metals at Fracture. Combustion, Explosion, and Shock Waves. Vol. 48, No.6, pp. 689-693, 2012
12. Gastev V. A. Kratkij kurs soprotivlenija materialov (Short course materials resistance). Moscow: GlFML, 1959.
13. Bernshtejn M.L. Mehanicheskie svojstva metallov (Mechanical properties of metals) / M.L. Bernshtejn, V.A.Zajmovskij. Moscow, 1979.
14. Marochnik stalej i splavov (Database of steels and alloys). Pod red. V. G. Sorokina. Moscow: Mashinostroenie. 1989.
15. Guljaev A. P. Metallovedenie (Metallography). Moscow, Metallurgija, 1986.
