CC BY
10
© Т.А. Сергеева, 2012
Т.А. Сергеева
ВЛИЯНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МОДИФИКАТОРОВ НА СВОЙСТВА СВАРНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГОРНОТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ СИБИРСКОГО РЕГИОНА
Рассмотрены основные требования, предъявляемые к качеству сварных металлоконструкций горнотранспортного оборудования, работающих в климатических условиях Сибири. Выделены основные дефекты сварных соединений и предложен эффективный метод борьбы с ними для улучшения показателей качества и эксплуатационной надежности оборудования карьера.
Ключевые слова: горнотранспортное оборудование, сварочные дефекты, остаточные напряжения, модификаторы, наноразмерные частицы.
Горнодобывающая промышленность — основа экономики России. За счет природных богатств формируется 60—70 % госбюджета. В начале XXI века существенно выросла роль минерально-сырьевого комплекса в социально-экономическом развитии России. Кузбасс является крупным промышленном регионом России с высоким экономическим потенциалом, базовыми отраслями промышленности которого считаются угольная промышленность и металлургия. На долю Кузбасса приходится около 56 % добычи каменных углей России, около 80 % добычи всех коксующих углей. В настоящее время в развитии горнорудной и угольной промышленности наблюдается рост добычи открытым способом, который составляет на сегодняшний день 45 %. В связи с этим создаются благоприятные условия для применения горнотранспортного оборудования высокой производительности и большой мощности. Однако, тяжелые климатические условия Сибири (длительное воздействие низких отрицательных температур при эксплуатации оборудования) предъявляют особые требования к конструкции машин и механизмов, где необходимо учитывать такие факторы как: дополнительные нагрузки, возникающие в результате смерзаемости грунта; значительное снижение свойств стали под влиянием низких температур. Работа горно-
го оборудования связана с нестабильностью горнотехнических условий, с нагрузками, имеющими знакопеременный и ударный характер, с наличием вибраций, резкими перепадами температур [1]. Все вышесказанное приводит к снижению производительности, повышению трудоемкости технического обслуживания и ремонта техники, длительным простоям техники в ремонте. Анализ эксплуатационной надежности показывает, что в общей структуре потока отказов горнотранспортной техники доля отказа механического оборудования составляет примерно 50 %. В свою очередь, основными составляющими простоев механического оборудования являются простои металлоконструкций (порядка 45 %), выполненных по средствам технологического процесса сварки.
Неизбежные спутники процесса сварки-дефекты в сварных соединениях (горячие и холодные трещины в металле шва и околошовной зоне, поры, шлаковые включения, дефекты микроструктуры — неметаллические включения, микропоры, микротрещины, крупнозернистость и др.) и остаточные напряжения после сварки, совокупное действие которых может привести к преждевременному разрушению металлоконструкций горнотранспортного оборудования [2,3].
Эффективный метод снятия остаточных напряжений и борьбы с дефектами в сварных соединениях — термическая обработка. Однако этот процесс практически невозможен для обработки крупногабаритных конструкций [4].
Таким образом, важной задачей является поиск универсальных способов регулирования структуры металла шва и зоны термического влияния для обеспечения эксплуатационной надежности, долговечности, бездефектности, износостойкости, прочности сварных металлоконструкций горнотранспортного оборудования, без применения термической обработки.
Известно, что возможно регулировать процесс кристаллизации металла шва с целью получения определенной его структуры тремя способами: искусственное осаждение сварочной ванны; воздействием на кристаллизующийся металл механических колебаний различной частоты; введение в кристаллизующийся металл шва небольших количеств специальных добавок — модификаторов [5]. Под модифицированием понимается процесс активного регулирования первичной кристаллизации или изменения степени дисперсности кристаллизующихся фаз пу-
тем введения в расплав добавок отдельных элементов или их соединений. Модификаторы — вещества, присутствие малых количеств которых изменяет процесс кристаллизации.
Конечной задачей модифицирования является повышение механических, технологических и эксплуатационных свойств свариваемых изделий.
Цели модифицирования:
• измельчение макрозерна;
• измельчение микрозерна;
• измельчение первичных кристаллов;
• измельчение формы и изменение размера и распределения неметаллических включений.
В настоящее время наибольший интерес представляют модификаторы с наноразмерными частицами, при добавлении которых в сварочную ванну кардинально изменяется процесс зародышеобразования. Структура шва становится квазиравноосной и мелкодисперсной [6,7]. Уменьшается размер неметаллических включений. Соответственно, повышаются механические свойства: микротвердость в 2—7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов; возрастает в несколько раз относительное удлинение, увеличивается предел текучести; увеличивается коэффициент трения. Итак, открываются уникальные возможности для получения нового уровня свойств:
• высокой прочности;
• высокой твердости;
• повышенной износостойкости;
• уменьшение дефектности структуры сварного соединения (уменьшение количества неметаллических включений, остаточных напряжений, повышение трещиностойкости зоны термического влияния).
В целом, повысится качество, надежность, долговечность горнотранспортного оборудования в условиях карьера, снизится число отказов сварных металлоконструкций и как следствие повысится работоспособность оборудования. Однако применение различных наноструктурированных модификаторов и способы их введения в расплавленный металл сварочной ванны изучены недостаточно. На сегодняшний день этот вопрос является актуальной проблемой, как в научном, так и практическом значении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Галченко Ю.П., Трубецкой К.Н. Основы горного дела. — Москва: Академический проект, 2010. — 263 с.
2. Винокуров В.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности. — Москва: Машиностроение, 1996. — 576 с
3. ГОСТ 15467—79 Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения
4. Большая советская энциклопедия. Второе издание. Т 28. — М., 1969—1978. — 660 с.
5. ЛйрУ/ркукаше^ги Модифицирование металла шва.
6. Шевченко В.Я. Белая книга по нанотехнике. Исследование области наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации. — Л.: Изд ЛКИ, 2008г. — 344 с.
7. Александр Данилов. Журнал «Российские нанотехнологии» 39—10. 2009. ¡ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Сергеева Татьяна Александровна — ассистент кафедры, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, ешаИ: tatafic@bk.ru.
