книги из ГПНТБ / Барон, Л. И. Износ и защита внутренних поверхностей угольных бункеров

висающего иа стенках бункера. Для углей крупностью 6—13 мм эти факторы отражаются па количестве зависающего угля в мень­ шей степени.

В бункерах, в которых процесс загрузки п разгрузки протекает непрерывно, при полной разгрузке остается сравнительно немного угля: 10—15% емкости бункера. Примером могут служить опи­ санные выше приемные бункера рядового угля Шахтерской цен­ тральной обогатительной фабрики комбината Шахтерскантрацнт. Причинами того, что в этих бункерах количество угля, зависающего на стейках бункеров, было меньше, чем в погрузочных бункерах такого же типа, являются: во-первых, непрерывность загрузки и разгрузки, во-вторых, несовпадение вертикальных осей загрузоч­ ного и выпускного отверстий и, в третьих, наличие крупных кус­ ков угля (до 500 мм). При непрерывном процессе загрузки и раз­

куски угля, падая иа воронку обрушения (вследствие внецентрепного расположения загрузочного отверстия), способствуют разру­ шению последней.

Следует указать, что во многих действующих бункерах уголь­ ной промышленности углы наклона стенок нередко составляют 45°, а в отдельных случаях даже 40—35°. В таких бункерах линии пе­ ресечения смежных стенок наклонены не более чем на 36°, что меньше углов внешнего и внутреннего трения многих маловлаж­ ных углей, обладающих хорошей сыпучестью в момент загрузки. Поэтому даже при благоприятном режиме эксплуатации, преду­ сматривающем частую разгрузку всего бункера, некоторое количе­ ство угля постоянно находится в наклонных двугранных углах. Это, в свою очередь, приводит к развитию более значительных за­ висаний, обусловленных тем, что обычно коэффициенты внутрен­ него трения рядовых и мелких углей больше, чем внешнего.

На всех обследованных бункерах второй группы требовалось время от времени производить очистку внутренних поверхностей от зависшего угля. Периодичность выполнения этой операции коле­ балась на разных предприятиях от одного месяца до одного года. Налипание угля на стенках бункера отмечалось уже через три— пять дней после очередной очистки бункера, а достижение этим слоем конечной толщины — через одну — четыре недели.

3. ЗАДАЧИ И ИСХОДНЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Данные натурного обследования угольных бункеров в Донбассе наглядно показали, что для правильного и эффективного решения назревших инженерных задач по совершенствованию этих важных звеньев технологической цепи угледобывающих, обогатительных и углепотребляющих предприятий требуется предварительное прове­ дение целого комплекса исследований, направленных на создание

30

научной базы для обоснованных инженерных решений н способов расчета.

Накопленный в Советском Союзе (в особенности за последние 10—12 лет) опыт исследований физико-технического профиля по основным вопросам горной технологии привел к выводу [4], что необходимой предпосылкой для успешного решения инженерных задач, связанных с разрушением или перемещением горных по­ род, является использование в расчетах не идеализированных (как это обычно принято при так называемых аналитических решениях), а установленных экспериментально реальных характеристик свойств разрушаемых пли транспортируемых пород.

Для интересующих пас задач, связанных с прогнозированием сроков и определением рациональных условий и способов повыше­ ния стойкости внутренних поверхностей угольных бункеров, тре­ буется знать характеристики гориотехнологических свойств, отно­ сящихся, согласно предложенной Л. И. Бароном [11] классифи­

ленном (сыпучем) состоянии.

Ко времени начала исследований, названные горнотехнологиче­ ские характеристики продолжали оставаться либо весьма мало, либо совершенно не изученными. Вполне естественно, что данному вопросу было уделено в программе исследований достаточно серь­ езное внимание.

Особенно остро стал вопрос о количественной оценке абразив­ ных свойств углей. Для его разрешения потребовалось осуществить методические разработки и ряд поисковых исследовательских ра­ бот. В физико-техническом аспекте задача осложнилась тем, что анализ результатов натурного обследования бункеров на угольных предприятиях Донбасса убедительно показал необходимость выде­ ления и особой количественной оценки динамической составляющей абразивности, которая в износе внутренних поверхностей бункеров нередко играет важную роль. Данная сторона вопроса ранее оста­ валась практически неизученной. Выполненные исследования по­ зволили выявить и сформулировать некоторые существенные, по мнению авторов, особенности и закономерности.

При исследованиях характеристик трения было уделено внима­ ние экспериментальному определению углов естественного откоса углей разной крупности и влажности. В довольно широких масшта­ бах были осуществлены определения коэффициентов внешнего тре­ ния углей разной крупности и влажности по различным материа­ лам, в том числе и по новым видам футеровочных материалов — плиткам из каменного литья и шлакоситалла. Такие данные были

31

Сйойства сыпучего материала, ио также форма бункера и характер истечения из него сыпучего материала при разгрузке. Физико-тех­ ническое исследование этих факторов было решено осуществить методом моделирования с последующей проверкой полученных ре­ зультатов натурными наблюдениями и измерениями. Содержание и результаты этих исследований изложены в главе III.

Известно, что исследование выпуска сыпучих материалов на моделях имеет смысл лишь в том случае, если выпуск сыпучих

Рис. 14. Вид истечения сыпучего материала из бун­ кера:

а — нормальный; б — гидравлический; в — комбинированный (смешанный)

материалов в лабораторных условиях по исследуемому признаку подобен выпуску сыпучего материала из промышленных устано­ вок, в частности из бункеров. Только при соблюдении этого усло­ вия результаты лабораторных исследований можно использовать для суждения о закономерностях процесса в натуре и получить ориентирующие сведения о характере и возможной интенсивности влияния изучаемого признака. Не требуется специально доказы­ вать, что для правильной в научно-методологическом отношении постановки опытов на моделях необходимо основывать принимае­ мую методику на физически достоверной общей трактовке процес­ са. Анализ специальной литературы и материалы натурных наблю­ дений привели к выводу о целесообразности использовать в каче­ стве исходного положение о существовании двух основных видов истечения сыпучих материалов из бункеров: нормального и гид­

равлического.

При нормальном виде истечения (рис. 14,а), иногда называе­ мым первым видом или несвободным истечением, сыпучий мате­ риал движется внутри бункера вертикальным столбом, располо­ женным над выпускным отверстием, а за пределами этого столба остается неподвижным.

Если по мере выпуска догружать бункер, то в пределах опре­ деленной части его объема, называемой з о н о й потока , мате­ риал будет двигаться непрерывно, а в остальной части— нахо­ диться в неподвижном состоянии. Если же бункер при разгрузке не догружать, то свободная поверхность сыпучего материала при­

32

мет форму воронки, в которой материал расположится под углом естественного откоса. По мере выпуска уровень воронки будет по­ нижаться вследствие скатывания в зону потока частиц, располо­ женных в верхнем слое.

При гидравлическом истечении (рис. 14,6) в движении к вы­ пускному отверстию участвует весь находящийся в бункере мате­ риал. Процесс напоминает истечение жидкости из сосуда, поэтому данный вид и назван гидравлическим.

Представления об указанных двух видах истечения, диамет­ рально противоположных по своему характеру, появились еще в начале 30-х годов в связи с исследованиями процесса движения зерен при выпуске их из силосной башни. К настоящему времени эти представления получили признание [1, 37, 29, 43 и др.].

Нередко при нормальном виде истечения движущийся к вы­ пускному отверстию поток материала имеет форму усеченного ко­ нуса. Такое истечение, сочетающее в себе черты двух основных видов — нормального и гидравлического, резонно именовать ком­ бинированным, или смешанным (рис. 14, в).

Ф. Е. Кенеман [38, 39] произвел измерения угла раскрытия усе­ ченного конуса при истечении, воспользовавшись прозрачной стен­ кой модели. Опытами было установлено, что основным фактором, влияющим на величину угла раскрытия усеченного конуса, яв­ ляется размер частиц сыпучего тела, в то время как удельный вес, форма и шероховатость частиц имеют второстепенное значение. С увеличением крупности частиц угол раскрытия усеченного конуса увеличивается.

При нормальном истечении размеры и форма потока в попереч­ ных и вертикальных сечениях по мере разгрузки бункера непре­ рывно меняются. Несмотря на это, поток в вертикальном сечении имеет три четко различающихся части: верхнюю, среднюю и нижнюю.

В верхней части потока частицы материала скатываются к цен­ тру бункера. В средней части поток движется полностью, а в ниж­ ней части в определенных пределах материал движется параллель­

движения слоя. Пути движения отдельных частиц называют траек­ ториями частиц.

В средней части потока траектории частиц совпадают с траек­ ториями движения слоев сыпучего материала, в связи с чем пере­ ход частиц с одного направления на другое в средней части не имеет места.

При наблюдении за движением частиц сыпучего тела внутри зоны потока видно, что скорость движения различных слоев раз­ лична. Наибольшую скорость имеют частицы, двигающиеся по центру зоны потока. По мере удаления частиц от центра скорость3

движения их в слоях уменьшается. На границах зоны потока скорость движения частиц уменьшается до микроподвижек, а затем движение прекращается совсем.

Скорость движения частиц по вертикальной оси тоже неравно­ мерна: она увеличивается по мере движения частиц к выпускному отверстию.

В нижней части потока траектория движения крайнего пери­ ферийного слоя сыпучего материала отклоняется неподвижным материалом в сторону, к вертикальной оси отверстия. Соответст­ венно отклоняются траектории движения и всех последующих слоев, отстоящих один от другого при одинаковом размере частиц сыпучего материала, на величину этого размера.

Поскольку энергия, обусловленная наличием деформаций, в лю­ бой системе стремится распределиться равномерно [52], в движу­ щемся к выпускному отверстию потоке сыпучего материала напря­ жения в сечении, перпендикулярном вертикальной оси потока, действуют в радиальных направлениях и равны между собой. Кро­ ме того, поток частиц сыпучего тела стремится принять устойчивое равновесие. Это условие обеспечивается, если по всему периметру потока оказывается равное и минимальное сопротивление движе­ нию. Минимальное сопротивление движению потока будет иметь 'место при минимальной величине периметра. Таким свойством об­ ладает круг. Этим и объясняется то, что поток сыпучего, стремясь прийти в устойчивое равновесие, принимает форму тела вращения и при квадратном выпускном отверстии, и при прямоугольном, непосредственно над которым поток имеет форму эллипса, послед­ ний, однако, затем тоже переходит в круг.

По данным Н. Г. Дубынина [30], ширина зоны потока движу­ щегося сыпучего материала зависит от величины угла внутреннего трения последнего.

В программе исследований, послуживших основой для настоя­ щей книги, было специально предусмотрено изучение на модели условий возникновения нормального и гидравлического видов исте­ чения сыпучего материала из бункера (см. главу III). Поскольку существенное значение для возникновения того или иного вида истечения имеет степень уплотнения сыпучего материала, были проведены серии опытов по выяснению влияния различных факто­ ров (статических и динамических) на уплотняемость бункеруемого угля.

Натурные исследования (см. главу IV) было решено проводить с целью проверки выводов из лабораторных экспериментов и мо­ делирования и получения количественных данных и расчетных за­ висимостей для обоснованного рационального проектирования за­ щитных футеровочных покрытий угольных бункеров и достоверного прогнозирования сроков службы этих покрытий в различных усло­ виях. Расчетной методики такого рода ранее, насколько известно, 'не предлагалось. Для создания такой методики было признано 'необходимым, с одной стороны, количественно оценить изнашиваю­

34

щие эксплуатационные воздействия, с другой — определить харак­ теристики сопротивляемости этим воздействиям различных футеровочных материалов и разных способов закрепления последних. Полученные результаты изложены в главах V и VI.

Расчетную методику было целесообразно увязать с наличием трех зон износа, выявленных в результате обобщения материалов обследования бункерных установок на предприятиях угольной про­ мышленности Донбасса. В ходе натурных исследований было об­ ращено внимание на более точное установление границ между разными зонами износа.

Главной особенностью предложенной расчетной методики яви­ лось то, что в ней первостепенное значение придано динамическо­ му фактору. Это касается оценки как изнашивающих эксплуата­ ционных воздействий, так и сопротивляемости различных типов футеровки угольных бункеров таким воздействиям. Указанный подход полностью согласуется с теми выводами, к которым при­ вело обобщение материалов натурного обследования угольных бункеров в Донецком бассейне.

Ряд сформулированных положений по проектированию футе­ ровки угольных бункеров и пример расчета футеровки бункера да­ ны в главе VII.

3*

■ч-

Г Ji А В А II

АБРАЗИВНОСТЬ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТРЕНИЯ УГЛЕЙ В РАЗДРОБЛЕННОМ

(СЫПУЧЕМ) состоянии

I. АБРАЗИВНОСТЬ СЫПУЧЕГО УГЛЯ

Под абразивностью сыпучих масс, горных пород и, в частно­ сти, угля понимают их способность изнашивать контактирующие с ними при взаимном перемещении или соударении разнообраз­ ные твердые тела.

Согласно классификации, предложенной Л. И. Бароном [14], из­ вестные методы экспериментального определения абразивности раздробленных минеральных масс (методы испытаний сыпучих ми­ неральных масс на абразивность) могут быть разделены на два класса по признаку, принимаемому за итоговый критерий. В клас­ се 1 оценка абразивности производится по износу эталонного ма­

лены в классификации в особый вид, противопоставленный опре­

пород с существенными отклонениями от прямой пропорционально­ сти. Оказалось, что показатели абразивности, определяемые по удельному износу эталонного металла для пород, обладающих вы­ сокой твердостью, получают при испытаниях в раздробленном виде более высокими по сравнению с фактическим абразивным дейст­ вием тех иге пород при истирании металла о монолит. Указанное явление можно объяснить тем, что описанная методика испытаний пород в раздробленном виде предусматривает, что на эталонный металл в течение всего опыта обычно воздействуют только «све­ жие» частицы породы. При высокой твердости этих частиц их на­ чальное абразивное действие несущественно отличается от дейст-

36

вия «старых» частиц вследствие их гораздо большей стойкости. Эти особенности важны для правильной оценки различия абразив­ ных свойств отдельных пород при изнашивании ими в одном слу­ чае инструмента при их добыче, а в другом — деталей и футеровки транспортных и погрузочных устройств. В частности, есть все ос­

к классу 1 упомянутой выше классификации.

Метод Центрального котлотурбинного института {56] был раз­ работан для оценки абразивности углей применительно к условиям работы пылеугольных мельниц. Сущность его заключалась в изме­ рении удельного износа плоских стальных бил, укрепленных на роторе, вращавшемся в камере установки, в которую была засы­ пана проба угля. Схема установки приведена на рис. 15. В кор­ пусе 1 на роторе 2 посредством держателей 3 были укреплены эта­ лонные била 4 размером 30x30x10 мм. С боков корпус был за­ крыт крышками 5 и 6. В нижней части корпуса имелся разгрузоч­

37

ный люк 7, через который уголь ссыпался после опыта в контей­ нер И. Пробу угля объемом 600 см3 засыпали в шахтный бункерпитатель 8. На период испытания на загрузочном отверстии уста­ навливали матерчатый фильтр 9, препятствовавший распростране­ нию пыли. Ротор вращался со скоростью 1600 об/мин. Вращение передавалось через приводной шкив 14. Торсиометр 15, позволяв­ ший измерять крутящий момент, был помещен на конце главного вала 12, вращавшегося в шарикоподшипниках, которые находились в корпусе 10. На стальную балочку равного сопротивления 13 на­ клеивали четыре проволочных датчика сопротивлением по 130 ом. На корпусе торсиометра на текстолитовой втулке были установле­ ны четыре токосъемных бронзовых кольца.

Длительность эксперимента составляла 10 мин. Потерю в весе бил определяли взвешиванием с точностью до 0,1 мг. По резуль­ татам испытаний вычисляли коэффициенты износа: k3, характе­ ризующий удельный износ бил на единицу работы, и kc, характе­ ризующий величину износа в единицу времени, т. е. скорость изнашивания. Для вычисления износа на единицу работы суммар­ ный износ бил делили на величину работы за время испытания, выраженную в киловатт-часах. Скорость изнашивания вычисляли

38

в миллиграммах за одну минуту. Коэффициенты износа представ­ ляли собой относительные величины, вычислявшиеся по соотноше­ нию между показателями износа на единицу работы и скорости изнашивания для данного угля или породы и значениями соответ­

Метод Б. Н. Конкина [40], разработанный в Пермском горном институте для оценки абразивных свойств каменных углей, заклю­ чается в истирании стальных образцов о дробленый уголь на одной из машин износа. За критерий абразивности было рекомендовано принимать потерю в весе стального образца за период испытания. При проведении опытов применялись машина лоткового типа и машина МИ-1.

В машине лоткового типа электродвигатель через две ременные передачи приводил во вращение тихоходный текстолитовый шкив, свободно сидящий на неподвижной вертикальной оси. На ободе шкива неподвижно закреплена длинная державка для эталонного образца, изготовленного из стали марки Ст. 3 в форме трехгран­ ной пирамиды. При испытании образец двигался с линейной ско­ ростью 0,42 м/сек в железном желобе, в который предварительно был засыпан измельченный уголь крупностью до 5 мм.

Перед испытанием все ребра эталонного образца тщательно притупляли, чтобы не допустить концентрации на них износа, а поверхности полировали до чистоты металлографического шлифа.

39