«Виниры» для зубьев промышленных дробилок создали учёные ИТПМ СО РАН: износ снизился в четыре раза

Учёные Института теоретической и прикладной механики (ИТПМ) имени С. А. Христиановича СО РАН совместно с производителем горно-обогатительной техники «Гормашэкспорт» разработали износостойкое градиентное покрытие для зубьев шнекозубчатых дробилок. Покрытие на основе металлической матрицы из железа, вольфрама и молибдена с керамическими компонентами снижает скорость износа дробящих зубьев в четыре раза по сравнению с серийными деталями. Детали с новым покрытием уже установлены на промышленные машины и проходят эксплуатационные испытания на трёх комбинатах — в структурах «НЛМК», «Евразруда» и «РУСАЛ». Ключевую роль в исследовании сыграло синхротронное излучение источников ВЭПП-3 и ВЭПП-4 Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске.

Покрытие зубьев дробилок: состав материала и механика износа

Шнекозубчатые дробилки перерабатывают руду, уголь, флюсовый известняк и нефтяной кокс. На одном из горно-обогатительных комбинатов дробилка известняка перерабатывает порядка 700 тонн руды в час, а зубья за время работы испытывают около 35 миллионов циклов нагрузок. Ресурс серийных зубьев на этой руде — 8 тысяч часов.

Главная проблема — температура. При дроблении породы механическая энергия превращается в тепло, и поверхность зубьев разогревается до 400–500 градусов Цельсия. Новый материал, по данным экспериментов с синхротронным излучением, начинает терять прочностные характеристики только после 1300 градусов Цельсия.

Синхротронное излучение в материаловедении: эксперименты in situ на ВЭПП-3 и ВЭПП-4

Синхротронное излучение позволило проводить эксперименты in situ — наблюдать поведение материала непосредственно под нагрузкой, а не фиксировать лишь факт разрушения постфактум. Учёные смогли определить, в каких точках зарождаются трещины, и скорректировать состав покрытия для предотвращения разрушений.

Применение источников синхротронного излучения при создании новых материалов значительно расширяет наши возможности. Эксперименты как под статической, так и динамической нагрузкой с использованием СИ позволяют выяснить, откуда начинают идти разрушения, вычислить очаги разрушения и в дальнейшем предотвратить их появление

Андрей Степаненко, советник генерального директора АО «Гормашэкспорт».

Дополнительный эффект — самозатачивание зуба в процессе работы. Градиентная структура покрытия изнашивается неравномерно, что сохраняет режущую геометрию и повышает эффективность дробления.

ТТХ нового покрытия для зубьев шнекозубчатых дробилок

Основа матрицы: железо, вольфрам, молибден с керамическими компонентами
Предел прочности на сжатие: выше на 25–30% по сравнению с лучшими марками высокопрочных сплавов
Снижение скорости износа: в 4 раза по сравнению с серийными деталями
Температурный порог деградации: снижение прочностных характеристик — после 1300 °C
Рабочая температура поверхности зубьев в эксплуатации: 400–500 °C
Дополнительный эффект: самозатачивание зуба
Статус: промышленные испытания на комбинатах «НЛМК», «Евразруда», «РУСАЛ»
Финансирование: грант Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований до 2030 года

До запуска ЦКП «СКИФ» — Сибирского кольцевого источника фотонов — российские материаловеды работали с источниками ВЭПП-3 и ВЭПП-4, рассчитанными на небольшие образцы. По словам Степаненко, запуск СКИФа позволит исследовать крупноразмерные натурные образцы под реальными промышленными нагрузками — это качественно иной уровень экспериментов.

Четырёхкратное снижение скорости износа в горнодобывающей отрасли — не абстрактная цифра. Для комбината, перерабатывающего 700 тонн руды в час, замена зубьев означает остановку линии. Если ресурс детали вырастет с 8 до условных 32 тысяч часов, межремонтный период и операционные расходы изменятся кардинально. Испытания на предприятиях трёх крупных металлургических групп страны означают, что технология уже вышла за рамки лабораторного стенда.