Стеклова И. B., Мамыкин С. М., Русаков В. А.
Технология медного клэддинга (CLAD) применяется для решения проблемы водородного износа в узлах трения оборудования через применение смазочных материалов нового поколения, обеспечивающих повышенную энергоэффективность и стойкость при высоких нагрузках.
Горнорудная промышленность является одной из самых затратных в части применения уникальной техники, задействованной на различных этапах производства. Сохранение эффективности её работы и отсутствие выходов из строя являются определяющими факторами в отсутствие простоев на ремонт, приносящих многомиллионные (или даже миллиардные) убытки для предприятий отрасли. Например, простой оборудования на 10–15 дней из-за отсутствия необходимых запчастей может вызвать финансовые потери до 100 миллионов рублей, особенно в условиях усложнённой логистики и трансграничных барьеров.
Среди причин, повышающих риски выхода из строя техники, выделяют и то, что, по оценкам аналитических агентств, доля контрафактной продукции на российском рынке запчастей и смазочных материалов достигает 54 % (по категории моторных масел). В связи с этим особый фокус направлен на максимизацию жизненного цикла оборудования и подбор оригинальных и качественных запчастей и расходных материалов, включая горюче-смазочные материалы и буровые растворы.
Водородный износ: серьёзный вызов для оборудования горнорудной промышленности
В сфере изучения причин выхода из строя промышленного оборудования хорошо задокументированы и широко изучены четыре основных механизма износа — адгезионный, абразивный, коррозионный и усталостный. Однако существует ещё одно важное, но недостаточно изученное явление: водородный износ. Этот тип износа привлекает внимание из-за значительного воздействия на срок службы и эффективность компонентов машин в различных отраслях, включая промышленность. Водород, самый распространенный элемент в природе, играет ключевую роль в преждевременном выходе из строя металлических деталей, проникая в поверхности и вызывая микротрещины (рис. 1).
Примером такой проблематики могут служить отказы редукторов на дробильных установках горно-обогатительных комплексов. Водородный износ вызывает трещины в компонентах, что приводит к дорогостоящему ремонту и замене оборудования.
Наука о водородном износе от водорода берёт свое начало в 1960-х годах, когда учёный, профессор Д. Н. Гаркунов сделал два революционных открытия, исследуя механические поломки в шасси самолётов. Он обнаружил, что ионы меди избирательно переносятся в кристаллическую решётку железа во время трения, образуя тонкую защитную плёнку. Кроме того, он обнаружил, что водород является основной причиной разрушения поверхностей металлов. Эти открытия, названные «эффектом безызносности» и «водородным износом металлов», заложили основу для нового подхода к защите от износа, значительно продлевающего срок службы механизмов.
Водородный износ происходит при возникновении высокого контактного давления, которое вызывает повышенное поглощение водорода при его аномально высокой концентрации. Водород проникает в поверхность металла, увеличивает внутреннее давление и образует трещины, которые в итоге приводят к образованию износа. В отличие от водородной хрупкости, которая вызывает одиночные резкие трещины, водородный износ создаёт уникальный рисунок разрушения, характеризующийся самоорганизующимся разрушением верхнего слоя материала в процессе трения.
Примеры результата водородного износа показаны на рисунках 2 и 3.
Инновационная технология в борьбе с водородным износом
Одним из революционных решений является использование технологии медного клэддинга в смазочных материалах. Эта технология использует ионы меди для создания защитной плёнки на металлических поверхностях, предотвращая проникновение водорода и снижая воздействие других механизмов износа. Ионы меди встраиваются в расширенную (от нагрева при трении) кристаллическую решётку железа или железосодержащих сплавов, эффективно «залечивая» повреждённые участки. Со временем формируется медная плёнка на высоконагруженных участках деталей трения, которая предотвращает водородный износ и другие связанные с ним разрушения.
Ведущие мировые компании работают над инновациями в маслах и смазках, изучая свойства различных материалов и их возможности по защите от трения и износа. Современные решения используют различные подходы вплоть до защитных пакетов присадок на основе полимеров. Однако технология защиты на основе растворённых ионов меди обусловливает наилучшие показатели эффективности по защите металлов, что связано прежде всего с физико-химическими свойствами меди и её способностью встраиваться в металлические поверхности.
Образующаяся за счёт использования технологии медная плёнка позволяет достичь:
• увеличения коэффициента полезного действия узлов до 10 % за счёт снижения потерь энергии на трение;
• снижения механических потерь на трение до 20 %, повышая энергоэффективность работы узлов;
• увеличения срока службы смазочных материалов;
• увеличения срока эксплуатации механизмов.
Применение разработки резидента фонда «Сколково» для защиты технологического оборудования Быстринского ГОКа
Быстринский горно-обогатительный комбинат является эталоном передовых технологий в горнодобывающий отрасли. На предприятии работает множество уникальных технологических установок, и многие из них нуждаются в качественных смазочных материалах. Несмотря на возможность находить оригинальные синтетические масла и смазки от ведущих зарубежных компаний, компания делает выбор в пользу передовых отечественных разработок, в частности, решений резидентов фонда «Сколково».
Так, для повышения эффективности работы гирационных дробилок, дымососов и мельниц на объектах ООО «ГРК Быстринское» резидентом фонда «Сколково» был выполнен ряд пилотных работ по замене и подконтрольной эксплуатации масел и смазок.
Все смазочные материалы на основе решения резидента имеют типичный зеленоватый оттенок благодаря использованию ионов меди в составе.
За время эксплуатации инновационных смазочных материалов компании удалось достичь следующих показателей для системы аэрозольной смазки венцовой шестерни мельницы (рис. 6):
— повышение энергоэффективности благодаря снижению и выравниванию баланса рабочей температуры поверхности венцовой шестерни в зоне контакта привода;
— ускорение и упрощение процедуры проведения оценки состояния рабочих поверхностей во время проведения ППР, поскольку инновационная смазка не содержит графит и дисульфид молибдена.
Сравнение качества поверхностей венцовой шестерни мельницы с использованием инновационных смазочных материалов и без показаны на рисунке 7.
Также использование инновационных смазочных материалов резидента «Сколково» позволило снизить рабочее давление подающего насоса с отметки 150 бар до 54 бар и исключить постоянный подогрев ёмкости при вязкости смазки FS 220 — EP 0/00 (рис. 8).
Таким образом, выгодой для горнодобывающего предприятия ГРК Быстринское явилось увеличение ресурса дорогостоящего импортного оборудования и снижение энергозатрат.
Комментарий сотрудника УНЭиР, ГРК Быстринское:
«С началом применения решения резидента фонда «Сколково» мы зафиксировали снижение рабочей температуры венцовой шестерни, а также уменьшение дельты, что говорит о выравнивании баланса температуры по всей длине. Наблюдается снижение давления подающего густую смазку насоса, что положительно влияет на рабочие параметры и увеличивает межремонтный интервал системы подачи смазки. Также отсутствует графитовый налёт, что упрощает визуальную оценку состояния поверхности».
Николай Булатов, директор направления энергоёмких производств фонда «Сколково»:
«Основанные на технологии медного клэддинга смазочные материалы позволяют снизить энергозатраты на функционирование промышленной техники и промышленного оборудования, но это не единственное их преимущество — в состав смазочного материала входят ионы меди, поверхности ключевых механизмов постоянно восстанавливаются, что обеспечивает увеличение срока службы оборудования».
При применении инновационного решения резидента для продукта редукторного масла с характеристикой FS220 на редукторах гирационной дробилки и мельниц отмечено снижение температуры на подшипниковых узлах. Другие показатели, такие как расход и температура обратки, также в норме. На регулярной основе в целях контроля производится отбор проб для определения физико-химических параметров масла. Учитывая результаты наблюдений, ресурс работы масла может быть продлён до 1,5 лет и более без замены.
Все выполненные работы показали положительный результат в эксплуатации, полученные данные позволяют тиражировать практику применения технологии.
В силу универсальности технологии можно выделить следующие перспективы развития:
• повышение экологических свойств смазочных материалов на основе ионов меди в силу отсутствия традиционных токсичных элементов серы и фосфора в составе;
• создание облегчённого цикла вторичного использования смазочных материалов;
• повышение эффективности работы электродвигателей и редукторов. Благодаря технологии CLAD смазочные материалы способны эффективно работать в условиях высокой скорости вращения и температурных колебаний.
Вопросы можно задать здесь: YMironov@sk.ru, SPoplavskiy@sk.ru