Введение

Надёжность флотационного передела определяется не только совершенством технологии обогащения, но и ресурсом корпусных элементов флотационных машин. На Гайском горно-обогатительном комбинате (далее — Гайский ГОК), перерабатывающем медно-цинковые руды с высоким содержанием кварца, машины ФПМ-25 эксплуатируется в жёстких условиях: кислая пульпа, высокая концентрация абразива, интенсивная аэрация. По данным предприятия, значительная часть аварийных остановок связана с разрушением сварных соединений камер.

Традиционно для ремонта применяются конструкционные электроды типа Э50А (УОНИ-13/55), которые обеспечивают герметичность, но не износостойкость; межремонтный интервал при этом не превышает 1,5–2 месяца. Попытки перехода на износостойкие электроды Т-590 без изменения технологии выявили разбавление первого слоя и трещинообразование.

Цель работы — систематизировать условия эксплуатации и механизмы повреждаемости сварных соединений, проанализировать свойства применяемых материалов и на этой основе сформулировать требования к усовершенствованной технологии ремонтной наплавки.

Методика анализа

Работа выполнена на основе анализа отчётов о внеплановых остановках флотации за 2020–2023 гг., данных толщинометрии стенок, результатов химического анализа оборотной воды и гранулометрического состава пульпы, а также лабораторных металлографических исследований образцов, вырезанных из отказавших сварных соединений. Дополнительно проанализированы техническая документация на сварочные материалы и литературные данные о механизмах абразивного, коррозионного и кавитационного разрушения [7–10].

Результаты анализа

Конструкция и гидродинамические условия

Камера ФПМ-25 — сварная ёмкость 3000 × 3000 × 2400 мм из стали 09Г2С [1] толщиной 10–12 мм (днище — 12 мм, зона импеллера — до 16 мм), усиленная рёбрами жёсткости. Импеллер вращается с частотой 120–160 об/мин; в зоне ротора скорости потока достигают 6–8 м/с, у стенок стакана — 3–5 м/с. Сварные швы стакана, кронштейнов статора и врезок циркуляционных труб находятся в зонах отрыва потока, вихреобразования и пульсаций давления.

Помимо статического давления столба пульпы (0,025 МПа у днища), на соединения действуют знакопеременные гидродинамические силы и вибрации от привода. Фактический межремонтный интервал для сварных зон составляет 2–6 месяцев при плановом цикле 12 месяцев, то есть именно эти зоны лимитируют ресурс камеры.

Рабочая среда

Пульпа представляет собой трёхфазную систему. Твёрдая фаза включает кварц (микротвёрдость 1000–1100 HV), пирит (600–800 HV), халькопирит, сфалерит и породообразующие минералы. Кварц играет определяющую роль в абразивном изнашивании: его твёрдость в 5–7 раз превышает твёрдость стали 09Г2С и наплавленного металла УОНИ-13/55.

В придонной зоне из-за седиментации доля фракции +0,2 мм достигает 35 %, а +0,5 мм — 15–20 % (табл. 1); именно эти крупные остроугольные частицы при скоростях до 5 м/с дают наиболее интенсивное микрорезание.

Таблица 1

Фракционный состав пульпы в зонах камеры ФПМ-25 (усреднённые данные за 2022 г.)

Жидкая фаза характеризуется pH 5,5–6,8, содержанием сульфатов до 2500 мг/л, хлоридов — до 450 мг/л, остаточными концентрациями бутилового ксантогената (8–18 мг/л) и вспенивателя Т-80 (15–25 мг/л). В пенном слое концентрация реагентов в 5–10 раз выше, чем в объёме пульпы.

Температура пульпы сезонно колеблется от +5 до +28 °С, локально в зонах трения и схлопывания кавитационных пузырьков достигает 60–80 °С. Интенсивная аэрация (15–20 м ³ /мин на камеру) способствует кавитационной эрозии и смещает окислительно-восстановительный потенциал в положительную область, ускоряя коррозию.

Статистика и механизмы повреждений

Распределение видов повреждений по данным 2020–2023 гг. приведено в табл. 2.

Таблица 2

Распределение видов повреждений сварных соединений камер флотомашин (Гайский ГОК, 2020–2023 гг.)

Гидроабразивное изнашивание реализуется через микрорезание и многократное пластическое деформирование. Поскольку твёрдость кварца многократно превышает твёрдость наплавленного металла УОНИ-13/55, условие микрорезания выполняется с большим запасом, что объясняет скорость износа 8–10 мм/год. Кислая среда усиливает износ: рыхлые продукты коррозии постоянно удаляются потоком, обнажая свежий металл; синергетический эффект даёт ускорение в 1,5–2 раза по сравнению с нейтральными средами.

Коррозионное растрескивание под напряжением наиболее характерно для швов, выполненных УОНИ-13/55 без термообработки: остаточные напряжения достигают предела текучести, а сероводород, как продукт взаимодействия кислоты с сульфидами и разложения ксантогенатов, провоцирует сульфидное растрескивание [7; 8].

Кавитационная эрозия концентрируется на тыльных сторонах лопаток статора и кромках решётки; схлопывание пузырьков генерирует гидроудары с пиковым давлением до 1000 МПа. Поверхностные дефекты швов (поры, подрезы, микротрещины) служат готовыми очагами кавитации [10].

Усталостные трещины развиваются в кронштейнах статора и рёбрах жёсткости под действием вибраций 10–200 Гц; коррозионная среда ускоряет рост трещин.

Анализ применяемых материалов

Характеристики сварочных материалов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Сварочные и наплавочные материалы, применяемые при ремонте камер

Типы электродов выбраны в соответствии с ГОСТ 9467-75 [2], характеристики наплавочных материалов приведены по данным производителей и справочной литературы [3–5].

Обоснование требований к перспективной технологии

Из проведённого анализа вытекают следующие требования:

1. Твёрдость рабочего слоя не ниже 55 HRC по всей толщине покрытия — без слабого переходного слоя.
2. Отсутствие горячих и холодных трещин — обязательный аустенитный подслой и контролируемый термический цикл (подогрев 200–220 °С, замедленное охлаждение).
3. Коррозионная стойкость рабочего слоя, подслоя и зоны термического влияния в кислой хлоридно-сульфатной среде.
4. Технологичность в условиях ремонтного цеха — без дорогостоящего оборудования, предпочтительно ручная дуговая наплавка.
5. Экономическая целесообразность — удорожание материалов и рост трудоёмкости должны многократно компенсироваться увеличением межремонтного интервала.

Обсуждение

Совокупность полученных данных показывает, что разрушение сварных соединений камер носит синергетический характер: абразивный износ обнажает свежий металл, коррозия снижает его сопротивление, кавитация и усталость инициируют трещины, а трещины ускоряют все остальные процессы.

Поэтому требование к ремонтной наплавке не может сводиться только к высокой твёрдости: необходим материал, устойчивый одновременно к микрорезанию, коррозионному растрескиванию и кавитации, а технология должна исключать образование дефектов. Этим условиям не удовлетворяет ни базовая технология УОНИ-13/55, ни наплавка Т-590 без подслоя.

Концепция «аустенитный подслой ЦЛ-11 и два слоя Т-590» устраняет ключевое противоречие: подслой предотвращает разбавление первого рабочего слоя и способствует релаксации напряжений, а рабочие слои обеспечивают износостойкость.

Выводы

1. Сварные соединения камер ФПМ-25 (РИФ-25) на Гайском ГОК эксплуатируются при скоростях пульпы до 8 м/с в кислой среде (pH 5,5–6,8) с высоким содержанием кварца, хлоридов, сульфатов и флотореагентов; наиболее нагружены швы стакана импеллера, днища и циркуляционных труб.
2. По данным 2020–2023 гг., доминирует гидроабразивное изнашивание (52 % отказов), далее следуют коррозионное растрескивание под напряжением (24 %), кавитационная эрозия (14 %) и усталостные трещины (8 %).
3. Базовая технология УОНИ-13/55 не обеспечивает износостойкости (150–170 HB, скорость износа 8–10 мм/год, межремонтный интервал 1,5–2 месяца).
4. Наплавка Т-590 без подслоя не реализует потенциал материала: разбавление первого слоя снижает содержание хрома до 13–15 % и твёрдость до 38–45 HRC, а горячие трещины сводят преимущества к нулю.
5. Сформулированы требования к перспективной технологии: твёрдость — не менее 55 HRC по всей толщине, отсутствие трещин, коррозионная стойкость, технологичность и экономическая эффективность. Этим требованиям отвечает система «аустенитный подслой ЦЛ-11 и два слоя Т-590» с контролируемым термическим циклом.

Литература:

1. ГОСТ 19281-2014. Прокат повышенной прочности. Общие технические условия. — Москва : Стандартинформ, 2019. — 60 с.
2. ГОСТ 9467-75. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы. — Москва : Стандартинформ, 2018. — 12 с.
3. Лившиц, Л. С. Основы легирования наплавленного металла / Л. С. Лившиц, Н. А. Гринберг, Э. Г. Куркумелли. — Москва : Машиностроение, 1969. — 188 с.
4. Рябцев, И. А. Теория и практика наплавочных работ / И. А. Рябцев, И. К. Сенченко. — Киев : Єкотехнологія, 2013. — 400 с.
5. Тененбаум, М. М. Сопротивление абразивному изнашиванию. — Москва : Машиностроение, 1976. — 271 с.
6. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. — Москва : Изд-во стандартов, 1983. — 21 с.
7. ГОСТ 9.905-2007. Единая система защиты от коррозии и старения. Методы коррозионных испытаний. Общие требования. — Москва : Стандартинформ, 2008. — 20 с.
8. ГОСТ 5272-68. Коррозия металлов. Термины. — Москва : Изд-во стандартов, 1968. — 24 с.
9. Стеклов, О. И. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением. — М.: Машиностроение, 1990. — 383 с.
10. Кнепп, Р. Кавитация / Р. Кнепп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит. — Москва : Мир, 1974. — 688 с.