Почему мельницу футеруют резиной, течку керамикой, а бункер под самосвалом сталью? Бей по листу куском руды, поливай пульпой, морозь и грей, и смотри, какой материал живет дольше.
Сталь сопротивляется износу твердостью: чем она тверже, тем труднее руде ее поцарапать. Резина и полиуретан работают иначе. Они мягкие, но упругие: камень или песчинка продавливает их, отдает энергию и отскакивает, а материал возвращается в прежнюю форму. Керамика из оксида алюминия тверже самой руды и почти не стирается, но совсем не гнется и колется от сильного удара. Поэтому на фабрике каждый участок футеруют своим материалом: где падают глыбы, ставят сталь, где течет пульпа, резину и полиуретан, где руда скользит, керамику.
Композит, например стеклопластик или углепластик, это прочные волокна, склеенные смолой. Вдоль волокон он прочнее многих сталей при массе в 4–5 раз меньше, а поперек держит только смола, и прочность падает в десятки раз. Еще у полимеров есть рабочий диапазон температур: на жаре, на солнце и в масле резина стареет, а на сильном морозе дубеет.
ⓘ Ресурс показан во сколько раз дольше, чем у листа Ст3 в тех же условиях без мороза. Это усредненные данные из практики футеровки обогатительных фабрик, а не расчет для конкретного участка.
Три простые оценки объясняют почти все, что видно на стенде: почему мягкая резина держит удар лучше твердой керамики, почему песок не берет керамику и почему композит рвется поперек волокон. Числа берутся из опыта.
С какой силой кусок бьет по футеровке?
Энергия куска одна и та же, а сила зависит от того, на каком пути δ его остановили. Резина прогибается на сантиметры, и сила мала. Сталь и керамика останавливают кусок за доли миллиметра, и сила огромна.
Почему песок стирает одно быстрее другого?
Закон износа Арчарда: сколько материала сотрется, пропорционально силе прижатия и пути трения и обратно пропорционально твердости. Если материал тверже абразива, зерна почти не режут его. Для резины формула не годится: она не режется, а упруго продавливается.
Как прочность композита зависит от угла?
Критерий Цая-Хилла для однонаправленного слоя. Вдоль волокон держат волокна, поперек только смола, а под углом слой еще и сдвигается. Поэтому уже при 10–15° прочность падает в разы.
Представь слой композита как пучок жестких пружин-волокон, залитых мягкой смолой. Когда тянешь вдоль волокон, растягиваются все вместе и на одну и ту же величину, как параллельные пружины. Жесткости складываются по долям: E₁ = Eф · V + Eм · (1 − V), где V доля волокон по объему.
Когда тянешь поперек, сила проходит по очереди через волокно и через смолу, как через пружины, соединенные последовательно. Складываются уже податливости: 1/E₂ = V/Eф + (1 − V)/Eм, и мягкая смола решает все.
Для стеклопластика с V = 0,6: Eф = 72 ГПа, Eм = 3,5 ГПа. Вдоль: E₁ = 72 · 0,6 + 3,5 · 0,4 ≈ 44,6 ГПа. Поперек: 1/E₂ = 0,6/72 + 0,4/3,5 ≈ 0,123, E₂ ≈ 8,2 ГПа, в 5 раз меньше. Поэтому в трубах и стрелах волокна кладут в нескольких направлениях, например ±55° для трубы под давлением.
В шаровых мельницах резиновая и резинометаллическая футеровка весит в 2–3 раза меньше стальной, тише и меняется быстрее. В мельницах самоизмельчения с глыбами до 300 мм остаются стальные плиты: резину там режут.
Где руда скользит, ставят керамику или керамику в резине: плитки не стираются, а резина под ними гасит удары. В приемных бункерах под самосвалом, где падают глыбы, лучше износостойкая сталь.
Обкладка ленты из резины держит удар кусков и мороз до −45…−50 °C. Ленту прячут от солнца и следят за маслом: от нефтепродуктов натуральная резина набухает и расслаивается.
Песок в пульпе стачивает сталь, а литьевой полиуретан служит в 5–10 раз дольше. Песковые насадки, где поток самый быстрый, делают из керамики, рабочие колеса насосов из резины или белого чугуна.
Трубы из СВМПЭ и обрезиненные трубы легче и живут дольше стальных. На отводах, где поток бьет в стенку, ставят керамику. Трубу периодически поворачивают на 90°, чтобы износ шел равномерно.
Стеклопластик идет на трубы оборотной воды, решетки, кожухи и емкости для реагентов: не ржавеет. СВМПЭ на днищах кузовов и бункеров не дает мокрой глине налипать. Углепластик берут там, где важна масса.
Ресурс каждого материала задан относительно Ст3 по трем опорным крупностям для каждого режима и между ними сглажен. Это усредненная картина из практики футеровки и данных производителей; на деле ресурс сильно зависит от марки резины и полиуретана, угла атаки, скорости потока, формы зерен и толщины листа. Кусок считается жестким, вся его энергия уходит в футеровку, прогиб оценен по условной жесткости δ = √(2E/k). Порог, выше которого керамика колется, а резину режут грани, задан одним числом энергии. Влияние температуры, масла и солнца дано множителями: вне рабочего диапазона ресурс полимера падает вдвое на каждые 10 °C, на морозе при ударе вдвое на каждые 5 °C. Старение резины по правилу «+10 °C ускоряет вдвое»: при +20 °C в тени половина упругости теряется примерно за 15 лет. Для композита взят однонаправленный слой и критерий Цая-Хилла; настоящие изделия делают из слоев в разных направлениях.