Characteristics of hard coal and its mixtures with water subjected to friction

• Autorzy: Jonczy Iwona , Wieczorek Andrzej N. , Podwórny Jacek , Gerle Anna , Staszuk Marcin , Szweblik Jacek

Identyfikatory

DOI

10.24425/gsm.2020.133939

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka właściwości węgla kamiennego i jego mieszanin z wodą poddanych tarciu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper deals with issues related to tribological processes occurring as a result of excessive wear of the surface of scraper conveyor components caused by the impact of the mined material created during drilling of development or exploitation galleries. One of the most common types of tribological wear is abrasive wear. Wear tests were carried out for hard coal – based abrasive using dry carbon abrasive and a hydrated mixture with 76 and 58% hard coal. Based on the conducted research, it was established that the effects of wear processes are associated with damage typical of wear mechanisms: micro-scratching and micro-fatigue. For the wear variant in the presence of dry coal abrasive, individual scratches caused by the abrasive grains were observed on the surface of the samples. The main reason for this type of damage was the aggregation of quartz, which is one of the basic components of the mineral substance present in the tested hard coal. When hydrated carbon mixtures were used as an abrasive, the surface of the samples also displayed scratches characteristic of the aggregate quartz. A small part of the carbon abrasive was pressed into the scratches. Under the influence of the wear caused by friction, small depressions were also formed, where coal penetrated. The effect of coal pressing into micro-scratches is related to its plastic properties. Tests of the abrasive conducted after the conclusion of wear tests have shown that under the influence of the local increase in temperature and pressure, the hard coal contained in the abrasive can undergo transformations. In the abrasive transformed under friction, small, but measurable changes in the content of the C element in relation to the initial hard coal sample were exhibited.

PL

W artykule poruszono problematykę związaną z procesami tribologicznymi zachodzącymi w wyniku nadmiernego zużycia powierzchni elementów przenośników zgrzebłowych wywołanych oddziaływaniem urobku powstającego w trakcie drążenia korytarzowych wyrobisk udostępniających lub eksploatacji węgla. Jednym z najczęściej spotykanych rodzajów zużycia tribologicznego jest zużycie ścierne. Testy zużyciowe przeprowadzono dla ścierniwa bazującego na węglu kamiennym, stosując suche ścierniwo węglowe oraz uwodnioną mieszaninę z udziałem 76 oraz 58% węgla. Stwierdzono, że efekty procesów zużyciowych związane są z uszkodzeniami typowymi dla mechanizmów zużycia: mikrorysowania i mikrozmęczenia. Dla wariantu zużycia w obecności suchego ścierniwa węglowego na powierzchni próbek zaobserwowano pojedyncze rysy wywołane działaniem ziaren ścierniwa. Główną przyczyną tego typu uszkodzeń była agregacja kwarcu, stanowiącego jeden z podstawowych składników substancji mineralnej występującej w badanym węglu kamiennym. W przypadku zastosowania jako ścierniwa uwodnionych mieszanin węgla, na powierzchni próbek również wytworzyły się charakterystyczne dla oddziaływania zagregowanego kwarcu rysy, w które wprasowywała się niewielka część ścierniwa węglowego. Pod wpływem zużycia wywołanego tarciem powstały również niewielkie wgłębienia, w które przedostał się węgiel. Efekt wprasowywania się węgla w mikrorysy związany jest z jego własnościami plastycznymi. Badania ścierniwa po zakończeniu testów zużyciowych wykazały, że pod wpływem lokalnego wzrostu temperatury i ciśnienia zawarty w ścierniwie węgiel kamienny może ulec przeobrażeniom. W ścierniwie przeobrażonym pod wpływem tarcia wykazano niewielkie, ale mierzalne zmiany zawartości pierwiastka C w stosunku do próbki wyjściowej węgla.

Słowa kluczowe

EN

hard coal; friction; wear test

PL

węgiel kamienny; tarcie; proces zużyciowy

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2020
• Tom: T. 36, z. 3
• Strony: 185--202
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Jonczy Iwona

• Silesian University of Technology, Faculty of Mining, Safety Engineering and Industrial Automation, Gliwice, Poland; ORCID iD: 0000-0003-2635-8484

autor

Wieczorek Andrzej N.

• Silesian University of Technology, Faculty of Mining, Safety Engineering and Industrial Automation, Gliwice, Poland

autor

Podwórny Jacek

• Łukasiewicz Research Network – Institute of Ceramics and Building Materials, Refractory Materials Division in Gliwice, Poland

autor

Gerle Anna

• Łukasiewicz Research Network – Institute of Ceramics and Building Materials, Refractory Materials Division in Gliwice, Poland

autor

Staszuk Marcin

• Silesian University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Gliwice, Poland

autor

Szweblik Jacek

• Silesian University of Technology, Faculty of Mining, Safety Engineering and Industrial Automation, Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Berkowitz, N. 1994. An Introduction to Coal Technology. 2nd ed. Academic Press.
• [2] Berkowitz, N. 1995. The chemistry of Coal. Volume 7. Elsevier.
• [3] Gabzdyl, W . 1987. Coal petrography (Petrografia węgla). College Scripts of the Silesian University of Technology 1337, Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej (in Polish).
• [4] Gahlin, R. and Jacobson, S. 1999. The particle size effect in abrasion studied by controlled abrasive surfaces. Wear 224, pp. 118–125.
• [5] Hashemi, S.M. 2010. Minerals of coal main seam in Parvade coalfield (Tabas – Iran). The 1 st International Applied Geological Congress, Department of Geology, Islamic Azad University – Mashad Branch, Iran, 26–28 April 2010, pp. 141–146.
• [6] Hawk, J.A. and Wilson, R.D. 2001. Tribology of Earthmoving, Mining, and Minerals Processing 35. [In:] Modern Tribology Handbook (editor in chief B. Bhushan). CRC Press LL C.
• [7] Jasieńko, S. 1995. Carbon chemistry and physics (Chemia i fizyka węgla). Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej (in Polish).
• [8] Jelonek et al. 2018 – Jelonek, I., Jelonek, Z . and Nocoń, A . 2018. Fuel quality assessment on the example of bituminous coal and wooden pellets (Ocena jakości paliw na przykładzie węgli kamiennych i pelletów drzewnych). Górnictwo Odkrywkowe 3, pp. 69–77 (in Polish).
• [9] Krasodomski i in. 2014 – Krasodomski, W ., Krasodomski, M., Skibińska, A . and Mazela, W . 2014. Carbon nanoparticles in lubricants. Part I – state of knowledge (Nanocząstki węglowe w środkach smarowych. Część I – stan wiedzy). Nafta-Gaz 3, pp. 185–191 (in Polish).
• [10] Kreiner, K . 1994. Hard coal, chapter 5 (Węgiel kamienny, rozdz. 5) Czapliński A . ed. Kraków: AGH, pp. 56–71 (in Polish).
• [11] Kreiner, K . and Żyła, M. 2006. Binary character of surface of coal (Binarny charakter powierzchni węgla kamiennego). Górnictwo i Geoinżynieria 30(2), pp. 19–34 (in Polish).
• [12] Kruszewska, K . and Dybova-Jachowicz, S. 1997. Carbon petrology outline (Zarys petrologii węgla). Katowice: Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego (in Polish).
• [13] Kułakowski et al. 1981 – Kułakowski, T ., August, C. and Janeczek, J. 1981. The role of selected substances in process of carbonification (Rola wybranych substancji w procesie uwęglania). Przegląd Geologiczny 29(12), pp. 601–604 (in Polish).
• [14] Labaš et al. 2012 – Labaš, M., Krepelka, F. and Ivaničová, L . 2012. A ssessment of abrasiveness for research of rock cutting. Acta Montanistica Slovaca 17(1), pp. 65–73.
• [15] Maciąg, M. 2009. Method of determining the maximum temperature increment in the process of metallic friction (Sposób wyznaczania maksymalnego przyrostu temperatury w procesie tarcia metali). Tribologia 3, pp. 97–103 (in Polish).
• [16] Mutton, P.J. 1988. Abrasion Resistant Materials for the Australian Minerals Industry, Vol. 1, Australian Minerals Industries Research A ssociation L imited, Melbourne, Australia.
• [17] Ngoy, E .K. and Mulaba-Bafunbiandi, A .F. 2013. An analytical model of coal abrasiveness index in function of the mineral composition of coal. International Conference on Chemical and Environmental Engineering (ICCEE’2013) April 15–16, 2013 Johannesburg (South Africa), pp. 79–83.
• [18] Norman, T .E. 1980. Wear in ore processing machinery. [In:] Wear Control Handbook Peterson, M.B. and Winer, W.O. eds. New York: A SME, pp. 1009–1051.
• [19] Patent U S 2011046027: Nano graphene modified lubricant. 2011.
• [20] Petrica et al. 2014 – Petrica, M., Peissl, S. and Badisch, E . 2014. Influence of coal on the wear behavior of steels in 3-body conditions. Key Engineering Materials 604, pp. 75–78.
• [21] Płaza et al. 2005 – Płaza, S., Margielewski, L . and Celichowski G. 2005. Introduction to tribology and tribochemistry (Wstęp do tribologii i tribochemia). Łódź: Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego (in Polish).
• [22] Ratia et al. 2014 – Ratia, V., Heino, V., Valtonen, K ., Vippola, M., Kemppainen, A ., Siitonen, P. and Kuokkala, V.-T. 2014. Effect of abrasive properties on the high-stress three-body abrasion of steels and hard metals. TRIBOLOGIA – Finnish Journal of Tribology 32(1), pp. 3–18.
• [23] Scott, D. 1983. Wear. [In:] Industrial tribology – The practical aspects of friction, lubrication and wear, pp. 12–30.
• [24] Shao, H.S. and Chen, H.H. 1983. Study on abrasive wear characteristics of coal. Journal of China Coal Society 12(18), pp. 97–100.
• [25] Shi, Z . and Zhu, Z . 2017. Case study: Wear analysis of the middle plate of a heavy-load scraper conveyor chute under a range of operating conditions. Wear 380–381, pp. 36–41.
• [26] Stachowiak, G.B. and Stachowiak G.W. 2001. The effects of particle characteristics on three-body abrasive wear. Wear 249, pp. 201–207.
• [27] Stolecki, J. 1988. Mineralogic-chemical and thermic properties of carboniferous clayslates from the Lublin Coal Basin (Właściwości mineralogiczno-chemiczne i termiczne iłołupków karbońskich z Lubelskiego Zagłębia Węglowego). Przegląd Geologiczny 36(9), pp. 513–518 (in Polish).
• [28] Terva et al. 2009 – Terva, J., Teeri, T., Kuokkala, V.-T., Siitonen, P. and Liimatainen, J. 2009. Abrasive wear of steel against gravel with different rock–steel combinations. Wear 267, pp.1821–1831.
• [29] Tylczak, J.H. 1992. Abrasive wear. [In:] ASM Handbook Vol. 18. Friction, Lubrication, and Wear Technology, ASM International, pp. 184–190.
• [30] Van Krevelen, D. 1950. Graphical statistical method for the study of structure and reaction processes of coal. Fuel 29, p. 269.
• [31] Wang et al. 2017 – Wang, S., Ge, Q. and Wang, J. 2017. The impact wear-resistance enhancement mechanism of medium manganese steel and its applications in mining machines. Wear 376–377, pp. 1097–1104.
• [32] Wells et al. 2004 – Wells, J.J., Wigley, F., Foster, D.J., Gibb, W .H. and Williamson J. 2004. The relationship between excluded mineral matter and the abrasion index of a coal. Fuel 83, pp. 359–364.
• [33] Wells et al. 2005 – Wells, J.J., Wigley, F., Foster, D.J., L ivingston, W .R., Gibb, W .H. and Williamson, J. 2005. The nature of mineral matter in a coal and the effects on erosive and abrasive behaviour. Fuel Processing Technology 86, pp. 535–550.
• [34] Wieczorek, A .N. 2018a. Research on the combined impact of mining environmental factors on the degradation of the surface of roadhead drums of scraper conveyors (Badania skojarzonego oddziaływania górniczych czynników środowiskowych na degradację powierzchni bębnów chodnikowych przenośników zgrzebłowych). Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej (in Polish).
• [35] Wieczorek, A .N. 2018b. Experimental studies on the influence of abrasive materials on the wear of hard-wearing steels. Tribologia 49(5), pp. 133–141.
• [36] Xia et al. 2019 – Xia, R., L i, B., Wang, X., Yang, Z . and Liu, L . 2019. Screening the Main Factors Affecting the Wear of the Scraper Conveyor Chute Using the Plackett–Burman Method. Hindawi, Mathematical Problems in Engineering 2019, pp. 1–11.
• [37] Yarali et al. 2008 – Yarali, O., Yasar, E., Bacak, G., and Ranjith, P.G. 2008. A study of rock abrasivity and tool wear in Coal Measures Rocks. International Journal of Coal Geology 74(1), pp. 53–66.
• [38] Zum Gahr, K.H. 1987. Microstructure and wear of materials. Tribology series, Elsevier.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).