Разработка методики циклического наноиндентирования для оценки склонности углей к образованию пыли

Склонность углей к образованию пыли при добыче и транспортировке важна для изучения, так как угольная пыль является одной из основных причин возникновения аварий на предприятиях, а также опасна с точки зрения воздействия на окружающую среду. Недавние исследования выявили новую информацию о связи между хрупкостью углей и их механическими свойствами на низкоразмерных масштабных уровнях. Показано, что наноиндентирование приводит к раскрашиванию угольного вещества под индентором, то есть к образованию частиц (пыли) с размерами значительно менее площади контакта между образцом и иглой индентора. Однако традиционный метод наноиндентирования неприменим как универсальный подход для характеристики склонности углей к образованию пыли при механических и других (например, окислительных) воздействиях. В статье представлен подход к оценке изменений механических свойств углей и их склонности к раскрашиванию с образованием мелкой пыли, основанный на экспериментах по циклическому наноиндентированию. Методика включает в себя способы подготовки образцов, подходы к выбору площадок для экспериментов, условий проведения экспериментов и обработки результатов, а также их интерпретацию. Эксперименты выявили различия в склонности к раскрашиванию образцов двух антрацитов из разных месторождений РФ и природного графита. Это выявлено при исследовании изменения их жесткости и показателя нарушенности с увеличением максимальной нагрузки при циклическом нагружении. Различия в склонности образцов к образованию мелкой пыли (частиц) при механических воздействиях на малых масштабах могут быть связаны с известными данными об изменении их структуры в ряду низкои высокометаморфизованных антрацитов, а также природного графита.

Ключевые слова: уголь, антрацит, графит, раскрашивание, пыль, циклическое наноиндентирование, модуль упругости, показатель нарушенности.
Как процитировать:

Коссович Е. Л., Эпштейн С. А., Голубева М. Д., Красилова В. А. Разработка методики циклического наноиндентирования для оценки склонности углей к образованию пыли // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 5. – С. 112–121. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_5_0_112.

Благодарности:

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 18-77-10052).

Номер: 5
Год: 2021
Номера страниц: 112-121
ISBN: 0236-1493
UDK: 531+620.17
DOI: 10.25018/0236_1493_2021_5_0_112
Дата поступления: 06.12.2020
Дата получения рецензии: 05.02.2021
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.04.2021
Информация об авторах:

Коссович Елена Леонидовна1 — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, e-mail: e.kossovich@misis.ru,
Эпштейн Светлана Абрамовна1 — д-р техн. наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией, e-mail: apshtein@yandex.ru,
Голубева Мария Дмитриевна1 — лаборант,
Красилова Вера Алексеевна1 — аспирант, инженер,
1 Научно-учебная испытательная лаборатория «Физико-химии углей», НИТУ «МИСиС».

 

Контактное лицо:

Коссович Е.Л., e-mail: e.kossovich@misis.ru.

Список литературы:

1. Ji Y., Ren T., Wynne P., Wan Z., Ma Z., Wang Z. A comparative study of dust control practices in Chinese and Australian longwall coal mines // International Journal of Mining Science and Technology. 2015, vol. 26, no. 2, pp. 199–208. DOI: 10.1016/j.ijmst.2015.12.004.

2. Стародубов А. Н., Кравцов В. П., Зиновьев В. В. Проблемы пылеобразования и мероприятия по обеспечению безопасности и экологичности разработки угольных месторождений // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2018. — № 4. — С. 99–104. DOI: 10.26730/1999-4125-2018-4-99-104.

3. Li Q., Wang K., Zheng Y., Ruan M., Mei X., Lin B. Experimental research of particle size and size dispersity on the explosibility characteristics of coal dust // Powder Technology. 2016, vol. 292, pp. 290–297. DOI: 10.1016/j.powtec.2016.01.035.

4. Zhou W., Wang H., Wang D., Du Y., Zhang K., Qiao Y. An experimental investigation on the influence of coal brittleness on dust generation // Powder Technology. 2020, vol. 364, pp. 457–466. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.01.074.

5. Argatov I. I., Borodich F. M., Epshtein S. A., Kossovich E. L. Contact stiffness depth-sensing indentation: Understanding of material properties of thin films attached to substrates // Mechanics of Materials. 2017, vol. 114, pp. 172–179. DOI: 10.1016/j.mechmat.2017.08.009.

6. Коссович Е. Л., Эпштейн С. А., Бородич Ф. М., Добрякова Н. Н., Просина В. А. Взаимосвязи между неоднородностью распределения механических свойств углей на микрои наноуровнях и их способностью к внезапным выбросам и разрушению // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 5. — С. 156–172. DOI: 10.25018/02361493-2019-05-0-156-172.

7. Kossovich E. L., Borodich F. M., Epshtein S. A., Galanov B. A. Indentation of bituminous coals: Fracture, crushing and dust formation // Mechanics of Materials. 2020, vol. 150. Article 103570. DOI: 10.1016/j.mechmat.2020.103570.

8. Галанов Б. А., Григорьев О. Н. Аналитическая модель индентирования хрупких материалов // Электронная микроскопия и прочность материалов. Серия: Физическое материаловедение, структура и свойства материалов. — 2006. — Т. 13. — С. 4–47.

9. Григорьев О. Н., Галанов Б. А., Котенко В. А., Иванов С. М., Ковальчук В. В., Лажевский В. А. Контактная прочность и трещиностойкость хрупких материалов // Металлофизика и новейшие технологии. — 2005. — Т. 27. — № 8. — С. 1095–1112.

10. Smerdova O., Pecora M., Gigliotti M., Castagnet S. Cyclic indentation test to characterize viscoelastic behavior of polymers // Nanomechtest VI. 2013, vol. 55, pp. 86962.

11. Němeček J. Creep effects in nanoindentation of hydrated phases of cement pastes // Materials Characterization. 2009, vol. 60, no. 9, pp. 1028–1034. DOI: 10.1016/j.matchar.2009.04.008.

12. Mars W. V. Factors that affect the fatigue life of rubber // History. 2004, vol. 77, no. 3, pp. 419–423. DOI: 10.5254/1.3547831.

13. Cole D. P., Henry T. C., Gardea F., Haynes R. A. Interphase mechanical behavior of carbon fiber reinforced polymer exposed to cyclic loading // Composites Science and Technology, 2017, vol. 151, pp. 202–210. DOI: 10.1016/J.COMPSCITECH.2017.08.012.

14. Faisal N. H., Prathuru A. K., Goel S., Ahmed R., Droubi M. G., Beake B. D., Fu Y. Q. Cyclic nanoindentation and nano-impact fatigue mechanisms of functionally graded TiN/TiNi film // Shape Memory and Superelasticity. 2017, vol. 3, no. 2, pp. 149–167. DOI: 10.1007/ s40830-017-0099-y.

15. Sergejev F., Kimmari E., Viljus M. Residual stresses in TiC-based cermets measured by indentation // Procedia Engineering. 2011, vol. 10, pp. 2873–2881. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.04.477.

16. Эпштейн С. А., Коссович Е. Л., Минин М. Г., Просина В. А. Особенности образования тонкодисперсных частиц при механических испытаниях каменных низкометаморфизованных углей на низкоразмерных масштабных уровнях // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 2. — С. 69–77. DOI:10.25018/0236-1493-201902-0-69-77.

17. Угольная база России. Т. 1—6. — М.: Геоинформцентр, 2001.

18. Коссович Е. Л., Добрякова Н. Н., Эпштейн С. А., Белов Д. С. Определение механических свойств микрокомпонентов углей методом непрерывного индентирования // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2016. — № 5. — С. 84–91.

19. Bulychev S. I., Alekhin V. P., Shorshorov M. K., Ternovskij A. P., Shnyrev G. D. Determination of Young modulus by the hardness indentation diagram // Zavodskaya Laboratoriya. 1975, vol. 41, no. 9, pp. 1137–1140.

20. Oliver W. C., Pharr G. M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology // Journal of Materials Research. 2004, vol. 19, no. 01, pp. 3–20. DOI: 10.1557/jmr.2004.19.1.3.

21. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. 1992, vol. 7, no. 06, pp. 1564–1583. DOI: 10.1557/JMR.1992.1564.

22. Bratek K., Bratek W., Gerus-Piasecka I., Jasieńko S., Wilk P. Properties and structure of different rank anthracites // Fuel. 2002, vol. 81, no. 1, pp. 97–108. DOI: 10.1016/S00162361(01)00120-X.

23. Hower J. C., Davis A. Application of vitrinite reflectance anisotropy in the evaluation of coal metamorphism // Geological Society of America Bulletin. 1981, vol. 92, no. 6, pp. 350. DOI: 10.1130/0016-7606(1981)92<350:AOVRAI>2.0.CO;2.

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.