نوار نقاله‌های مقاوم در برابر گرما در حمل‌ونقل معادن زغال چگونه کار می‌کنند؟

درک نحوه استفاده از نوار نقاله در استخراج زغال و محیط‌های دمای بالا

سیستم‌های نوار نقاله مورد استفاده در معادن زغال‌سنگ با چالش‌های جدی حرارتی مواجه هستند، به‌ویژه در مناطق فرآوری و در شفت‌های عمیقی که دما می‌تواند به بیش از ۳۰۰ درجه فارنهایت (حدود ۱۵۰ سانتی‌گراد) برسد. نوارهای معمولی لاستیکی برای تحمل این شرایط سخت مناسب نیستند. این نوارها پس از قرار گرفتن طولانی در معرض حرارت، تمایل به نرم‌شدن و چسبناک‌شدن دارند و در نهایت ترک می‌خورند؛ و هیچ‌کس نمی‌خواهد درست در زمان اوج تولید، نوار نقاله خراب شود. به همین دلیل، معدن‌کاران شروع به استفاده از نوارهای مقاوم در برابر حرارت کرده‌اند. این نسخه‌های به‌روزرسانی‌شده حتی در حالی که زغال‌سنگ تازه و داغِ تولیدشده را جابه‌جا می‌کنند، همچنان انعطاف‌پذیر باقی می‌مانند. مواد سنتی در این شرایط واقعاً از شکل خارج می‌شوند، اما این جایگزین‌های جدید این مشکل را ندارند.

چالش‌های حمل مواد داغ با نوارهای نقاله استاندارد

در سال 2022، بخش معدن آمریکا حدود 900 میلیارد دلار فعالیت اقتصادی ایجاد کرد، و فقط نگاهی به منطقهٔ آپالاشیا بیندازید که طبق گزارش بازار نوار نقالهٔ آمریکای شمالی هر ساله بیش از 200 میلیون تن زغال سنگ جابجا می‌کنند. مشکل زمانی پیش می‌آید که معادن از نوارهایی استفاده می‌کنند که نمی‌توانند گرما را تحمل کنند. این نوارهای استاندارد در نهایت حدود 40٪ بیشتر از معمول زمان‌های غیرمنتظره‌ای برای توقف نیاز دارند چون از داغ شدن خراب می‌شوند. اتفاقی که می‌افتد چیست؟ لایه‌های لاستیکی شروع به بلند شدن از هم می‌کنند و مواد داغ سبب فرسایش بسیار سریع‌تر از حالت عادی می‌شوند. وقتی این اتفاق می‌افتد، کل سیستم تهویه را به هم می‌ریزد که خود در محیط‌های زیرزمینی دشوار است. و چیز دیگری هم وجود دارد که خیلی خطرناک است – افزایش خطر آتش‌سوزی در مناطقی که پر از گاز متان است، سبب می‌شود همه دربارهٔ ایمنی هر لحظه نگران باشند.

چرا نوارهای نقالهٔ مقاوم در برابر گرما برای ایمنی و بهره‌وری در معادن زغال سنگ زیرزمینی ضروری هستند

امروزه نوارهای نقاله مقاوم در برابر گرما قادرند دماهایی تا 400 درجه فارنهایت (حدود 204 درجه سانتیگراد) را بدون از دست دادن یکپارچگی ساختاری خود تحمل کنند. این نوارها طبق مطالعات اخیر بازار، خطر آتش‌سوزی را نسبت به نسخه‌های قدیمی تقریباً 60 درصد کاهش می‌دهند. چه چیزی باعث استحکام بالای این نوارها شده است؟ این نوارها از کامپوزیت‌های خاصی ساخته شده‌اند که با الیاف آرامید بسیار محکم به کار رفته در جلیقه‌های ضد گلوله تقویت شده‌اند. همچنین پارچه‌هایی با پوشش سرامیکی که در برابر آسیب‌های گرمایی مقاومت می‌کنند نیز در ساخت آنها به کار رفته است. در محیط‌های صنعتی که دماها بسیار بالا هستند، این نوارهای به‌روزرسانی شده قبل از نیاز به تعویض، سه تا پنج سال بیشتر دوام می‌آورند. به‌ویژه برای عملیات معادن، این موضوع به معنای صرفه‌جویی بزرگ در بلندمدت است. یک مایل از این نوارها در طول ده سال عملیاتی، تقریباً 2.3 میلیون دلار صرفه‌جویی ایجاد می‌کند. علاوه بر این، این نوارها تمام الزامات سختگیرانه مقاومت در برابر شعله‌وری که توسط MSHA برای تجهیزات مورد استفاده در عمق زمین وضع شده است را برآورده می‌کنند، جایی که ایمنی از اهمیت بسزایی برخوردار است.

علم مواد و ترکیب تسمه‌های نقاله مقاوم در برابر حرارت

ترکیبات لاستیکی و لایه‌های تقویتی در تسمه‌های نقاله معدنی مقاوم در برابر حرارت

تسمه‌های نقاله طراحی شده برای مقاومت در برابر حرارت معمولاً از ترکیب خاصی از لاستیک‌های مقاوم به همراه چندین لایه تقویتی تشکیل شده‌اند تا بتوانند در شرایط سخت کاری دوام بیاورند. اکثر تولیدکنندگان، فرمولاسیون لاستیک پایه خود را با افزودنی‌هایی مانند سیلیکون و گرافیت تهیه می‌کنند که این امر به حفظ انعطاف‌پذیری ماده حتی در دماهای بالای 150 درجه سانتی‌گراد کمک می‌کند. این موضوع در عملیات معدن‌کاری بسیار مهم است، زیرا زغال سنگ تازه استخراج شده از زمین هنوز داغ از فرآیندهای آتش‌باری و حفاری است. برای افزایش دوام این تسمه‌ها، شرکت‌ها از مواد تقویتی قوی مانند طناب‌های فولادی یا ترکیبی از پارچه‌ها استفاده می‌کنند. این مواد تقویتی نه تنها استحکام بیشتری به تسمه می‌دهند، بلکه اجازه می‌دهند تسمه بدون اینکه در اثر تنش حرارتی در حین کار دچار خرابی شود، منبسط و منقبض شود.

ثبات حرارتی و مقاومت در برابر سایش: نحوه تحمل تسمه‌های نقاله در برابر گرمای شدید

ساختار چندلایه‌ای امکان دفع همزمان گرما و حفاظت سطحی را فراهم می‌کند:

این طراحی لایه‌ای اجازه می‌دهد لایه‌های سطحی، قطعات داخلی را در برابر خطرات محفوظ نگه دارند و گرما را از مناطق آسیب‌پذیر هدایت کنند و بدین ترتیب خطرات لایه‌لایه شدن را کاهش می‌دهند.

پیشرفت‌های به‌دست‌آمده در فناوری مواد به‌منظور افزایش تطبیق‌پذیری محیطی

توسعه‌های جدید دو مشکل بزرگ را که هر روز کارگران معادن زغال سنگ با آن روبه‌رو هستند، یعنی گرمای بیش‌ازحد و قرار گرفتن در معرض ذرات خطرناک، حل می‌کند. نوآوری اخیر به شکل پوشش‌های لاستیکی حاوی سرامیک می‌باشد که عمر آن‌ها در مقایسه با پوشش‌های قبلی در مناطق بسیار سخت‌گذر حدود ۴۳ درصد بیش‌تر است. در همین حال، شرکت‌های برتر این بخش شروع به گسترش سطوح پلیمری خود تمیزکننده در عملیات خود کرده‌اند. این سطوح از تجمع گرد و غبار زغال سنگ قابل اشتعال روی تجهیزات جلوگیری می‌کنند که اهمیت زیادی دارد، چرا که تقریباً یک‌هفتم از تمام تصادفات زیرزمینی با حریق‌های مرتبط با نوارهای نقاله آغاز می‌شوند، طبق داده‌های ارائه‌شده از مؤسسه ایمنی معادن در سال ۲۰۲۳. این نوع فناوری دیگر تنها مسئله‌ای برای رعایت مقررات نیست، بلکه به یک ضرورت برای حفظ ایمنی کارگران و همچنین کاهش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات در طول زمان تبدیل شده است.

تعادل بین مقاومت در برابر گرما و استحکام مکانیکی: عوامل کلیدی در طراحی

مهندسانی که با مواد کار می‌کنند سال‌هاست با یک مشکل پیچیده دست و پنجه نرم می‌کنند - هنگامی که استحکام یک تسمه را در برابر گرما افزایش می‌دهند، معمولاً انعطاف‌پذیری تسمه کاهش می‌یابد. خبر خوب این است که ابزارهای جدید شبیه‌سازی دارد تغییراتی ایجاد می‌کند. طراحان اکنون می‌توانند تسمه‌هایی تهیه کنند که تقریباً همانند تسمه‌های معمولی خم می‌شوند (حدود 92٪ شعاع خمش آن‌ها) بدون اینکه استحکام گرمایی‌شان تا 180 درجه سانتی‌گراد کاهش یابد. این موضوع برای نصب‌های انجام شده در معادن که فضای بین نقاط انتقال عمودی بسیار محدود است، تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. دستیابی به این هدف باعث حل یکی از مشکلات بزرگ تسمه‌های قدیمی مقاوم در برابر گرما شده است که در هنگام راه‌اندازی در دمای سرد می‌ترکیدند و منجر به توقف‌های فراوان و ناراحتی در محل کار می‌شدند.

طراحی مهندسی و ایمنی سیستم‌های تسمه نقاله مقاوم در برابر آتش

اصول طراحی تسمه نقاله‌های مقاوم در برابر آتش در معادن زیرزمینی

در مورد تسمه‌های نقاله مقاوم در برابر آتش، سازندگان عموماً ابتدا روی سه عامل اصلی تمرکز می‌کنند: جلوگیری از گسترش شعله‌ها، حفظ استحکام تسمه حتی در معرض دمای‌های بالا، و کنترل انتشار دودهای سمی. طبق یک مطالعه اخیر منتشر شده توسط ISO در سال 2023، تسمه‌های نقاله‌ای که استاندارد ISO 340 را رعایت می‌کنند، خطر گسترش آتش را نسبت به تسمه‌های معمولی تقریباً به میزان دو سوم کاهش می‌دهند. طرح‌های جدید تسمه‌ها شامل چندین لایه از ترکیبات لاستیکی خاص هستند که با سرامیک تقویت شده‌اند و این امکان را فراهم می‌کند تا موانع حرارتی محافظتی تشکیل شوند، بدون اینکه انعطاف‌پذیری و قابلیت حرکت تسمه کاهش یابد. آنچه این تسمه‌ها را واقعاً مؤثر می‌کند چیست؟ این تسمه‌ها دارای موادی هستند که پس از اشتعال به طور خودکار خاموش می‌شوند و همچنین سطح آنها به اندازه کافی از ایجاد اصطکاک جلوگیری می‌کند تا جرقه‌ها در محل تماس تسمه با غلتشک‌ها در حین کار متوقف شوند.

ساختار لایه‌ای و افزودنی‌های ضد آتش در تسمه‌های نقاله مدرن

نوارهای نقاله پیشرفته با ترکیب ۴ تا ۷ لایه عملکردی مقاومت بهینه در برابر آتش را فراهم می‌کنند:

1. پوشش رویی از جنس لاستیک با مواد افزودنی تری‌هیدرات آلومینیوم برای جذب گرما (تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد در معرض گرما قرار گرفتن مداوم)
2. لایه‌های پارچه‌ای مقاوم در برابر شعله با پوشش‌های کلروپرن
3. لایه‌های سازه‌ای با تقویت کننده آرامید که استحکام کششی را در حین انبساط حرارتی حفظ می‌کنند
4. لایه پایینی مقاوم در برابر سایش با ترکیبات ضد الکتریسیته ساکن

پیشرفت‌های اخیر در مواد، میزان دفع گرما را نسبت به طراحی‌های ۲۰۱۸ تا ۴۰٪ افزایش داده‌اند، همان‌طور که در شبیه‌سازی‌های کنترل‌شده معادن نشان داده شده است.

رعایت استانداردهای ایمنی بین‌المللی برای نوارهای نقاله معادن

الزامات گواهی‌نامه‌های جهانی آزمون‌های سختگیرانه‌ای را ایجاب می‌کنند:

• EN 14973 گواهی‌نامه مقاومت در برابر شعله (در برابر شعله 800 درجه سانتی‌گراد به مدت 15 دقیقه یا بیشتر مقاومت می‌کند)
• دارای مجوز MSHA آزمون‌های اصطکاک دروم شبیه‌سازی سناریوهای ترمز اضطراری
• دستورالعمل RATPEN رعایت میزان دود (<10% کدری پس از 5 دقیقه قرار گرفتن در معرض آتش)

یک تحلیل 2022 از 17 معدی که در آن از نوارهای کاملاً مصدقه استفاده می‌شد، نشان داد که توقف‌های ناشی از حریق 89% کمتر از آن دسته که از نوارهای غیرمطابق استفاده می‌کردند، وجود داشت.

عملکرد و مزایای بلندمدت در محیط‌های معدنی با دمای بالا

ارزیابی عملکرد واقعی تسمه‌های نقاله در شرایط گرمای مداوم

تسمه‌های نقاله طراحی‌شده برای مقاومت در برابر حرارت، شکل خود را حتی پس از قرار گرفتن ساعتها در دمایی بالاتر از 150 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کنند. آزمایش‌های انجام‌شده در معدن‌های زغال‌سنگ لیگنیت نشان می‌دهد که این تسمه‌های ویژه در مقایسه با تسمه‌های معمولی، مشکلات تغییر شکل مواد را حدود 83 درصد کاهش می‌دهند. این امر به معنای ادامه فعالیت‌ها بدون وقفه و بدون کاهش سرعت جابجایی زغال‌سنگ در سیستم است، مطابق آخرین گزارش مواد معدنی منتشرشده در سال 2023. علت عملکرد بهتر این تسمه‌ها چیست؟ این تسمه‌ها دارای چندین لایه درونی هستند که از عبور بیش از حد حرارت به داخل جلوگیری می‌کنند. این لایه‌بندی به جلوگیری از باز شدن درزهای تسمه در دمای بالا کمک می‌کند.

مطالعه موردی: تحلیل خرابی تسمه‌های نقاله غیرمقاوم در برابر حرارت در یک معدن زغال‌سنگ عمیق

یک معدن اندونزیایی با عمق 1200 متر در ماه، 14 توقف غیر برنامه‌ریزی شده با تسمه‌های معمولی تجربه می‌کرد که این امر سالانه منجر به از دست دادن 290 هزار دلار به خاطر کاهش بهره‌وری می‌شد. بازرسی‌های پس از خرابی نشان داد:

• لایه‌های داخلی ترک‌خورده از سیکل‌های حرارتی
• سایش شتاب‌دهنده در اتصالات تسمه (3/2 میلی‌متر در ماه در مقابل 0/8 میلی‌متر در مدل‌های مقاوم در برابر گرما)
• خطرات آتش‌سوزی ناشی از نقاط داغ ناشی از اصطکاک

افزایش عمر مفید و کاهش زمان توقف با تسمه‌های نقاله مقاوم در برابر گرما

تسمه‌های مقاوم در برابر گرما که مراقبت منظم می‌شوند، در محیط‌هایی با دمای بسیار بالا بین ۱۸ تا ۲۴ ماه دوام می‌آورند که این مقدار تقریباً سه برابر آنچه تسمه‌های عمومی پیش از نیاز به تعویض فراهم می‌کنند، است. دلیل اینکه این تسمه‌های تخصصی به خوبی کار می‌کنند چیست؟ این تسمه‌ها از لاستیکی ساخته شده‌اند که در برابر اکسیداسیون مقاوم است، با الیاف آرامید تقویت شده‌اند تا استحکام بیشتری داشته باشند و در قسمت‌هایی که بیشترین فشار را می‌گیرند، از اجزای سرامیکی بهره می‌برند. وقتی تولیدکنندگان روش‌های هوشمندانه نگهداری مانند بررسی دمای تسمه با دستگاه‌های اسکن کننده مادون قرمز و حفظ کردن تنش مناسب تسمه را اجرا می‌کنند، می‌توانند با گذشت زمان نسبت به روش سنتی که تا خرابی منتظر می‌مانند و سپس تعمیر می‌کنند، حدود ۴۰ درصد در هزینه تعویض صرفه‌جویی کنند. این رویکرد از نظر اقتصادی و عملیاتی برای واحدهایی که روزانه با شرایط گرمای شدید سروکار دارند، منطقی است.

تحلیل هزینه: سرمایه‌گذاری اولیه بیشتر در مقابل صرفه‌جویی در هزینه‌های بهره‌برداری در بلندمدت

در حالی که تسمه‌های نقاله مقاوم در برابر گرما ۶۰ تا ۸۰ درصد هزینه اولیه بیشتری نسبت به تسمه‌های معمولی دارند، اما در معادن با دمای بالا، بازگشت سرمایه ۷ ساله‌ای برابر با ۲۱۰ درصد را فراهم می‌کنند. یک تحلیل چرخه عمر انجام شده در سال ۲۰۲۳ به این نتایج دست یافت:

بر اساس مطالعات مدیریت حرارتی، بهره‌بردارانی که از مدل‌های مقاوم در برابر حرارت استفاده می‌کنند، در طول دوره‌های 5 ساله، 34٪ هزینه کل کمتری بر اساس هر تن گزارش می‌دهند.

بهترین روش‌های نصب و نگهداری برای دوام و ایمنی

بهترین روش‌های نصب نوار نقاله در شرایط زیرزمینی دشوار

درست انجام دادن نصب، با این اطمینان شروع می‌شود که این قاب‌های نقاله به‌خوبی در یک خط قرار گرفته باشند، ایده‌آل این است که تقریباً در محدوده 3 میلی‌متری قرار داشته باشند تا از بروز مشکلات ردیابی در آینده جلوگیری شود. بیشتر افراد حرفه‌ای در صنعت معدن توصیه می‌کنند که از راهنماهای لیزری برای این بخش استفاده شود، چون این کار باعث ساده‌تر شدن کار می‌شود. وقتی صحبت از کشیدگی تسمه‌ها می‌شود، انبساط حرارتی عاملی مهم است. متخصصان صنعت معمولاً پیشنهاد می‌دهند که کشش اولیه را حدود 1.5 درصد از کل طول تسمه برای هر 10 درجه سانتی‌گراد تغییر دما تنظیم کنید. همچنین فراموش نکنید که مقاومت در برابر آتش هم مهم است. مواد پوششی باید تقریباً 85 تا 90 درصد از غلطک‌های محرک را بپوشاند. این کار اصطکاک لازم برای حرکت بدون مشکل همه چیز را فراهم می‌کند، اما هنوز هم اجازه می‌دهد مواد شل شده جدا شوند و باعث ایجاد مشکلاتی در آینده نشوند.

راهبردهای نگهداری دوره‌ای برای حداکثر کردن عمر تسمه نقاله تحت تأثیر گرما و سایش

یک مطالعه در سال 2023 در زمینه دستکاری مواد به کمک اتوماسیون حرارتی نشان داد که سیستم‌هایی که از تصویربرداری حرارتی اتوماتیک استفاده می‌کنند، 43٪ از خرابی‌های اولیه نوار نقاله را نسبت به بازرسی‌های دیداری به تنهایی تشخیص می‌دهند. وظایف ضروری نگهداری شامل:

• هفتگی : غلتک‌های بازگشتی را با استفاده از هوا فشرده تمیز کنید (<100 psi) تا گرد و غبار قابل اشتعال زغال سنگ را از بین ببرید
• ماهانه : برای اندازه‌گیری ترازی pulley از شیب‌سنج‌های دیجیتالی استفاده کنید (حداکثر 0.5° انحراف مجاز است)
• فصلی : وقتی سایش بیش از 8 میلی‌متر ضخامت باشد، اسکورت‌های مقاوم در برابر حرارت را تعویض کنید

اپراتورهایی که از نظارت فراصوتی اتصالات هر 500 ساعت عملیاتی استفاده می‌کنند، 31٪ کمتر از خرابی‌های ناگهانی نوار نقاله نسبت به برنامه‌های نگهداری معمولی گزارش می‌دهند. نگهداری صحیح نوارهای نقله اسپار در مناطق کنترل شده اقلیمی (15–25 درجه سانتی‌گراد، رطوبت 40٪) باعث حفظ یکپارچگی ترکیبات لاستیکی بین تعویض‌ها می‌شود.

سوالات متداول

مقاومت حرارتی نوارهای نقاله چه چیزی باعث می‌شود آن‌ها را از نوارهای استاندارد متمایز کنند؟

نوارهای نقاله مقاوم در برابر گرما با استفاده از مواد و تقویت‌کننده‌های خاص مانند الیاف آرامید و پوشش‌های سرامیکی طراحی شده‌اند تا بتوانند در برابر دماهای بالا مقاومت کنند و خطر خاموشی‌ها و آتش‌سوزی‌ها را کاهش دهند.

نوارهای مقاوم در برابر گرما چگونه ایمنی را در معادن زغال سنگ بهبود می‌بخشند؟

این نوارها با کاهش خطر آتش‌سوزی تقریباً 60 درصدی و رعایت کردن الزامات سخت‌گیرانه مقاومت در برابر شعله MSHA، ضروری برای عملیات ایمن در محیط‌های با دمای بالا محسوب می‌شوند.

مزایای مالی سرمایه‌گذاری در نوارهای مقاوم در برابر گرما چیست؟

اگرچه هزینه اولیه آنها بیشتر است، این نوارها در بلندمدت باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها می‌شوند، زیرا زمان توقف را کاهش می‌دهند، هزینه‌های نگهداری را پایین می‌آورند و بازگشت سرمایه‌ای معادل 210 درصد در طول هفت سال فراهم می‌کنند.

نوارهای مقاوم در برابر گرما معمولاً چقدر دوام می‌آورند؟

در صورت نگهداری مناسب، نوارهای نقاله مقاوم در برابر گرما در محیط‌های با دمای بالا می‌توانند بین 18 تا 24 ماه دوام داشته باشند.