Поступь гиганта: как работают самые тяжелые машины горнодобывающей промышленности

Количество техники, задействованной в процессе, зависит от многих факторов – в частности, от того, открытым или закрытым способом ведется добыча, каковы инфраструктурные особенности месторождения и какие технологии применяет конкретное предприятие.

Залежи каменного угля, руд черных и цветных металлов и других полезных ископаемых обычно скрываются под пустой породой. Технологический процесс начинается с удаления слоя грунта – этот этап горняки называют вскрышными работами. Грунт убирают слой за слоем, пока полезные ископаемые не окажутся на поверхности.

Провести вскрышные работы только с помощью экскаваторов удается в редких случаях. Если ценная порода залегает глубоко, к механическому способу добавляют взрывные работы. Для бурения скважин, в которые закладывается взрывчатка, применяют буровые станки. Эти машины есть в парке любого предприятия, добывающего полезные ископаемые открытым способом.

ИЗ-КАРТЭКС производит разные модификации самоходных станков шарошечного бурения с конца 1990-х. Так, станок СБШ- 270/40 может пробурить скважину глубиной до 40 м и диаметром до 270 мм. Хотя это самая маленькая машина в линейке завода, СБШ весит внушительные 135 т. Масса одной только мачты, несущей основное оборудование, превышает 37 т.

В прошлом году ИЗ-КАРТЭКС представил принципиально новое оборудование, прежде в России не производившееся, – дизельный буровой станок (ранее предприятие изготавливало модели с электроприводом). Применение гидравлики в основных и вспомогательных механизмах позволяет значительно снизить их массу по сравнению с аналогичными узлами, имеющими электропривод. Благодаря специальным устройствам стопорения мачты станок может выполнять наклонное бурение с максимальным углом 30 градусов.

«На дизель-гидравлические станки больший спрос со стороны угледобывающих предприятий: на угольных месторождениях более мягкие породы, поэтому процесс бурения там идет легче и быстрее. Примерное время бурения скважины на угольном разрезе – 15 минут, а вот на рудных месторождениях, где очень твердые породы, на каждую скважину уходит до восьми часов. Поэтому рудные компании традиционно ориентируются на электрические машины, которые и конструктивно более мощные, и с точки зрения эксплуатационных расходов экономичнее», – рассказывает начальник отдела буровых станков конструкторской службы ИЗ-КАРТЭКС Станислав Тихомиров.

После проведения взрывных работ в дело вступают экскаваторы, которые расчищают доступ к ценной породе. В зависимости от технологий, используемых предприятием, тип этих машин может быть разным. Так, шагающие экскаваторы, они же драглайны, перемещают пустую породу в отвал или на борт карьеров без использования грузового транспорта – самосвалов. Поэтому у драглайнов длинные стрелы – от 75 до 100 м.

Сегодня единственным производителем «царь-машин» (такое название «шагари» получили с легкой руки уральского писателя Павла Бажова еще в 1940-е годы, когда в СССР начинался их выпуск) в России является «Уралмашзавод».

У драглайнов действительно царские размеры: среднестатистический экскаватор ЭШ 20.90 по высоте сравним с девятиэтажным домом. Самая маленькая модель в линейке, ЭШ 11.75, весит 840 т, а сейчас на УЗТМ изготавливают ЭШ 24.95, весящий 1960 т, с ковшом емкостью 24 куб. м и 95-метровой стрелой – это больше, чем минимальный размер футбольного поля.

Самое интересное в драглайне – его способ передвижения: он не едет, а действительно шагает. Гусеницы не выдержали бы его огромного веса, что и стало причиной выбора механизма шагания для ходовой части.

За свою историю «Уралмашзавод» произвел и поставил более 250 шагающих экскаваторов, порядка 150 из них работают по сей день. Кстати, самым крупным экскаватором в СССР был уралмашевский ЭШ 100.100, введенный в эксплуатацию на угольном разрезе «Назаровский» в Красноярском крае в июне 1980 года. Весил гигант 10,3 тыс. т, а в его ковше объемом 100 куб. м могла бы поместиться малогабаритная двухкомнатная квартира.

В отличие от драглайнов гусеничные экскаваторы (как электрические, так и дизельные) работают в паре с карьерными самосвалами. Их задействуют и во вскрышных работах, и при извлечении непосредственно полезных ископаемых. Такой тип машин наиболее востребован у горняков, поэтому задача создателей горной техники – сделать так, чтобы эта связка была максимально эффективной. Емкость ковша – одна из самых важных технических характеристик экскаваторов. Сегодня ИЗ-КАРТЭКС и «Уралмашзавод» изготавливают электрические канатные экскаваторы с ковшами от 5 до 35 куб. м: они наиболее эффективны при работе в тандеме с самосвалами от 90 до 220 т, основой автопарков российских горных предприятий. В последнее десятилетие наибольшим спросом пользуется семейство ЭКГ-18/20 (такие экскаваторы выпускаются на УЗТМ серийно) и 10–15-кубовые машины ИЗ-КАРТЭКС.

Если извлечение угля или руды проводится шахтным способом, вместо экскаваторов и самосвалов для перемещения породы на поверхность используют шахтные подъемные машины (ШПМ). Их производство «Уралмашзавод» освоил совсем недавно: первая скиповая ШПМ c диаметром барабана 5 м была введена в эксплуатацию на Гайском ГОКе в 2019 году, став самой крупной подъемной машиной в России.

Этот рекорд был побит в 2023 году. На том же комбинате начала работу ШПМ УЦР 6,75х6,2/1,95 с диаметром барабана 6,75 м и весом более 400 т, оснащенная двумя скипами грузоподъемностью по 15 т. Примечательность этой машины не столько в ее внушительных габаритах, сколько в возможности с помощью разрезного барабана подтягивать канаты скипов и производить подъем с разных горизонтов.

За пять лет «Уралмашзавод» изготовил уже порядка 10 ШПМ разных типов и размеров. Еще несколько единиц находятся в процессе производства.

Извлеченную из недр породу измельчают перед процессом обогащения, отделяя руду от пустого материала. Для этого на горнообогатительных комбинатах применяются дробилки и мельницы. Ежегодно уралмашевские агрегаты перерабатывают свыше миллиарда тонн минерального сырья. С их помощью горняки размалывают самые разные материалы, от вязких титаномагнетитовых руд до кимберлитов.

В классической схеме первыми в цепочке дробильно-размольного передела стоят конусные дробилки крупного дробления (ККД). Они измельчают большие куски породы (от 400 до 1500 мм), выдавая фрагменты величиной не более 130–300 мм. Дробилки среднего или мелкого дробления еще уменьшают их размер, а на завершающей стадии мельницы размалывают твердую породу практически в песок.

На сегодняшний день УЗТМ выпускает более 50 разных моделей машин и их модификаций: в частности, это стержневые мельницы сухого и мокрого помола, шаровые мельницы с центральной разгрузкой и разгрузкой через решетку, мельницы мокрого и сухого самоизмельчения и мокрого полусамоизмельчения.

К примеру, в шаровых мельницах и мельницах полусамоизмельчения (МПСИ) используются стальные шары, а в мельницах самоизмельчения (ММС и МСС) вспомогательный материал не применяется. Часто вместо дробилок на второй стадии дробильно-размольного передела устанавливают мощные мельницы.

«Еще четыре года назад мы считали крупногабаритной мельницу с диаметром барабана менее 5 м и длиной не более 6 м, а сейчас поставляем заказчикам размольное оборудование с диаметром барабана от 7 до 11,6 м и длиной до 13 м. Помимо дробилок среднего, мелкого и крупного дробления "Уралмашзавод" выпускает щековые дробилки. Так их прозвали за принцип работы: своими стальными "щечками" они способны размолоть даже самую прочную породу. Такие машины легче, компактнее и мобильнее дробилок крупного дробления, но не уступают им по возможностям. ЩДС и ЩДП могут работать даже в ограниченных пространствах шахтных камер или в карьерных дробильно-сортировочных комплексах, – делится заместитель главного конструктора УЗТМ Виталий Фурин.

После измельчения сырья начинается процесс его обогащения. Например, итоговым продуктом обогащения железорудного материала и его последующего окомкования и обжига являются окатыши – комочки измельченного рудного концентрата сферической формы. Из них в доменных печах варится чугун – основа для производства стали.

Домны работают круглосуточно, выдавая готовый металл порциями через регулярные промежутки времени, поэтому перед подачей на следующий этап производства чугун собирают в емкости – металлургические миксеры – и хранят в них до переплавки. Задача миксеров – с помощью горелок поддерживать температуру расплавленного чугуна и перемешивать его, чтобы усреднить химический состав.

Миксеры бывают передвижные и стационарные. Обычно доменное и конвертерное производства – на первом варится чугун, на втором плавится сталь – располагаются в разных концах металлургических предприятий, разделенных расстоянием в несколько километров. Раскаленный металл везут по железнодорожным путям в передвижных миксерах – огромных агрегатах цилиндрической формы, вмещающих 420 или 600 т чугуна. Например, длина корпуса меньшего миксера МП-420 составляет 26 м (на метр больше плавательного бассейна), а диаметр – 3,8 м.

«Корпуса передвижных миксеров доставляются заказчику не частями, как большинство заводских машин, а в полностью собранном виде. Специалисты компании "Уралмаш – Горное оборудование" максимально точно с помощью двух кранов устанавливают корпус на специальный железнодорожный транспортер, который по заранее разработанному маршруту везет его через всю страну», – отмечает заместитель главного конструктора ДКР Орска Максим Юматов.

На предприятии заказчика передвижные миксеры, оборудованные опорно-ходовыми тележками, встают на железнодорожные пути. Скорость этих стальных «гусениц» невелика, учитывая их большой вес: у 1000-тонного МП-600 она составляет всего 10 км/ч. При движении миксер поддерживает температуру металла на уровне 1550 °C. Из передвижного агрегата, добравшегося до кислородно-конвертерного цеха, металл с помощью металлургических ковшей передают напрямую для выплавки стали либо этими же ковшами переливают в стационарные миксеры. Размер этих машин еще больше: диаметр каждой составляет 8 м (почти трехэтажный дом), а длина – 10,7 м. В таком миксере хранится до 1300 т чугуна.

Когда приходит время варить сталь, часть чугуна из миксера с помощью ковшей и кранов заливают в конвертер. Туда же добавляют металлический лом и продувают весь состав кислородом. Через определенное время стоящий на опорах конвертер наклоняется, выливая готовую сталь.

«Уралмаш – Горное оборудование» производит две модели вертикальных конвертеров для черной металлургии вместимостью 320 и 160 т. Формой такой агрегат напоминает грушу, только выполнена она из металла и имеет внушительные габариты: максимальный наружный диаметр составляет 8,7 м, высота – около 15 м, а вес – 1300 т. Толщина металлических частей корпуса конвертера варьируется от 60 до 160 мм. Чтобы соединить их, специалистам предприятия «Уралмаш – Горное оборудование» необходимо сварить около 200 м швов. Учитывая тяжелейшие условия работы конвертера и высокие требования, предъявляемые к нему металлургами, все швы проходят проверку качества методом ультразвукового контроля, за которым следуют механические испытания.

Производит «Уралмаш – Горное оборудование» конвертеры и для цветной металлургии: здесь используются горизонтальные агрегаты вместимостью 80 т. По принципу действия эти «малыши» схожи с вертикальными. В цилиндрический конвертер длиной 9,5 м и диаметром 4 м заливают расплавленный штейн – промежуточный металлургический продукт – и продувают его воздухом, обогащенным кислородом. Через час металлурги получают 80 т черновой меди.

В последние десятилетия прогресс идет не столько в области механического устройства машин, сколько в сфере цифровой «начинки». Современная тяжелая техника нашпигована автоматикой. Каждый узел опутан датчиками. Стоит параметрам выйти за пределы нормы, сработает система оповещения. Она же заблокирует неправильные действия начинающего машиниста и напомнит, что экскаватор, как и любая техника, нуждается в периодическом техобслуживании.

Недавно специалисты УЗТМ-КАРТЭКС создали онлайн-сервис для руководителей карьеров и сервисных инженеров. Теперь они могут с компьютера или даже телефона в режиме реального времени следить за работой экскаватора в карьере, контролируя около 90 технических параметров каждой машины, моментально получая информацию о местоположении техники, выработке плана, нештатных ситуациях и пр. Помимо этого, все оборудование оснащено дистанционными системами управления. В дробилках и мельницах установлена автоматизированная система управления (АСУ), позволяющая выполнять дробление практически без участия оператора. АСУ машины взаимодействует с АСУ участка или цеха, включая оборудование в единую систему управления предприятием. Все это заметно повышает эффективность современной техники.

При проектировании тяжелых машин применяется передовое программное обеспечение. В УЗТМ-КАРТЭКС используется имитационное моделирование, а в системе функционального моделирования 1D создаются мультифизические цифровые модели продуктов. На ближайшую перспективу намечено освоение технологии цифровых двойников.

Спрос на все более эффективное и безопасное оборудование среди горняков, энергетиков и металлургов постоянно растет, поэтому в будущем автоматизация и цифровизация отрасли будут увеличиваться. Одна из важных задач, решаемых сейчас, – это обеспечение стопроцентной безопасности на разработках месторождений, которое могут предложить лишь умные машины. Второе направление – легкие прочные материалы. Любым машинам, будь то самолет, самосвал или экскаватор, важно «худеть», убирая непроизводительную массу. Уменьшение веса дает множество плюсов: транспортировка машин к месту работы становится проще, энергопотребление снижается, нагрузка на пары трения и опоры падает, а производительность увеличивается.

Создатели тяжелой техники также стремятся к снижению вреда, наносимого машинами окружающей среде. Металлурги и горняки понимают, что ресурсы планеты не бесконечны и расходовать их надо бережно. Техника будущего наверняка будет работать на возобновляемой энергии, а заводы – использовать вторичное сырье.

Впрочем, и сами машины наверняка станут другими. Мы говорим о довольно далеком будущем – горизонте 25–50 лет. Рано или поздно эксплуатация недр начнет сокращаться, но означает ли это, что человечество перестанет нуждаться в тяжелых машинах? Конечно же, нет. Но какими они будут, пока не может предсказать никто – даже специалисты «Уралмаша».