Mechanické opotrebenie zahŕňa mnoho aspektov, medzi ktorými abrazívne opotrebenie predstavuje viac ako 50 % všetkého priemyselného opotrebenia. Krajiny ako Nemecko a Spojené kráľovstvo utrpia ročne straty v miliardách dolárov v dôsledku abrazívneho opotrebovania a v Austrálii stráca ťažobný priemysel každý rok 2 % svojich príjmov z predaja minerálnych produktov v dôsledku abrazívneho opotrebovania. Významná časť tohto abrazívneho opotrebovania sa vyskytuje vo vložkách guľových mlynov. Existujú dva hlavné prístupy k riešeniu tohto problému: po prvé, zlepšenie odolnosti materiálov proti opotrebovaniu; a po druhé, zlepšenie prostredia opotrebenia prostredníctvom optimalizácie procesov. Tento výskum sa zameriava predovšetkým na materiálne hľadisko.
Tradičný materiál ZGMn13 používaný v guľových mlynoch:
ZGMn13 je vysoko-mangánová oceľ, ktorú vynašiel Hadfield v roku 1882. Vyrába sa pridaním približne 13 % Mn do ocele, pričom sa využíva charakteristika Mn na posunutie „nosu“ S-krivky ocele doprava a zníženie čiar Ms a Mf. Plne austenitická štruktúra sa získa dlhodobým udržiavaním pri 1000-1050 stupňoch, po ktorom nasleduje nútené chladenie. Táto plne austenitická štruktúra vykazuje vlastnosti mechanického vytvrdzovania. Jeho použitie ako vložky guľového mlyna má za cieľ dosiahnuť mechanické spevnenie prostredníctvom nárazu brúsnych guľôčok a abrazívnych materiálov na vložku. Počas prevádzky guľového mlyna sú však mlecie gule a abrazívne materiály rotáciou valca unášané do najvyššieho bodu a potom padajú v kaskáde. Brúsne guľôčky a brúsne materiály padajúce z výšky iba priamo narážajú na brúsne guľôčky a brúsne materiály na dne hromady materiálu a nepriamo narážajú na vložku cez nahromadenú vrstvu brúsnych guľôčok a brúsnych materiálov. To má za následok nižšiu intenzitu nárazu a menej výrazné pracovné spevnenie. Praktické skúsenosti ukazujú, že v uhoľných mlynoch v elektrárňach je pracovná-tvrdosť austenitickej vysoko{18}}mangánovej ocele medzi HB230 a 250 a v mlynoch na spracovanie rudy nepresahuje HB300, čo je hlboko pod limitom pracovného-kalenia HB500} pre vysoko{{2}mangánovú oceľ. Preto je použitie ocele s vysokým-mangánom na výrobu vložiek guľových mlynov nevhodné, pretože nevyužíva -opotrebeniu odolné vlastnosti ocele s vysokým obsahom mangánu.
Stav vývoja vložkových materiálov
Vzhľadom na nevhodnú aplikáciu materiálu ZGMn13 vo vložkách guľových mlynov metalurgovia na celom svete od 60. rokov 20. storočia skúmali nové materiály vložiek a dosiahli mnohé výsledky.
(1) Nový vývoj v ZGMn13
Výskumníci zlepšili ZGMn13 pridaním prvkov, ako sú Cr, Mo a V, aby vytvorili stabilné, rozptýlené granulované a ostrovčekové -tvarované vysoko{2}}tvrdé zliatinové karbidy, ako sú (FeCr)3C a VC. To bráni rastu austenitových zŕn počas úpravy vodou kalením, čo vedie k austenitickej štruktúre s rozptýlenými karbidovými tvrdými bodmi, čím sa zlepšuje schopnosť materiálu vytvrdzovať a vytvrdzovať.
Spojené štáty americké vyrábajú štandardnú liatu vysoko{0}}mangánovú oceľ s 1,5 %~2,5 % Cr (trieda C) a štandardnú liatu vysoko-mangánovú oceľ s 0,9 %~1,2 % alebo 1,8 %~2,1 % Mo (triedy E-1 a E-2).
Japonsko vyrába štandardnú liatu vysoko-mangánovú oceľ s 1,5 %~2,5 % Cr (trieda SCMnH11) a štandardnú odlievanú vysoko-mangánovú oceľ s 2,0 %~3,0 % Cr a 0,4 %~0,7 % V (trieda SCMnH12). Inner Mongolia Casting and Forging Research Institute vyvinul chróm-obsahujúcu-mangánovú oceľ s 1,5 % až 2,5 % Cr a spracoval roztavenú oceľ prvkami vzácnych zemín. Povrchová vrstva (0,01 mm) tejto chrómovej-obsahujúcej-mangánovej ocele môže po pracovnom kalení v guľovom mlyne dosiahnuť tvrdosť HB390, čo je 1,5-krát väčšia ako v prípade bežnej vysoko-mangánovej ocele, a jej životnosť je 1,5 až 2-krát dlhšia ako v prípade bežnej ocele s vysokým obsahom mangánu{{24}
(2) Zliatina biela liatina
① 15Cr-3Mo biela liatina a jej vývoj. Najreprezentatívnejším alternatívnym materiálom pre vložky z ocele s vysokým-mangánom je martenzitická biela liatina obsahujúca 15 % Cr + 3 % Mo. Tento materiál pozostáva z nespojitých eutektických karbidov železa-chrómu (Cr, Fe)7C3 a sekundárnych{21}karbidov bohatých na chróm, ktoré sú distribuované v matrici približne 40% karbidov až 50 % martenzitu z celkového objemu. Tieto karbidy chrómu majú veľmi vysokú tvrdosť, všetky nad HV1200-1800, dostatočnú na to, aby odolali opotrebovaniu bežnými abrazívami. Tvrdosť martenzitickej matrice je však okolo 50 HRC, čo je mäkšie ako niektoré brúsivá a bude opotrebované, čo môže spôsobiť uvoľnenie karbidov. Preto sa vynikajúca odolnosť karbidov proti opotrebovaniu využíva len čiastočne. Harbin Institute of Technology tiež vykonal rozsiahlu prácu na zlepšení výkonu 15Cr-3Mo vysoko-chrómovej bielej liatiny. Použili soli a zliatiny K, Na, Mg a Ca na úpravu 15Cr-3Mo liatiny rozprašovaním, čím sa eliminovala pôvodná sieťová distribúcia karbidov a vyzerali ako červíky alebo hrudky, pričom sa zároveň zmenšila veľkosť karbidov. Tým sa výrazne zlepšila húževnatosť materiálu a odolnosť proti opotrebovaniu. Štúdie ukázali, že miera opotrebenia 15Cr-3Mo vysokochrómovej bielej liatiny ošetrenej rôznymi modifikačnými prvkami je nižšia ako u neošetreného materiálu. Konkrétne, priemerná miera opotrebovania draslíkom modifikovanej 15Cr-3Mo bielej liatiny s vysokým obsahom chrómu bola o 63,2 % nižšia ako pri neošetrenom materiáli a miera opotrebovania optimálneho riešenia bola o 74,4 % nižšia ako pri neošetrenom materiáli.
② Biela liatina zliatiny{0}}obsahujúcej Cu. Táto zliatinová biela liatina, úspešne vyvinutá továrňou Shandong Xinwen Tool Factory, sa vyrába pridaním 1,0 % Cu a 0,9 % zliatiny ferosilicia vzácnych zemín na úpravu a naočkovanie pred odlievaním, po čom nasleduje 950 stupňová normalizácia a 600 stupňová úprava temperovaním, výsledkom čoho sú rozptýlené, jemné a rovnomerne rozložené karbidy. Strojové testovanie ukázalo, že v cementárni L1,83 m × 6,4 m bola relatívna odolnosť proti opotrebeniu vložky zo zliatiny z bielej liatiny obsahujúcej Cu- vzácnych zemín 2,4-krát vyššia ako v prípade vložky z ocele s vysokým-mangánom. (3) Stredne a nízkolegované ocele
Hoci vložky do guľových mlynov z -mangánovej ocele alebo legovanej bielej liatiny s pridanými legovacími prvkami vykazujú výrazne lepšiu odolnosť proti opotrebeniu v porovnaní s bežnými vložkami z -mangánovej ocele, tieto materiály sú drahšie, pretože obsahujú veľké množstvo vzácnych kovov, ako sú Cr, Ni a Mo, a sú náchylné na praskanie a dokonca aj lámanie počas výroby a používania. Na základe týchto dôvodov začali čínski metalurgovia a pracovníci zlievarní, berúc do úvahy špecifické podmienky mojej krajiny, skúmať použitie stredne a nízko legovaných ocelí na vložky guľových mlynov a dosiahli povzbudivé výsledky.
① Cr, Mo, Cu stredne -uhlíková nízko{1}}zliatina-oteruvzdorná oceľ. Stredne -uhlíková nízko{5}}zliatina{5}}oteru odolná- oceľ obsahujúca Cr, Mo a Cu a upravená prvkami vzácnych zemín, vyvinutá Technickou univerzitou v Shenyangu, dosiahla tvrdosť nad HRC50 a hodnotu nárazu 25-60 J/cm² po ochladzovaní na vzduchu pri 950 stupňoch a popúšťaní. Jeho matricou je temperovaný martenzit a skenovacia elektrónová mikroskopia odhalila štruktúru zväzkov lištového-martenzitu. Pod transmisnou elektrónovou mikroskopiou s vysokým{15}}zväčšením štruktúra jasne ukázala zmes dislokačného martenzitu a malého množstva zdvojeného martenzitu s nespojitým tenkým filmom-ako zadržaný austenit distribuovaný medzi martenzitovými lištami. Tento tvar a distribúcia austenitu zlepšila rázovú húževnatosť a relatívnu odolnosť ocele proti opotrebovaniu. Odolnosť tejto ocele proti opotrebeniu pri rôznych energiách nárazu vykazovala výrazný kontrast s oceľou s vysokým obsahom mangánu.
So zvyšujúcou sa energiou nárazu sa výrazne zlepšila odolnosť proti opotrebeniu vysoko-mangánovej ocele, zatiaľ čo odolnosť novo vyvinutej Cr, Mo, Cu ocele sa znížila. Avšak za všetkých podmienok nárazovej energie vybraných v porovnávacích testoch bola odolnosť novej ocele proti opotrebovaniu vyššia ako odolnosť ocele s vysokým -mangánom. Vložka vyrobená z tohto materiálu, použitá v guľovom mlyne L1,83 m × 3 m v železnej bani Qian'an v provincii Hebei, mala životnosť 10-12 mesiacov, zatiaľ čo životnosť vložiek ZGMn13 bola len 3-5 mesiacov.
② Cr-Mo-V-Ti stredne-uhlíková viacprvková-legovaná oceľ. Stredne uhlíková viaczložková-legovaná oceľ obsahujúca Cr, Mo a stopové množstvá V, Ti a Nb, vyvinutá Výskumným a dizajnérskym inštitútom Hefei Cement, získava temperovaný martenzit + malé množstvo spodnej bainitovej matrice s tvrdými fázami dispergovaného karbidu po spracovaní vzácnych zemín (RE) a špecifickom tepelnom spracovaní. Testy preukázali, že tento typ vložky má vysokú tvrdosť, dobrú odolnosť proti opotrebeniu abrazívnym účinkom a vysokú rázovú húževnatosť a pevnosť v ohybe, pričom životnosť je viac ako trojnásobná oproti bežnej-mangánovej oceli. Používa sa v mlynoch na cementáreň Huaihai Cement Plant (L4,2 m x 12 m), Kunming Cement Plant (L3,5 m x 11 m) a Sichuan Dukou Cement Plant (L2,2 m x 13 m), s priemernou rýchlosťou opotrebenia 3,16 g/t v prvej komore a 1,53 g/t v druhej komore; zatiaľ čo priemerná miera opotrebovania vložiek z{20}}mangánovej ocele je 13 g/t cementu.
③ Vysoko-stredne uhlíková-chrómová legovaná oceľ. Ďalšia vysoko{3}}uhlíková stredná{4}} vložka z chrómovej legovanej ocele obsahujúca 4,5 % ~ 5,5 % Cr a 0,3 % ~ 0,7 % Mo a ošetrená RE inokuláciou, tiež vyvinutá Výskumným a konštrukčným inštitútom cementu Hefei, bola úspešne použitá v cementových guľových mlynoch.
④ Cr-stredná{1}}mangánová oceľ Ti. Stredná-mangánová oceľ obsahujúca 5,5 %~8,0 % Mn, 1,5 %~2,0 % Cr, 0,05 %~0,1 % Ti a upravená 0,02 %~0,05 % RE, získala jednoduchú austenitickú štruktúru s jemnejšími zrnami ako bežná vysoko{12}}mangánová oceľ pri 10 ± 0 °C vodou. Vložky vyrobené z tohto materiálu dosiahli dobré výsledky v guľových mlynoch v tonghuaskej oceliarni Banshigou Iron Mine a Tonghua Copper Mine. Jeho relatívna odolnosť proti opotrebeniu je 1,64-krát vyššia ako odolnosť ocele s vysokým-mangánom pri mletí magnetitovej rudy; a 1,48-násobok{20}}vysokomangánovej ocele pri mletí medenej rudy. Hlavným dôvodom zlepšenej odolnosti tohto materiálu proti opotrebeniu je jeho lepší výkon pri vytvrdzovaní v guľových mlynoch v porovnaní s bežnou-mangánovou oceľou.
⑤ Cr-Mo viac-fázová nízko-legovaná oceľ. Študovaná viacfázová nízko{4}}legovaná- oceľová vložka odolná proti opotrebeniu, obsahujúca 3 % Cr a 0,4 % Mo, bola podrobená izotermickému kaleniu tepelnému spracovaniu, aby sa získala mikroštruktúra bainit + martenzit + zachovaný austenit. Tento materiál má vysokú húževnatosť a vysokú tvrdosť, čo má za následok vynikajúcu odolnosť proti nárazu, únave, deformácii a opotrebovaniu. Aplikácie v teréne ukázali, že táto vložka má 1 až 2-krát dlhšiu životnosť ako bežná-mangánová oceľ.
