Механічний знос включає багато аспектів, серед яких абразивний знос становить понад 50% усього промислового зносу. Такі країни, як Німеччина та Сполучене Королівство щорічно зазнають збитків у мільярди доларів через абразивний знос, а в Австралії гірничодобувна промисловість щороку втрачає 2% доходу від продажу мінеральних продуктів через абразивний знос. Значна частина цього абразивного зносу відбувається у вкладишах кульових млинів. Існує два основних підходи до вирішення цієї проблеми: по-перше, підвищення зносостійкості матеріалів; і по-друге, покращення умов зносу шляхом оптимізації процесу. Це дослідження зосереджено насамперед на матеріальному аспекті.
Традиційний матеріал ZGMn13, який використовується в кульових млинах:
ZGMn13 — це сталь із високим вмістом-марганцю, винайдена Гедфілдом у 1882 році. Вона виготовляється шляхом додавання приблизно 13% Mn до сталі, використовуючи характеристику Mn для зсуву «носа» кривої S-сталі праворуч і опускання ліній Ms і Mf. Повністю аустенічну структуру отримують шляхом тривалого витримування при 1000-1050 градусів з наступним примусовим охолодженням. Ця повністю аустенітна структура демонструє властивості зміцнення. Його використання в якості вкладиша для кульового млина спрямоване на досягнення робочого зміцнення через вплив мелючих куль і абразивних матеріалів на вкладиш. Однак під час роботи кульового млина мелючі кулі та абразивні матеріали піднімаються до високої точки обертанням циліндра, а потім падають каскадом. Шліфувальні кулі та абразивні матеріали, що падають з висоти, лише безпосередньо впливають на шліфувальні кулі та абразивні матеріали в основі купи матеріалу та опосередковано впливають на вкладиш через накопичений шар шліфувальних куль та абразивних матеріалів. Це призводить до меншої інтенсивності удару та менш значного зміцнення. Практичний досвід показує, що на вугільних млинах на електростанціях твердість аустенітної високо-марганцевої сталі становить від HB230 до 250, а на рудопереробних млинах вона не перевищує HB300, що набагато нижче межі-загартування HB500 для сталі з високим-марганцем. Таким чином, використання сталі з високим вмістом-марганцю для виготовлення футерів кульових млинів є недоцільним, оскільки вона не використовує зносостійкі-властивості сталі з високим вмістом марганцю.
Статус розробки матеріалів вкладишів
Враховуючи невідповідне застосування матеріалу ZGMn13 у вкладишах кульових млинів, металурги в усьому світі досліджували нові матеріали вкладишів з 1960-х років, досягнувши багатьох результатів.
(1) Нові розробки в ZGMn13
Дослідники вдосконалили ZGMn13, додавши такі елементи, як Cr, Mo та V, щоб утворити стабільні, дисперговані гранульовані й острівчасті карбіди високої- твердості, такі як (FeCr)3C і VC. Це перешкоджає зростанню зерен аустеніту під час гартування водою, що призводить до аустенітної структури з диспергованими точками твердості карбіду, тим самим покращуючи здатність матеріалу до зміцнення та ефект зміцнення.
Сполучені Штати виробляють стандартну литу сталь із високим вмістом-марганцю з 1,5%~2,5% Cr (клас C) і стандартну литу сталь із високим вмістом-марганцю з 0,9%~1,2% або 1,8%~2,1% Mo (класи E-1 і E-2).
Японія виробляє стандартну литу високо{0}}марганцеву сталь із 1,5%~2,5% Cr (клас SCMnH11) і стандартну литу високо-марганцеву сталь із 2,0%~3,0% Cr і 0,4%~0,7% V (марка SCMnH12). Науково-дослідний інститут лиття та кування Внутрішньої Монголії розробив хром-сталь із високим-марганцем із 1,5%~2,5% Cr і обробив розплавлену сталь рідкоземельними елементами. Поверхневий шар (0,01 мм) цієї хром{17}}сталі з високим-марганцем може досягати твердості HB390 після гартування в кульовому млині, що в 1,5 рази перевищує твердість звичайної сталі з високим-марганцем, а термін її служби в 1,5–2 рази довший, ніж у звичайної сталі з високим-марганцем.
(2) Білий сплав чавуну
① Білий чавун 15Cr-3Mo та його розробка. Найбільш репрезентативним альтернативним матеріалом для вкладишів зі сталі з високим вмістом-марганцю є мартенситний білий чавун, що містить 15% Cr + 3% Mo. Цей матеріал складається з несуцільних евтектичних карбідів заліза-хрому (Cr, Fe)7C3 і багатих на хром-вторинних карбідів, розподілених у мартенситній матриці, з карбідами займаючи приблизно від 40% до 50% від загального обсягу. Ці карбіди хрому мають дуже високу твердість, усі вище HV1200-1800, достатню, щоб протистояти зношенню від звичайних абразивів. Однак твердість мартенситної матриці становить близько HRC50, що є м’якшим, ніж деякі абразиви, і буде зношуватися, потенційно зміщуючи карбіди. Таким чином, видатна зносостійкість карбідів використовується лише частково. Харбінський технологічний інститут також виконав значну роботу з покращення характеристик білого чавуну з високим вмістом хрому 15Cr-3Mo-. Вони використовували солі та сплави K, Na, Mg і Ca для модифікації розпиленням чавуну 15Cr-3Mo, усуваючи оригінальний мережевий розподіл карбідів і роблячи їх черв’якоподібними або грудкуватими, а також зменшуючи розмір карбідів. Це значно підвищило міцність і зносостійкість матеріалу. Дослідження показали, що швидкість зношування білого чавуну з високим вмістом хрому 15Cr-3Mo, обробленого різними модифікуючими елементами, нижча, ніж у необробленого матеріалу. Зокрема, середня швидкість зносу модифікованого калієм білого чавуну 15Cr-3Mo з високим вмістом хрому була на 63,2% нижчою, ніж у необробленого матеріалу, а швидкість зносу оптимального розчину була на 74,4% нижчою, ніж у необробленого матеріалу.
② Cu-вмісний сплав білого чавуну. Цей сплав білого чавуну, успішно розроблений Shandong Xinwen Tool Factory, виробляється шляхом додавання 1,0% міді та 0,9% рідкоземельного феросиліцієвого сплаву для модифікації та модифікації перед литтям з подальшою обробкою нормалізації 950 градусів і відпусткою 600 градусів, що призводить до дисперсних, дрібних і рівномірно розподілених карбідів. Випробування машини показали, що в цементному млині розміром L1,83 м × 6,4 м відносна зносостійкість футеровки з білого чавуну з рідкоземельного сплаву, що містить Cu-, була в 2,4 рази вищою, ніж футеринка зі сталі з високим вмістом-марганцю. (3) Середньо- та низьколегована сталь
Хоча гільзи кульових млинів із високо-марганцю або легованого білого чавуну з додаванням легуючих елементів демонструють значно покращену зносостійкість порівняно зі звичайними сталевими вкладишами-марганцю, ці матеріали є дорожчими через велику кількість дорогоцінних металів, таких як Cr, Ni та Mo, і схильні до розтріскування та навіть руйнування під час виробництва та використання. Виходячи з цих причин, китайські металурги та ливарники, враховуючи специфічні умови моєї країни, почали дослідження використання середньо- та низьколегованих сталей для футерів кульових млинів і досягли обнадійливих результатів.
① Cr, Mo, Cu середньо{0}}вуглецева низько{1}}легована зносостійка-сталь. Розроблена в Шеньянському технологічному університеті середньо-низьковуглецева-зносостійка-сталь, що містить Cr, Mo та Cu та оброблена рідкоземельними елементами, досягла твердості понад HRC50 і ударної напруги 25-60 Дж/см² після загартування на повітрі при 950 градусах і відпуску при 250 градусах. Його матриця — це загартований мартенсит, а скануюча електронна мікроскопія виявила структуру пучків пластинчастого мартенситу. Під високо{15}}просвічуючою електронною мікроскопією структура чітко показала суміш дислокаційного мартенситу та невеликої кількості здвоєного мартенситу з переривчастою тонкою плівкою-незалишеного аустеніту, розподіленою між мартенситними планками. Така форма і розподіл аустеніту покращили ударну в'язкість і відносну зносостійкість сталі. Зносостійкість цієї сталі при різних енергіях удару показала разючий контраст зі сталлю з високим вмістом марганцю.
Із збільшенням енергії удару зносостійкість сталі з високим-марганцем значно покращилася, тоді як зносостійкість ново розробленої сталі Cr, Mo, Cu знизилася. Однак за всіх умов енергії удару, вибраних у порівняльних випробуваннях, зносостійкість нової сталі була вищою, ніж у сталі з високим-марганцем. Використовуваний у кульовому млині L1,83 × 3 м на залізній шахті Qian'an у провінції Хебей, футеровка, виготовлена з цього матеріалу, мала термін служби 10-12 місяців, тоді як термін служби футеровок ZGMn13 становив лише 3-5 місяців.
② Cr-Mo-V-Ti середньо-вуглецева багато{4}}легована сталь. Середньо{6}}вуглецева багато-компонентна легована сталь, що містить Cr, Mo та слідові кількості V, Ti та Nb, розроблена Hefei Cement Research and Design Institute, отримує відпущений мартенсит + невелику кількість нижньої бейнітної матриці з твердими фазами дисперсного карбіду після рідкоземельних (RE) обробки та спеціальної термічної обробки. Випробування показують, що цей тип вкладиша має високу твердість, добру стійкість до абразивного зношування, високу ударну в’язкість і міцність на вигин, а термін служби втричі перевищує термін служби звичайної сталі з високим-марганцем. Його використовували в млинах на цементному заводі Хуайхай (L4,2 м × 12 м), цементному заводі в Куньміні (L3,5 м × 11 м) і цементному заводі Сичуань Дукоу (L2,2 м × 13 м), із середнім рівнем зносу 3,16 г/т у першій камері та 1,53 г/т у другій камері; у той час як середня швидкість зношування вкладишів зі сталі з високим-марганцем становить 13 г/т цементу.
③ Високо{0}}вуглецева середньо-хромована сталь. Інший високо{3}}вуглецевий середньо-пласт із хромистої сталі, що містить 4,5%~5,5% Cr і 0,3%~0,7% Mo, оброблений RE інокуляцією, також розроблений Hefei Cement Research and Design Institute, був успішно застосований у цементних кульових млинах.
④ Cr-Ti середньо-марганцева сталь. Сталь із середнім вмістом-марганцю, що містить 5,5%~8,0% Mn, 1,5%~2,0% Cr, 0,05%~0,1% Ti та оброблена 0,02%~0,05% RE, отримала єдину структуру аустеніту з більш дрібними зернами, ніж звичайна сталь із високим вмістом-марганцю, за допомогою гарту у воді при 1100±30 градусів. Гільзи, виготовлені з цього матеріалу, досягли хороших результатів у кульових млинах на залізних шахтах Banshigou і мідних шахтах Tonghua Steel Plant. Її відносна зносостійкість у 1,64 рази вища, ніж у сталі з високим вмістом-марганцю при подрібненні магнетитової руди; і в 1,48 рази більше, ніж у сталі з високим-марганцем під час подрібнення мідної руди. Основною причиною покращеної зносостійкості цього матеріалу є його кращі показники зміцнення в кульових млинах порівняно зі звичайною сталлю з високим -марганцем.
⑤ Cr-Mo багатофазна-низько{2}}легована сталь. Досліджувану зносостійку- сталеву гільзу з багатофазного низько{4}}сплаву, що містить 3% Cr і 0,4% Mo, було піддано ізотермічній термічній обробці гарту для отримання мікроструктури бейніт + мартенсит + збережений аустеніт. Цей матеріал має високу в'язкість і високу твердість, що забезпечує чудову стійкість до ударів, втоми, деформації та зношування. Польове застосування показало, що цей вкладиш має термін служби в 1–2 рази довший, ніж у звичайної сталі з високим-марганцем.
