При дроблении и переработке полезных ископаемых изнашиваемые детали не являются расходными материалами, которые следует минимизировать, — это прецизионные компоненты, состав материала, микроструктура и термическая обработка которых определяют производительность, эксплуатационные затраты и качество продукции всей цепочки. Выбор между отливками из стали с высоким содержанием марганца и чугуном с высоким содержанием хрома является наиболее важным решением в выборе материала при выборе изнашиваемых деталей дробилки. , и ошибка в этом обходится гораздо дороже из-за простоя, преждевременной замены и производственных потерь, чем любая первоначальная разница в цене между двумя семействами сплавов.
В этом руководстве рассматриваются металлургия, эксплуатационные характеристики, логика выбора и критерии закупок для четырех наиболее важных категорий изнашиваемого литья дробилок: ударная дробилка с высоким содержанием хрома , отливки из высокомарганцевой стали для дробилок, компоненты из чугуна с высоким содержанием хрома и щековые пластины из высокомарганцевой стали для щековой дробилки — с особым упором на неподвижную щековую пластину, наиболее заменяемую изнашиваемую деталь в любой установке щековой дробилки.
Изнашиваемые детали дробилки выходят из строя по двум различным механизмам — абразивному и ударному — и эти механизмы требуют принципиально разных реакций материала. Ни один сплав не превосходит обоих одновременно, поэтому выбор износостойких отливок должен определяться конкретным сочетанием ударопрочности и абразивной твердости, присутствующими при дроблении.
Абразивный износ возникает, когда твердые минеральные частицы — кварца, гранита, базальта, железной руды, шлака — скользят или катятся по поверхности отливки, пропахивая микроканавки и снимая материал на уровне неровностей. Основным сопротивлением истиранию является твердость поверхности: более твердые поверхности меньше деформируются при контакте с абразивными частицами, уменьшая глубину вспаханной канавки и объем материала, перемещаемого на единицу пути скольжения. Вот почему высокохромистый чугун с твердостью 58–68 HRC значительно превосходит стандартную высокомарганцевую сталь (начальная твердость 180–220 HBN, что соответствует примерно 15–20 HRC) в условиях чистого абразивного износа.
Ударный износ возникает, когда фрагменты породы ударяются о поверхность отливки на высокой скорости, создавая локализованные концентрации напряжений, которые могут разрушать хрупкие материалы или пластически деформировать пластичные. Чрезвычайная твердость высокохромистого чугуна сочетается с низкой вязкостью разрушения — типичные значения ударной вязкости по Шарпи составляют 3–8 Дж для железа с высоким содержанием хрома по сравнению с 100–200 Дж для стали с высоким содержанием марганца. — что делает его уязвимым для растрескивания и растрескивания при повторяющихся высокоэнергетических ударах. Уникальным преимуществом высокомарганцевой стали является ее аустенитная микроструктура: при повторяющихся ударных нагрузках поверхность затвердевает от литой твердости 180–220 HBN до 450–550 HBN, создавая твердый поверхностный слой, поддерживаемый прочным, пластичным ядром, которое поглощает энергию удара без распространения разрушения.
Этот механизм наклепа является определяющим свойством стали с высоким содержанием марганца и причиной того, что она остается предпочтительным материалом для щековых пластин и других изнашиваемых деталей ударных дробилок на протяжении более 130 лет с момента получения первого патента Роберта Хэдфилда в 1882 году. Критическим требованием для наклепа является то, что ударное напряжение должно превышать предел текучести материала. В применениях, где энергия удара невелика — мелкое дробление мягких пород или медленная работа щековой дробилки — поверхность марганцовистой стали не достигает своего потенциала упрочнения и работает хуже по сравнению с более твердыми, но более хрупкими альтернативами.
Высокохромистый чугун (HCCI) является лучшим износостойким литейным материалом для дробилок, где преобладает абразивный износ, а ударная нагрузка варьируется от умеренной до низкой. Ее преимущество в производительности перед марганцевой сталью в соответствующих областях применения не является незначительным — Чугун с высоким содержанием хрома обычно обеспечивает в 2–5 раз больший срок службы, чем сталь с высоким содержанием марганца, в условиях высокой абразивности и низкой ударной нагрузки. , разница, которая фундаментально меняет экономику процесса дробления.
Высокохромистый чугун характеризуется содержанием хрома 12–30 % и содержанием углерода 2,0–3,6 %, образуя микроструктуру, состоящую из твердых карбидов хрома (типа М7С3), внедренных в металлическую матрицу, которая может быть мартенситной, аустенитной или смешанной в зависимости от термической обработки. Карбид хрома М7С3 имеет твердость 1400–1800 ВН — тверже, чем большинство минералов, содержащихся в обычном сырье для дробилок, включая кварц (около 1100 HV). Эта чрезвычайная твердость карбида является основным источником стойкости HCCI к истиранию.
Объемная доля карбида хрома в микроструктуре увеличивается с увеличением содержания углерода и хрома. Высокоуглеродистые и высокохромистые марки (3,0–3,5 % C, 25–30 % Cr) достигают объемной доли карбидов 35–45 %, обеспечивая максимальную стойкость к истиранию. Марки с более низким содержанием углерода (2,0–2,5% C, 12–15% Cr) жертвуют некоторой стойкостью к истиранию ради повышения прочности, что делает их более подходящими для применений с умеренными ударами.
Литой высокохромистый чугун имеет аустенитную матрицу средней твердости. Термическая обработка превращает матрицу в мартенсит, резко увеличивая общую твердость и улучшая способность матрицы удерживать карбидную фазу при контакте с абразивом. Стандартная последовательность термообработки отливок дробилки из чугуна с высоким содержанием хрома:
Правильно термически обработанный высокохромистый чугун достигает общей твердости 58–68 HRC. - уровень, который невозможно обработать обычными способами и который обеспечивает стойкость к истиранию, превосходящую любой альтернативный материал для литья из черных металлов в условиях шлифования под высокими нагрузками и износа скольжения.
| Оценка | Содержание Кр (%) | Содержание С (%) | Твердость (HRC) | Ударная вязкость | Основное приложение |
|---|---|---|---|---|---|
| Кр12 HCCI | 11–14 | 2,0–2,8 | 56–62 | Умеренный | Билы вторичной дробилки, умеренное воздействие |
| Кр20 HCCI | 18–23 | 2,5–3,2 | 60–65 | Низкий – средний | Биты ударной дробилки, наконечники ротора VSI, вкладыши конуса |
| Кр26 HCCI | 24–28 | 2,8–3,5 | 62–68 | Низкий | Высокоабразивный, малоударный: дробление шлака, мелкого известняка. |
Ударные дробилки — как ударные дробилки с горизонтальным валом (HSI), так и ударные дробилки с вертикальным валом (VSI) — подвергают свои изнашиваемые части принципиально другому режиму нагрузки, чем щековые или конусные дробилки. Вместо сжимающего дробления между двумя поверхностями ударные дробилки ускоряют породу на высокой скорости в неподвижные наковальни или в другие частицы породы. Изнашиваемые детали ударных дробилок должны одновременно противостоять высокоскоростному истиранию скользящих по их поверхности минеральных частиц и повторяющемуся ударному нагружению обломков породы, ударяющихся со скоростью кончиков роторов 25–55 метров в секунду.
Ударный стержень — ударный элемент, установленный на роторе, который ударяет по поступающей породе — является наиболее быстроизнашивающимся компонентом дробилки HSI и наиболее критичным к производительности отливкой во всей машине. При выборе материала била необходимо сбалансировать стойкость к истиранию и ударную вязкость в пределах конкретного рабочего диапазона машины и загружаемого материала:
Отбойные пластины (ударные фартуки) представляют собой неподвижные поверхности наковальни, о которые в дробилках HSI ударяются обломки горной породы, ускоренные ударными ударами. Механизм их изнашивания сочетает в себе высокоскоростное воздействие в зоне начального удара с абразивным скользящим износом при перенаправлении фрагментов по поверхности фартука. Высокохромистый чугун марки Cr20 является стандартным материалом для отбойных пластин при вторичном и третичном ударном дроблении. , где контролируемый размер исходного материала ограничивает пиковую энергию удара до уровней, находящихся в пределах диапазона прочности HCCI. Для первичного дробления с большой подачей фартуки из мартенситной или марганцевой стали являются более безопасным выбором, несмотря на их более низкую стойкость к истиранию.
Сталь с высоким содержанием марганца (сталь Гадфилда, аустенитная марганцевая сталь) остается доминирующим материалом для изнашиваемых деталей щековых дробилок, кожухов и подбарабаний вращающихся дробилок, а также любых дробилок, где основным механизмом износа является постоянная ударная нагрузка высокой энергии. Его сочетание умеренной начальной твердости, чрезвычайной способности к деформационному упрочнению и превосходной ударной вязкости представляет собой профиль производительности, который не может повторить ни одно другое семейство износостойких сплавов.
Стандартный состав стали Гадфилда с содержанием 11–14% Mn и 1,0–1,4% C (ASTM A128, класс B) на протяжении десятилетий был усовершенствован до семейства марок с модифицированным составом, предназначенным для конкретных применений дробления:
Отлитая марганцевая сталь содержит выделения карбидов по границам зерен, которые сильно охрупчивают сплав, делая его склонным к разрушению в процессе эксплуатации. Отжиг на раствор — нагрев до 1000–1100 °C и закалка в воде — растворяет эти карбиды в аустенитной матрице, восстанавливая полностью аустенитную структуру и максимизируя ударную вязкость. Недостаточный отжиг на раствор является наиболее распространенной причиной преждевременного разрушения пластины челюсти в процессе эксплуатации. и является спецификацией качества, которую покупатели должны проверять при покупке отливок для дробилок из стали с высоким содержанием марганца. Ключевыми показателями правильной термообработки являются внешний вид поверхности, закаленной водой (без воздушного охлаждения), зарегистрированные данные о температуре и времени, показывающие полную выдержку при температуре, а также значения ударной вязкости по Шарпи, соответствующие минимуму ASTM A128, равному 100 Дж для стандартных марок.
Щековая пластина — это изнашиваемая деталь, определяющая производительность щековой дробилки. В щековой дробилке две щековые пластины — неподвижная (неподвижная) щековая пластина и поворотная (подвижная) щековая пластина — создают камеру дробления, в которой порода сжимается до разрушения. Пластина с фиксированной губкой обычно изнашивается быстрее, чем пластина с поворотной губкой. потому что это неподвижная поверхность, к которой преимущественно сжимается материал, а ее геометрия и качество материала напрямую определяют распределение продукта по размерам, производительность и интервал между заменами щековых пластин.
Гофрированная поверхность щековой пластины — чередующиеся гребни и впадины по всей дробящей забои — выполняет множество функций, которые часто не до конца осознаются:
Шаг гребней (расстояние между соседними вершинами гребней) обычно составляет 50–100 мм для первичных дробилок, перерабатывающих крупное сырье, и уменьшается до 30–60 мм для вторичного применения. Высота гребня 30–50 мм на новых пластинах к концу срока службы становится почти плоской — контроль высоты гребня является надежным методом оценки остаточного срока службы щековой пластины без снятия пластины с дробилки.
Пространственное распределение износа снятой неподвижной пластины щеки является диагностической информацией об операции дробления, а не просто записью потерь материала. Понимание распространенных закономерностей износа позволяет принять корректирующие меры, которые продлевают срок службы следующего комплекта пластин:
Большинство щековых пластин имеют симметричную конструкцию, обеспечивающую возможность реверса — поворота пластины на 180°, чтобы подвести неизношенную верхнюю часть к изнашиваемой нижней зоне дробления. Систематическая перестановка щековых пластин в середине срока их службы последовательно продлевает общий срок службы пластин на 30–50 %. , поскольку материал, который в противном случае был бы выброшен как полностью изношенный в нижней зоне, перемещается в положение с меньшим износом, где он продолжает обеспечивать полезную службу. Эта практика проста, не требует дополнительных материальных затрат и является единственной наиболее эффективной мерой продления срока службы щековой пластины, доступной операторам дробилок.
Систематический выбор износостойкого литейного материала требует честной оценки двух переменных применения: абразивной твердости загружаемого материала (выраженной как твердость по Моосу или содержания кремнезема) и уровня энергии удара на стадии дробления. Эти две переменные, сопоставленные друг с другом, определяют матрицу выбора, которая определяет выбор сплава более надежно, чем практические рекомендации.
| Приложение | Исходный материал | Уровень воздействия | Рекомендуемый материал | Ожидаемое жизненное преимущество |
|---|---|---|---|---|
| Щековая плита щековой дробилки — первичная твердая порода | Гранит, кварцит, базальт | Очень высокий | Mn18 или Mn14Cr2 | Лучшая прочность; необходимо закаливание |
| Щековая пластина щековой дробилки — порода мягкая/средняя | Известняк, песчаник | Высокий | Стандартный Mn13 или Mn14Cr2 | Хороший баланс; Добавление Cr улучшает начальную твердость. |
| Ударный брус HSI — вторичный/третичный | Известняк, фракция <100 мм | Умеренный | Кр20 HCCI | 3–5× против Mn13; истирание преобладает |
| Била HSI — первичная, большая подача | Смешанная порода, риск бродяг | Очень высокий | Мн13 или мартенситная сталь | Риск перелома HCCI неприемлем |
| Кожух/подбарабанье конусной дробилки | Твердая абразивная порода | Умеренный–High | Mn14Cr2 или Mn18 | Деформационное упрочнение критично для внутренней поверхности мантии |
| Наконечник ротора VSI — высокоабразивный | Кварцевый песок, гранит | Умеренный (high velocity) | Кр26 HCCI or WC inserts | Максимальная требуемая твердость на кончике ротора |
| Дробилка шлака — высокая абразивность | Печной шлак, железная руда | Низкий – средний | Кр26 HCCI | Чрезвычайная стойкость к истиранию; малоударные костюмы HCCI |
Эксплуатационные характеристики изнашиваемых отливок дробилок зависят не только от указанного сплава, но и от качества литейного производства, выполнения термообработки и точности размеров готовой детали. Щековая пластина, отлитая из правильно указанного Mn13, но при неадекватном отжиге на раствор, сломается в первые дни эксплуатации. ; бил с высоким содержанием хрома и внутренней усадочной пористостью выйдет из строя из-за дефекта задолго до истечения ожидаемого срока службы. Указание сплава необходимо, но недостаточно: обеспечение качества процесса литья не менее важно.
Оптико-эмиссионный спектрометрический анализ (OES) образца, отлитого при каждой плавке металла, является стандартным методом проверки соответствия поставленной отливки указанному составу сплава. Ключевые элементы для проверки и диапазоны их допусков:
Проверка твердости готовых отливок обеспечивает наиболее доступную качественную проверку адекватности термической обработки. Минимальные требования к твердости и методы испытаний:
Внутренние пористость и усадочные полости являются наиболее распространенными дефектами литья в изнашиваемых деталях дробилок и наиболее опасными — они невидимы снаружи, но действуют как места концентрации напряжений, инициирующие преждевременное разрушение. Методы неразрушающего контроля, применимые к отливкам дробилок:
Наилучшие характеристики износостойкого литья обеспечивают полную эффективность только в сочетании с правильными методами установки, систематическим контролем износа и планированием замены, которое обеспечивает максимальное использование материала без риска катастрофического разрушения отливки или повреждения конструкции дробилки.
Своевременная замена щековых пластин и ударных бил — не слишком ранняя (растрачивание оставшегося материала) и не слишком поздняя (риск поломки дробилки) — требует систематического контроля. Рекомендуемые методы мониторинга: