Отливки из стали с высоким содержанием марганца: руководство по щековой и ударной дробилке

Отливки из стали с высоким содержанием марганца являются основными изнашиваемыми материалами дробильной и горнодобывающей промышленности. Отлитые из аустенитной марганцевой стали с содержанием марганца обычно от 11 до 14 процентов, эти компоненты обладают сочетанием свойств, с которыми не может сравниться ни один другой коммерчески доступный сплав для применения в условиях интенсивного дробления: они относительно мягкие при первой установке, но резко затвердевают на поверхности при многократном ударном нагружении - явление, известное как деформационное упрочнение или трансформация, вызванная деформацией. Такое поверхностное упрочнение происходит во время эксплуатации, а не перед установкой, что означает, что материал постоянно восстанавливает свою износостойкую поверхность на протяжении всего срока службы при правильных условиях эксплуатации.

Прямой вывод для любого, кто выбирает отливки из высокомарганцевой стали, заключается в следующем: этот сплав является стандартным и правильным материалом для отливок из высокомарганцевой стали для щековой дробилки и отливок из высокомарганцевой стали для ударных дробилок, поскольку условия ударного напряжения в обоих типах дробилок - это именно то, что активирует механизм наклепа, который придает материалу исключительный срок службы. В применениях с низким ударным и преимущественно абразивным износом другие материалы могут превзойти сталь с высоким содержанием марганца, но в щековых и ударных дробилках, где каждый цикл дробления оказывает значительную сжимающую и ударную силу на изнашиваемые детали, отливки из стали с высоким содержанием марганца являются общепринятой спецификацией по веским техническим причинам. В этой статье подробно рассматриваются металлургия, производственные требования и особенности применения компонентов щековой и ударной дробилки.

Металлургия высокомарганцевой стали: почему важно наклепать

Аустенитная марганцевая сталь была впервые разработана сэром Робертом Хэдфилдом в 1882 году и до сих пор коммерчески известна как сталь Гадфилда. Его определяющей характеристикой является полностью аустенитная микроструктура, сохраняющаяся при комнатной температуре благодаря сочетанию высокого содержания углерода (обычно от 1,0 до 1,4 процента) и высокого содержания марганца (от 11 до 14 процентов), которые вместе подавляют мартенситное превращение, которое обычно происходит в углеродистой стали при охлаждении из аустенита. Литой материал имеет твердость примерно от 170 до 210 по Бринеллю, что мягче, чем у многих инструментальных сталей и легированных износостойких сталей, но эта начальная мягкость сопровождается исключительной прочностью: материал может воспринимать большие ударные силы без разрушения, поскольку аустенитная матрица деформируется пластически, а не растрескивается.

Критический механизм деформационного упрочнения: когда сталь с высоким содержанием марганца подвергается сжимающему ударному напряжению, превышающему примерно 300–500 МПа, аустенит на нагруженной поверхности и вблизи нее превращается в мартенсит в результате фазового превращения, вызванного деформацией, повышая твердость поверхности примерно с 200 по Бринеллю до 450–550 по Бринеллю. Эта преобразованная поверхность становится твердой и износостойкой, в то время как лежащее под ней аустенитное ядро ​​остается прочным и устойчивым к разрушению. Практическим результатом является компонент, который образует износостойкую поверхность в процессе эксплуатации, сохраняя при этом ударную вязкость, необходимую для того, чтобы выдерживать ударные нагрузки в процессе дробления без разрушения.

Марки содержания марганца и углерода

Отливки из высокомарганцевой стали для дробилок производятся в нескольких стандартных марках с различным содержанием марганца и углерода, оптимизированных для различных задач дробления:

• Стандартная марка Mn13 (ASTM A128, класс B 2): Примерно от 1,0 до 1,4 процента углерода и от 11 до 14 процентов марганца. Наиболее широко используемый сорт для футеровок щековых и ударных дробилок при работе в породах средней и твердой породы. Обеспечивает хороший баланс скорости наклепа и прочности.
• Модифицированная марка Мн18 (высокомарганцевая): Примерно от 1,0 до 1,3 процента углерода и от 16 до 19 процентов марганца. Более высокое содержание марганца повышает стабильность аустенита, улучшая ударную вязкость, но немного снижая скорость наклепа. Предпочтительно для крупных компонентов дробилок, где риск разрушения из-за чрезмерного удара выше, а срок службы необходимо продлить за счет большей глубины наклепанного слоя.
• Хромомарганцевая сталь: Стандартный состав Mn13 с добавкой хрома от 1,5 до 2,5 процентов. Добавление хрома улучшает стойкость к истиранию за счет снижения ударной вязкости, что делает модифицированные хромом марки пригодными для применения в дробилках, связанных как с сильными ударами, так и со значительным абразивным износом от кремнистых пород или кварцита.

Щековая дробилка: Отливки из высокомарганцовистой стали: характеристики и характеристики

Щековая дробилка работает путем сжатия породы между неподвижной щековой пластиной и подвижной щековой пластиной (поворотной щекой), при этом две щековые пластины сходятся в нижней части дробильной камеры и расходятся вверху. Порода зажимается между челюстями и разрушается под действием сжимающей силы, когда поворотная челюсть движется вперед. Щековые пластины являются основными изнашиваемыми компонентами в этой системе и наиболее важным элементом применения щековой дробилки для отливок из высокомарганцовистой стали.

Особенности конструкции и профиля щековой пластины

Щековые пластины для больших щековых дробилок отливаются цельными или состоящими из нескольких секций в зависимости от размера дробилки и возможностей литейного завода. Рабочая поверхность щековой пластины гофрирована с гребнями, которые концентрируют сжимающие напряжения и способствуют разрушению горной породы. Профиль гофра (высота, шаг и угол гребня) оптимизируется производителями дробилок для конкретного типа породы и коэффициента измельчения в конкретной области применения. Для твердых, прочных пород (гранита, базальта, гнейса) с прочностью на сжатие более 150 МПа ресурс износа щековой пластины в высокомарганцевой стали обычно составляет от 50 000 до 200 000 тонн перерабатываемого материала в зависимости от показателя абразивности породы, градации подачи дробилки и параметров работы дробилки.

Требования к термообработке щековых пластин

Литая сталь с высоким содержанием марганца содержит выделения карбидов на границах зерен, которые возникают в результате медленного охлаждения в диапазоне температур выделения карбидов во время затвердевания. Эти карбиды делают материал хрупким, и их необходимо растворить перед вводом отливки в эксплуатацию. Процесс термообработки на раствор включает нагрев отливки до температуры от 1020 до 1100 градусов Цельсия в течение времени, достаточного для растворения всех карбидов, а затем быструю закалку в воде для сохранения полностью аустенитной структуры. Щековая дробилка Отливки из высокомарганцевой стали, которые не прошли должным образом термическую обработку, выйдут из строя из-за хрупкого разрушения, а не из-за постепенного износа, часто в течение первых часов эксплуатации в требовательной дробилке. Проверка термической обработки посредством измерения твердости по Бринеллю и исследования микроструктуры является важным элементом контроля качества этого продукта.

Отливки из высокомарганцовистой стали для ударной дробилки: разные условия напряжения, разные приоритеты проектирования

Ударная дробилка разрушает породу за счет высокоскоростного удара, а не за счет сжимающей силы. В ударной дробилке с горизонтальным валом (HSI) ротор, оснащенный ударными стержнями, вращается с высокой скоростью и ударяет породу, подаваемую в камеру дробления, ускоряя ее попадание в ударные пластины (также называемые завесами или фартуками), где она разрушается при контакте. В ударной дробилке с вертикальным валом (VSI) порода подается в высокоскоростной ротор и центробежно движется к внешней камере, облицованной породой или наковальней. Условия напряжений, возникающие на изнашиваемых деталях ударных дробилок, принципиально отличаются от условий щековых дробилок более высокими скоростями деформации и различными направлениями приложения сил.

Ударные стержни: наиболее важный компонент ударной дробилки

Ударные стержни являются основными изнашиваемыми компонентами ударных дробилок с горизонтальным валом, они устанавливаются в пазах ротора и ударяют по поступающей породе с окружной скоростью ротора (обычно от 25 до 45 метров в секунду в первичных ударных дробилках). Ударная штанга должна одновременно противостоять абразивному износу от контакта с породой и поглощать высокоэнергетические удары при каждом столкновении с породной штангой без разрушения. Отливки из высокомарганцевой стали являются стандартной спецификацией для ударных бил в ударных дробилках первичного и вторичного дробления, обрабатывающих твердую породу, поскольку удары с высокой скоростью создают условия напряжения, необходимые для эффективного деформационного упрочнения. Срок службы ударных бил при переработке твердого известняка обычно составляет от 200 до 600 тонн породы на килограмм веса ударного бруса, тогда как при обработке более твердых пород, таких как базальт или гранит, этот показатель может снизиться до 50–200 тонн на килограмм, что отражает более высокую абразивность и серьезность ударов более твердых пород. типы.

Ударные пластины и пластины-отбойники

Ударные пластины (также известные как фартуки или завесы) принимают на себя камни, выбрасываемые ротором, и должны поглощать повторяющиеся удары высокой энергии в течение всего срока службы. Эти компоненты также обычно поставляются в виде отливок из высокомарганцевой стали для ударных дробилок, хотя в некоторых случаях с меньшими ударными нагрузками они могут быть изготовлены из белого хромомолибденового чугуна, который обеспечивает более высокую стойкость к истиранию за счет снижения ударной вязкости. Выбор между сталью с высоким содержанием марганца и белым чугуном для ударных пластин зависит от конкретных уровней энергии удара в дробилке: при сильных ударах необходима превосходная вязкость разрушения марганцевой стали; там, где удары умеренные и преобладает истирание, белый чугун может обеспечить более длительный срок службы.

Сравнение отливок из высокомарганцевой стали для щековых и ударных дробилок

Вопросы контроля качества и закупок отливок из высокомарганцовистой стали

Эксплуатационные характеристики отливок из высокомарганцевой стали в дробилках во многом зависят от качества процесса литья и термообработки, поэтому выбор поставщика и входной контроль имеют решающее значение. Следующие критерии качества должны быть указаны и проверены для всех отливок из высокомарганцевой стали, используемых в щековых и ударных дробилках:

1. Проверка химического состава. Спектрометрический анализ должен подтвердить, что содержание марганца находится в заданном диапазоне (от 11 до 14 процентов для Mn13, от 16 до 19 процентов для Mn18) и что углерод, кремний, фосфор и сера находятся в пределах спецификации. Избыточное содержание фосфора выше 0,07 процента и серы выше 0,05 процента делает сталь хрупкой и требует контроля.
2. Проверка термообработки испытанием на твердость. Закаленная твердость должна находиться в пределах от 170 до 220 по Бринеллю. Значения, значительно превышающие этот диапазон, указывают на неполную обработку раствора (остаточные карбиды) или ошибку в составе сплава. Значения ниже 160 по Бринеллю могут указывать на слишком высокую температуру раствора, вызывающую рост зерен, снижающий ударную вязкость.
3. Точность размеров и чистота поверхности. Размеры отливки следует сверить с чертежом изготовителя с соответствующими допусками. Щеки и ударные стержни должны правильно подходить к соответствующим системам крепления, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки и предотвратить преждевременный выход из строя из-за концентрации напряжений в точках крепления.
4. Свобода от вредных дефектов литья. Причиной отбраковки является усадочная пористость, трещины и значительные включения на поверхности износа или в зоне крепления. Поверхностные трещины можно обнаружить с помощью магнитопорошкового контроля или дефектоскопии; внутренние дефекты требуют ультразвукового контроля или радиографического контроля в критических случаях.

Отливки из высокомарганцовистой стали для щековых и ударных дробилок представляют собой хорошо зарекомендовавшее себя и технически проверенное решение в области износостойких материалов, которое уже более века служит в карьерах, горнодобывающей промышленности и производстве нерудных материалов. Уникальный механизм самозатвердевания материала в условиях удара в сочетании с его стойкостью к разрушению делает его действительно трудным для улучшения условий нагрузки этих типов дробилок. Ключом к реализации полного потенциала производительности является правильный выбор марки сплава для конкретного типа породы и режима дробления, соблюдение требований к термообработке на раствор и строгий входной контроль качества, который проверяет как состав, так и адекватность термообработки до того, как отливки поступают в эксплуатацию.