Mechanické opotřebení zahrnuje mnoho aspektů, mezi nimiž abrazivní opotřebení tvoří více než 50 % veškerého průmyslového opotřebení. Země jako Německo a Spojené království utrpí ročně ztráty v miliardách dolarů kvůli abrazivnímu opotřebení a v Austrálii ztrácí těžební průmysl každý rok 2 % svých příjmů z prodeje minerálních produktů kvůli abrazivnímu opotřebení. Významná část tohoto abrazivního opotřebení se vyskytuje u vložek kulových mlýnů. Existují dva hlavní přístupy k řešení tohoto problému: za prvé zlepšení odolnosti materiálů proti opotřebení; a za druhé, zlepšení prostředí opotřebení prostřednictvím optimalizace procesu. Tento výzkum se zaměřuje především na materiální hledisko.
Tradiční materiál ZGMn13 používaný v kulových mlýnech:
ZGMn13 je vysoko-manganová ocel, kterou vynalezl Hadfield v roce 1882. Vyrábí se přidáním přibližně 13 % Mn do oceli, přičemž se využívá charakteristika Mn k posunutí „nosu“ S-křivky oceli doprava a snížení čar Ms a Mf. Plně austenitická struktura je získána prodlouženým držením při 1000-1050 stupních s následným nuceným chlazením. Tato plně austenitická struktura vykazuje vlastnosti mechanického zpevnění. Jeho použití jako vložka pro kulový mlýn má za cíl dosáhnout mechanického zpevnění působením mlecích kuliček a abrazivních materiálů na vložku. Během provozu kulového mlýna jsou však mlecí koule a abrazivní materiály rotací válce unášeny do vysokého bodu a pak padají v kaskádě. Brusné kuličky a brusné materiály padající z výšky pouze přímo narážejí na brusné kuličky a brusné materiály na základně hromady materiálu a nepřímo narážejí na vložku přes nahromaděnou vrstvu brusných kuliček a brusných materiálů. To má za následek nižší intenzitu nárazu a méně výrazné pracovní zpevnění. Praktické zkušenosti ukazují, že v uhelných mlýnech v elektrárnách je mechanická-tvrdost austenitické vysoce-manganové oceli mezi HB230 a 250 a v mlýnech na zpracování rudy nepřesahuje HB300, což je hluboko pod pracovním-limitem zpevnění HB500} pro vysokomanganovou ocel{{2}. Proto je použití oceli s vysokým-manganem k výrobě vložek kulových mlýnů nevhodné, protože nevyužívá-otěruvzdorné vlastnosti oceli s vysokým obsahem manganu.
Stav vývoje materiálů vložky
Vzhledem k nevhodné aplikaci materiálu ZGMn13 ve vložkách kulových mlýnů metalurgové po celém světě zkoumali nové materiály vložek od 60. let 20. století a dosáhli mnoha výsledků.
(1) Nový vývoj v ZGMn13
Výzkumníci vylepšili ZGMn13 přidáním prvků, jako jsou Cr, Mo a V, aby vytvořily stabilní, rozptýlené granulované a ostrůvkové -tvarované vysoce- slitinové karbidy, jako jsou (FeCr)3C a VC. To brání růstu austenitových zrn během úpravy vodním kalením, což vede k austenitické struktuře s rozptýlenými karbidovými tvrdými body, čímž se zlepšuje schopnost materiálu zpevňovat a kalit.
Spojené státy americké vyrábí standardní litou vysoce-manganovou ocel s 1,5 %~2,5 % Cr (třída C) a standardní litou vysoce-manganovou ocel s 0,9 %~1,2 % nebo 1,8 %~2,1 % Mo (třídy E-1 a E-2).
Japonsko vyrábí standardní litou vysoce-manganovou ocel s 1,5 %~2,5 % Cr (třída SCMnH11) a standardní litou vysoko-manganovou ocel s 2,0 %~3,0 % Cr a 0,4 %~0,7 % V (třída SCMnH12). Inner Mongolia Casting and Forging Research Institute vyvinul chrom-obsahující-manganovou ocel s 1,5 %~2,5 % Cr a zpracoval roztavenou ocel prvky vzácných zemin. Povrchová vrstva (0,01 mm) této chromové-obsahující-manganové oceli může po pracovním kalení v kulovém mlýnu dosáhnout tvrdosti HB390, což je 1,5krát větší než u běžné vysoko-manganové oceli, a její životnost je 1,5 až 2krát delší než u běžné vysokomanganové oceli.{{24}
(2) Slitina bílá litina
① 15Cr-3Mo bílá litina a její vývoj. Nejreprezentativnějším alternativním materiálem pro vložky z oceli s vysokým-manganem je martenzitická bílá litina obsahující 15 % Cr + 3 % Mo. Tento materiál se skládá z nespojitých eutektických karbidů železa-chromu (Cr, Fe)7C3 a sekundárních karbidů-bohatých na chrom, které jsou distribuovány v matrici přibližně 40% karbidů až 50 % martenzitu z celkového objemu. Tyto karbidy chrómu mají velmi vysokou tvrdost, všechny nad HV1200-1800, dostatečnou k odolnosti proti opotřebení běžnými brusivy. Tvrdost martenzitické matrice se však pohybuje kolem 50 HRC, což je měkčí než některá brusiva a bude se opotřebovávat, což může vést k uvolnění karbidů. Proto je vynikající odolnost karbidů proti opotřebení využita pouze částečně. Harbin Institute of Technology také odvedl rozsáhlou práci na zlepšení výkonu 15Cr-3Mo vysoko-chromové bílé litiny. Použili soli a slitiny K, Na, Mg a Ca k provedení úpravy rozprašováním na litinu 15Cr-}3Mo, čímž se eliminovalo původní síťové rozložení karbidů a vypadaly jako červovité nebo hrudkovité, a zároveň se zmenšila velikost karbidů. Tím se výrazně zlepšila houževnatost materiálu a odolnost proti opotřebení. Studie ukázaly, že míra opotřebení 15Cr-3Mo vysokochromové bílé litiny ošetřené různými modifikačními prvky je nižší než u neupraveného materiálu. Konkrétně průměrná míra opotřebení draslíkem modifikované 15Cr-3Mo vysokochromové bílé litiny byla o 63,2 % nižší než u neupraveného materiálu a rychlost opotřebení optimálního řešení byla o 74,4 % nižší než u neupraveného materiálu.
② Bílá litina ze slitiny -obsahující Cu. Tato slitinová bílá litina, úspěšně vyvinutá továrnou na nástroje Shandong Xinwen, se vyrábí přidáním 1,0 % Cu a 0,9 % slitiny ferosilicia vzácných zemin pro úpravu a naočkování před odléváním, následuje úprava 950 stupňů normalizace a 600 stupňů temperování, což vede k rozptýleným, jemným a rovnoměrně distribuovaným karbidům. Strojové testování ukázalo, že v cementové mlýně L1,83 m × 6,4 m byla relativní odolnost proti opotřebení vložky ze slitiny vzácné zeminy obsahující Cu-z bílé litiny 2,4krát větší než v případě vložky z vysoce-manganové oceli. (3) Středně legované a nízkolegované oceli
Ačkoli vložky mlýnů z kulových mlýnů z-manganové oceli nebo legované bílé litiny s přidanými legujícími prvky vykazují výrazně lepší odolnost proti opotřebení ve srovnání s běžnými vložkami z-manganové oceli, jsou tyto materiály dražší kvůli velkému množství drahých kovů, jako jsou Cr, Ni a Mo, a jsou náchylné k praskání a dokonce i k lámání během výroby a používání. Na základě těchto důvodů začali čínští metalurgové a slévárenští pracovníci s ohledem na specifické podmínky mé země zkoumat použití středně a nízkolegovaných ocelí pro vložky kulových mlýnů a dosáhli povzbudivých výsledků.
① Cr, Mo, Cu středně-karbonová nízko{1}}slitinová-otěruvzdorná ocel. Středně -uhlíková nízko{5}}legovaná-otěruvzdorná ocel obsahující Cr, Mo a Cu a upravená prvky vzácných zemin, vyvinutá Technologickou univerzitou v Shenyangu, dosáhla tvrdosti přes HRC50 a hodnoty rázu 25-60 J/cm² po ochlazení na vzduchu při 950 stupních a popuštění. Jeho matricí je temperovaný martenzit a rastrovací elektronová mikroskopie odhalila strukturu svazků lišt-tvarovaného martenzitu. Pod transmisní elektronovou mikroskopií s velkým{15}}zvětšením struktura jasně ukázala směs dislokačního martenzitu a malého množství zdvojeného martenzitu s nespojitým tenkým filmem-jako zadržený austenit rozmístěný mezi martenzitovými lištami. Tento tvar a distribuce austenitu zlepšily rázovou houževnatost a relativní odolnost oceli proti opotřebení. Odolnost proti opotřebení této oceli při různých energiích nárazu vykazovala výrazný kontrast s ocelí s vysokým obsahem manganu.
S rostoucí rázovou energií se výrazně zlepšila odolnost proti rázovému opotřebení u vysoce-manganové oceli, zatímco odolnost proti opotřebení nově vyvinuté Cr, Mo, Cu oceli se snížila. Avšak za všech podmínek nárazové energie vybraných ve srovnávacích testech byla odolnost nové oceli proti opotřebení vyšší než u oceli s vysokým -manganem. Vložka vyrobená z tohoto materiálu, použitá v kulovém mlýnu L1,83m × 3m v železném dole Qian'an v provincii Hebei, měla životnost 10-12 měsíců, zatímco životnost vložek ZGMn13 byla pouze 3-5 měsíců.
② Cr-Mo-V-Ti středně-uhlíková víceprvková-legovaná ocel. Středněuhlíková vícesložková-legovaná ocel obsahující Cr, Mo a stopová množství V, Ti a Nb, vyvinutá institutem Hefei Cement Research and Design Institute, získává po úpravě vzácných zemin (RE) a specifickém tepelném zpracování temperovaný martenzit + malé množství nižší bainitové matrice s tvrdými fázemi dispergovaného karbidu. Testy ukázaly, že tento typ vložky má vysokou tvrdost, dobrou odolnost proti abrazivnímu opotřebení a vysokou rázovou houževnatost a pevnost v ohybu, přičemž životnost je více než trojnásobná oproti běžné-manganové oceli. Byl použit v mlecích mlýnech v cementárně Huaihai (délka 4,2 m × 12 m), cementárně Kunming (délka 3,5 m × 11 m) a cementárně Sichuan Dukou (délka 2,2 m × 13 m), s průměrnou rychlostí opotřebení 3,16 g/t v první komoře a 1,53 g/t ve druhé komoře; zatímco průměrná míra opotřebení vložek z-manganové oceli je 13 g/t cementu.
③ Vysoce-středně uhlíková-chromová legovaná ocel. Další vysoce -uhlíková střední- vložka z chromové legované oceli obsahující 4,5 % ~ 5,5 % Cr a 0,3 % ~ 0,7 % Mo a ošetřená RE inokulací, rovněž vyvinutá Hefei Cement Research and Design Institute, byla úspěšně použita v cementových kulových mlýnech.
④ Cr-středně{1}}ti manganová ocel. Střední-manganová ocel obsahující 5,5%~8,0% Mn, 1,5%~2,0% Cr, 0,05%~0,1% Ti a upravená 0,02%~0,05% RE, získala jedinou austenitickou strukturu s jemnějšími zrny než běžná vysoko{12}}manganová ocel při 10 ± 0 °C vodou. Vložky vyrobené z tohoto materiálu dosáhly dobrých výsledků v kulových mlýnech v železném dole Banshigou a měděném dole Tonghua Steel Plant. Její relativní odolnost proti opotřebení je 1,64krát vyšší než u vysoce-manganové oceli při mletí magnetitové rudy; a 1,48krát vyšší než u oceli s vysokým{20}}manganem při mletí měděné rudy. Hlavním důvodem zlepšené odolnosti tohoto materiálu proti opotřebení je jeho lepší výkon při mechanickém zpevňování v kulových mlýnech ve srovnání s běžnou-manganovou ocelí.
⑤ Cr-Mo více-fázová nízko-legovaná ocel. Studovaná vícefázová nízko -legovaná- ocelová vložka odolná proti opotřebení, obsahující 3 % Cr a 0,4 % Mo, byla podrobena tepelnému zpracování izotermickým kalením, aby se získala mikrostruktura bainit + martenzit + zadržený austenit. Tento materiál se vyznačuje vysokou houževnatostí a vysokou tvrdostí, což má za následek vynikající odolnost proti nárazu, únavě, deformaci a opotřebení. Polní aplikace ukázaly, že tato vložka má životnost 1 až 2krát delší než běžná-manganová ocel.
