Mehanska obraba vključuje številne vidike, med katerimi abrazivna obraba predstavlja več kot 50 % celotne industrijske obrabe. Države, kot sta Nemčija in Združeno kraljestvo, vsako leto utrpijo milijarde dolarjev izgube zaradi abrazivne obrabe, v Avstraliji pa rudarska industrija vsako leto zaradi abrazivne obrabe izgubi 2 % prihodkov od prodaje mineralnih izdelkov. Pomemben del te abrazivne obrabe nastane v oblogah krogličnih mlinov. Obstajata dva glavna pristopa k reševanju tega problema: prvič, izboljšanje odpornosti materialov proti obrabi; in drugič, izboljšanje okolja obrabe z optimizacijo procesa. Ta raziskava se osredotoča predvsem na materialni vidik.
Tradicionalni material ZGMn13, ki se uporablja v krogličnih mlinih:
ZGMn13 je visoko-manganovo jeklo, ki ga je izumil Hadfield leta 1882. Izdelano je z dodajanjem približno 13 % Mn jeklu, pri čemer se uporablja značilnost Mn za premik "nosa" krivulje S-jekla v desno in nižje črte Ms in Mf. Popolnoma avstenitno strukturo pridobimo s podaljšanim držanjem pri 1000-1050 stopinjah, ki mu sledi prisilno ohlajanje. Ta popolnoma avstenitna struktura kaže lastnosti utrjevanja. Namen njegove uporabe kot obloge krogličnega mlina je doseči delovno utrjevanje z udarcem brusnih krogel in abrazivnih materialov na oblogo. Toda med delovanjem krogličnega mlina se mlevne krogle in abrazivni materiali z vrtenjem valja ponesejo do visoke točke in nato padajo v kaskadi. Brusilne krogle in abrazivni materiali, ki padajo z višine, le neposredno vplivajo na brusne krogle in abrazivne materiale na dnu kupa materiala in posredno vplivajo na oblogo skozi nakopičeno plast brusnih krogel in abrazivnih materialov. Posledica tega je nižja intenzivnost udarca in manjša obdelovalna utrdba. Praktične izkušnje kažejo, da je v mlinih za premog v elektrarnah utrjena trdota avstenitnega visoko-manganovega jekla med HB230 in 250, v mlinih za predelavo rude pa ne presega HB300, daleč pod mejo-kaljenja HB500 za visoko-manganovo jeklo. Zato je uporaba jekla z visoko-manganovo vsebnostjo za izdelavo oblog krogličnih mlinov neprimerna, ker ne izkorišča obrabno{24}}odpornih lastnosti jekla z visoko vsebnostjo mangana.
Status razvoja materialov za obloge
Zaradi neustrezne uporabe materiala ZGMn13 v oblogah krogličnih mlinov so metalurgi po vsem svetu že od šestdesetih let 20. stoletja raziskovali nove materiale oblog in dosegli številne rezultate.
(1) Novosti v ZGMn13
Raziskovalci so izboljšali ZGMn13 z dodajanjem elementov, kot so Cr, Mo in V, da tvorijo stabilne, razpršene zrnate in -oblikovane otoke zlitine karbidov z visoko-trdoto, kot sta (FeCr)3C in VC. To ovira rast avstenitnih zrn med obdelavo kaljenja z vodo, kar ima za posledico avstenitno strukturo z razpršenimi trdimi točkami karbida, s čimer se izboljšata delovna sposobnost utrjevanja in učinek utrjevanja materiala.
Združene države proizvajajo standardno lito-manganovo jeklo z 1,5 %~2,5 % Cr (razred C) in standardno lito-manganovo jeklo z 0,9 %~1,2 % ali 1,8 %~2,1 % Mo (stopnje E-1 in E-2).
Japonska proizvaja standardno lito visoko{0}}manganovo jeklo z 1,5 %~2,5 % Cr (razred SCMnH11) in standardno lito visoko{4}}manganovo jeklo z 2,0 %~3,0 % Cr in 0,4 %~0,7 % V (razred SCMnH12). Raziskovalni inštitut za ulivanje in kovanje v Notranji Mongoliji je razvil jeklo,-ki vsebuje veliko-kroma-mangana z 1,5 %~2,5 % Cr, in staljeno jeklo obdelal z elementi redkih zemelj. Površinska plast (0,01 mm) tega krom{17}}vsebujočega visoko-manganovega jekla lahko po delovnem utrjevanju v krogličnem mlinu doseže trdoto HB390, kar je 1,5-krat več kot pri običajnem visoko-manganovem jeklu, njegova življenjska doba pa je 1,5- do 2-krat daljša kot pri običajnem visoko-manganovem jeklu.
(2) Legirano belo lito železo
① 15Cr-3Mo bela litina in njen razvoj. Najbolj značilen alternativni material za jeklene obloge z visoko-manganom je martenzitna bela litina, ki vsebuje 15 % Cr + 3 % Mo. Ta material je sestavljen iz diskontinuiranih evtektičnih železovih-kromovih karbidov (Cr, Fe)7C3 in s -kromom bogatih sekundarnih karbidov, porazdeljenih v martenzitni matriki, s karbidi ki zavzema približno 40% do 50% celotne prostornine. Ti kromovi karbidi imajo zelo visoko trdoto, vsi nad HV1200-1800, kar zadostuje za odpornost proti obrabi zaradi običajnih abrazivov. Vendar pa je trdota martenzitne matrice približno HRC50, kar je mehkejše od nekaterih abrazivov in se bo obrabilo, kar bi lahko izrinilo karbide. Zato je izjemna odpornost proti obrabi karbidov le delno izkoriščena. Tehnološki inštitut Harbin je prav tako opravil obsežno delo pri izboljšanju učinkovitosti bele litine z vsebnostjo 15Cr-3Mo-kroma. Uporabili so soli in zlitine K, Na, Mg in Ca za izvedbo modificirane obdelave z razprševanjem na 15Cr-3Mo litem železu, s čimer so odstranili prvotno mrežno porazdelitev karbidov in jih naredili videti črvaste ali grudaste, hkrati pa so zmanjšali velikost karbidov. To je bistveno izboljšalo žilavost materiala in odpornost proti obrabi. Študije so pokazale, da je stopnja obrabe belega litega železa z visoko vsebnostjo kroma 15Cr-3Mo, obdelanega z različnimi modifikacijskimi elementi, nižja kot pri neobdelanem materialu. Natančneje, povprečna stopnja obrabe s kalijem modificirane 15Cr-3Mo bele litine z visoko vsebnostjo kroma je bila 63,2 % nižja kot pri neobdelanem materialu, stopnja obrabe optimalne rešitve pa je bila 74,4 % nižja kot pri neobdelanem materialu.
② Zlitina bele litine, ki- vsebuje baker. Ta zlitina belega litega železa, ki jo je uspešno razvila Shandong Xinwen Tool Factory, se proizvaja z dodajanjem 1,0 % bakra in 0,9 % ferosilicijeve zlitine redkih zemelj za modifikacijo in inokulacijo pred ulivanjem, čemur sledi 950-stopinjska normalizacija in 600-stopinjska obdelava popuščanja, kar povzroči razpršene, fine in enakomerno porazdeljene karbide. Strojno testiranje je pokazalo, da je bila v mlinu za cement L1,83 m × 6,4 m relativna odpornost proti obrabi obloge iz belega litega železa iz zlitine redkih zemelj, ki vsebuje Cu-, 2,4-krat večja od obloge iz visoko-manganovega jekla. (3) Srednje in nizko legirana jekla
Čeprav jeklene obloge iz visoko-manganovega jekla ali legiranega belega litega železa krogličnih mlinov z dodanimi legirnimi elementi kažejo znatno izboljšano odpornost proti obrabi v primerjavi z običajnimi jeklenimi oblogami z visoko-manganovo vsebnostjo, so ti materiali dražji zaradi vključitve velikih količin plemenitih kovin, kot so Cr, Ni in Mo, ter so nagnjeni k pokanju in celo lomljenju med proizvodnjo in uporabo. Na podlagi teh razlogov so kitajski metalurgi in livarski delavci ob upoštevanju posebnih pogojev moje države začeli raziskovati uporabo srednje in nizko legiranih jekel za obloge krogličnih mlinov in dosegli spodbudne rezultate.
① Cr, Mo, Cu srednje{0}}ogljično nizko{1}}legirano obrabno{2}}jeklo. Srednje{4}}ogljično nizko{5}}legirano-zlitinsko jeklo, odporno na obrabo-, ki vsebuje Cr, Mo in Cu ter obdelano z redkimi zemeljskimi elementi, ki ga je razvila Tehnološka univerza Shenyang, je po kaljenju na zraku pri 950 stopinjah in popuščanju pri 250 stopinjah doseglo trdoto nad HRC50 in udarno vrednost 25-60 J/cm². Njegova matrika je kaljeni martenzit, vrstična elektronska mikroskopija pa je razkrila strukturo snopov martenzita v obliki letve-. Pod visoko{15}}transmisijsko elektronsko mikroskopijo z veliko povečavo je struktura jasno pokazala mešanico dislokacijskega martenzita in majhne količine podvojenega martenzita, z nekontinuiranim tankim filmom-podobnega zadržanemu avstenitu, porazdeljenem med martenzitnimi letvami. Ta oblika in porazdelitev avstenita sta izboljšali udarno žilavost in relativno odpornost proti obrabi jekla. Odpornost proti obrabi tega jekla pri različnih energijah udarca je pokazala presenetljiv kontrast z jeklom z visoko vsebnostjo mangana.
Z večanjem energije udarca se je odpornost proti obrabi visoko-manganovega jekla bistveno izboljšala, medtem ko se je odpornost proti obrabi na novo razvitega Cr, Mo, Cu jekla zmanjšala. Vendar pa je bila pri vseh pogojih udarne energije, izbranih v primerjalnih preskusih, odpornost proti obrabi novega jekla višja kot pri jeklu z visoko-manganovo vsebnostjo. Obloga iz tega materiala, uporabljena v krogličnem mlinu L1,83 m × 3 m v rudniku železa Qian'an v provinci Hebei, je imela življenjsko dobo 10–12 mesecev, medtem ko je bila življenjska doba oblog ZGMn13 le 3–5 mesecev.
② Cr-Mo-V-Ti srednje{3}}ogljično več{4}}elementno legirano jeklo. Srednje{6}}ogljično več-komponentno legirano jeklo, ki vsebuje Cr, Mo in sledove V, Ti in Nb, ki ga je razvil Hefei Cement Research and Design Institute, po obdelavi z redkimi zemljami (RE) in specifični toplotni obdelavi pridobi kaljeni martenzit + majhno količino nižje bainitne matrike z razpršenimi trdimi fazami karbida. Preizkusi kažejo, da ima ta vrsta obloge visoko trdoto, dobro abrazivno odpornost proti obrabi ter visoko udarno žilavost in upogibno trdnost, z življenjsko dobo, ki je več kot trikrat daljša od običajnega visoko{10}}manganovega jekla. Uporabljali so ga v mlinih v tovarni cementa Huaihai (L4,2m×12m), tovarni cementa Kunming (L3,5m×11m) in tovarni cementa Sichuan Dukou (L2,2m×13m), s povprečno stopnjo obrabe 3,16 g/t v prvi komori in 1,53 g/t v drugi komori; medtem ko je povprečna stopnja obrabe oblog iz visoko{20}}manganovega jekla 13 g/t cementa.
③ Visoko{0}}ogljično srednje-kromovo legirano jeklo. Druga visoko{3}}ogljična srednje-jeklena obloga iz kromove zlitine, ki vsebuje 4,5 %~5,5 % Cr in 0,3 %~0,7 % Mo ter obdelana z RE inokulacijo, ki jo je prav tako razvil Hefei Cement Research and Design Institute, je bila uspešno uporabljena v cementnih krogličnih mlinih.
④ Cr-Ti srednje-manganovo jeklo. Srednje-manganovo jeklo, ki vsebuje 5,5 %~8,0 % Mn, 1,5 %~2,0 % Cr, 0,05 %~0,1 % Ti in obdelano z 0,02 %~0,05 % RE, je s kaljenjem v vodi pri 1100±30 stopinjah pridobilo eno samo avstenitno strukturo z drobnejšimi zrni kot običajno visoko{12}}manganovo jeklo. Obloge iz tega materiala so dosegle dobre rezultate v krogličnih mlinih v rudniku železa Banshigou in bakra Tonghua jeklarne Tonghua Steel Plant. Njegova relativna odpornost proti obrabi je 1,64-krat večja kot pri visoko-manganovem jeklu pri mletju magnetitne rude; in 1,48-krat večji od-manganovega jekla pri mletju bakrove rude. Glavni razlog za izboljšano obrabno odpornost tega materiala je njegova boljša zmogljivost utrjevanja v krogličnih mlinih v primerjavi z običajnim jeklom z visoko-manganom.
⑤ Cr-Mo več-fazno nizko{2}}legirano jeklo. Proučevana večfazna nizko{4}}zlitina, odporna na obrabo-jeklena obloga, ki je vsebovala 3 % Cr in 0,4 % Mo, je bila izpostavljena izotermni toplotni obdelavi za kaljenje, da se je pridobila mikrostruktura bainit + martenzit + zadržani avstenit. Ta material ima visoko žilavost in visoko trdoto, kar ima za posledico odlično odpornost na udarce, utrujenost, deformacijo in obrabo. Uporabe na terenu so pokazale, da ima ta podloga 1- do 2-krat daljšo življenjsko dobo kot običajna jekla z visoko-manganom.
