Mehaničko trošenje uključuje mnoge aspekte, među kojima abrazivno trošenje čini više od 50% ukupnog industrijskog trošenja. Zemlje poput Njemačke i Ujedinjenog Kraljevstva godišnje trpe milijarde dolara gubitaka zbog abrazivnog trošenja, au Australiji rudarska industrija svake godine gubi 2% prihoda od prodaje mineralnih proizvoda zbog abrazivnog trošenja. Značajan dio ovog abrazivnog trošenja događa se u košuljicama kugličnih mlina. Dva su glavna pristupa rješavanju ovog problema: prvo, poboljšanje otpornosti materijala na trošenje; i drugo, poboljšanje okoline trošenja kroz optimizaciju procesa. Ovo istraživanje usmjereno je prvenstveno na materijalni aspekt.
Tradicionalni materijal ZGMn13 koji se koristi u mlinovima s kuglicama:
ZGMn13 je čelik s visokim-manganom, izumio ga je Hadfield 1882. Izrađuje se dodavanjem približno 13% Mn čeliku, korištenjem karakteristike Mn za pomicanje "nosa" S{4}}krivulje čelika udesno i snižavanje Ms i Mf linija. Potpuno austenitna struktura dobiva se produljenim držanjem na 1000-1050 stupnjeva nakon čega slijedi prisilno hlađenje. Ova potpuno austenitna struktura pokazuje svojstva otvrdnjavanja. Njegova upotreba kao košuljice mlina s kuglicama ima za cilj postizanje otvrdnjavanja djelovanjem kuglica za mljevenje i abrazivnih materijala na košuljicu. Međutim, tijekom rada mlina s kuglicama, kuglice za mljevenje i abrazivni materijali se rotacijom cilindra podižu do visoke točke i zatim padaju u kaskadi. Kugle za mljevenje i abrazivni materijali koji padaju s visine samo izravno utječu na kugle za mljevenje i abrazivne materijale u podnožju hrpe materijala, a neizravno utječu na oblogu kroz nakupljeni sloj kugli za mljevenje i abrazivnih materijala. To rezultira manjim intenzitetom udara i manje značajnim otvrdnjavanjem. Praktično iskustvo pokazuje da je u mlinovima za ugljen u elektranama tvrdoća-kaljenja austenitnog čelika s visokim-manganom između HB230 i 250, a u mlinovima za preradu rudače ne prelazi HB300, što je daleko ispod granice otvrdnjavanja -HB500 za čelik s visokim-manganom. Stoga je upotreba čelika s visokim-manganom za proizvodnju košuljica mlina s kuglicama neprikladna jer ne iskorištava svojstva otpornosti-na habanje čelika s visokim udjelom mangana.
Status razvoja materijala za obloge
S obzirom na neodgovarajuću primjenu materijala ZGMn13 u košuljicama kugličnih mlinova, metalurzi diljem svijeta istražuju nove materijale košuljica od 1960-ih, postižući brojne rezultate.
(1) Novi razvoj u ZGMn13
Istraživači su poboljšali ZGMn13 dodavanjem elemenata kao što su Cr, Mo i V za formiranje stabilnih, raspršenih zrnatih i otočnih karbida visoke-tvrdoće kao što su (FeCr)3C i VC. To sprječava rast austenitnih zrnaca tijekom tretmana kaljenja vodom, što rezultira austenitnom strukturom s dispergiranim karbidnim tvrdim točkama, čime se poboljšava sposobnost otvrdnjavanja i učinak otvrdnjavanja materijala.
Sjedinjene Države proizvode standardno lijevani visoko{0}}manganski čelik s 1,5%~2,5% Cr (razred C) i standardni lijevani-manganski čelik s 0,9%~1,2% ili 1,8%~2,1% Mo (stupnjevi E-1 i E-2).
Japan proizvodi standardno lijevani visoko{0}}manganski čelik s 1,5%~2,5% Cr (razred SCMnH11) i standardni lijevani-manganski čelik s 2,0%~3,0% Cr i 0,4%~0,7% V (razred SCMnH12). Istraživački institut za lijevanje i kovanje unutarnje Mongolije razvio je čelik-koji sadrži -krom s visokim-manganom s 1,5%~2,5% Cr i obradio rastaljeni čelik elementima rijetke zemlje. Površinski sloj (0,01 mm) ovog čelika s-visokim-manganom koji sadrži krom može postići tvrdoću od HB390 nakon radnog otvrdnjavanja u kugličnom mlinu, što je 1,5 puta više od uobičajenog čelika s-manganom, a njegov vijek trajanja je 1,5 do 2 puta duži od običnog čelika s visokim-manganom.
(2) Legirano bijelo lijevano željezo
① 15Cr-3Mo bijeli lijev i njegov razvoj. Najreprezentativniji alternativni materijal za obloge od čelika s visokim-manganom je martenzitno bijelo lijevano željezo koje sadrži 15% Cr + 3% Mo. Ovaj materijal sastoji se od diskontinuiranih eutektičkih željezo-krom karbida (Cr, Fe)7C3 i kromom-bogatih sekundarnih karbida raspoređenih u martenzitnoj matrici, s karbidima zauzimajući otprilike 40% do 50% ukupnog volumena. Ovi krom-karbidi imaju vrlo visoku tvrdoću, svi iznad HV1200-1800, dovoljnu da se odupru trošenju od uobičajenih abraziva. Međutim, tvrdoća martenzitne matrice je oko HRC50, što je mekše od nekih abraziva i istrošit će se, potencijalno izbacujući karbide. Stoga je izvanredna otpornost karbida samo djelomično iskorištena. Harbin Institute of Technology također je obavio opsežan rad na poboljšanju performansi 15Cr-3Mo visokog-kroma bijelog lijevanog željeza. Koristili su soli i legure K, Na, Mg i Ca za izvođenje tretmana modifikacije raspršivanjem na 15Cr-3Mo lijevanom željezu, eliminirajući izvornu mrežastu distribuciju karbida i čineći ih crvolikim ili kvrgavim, dok je također smanjena veličina karbida. Ovo je značajno poboljšalo žilavost i otpornost materijala na trošenje. Studije su pokazale da je stopa trošenja 15Cr-3Mo bijelog lijevanog željeza s visokim sadržajem kroma tretiranog različitim modifikacijskim elementima manja nego kod neobrađenog materijala. Točnije, prosječna stopa trošenja kalijem modificiranog 15Cr-3Mo bijelog željeza s visokim udjelom kroma bila je 63,2% manja od one neobrađenog materijala, a stopa trošenja optimalne otopine bila je 74,4% niža od one neobrađenog materijala.
② Legura bijelog lijevanog željeza koja sadrži Cu{0}}. Ova legura bijelog lijevanog željeza, koju je uspješno razvila tvornica alata Shandong Xinwen, proizvodi se dodavanjem 1,0% bakra i 0,9% ferosilicijeve legure rijetke zemlje za modifikaciju i inokulaciju prije lijevanja, nakon čega slijedi normalizacija od 950 stupnjeva i kaljenje od 600 stupnjeva, što rezultira dispergiranim, finim i ravnomjerno raspoređenim karbidima. Strojno testiranje pokazalo je da je u mlinu za cement L1,83m × 6,4m relativna otpornost na habanje obloge od bijelog lijevanog željeza od legure rijetke zemlje Cu-bila 2,4 puta veća od obloge od čelika s visokim-manganom. (3) Srednje i niskolegirani čelici
Iako obloge mlina od čelika s visokim-manganom ili legiranog bijelog lijevanog željeza s dodanim legirajućim elementima pokazuju znatno poboljšanu otpornost na habanje u usporedbi s običnim oblogama od čelika s visokim-manganom, ti su materijali skuplji zbog uključivanja velikih količina plemenitih metala kao što su Cr, Ni i Mo, te su skloni pucanju, pa čak i lomljenju tijekom proizvodnje i upotrebe. Na temelju tih razloga, kineski metalurzi i ljevaonici, s obzirom na specifične uvjete moje zemlje, započeli su istraživanje upotrebe srednje i niskolegiranih čelika za košuljice kugličnih mlina i postigli su ohrabrujuće rezultate.
① Cr, Mo, Cu srednje{0}}niskougljični-legirani-čelik otporan na trošenje. Srednje{4}}nisko{5}}legirani-ugljični čelik otporan-na habanje koji sadrži Cr, Mo i Cu i tretiran elementima rijetke zemlje, razvijen na Tehnološkom sveučilištu Shenyang, postigao je tvrdoću od preko HRC50 i vrijednost udarca od 25-60 J/cm² nakon kaljenja na zraku na 950 stupnjeva i kaljenja na 250 stupnjeva. Matrica mu je kaljeni martenzit, a skenirajuća elektronska mikroskopija otkrila je strukturu snopova martenzita u obliku -latice. Pod velikim -povećanjem transmisijske elektronske mikroskopije, struktura je jasno pokazala mješavinu dislokacijskog martenzita i male količine udvostručenog martenzita, s diskontinuiranim tankim filmom-poput zadržanog austenita raspoređenog između martenzitnih letvica. Ovaj oblik i raspodjela austenita poboljšali su udarnu žilavost i relativnu otpornost na trošenje čelika. Otpornost na trošenje ovog čelika pod različitim energijama udara pokazala je upečatljiv kontrast u odnosu na čelik s visokim udjelom mangana.
S povećanjem energije udarca, otpornost na habanje čelika s visokim-manganom značajno se poboljšala, dok se otpornost na habanje novorazvijenog Cr, Mo, Cu čelika smanjila. Međutim, pod svim uvjetima energije udarca odabranim u usporednim ispitivanjima, otpornost na habanje novog čelika bila je viša nego kod čelika s visokim-manganom. Korišten u mlinu s kuglicama L1,83m × 3m u rudniku željeza Qian'an u provinciji Hebei, košuljica izrađena od ovog materijala imala je životni vijek od 10-12 mjeseci, dok je životni vijek ZGMn13 košuljica bio samo 3-5 mjeseci.
② Cr-Mo-V-Ti srednje{3}}ugljični više{4}}legirani čelik. Srednje{6}}ugljični više{7}}komponentni legirani čelik koji sadrži Cr, Mo i tragove V, Ti i Nb, koji je razvio Hefei Institut za istraživanje i dizajn cementa, dobiva kaljeni martenzit + malu količinu niže bainitne matrice s tvrdim fazama raspršenog karbida nakon obrade rijetkim zemljama (RE) i specifične toplinske obrade. Ispitivanja pokazuju da ova vrsta košuljice ima visoku tvrdoću, dobru otpornost na abrazivno trošenje i visoku udarnu žilavost i čvrstoću na savijanje, s životnim vijekom više od tri puta većim od običnog čelika s visokim -manganom. Korišten je u mlinovima za mljevenje u tvornici cementa Huaihai (L4,2m×12m), tvornici cementa Kunming (L3,5m×11m) i tvornici cementa Sichuan Dukou (L2,2m×13m), s prosječnom stopom trošenja od 3,16 g/t u prvoj komori i 1,53 g/t u drugoj komori; dok je prosječna stopa trošenja čeličnih obloga s visokim-manganom 13 g/t cementa.
③ Visoko{0}}ugljični srednje-čelik od legure kroma. Druga visoko{3}}ugljična srednje{4}}čelična obloga od legure kroma koja sadrži 4,5%~5,5% Cr i 0,3%~0,7% Mo, i tretirana RE inokulacijom, koju je također razvio Hefei Cement Research and Design Institute, uspješno je primijenjena u mlinovima za cement s kuglicama.
④ Cr-Ti srednji-manganski čelik. Čelik sa srednjim-manganom koji sadrži 5,5%~8,0% Mn, 1,5%~2,0% Cr, 0,05%~0,1% Ti i tretiran s 0,02%~0,05% RE, dobio je jedinstvenu strukturu austenita s finijim zrnima od običnog čelika s visokim-manganom kroz kaljenje u vodi na 1100±30 stupnjeva. Obloge izrađene od ovog materijala postigle su dobre rezultate u mlinovima s kuglicama u rudniku željeza Banshigou i rudniku bakra Tonghua tvornice čelika. Njegova relativna otpornost na habanje je 1,64 puta veća od čelika s visokim-manganom pri mljevenju rude magnetita; i 1,48 puta veći od čelika s visokim-manganom pri mljevenju bakrene rude. Glavni razlog za poboljšanu otpornost na habanje ovog materijala je njegova bolja izvedba otvrdnjavanja u mlinovima s kuglicama u usporedbi s običnim čelikom s visokim -manganom.
⑤ Cr-Mo više-fazni nisko{2}}legirani čelik. Proučavana čelična košuljica od višefazne-legure otporna-na habanje, koja sadrži 3% Cr i 0,4% Mo, podvrgnuta je izotermnoj toplinskoj obradi kako bi se dobila mikrostruktura bainit + martenzit + zadržani austenit. Ovaj materijal posjeduje visoku žilavost i veliku tvrdoću, što rezultira izvrsnom otpornošću na udarce, zamor, deformacije i habanje. Primjene na terenu pokazale su da ova košuljica ima radni vijek 1 do 2 puta duži od običnog čelika s visokim-manganom.
