Прозводство чугунных мелющих тел

Одной из областей эффективного применения легированных чугунов является изготовление мелющих тел. Процесс дробления сырья и материалов широко применяется в самых различных отраслях промышленности, в том числе, горнорудной, цементной, энергетической и др. Ежегодно в мире с их помощью размалывают около двух миллиардов тонн минерального сырья. Мелющие тела используют на более чем 70 крупных предприятий Украины, и годовая потребность в них составляет не менее 350 тыс. тонн в год. Одной из основных статей затрат в себестоимости сырья являются затраты на мелющие тела. В настоящее время происходит замена дорогих стальных мелющих тел на более дешевые и эффективные чугунные. В некоторых случаях (руды черных и цветных металлов, цемент, уголь) по эффективности чугунные мелющие тела превосходят стальные. Мелющие тела выпускают во многих странах мира, СНГ, и в Украине на металлургических, машиностроительных и специализированных предприятиях.

Наиболее часто для измельчения используют мельницы барабанного типа, в которых сырье перемешивают с водой. Обычно процесс измельчения проходит в несколько стадий. На первой в мельницу загружают исходное сырье и крупные мелющие стержни или шары диаметром 100 – 125 мм. При вращении барабана мелющие тела падают, и дробление осуществляется за счет ударов. На второй стадии используют мелющие тела размером 60 – 80 мм. Измельчение идет за счет ударов и истирания. На третьей стадии загружают мелющие тела цилиндрической или эллипсоидной формы размером около 40 мм. На этой стадии мелющие тела не испытывают особых ударов, поскольку они скользят по внутренней поверхности барабана и измельчение идет за счет истирания.

На эксплуатационную стойкость влияет также форма мелющего тела. В настоящее время для чугунных тел предпочтение отдают эллиптическим и параболическим.

К материалу мелющих тел предъявляют ряд требований, обусловленных спецификой их эксплуатации. Мелющие тела должны иметь высокую твердость и абразивную износостойкость и, кроме того, сопротивляться ударам. Сила удара, а, следовательно, ударостойкость, при одинаковой величине подъема пропорциональна массе тела. На первой и второй стадиях, на которой используют более крупные мелющие тела, повышенные требования к ударостойкости. На третьей стадии более важным является сопротивление износу.

В связи с тем, что все мелющие тела независимо от стадии измельчения работают в коррозионно-активной среде, они должны обладать высокой абразивно-коррозионной стойкостью. В углеразмольных мельницах на электростанциях, в цементной промышленности используют барабаны диаметром 4 м, и процесс идет при температуре до 300 ^оС. Поэтому мелющие тела должны обладать определенной термостойкостью и прочностью при повышенных температурах.

Ударостойкость считается наиболее важной характеристикой материала мелющих тел. Разрушение мелющего тела приводит к снижению производительности мельницы, засорению решетки, попаданию обломков в классификатор. Установлено, что 1 % расколотых мелющих тел приводит к снижению производительности мельницы на 1 %.

Мелющие тела изготавливают из стали или чугуна. Стальные высокоуглеродистые мелющие тела после закалки и отпуска имеют мартенситную структуру. В общем случае комплекс свойств стальных мелющих тел выше, чем чугунных. Если принять износостойкость стальных кованых мелющих тел за 100 %, то при размалывании железной руды относительный износ чугунных тел составляет 135 % для обычного белого чугуна и 139 % для низколегированного. Аналогичные результаты получены при размоле медной руды, песка и других минералов. Относительный износ меньший, чем у стальных, был у мелющих тел из специального износостойкого чугуна – нихарда (85–90 %).

Преимущества чугунных мелющих тел заключаются в другом. Стальные мелющие тела получают ковкой и прокаткой. Пластическая деформация высокоуглеродистой стали требует строгого соблюдения температурно-деформационного режима ковки. Термическая обработка, без которой не удается реализовать высокий уровень свойств стали, удорожает стоимость мелющих тел.

Чугунные мелющие тела получают литьем в металлические кокили для обеспечения высокой скорости охлаждения. При отливке сразу получают готовое мелющее тело, ковка или механическая обработка не требуется. Для повышения скорости охлаждения кокили покрывают только противопригарной краской. Выбрав оптимальный состав чугуна, можно получить сквозной отбел, упрочняющая термическая обработка в ряде случаев не требуется.

Рекомендованные составы чугунов для изготовления мелющих тел приведены в табл. 5.4.

Из табл. 5.1 и 5.4, видно, что составы чугунов для изготов-ления валков и мелющих тел отличаются мало. Это связано с подобием условий эксплуатации (ударно-абразивный износ) и схожестью предъявляемых к материалу требований. Кроме указанных, в случаях повышенного требования к износостойкости применяют специальные чугуны с высоким содержанием хрома. Такие чугуны маркируют буквами ИЧХ (износостойкий чугун хромистый). Далее в соответствии с принятой буквенно-цифровой маркировкой указывают содержание основного элемента – хрома (в мас. %), а также других легирующих элементов.

Таблица 5.4 – Химический состав и твердость чугуна для изготовления мелющих тел, мас. %

Примечание. Содержание фосфора ограничено < 0,12 - 0,3 %; серы < 0,15 %.

Например, ИЧХ15М3 содержит около 2,75 % С; 15 % Cr; 3 % Mo. Кроме хрома, чугуны могут содержать никель, марганец, молибден и другие элементы. Содержание углерода – 3,0 – 3,5 %. Содержание вредных примесей (серы и фосфора) в таких чугунах ограничивают 0,05 %. Жидкотекучесть высокохромистых чугунов несколько ниже, чем у обычных. Это компенсируют разливкой при более высокой температуре (1380 – 1460 ^оС). Как правило, отливки из такого чугуна подвергают упрочняющей термической обработке – закалке от 1000 ^оС и низкому отпуску (200 ^оС). Термическую обработку высоколегированных чугунов проводят от более высокой температуры (1150 ^оС), а отпуск при 600 ^оС. Высокохромистые чугуны с трудом поддаются механической обработке.

Основная роль хрома заключается в изменении общего количества карбидной фазы в чугуне и изменении типа карбидной фазы. Для образования карбидов типа Cr₇C₃ необходимо содержание хрома порядка 12 – 30 %. С увеличением содержания хрома объемная доля карбидной фазы растет, а размеры частиц уменьшаются. Примерное количество карбидов в зависимости от содержания углерода и хрома можно определить по уравнению (5.2):

Несмотря на более высокую стоимость материала, необходимость термической обработки и низкие литейные свойства, износостойкие высокохромистые чугуны широко применяют не только для изготовления мелющих тел, но и в других случаях работы в условиях интенсивного абразивного износа. Их относительная износостойкость в 1,5 – 2 раза выше, чем у обычных отбеленных чугунов при твердости около 770 НВ.

Однако эксплуатационная стойкость мелющих тел непропорционально изменяется с увеличением содержания хрома. Для чугунов разного состава и заметно отличающейся твердости относительный износ составил:

• 3,2 % С + 1 % Cr – 444 НВ – 100 % износ;
• 3,2 % С + 27 % Cr + 0,5 % Мо – 653 НВ – 70 % износ.

В тех случаях, когда такая высокая износостойкость не требуется, можно снизить содержание хрома и, тем самым, уменьшить стоимость материала. Можно получить зависимости между основными свойствами мелющих тел с различным содержанием хрома – от 0,15 до 12,37 % (рис. 5.6).

Рисунок 5.6 – Зависимости между основными свойствами мелющих тел: 1 – ударостойкость; 2 – износостойкость.

За основу принята твердость чугуна, поскольку она легко контролируется у производителя и потребителя мелющих тел. Ударостойкость оценивают на специальном копре с энергией 530 Дж по количеству ударов до разрушения, которое выдержала отливка.

Следовательно, износ достаточно монотонно падает с увеличением твердости. Ударостойкость изменяется более сложным образом. С увеличением твердости растет количество хрупкой карбидной фазы, однако при повышении содержания хрома в карбиде прочность карбида возрастает. Дальнейшее увеличение хрома изменяет тип карбидов, что также сопровождается ростом ударостойкости.