لماذا يتم تطوير بكرات طحن المعدن والسيراميك؟
الصين هي واحدة من الدول التي لديها أغنى احتياطيات المعادن. مع تطور علم المواد الأساسية، فإن الطلب على مسحوق الخام يتزايد سنويا. هناك العديد من عمليات التحضير لمسحوق الخام. يعد نظام المطحنة العمودية عملية طحن نموذجية اليوم ويستخدم على نطاق واسع في الأسمنت ومواد البناء والتعدين والطاقة الكهربائية والألياف الزجاجية وغيرها من الصناعات. يتم سحق الخام وطحنه إلى مسحوق بحجم ميكرون أو حتى بحجم النانو من خلال العمل المشترك لبكرات الطحن وألواح البطانة في المطحنة العمودية. أثناء عملية التكسير والطحن المستمرة، يتم أيضًا تآكل سطح أسطوانة الطحن بسبب قوة رد فعل المادة، الأمر الذي لا يسبب قدرًا كبيرًا من التآكل على المادة المعدنية فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى انخفاض وظيفة الطحن، وانخفاض في الإنتاج، وزيادة في تكلفة صيانة واستبدال أسطوانة الطحن. حاليًا، غالبًا ما تكون بكرات الطحن في المطاحن العمودية مصنوعة من الحديد الزهر عالي الكروم أو ملحومة بطبقة من الحديد الزهر عالي الكروم. على الرغم من أن استقرار التشغيل جيد، إلا أنه لا تزال هناك مشاكل مثل انخفاض الإنتاج اليومي ومقاومة التآكل غير الكافية. والمشكلة هي أنها لا تلبي توقعات الناس فيما يتعلق بانخفاض استهلاك الموارد. ولذلك، فإن تطوير مواد جديدة لصنع بكرات طحن جديدة أمر حيوي. تقدم هذه المقالة بإيجاز تطور بكرات طحن مركب السيرميت في المطاحن العمودية وتحلل تأثيرات تطبيقها مع دراسات الحالة.
نظرة عامة على تطوير وتطبيق بكرات طحن السيراميك المعدني المقاومة للتآكل في الصين والدول الخارجية
باعتبارها مكون الطحن الرئيسي في المطحنة العمودية، فإن أسطوانة الطحن تتطلب صلابة عالية ودرجة معينة من المتانة. لقد مرت عملية تطوير المواد المقاومة للتآكل بثلاث مراحل: الفولاذ عالي المنغنيز، والحديد الزهر الصلب بالنيكل، والحديد الزهر عالي الكروم. غالبًا ما يستخدم الفولاذ عالي المنغنيز في الظروف ذات الأحمال الصدمية، لكن لا يمكن تصليبه بالكامل ولديه مقاومة تآكل محدودة للغاية. بسبب صلابته الجيدة، يمكن للحديد الزهر المصنوع من النيكل أن يشكل هيكل مارتنسيت صلب ومقاوم للتآكل + هيكل كربيد M³C عند صبه. يمكن لهذا الهيكل سهل الانصهار أن يقاوم حرث المصفوفة بواسطة المادة. ، لكن صلابتها غير كافية، ونطاق تطبيقها صغير نسبيًا. الحديد الزهر عالي الكروم هو الجيل الثالث من المواد المقاومة للتآكل التي تم تطويرها بعد الفولاذ عالي المنغنيز والحديد الزهر الصلب بالنيكل. بالمقارنة مع الحديد الزهر العادي، فإن الحديد الزهر عالي الكروم لديه صلابة عالية، ومقاومة للحرارة ومقاومة للتآكل.
في صناعات مثل طحن الخام، مع استمرار زيادة سرعة تشغيل المعدات، ستصبح مقاومة التآكل للحديد الزهر عالي الكروم غير كافية. تركز الأبحاث الأجنبية حول المواد المقاومة للتآكل على مركبات المصفوفة المعدنية باستخدام جزيئات السيراميك ZTA وجزيئات السيراميك WC كمراحل تقوية. من بينها الشركات المصنعة لإعداد المواد المركبة التي تمثلها بلجيكا ماجوتو وتستخدم شركة VEGA الهندية للمواد المقاومة للتآكل مثل هذه المواد لتحضير بكرات وبطانات طحن مركب السيرميت، وتتميز أسطح العمل الخاصة بها بخصائص الصلابة العالية ومقاومة التآكل العالية. تم استخدام بكرات وبطانات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك على نطاق واسع في الأسمنت والطاقة الحرارية والخام وغيرها من الصناعات في الخارج، مما يزيد بشكل كبير من وقت تشغيل المطاحن العمودية ويقلل الصيانة غير الطبيعية للمطاحن العمودية. ومع ذلك، فإن سعر بكرات طحن السيرميت المستوردة مرتفع ودورة التسليم طويلة، وبالتالي فإن نسبة السعر إلى الأداء ليست عالية. يتطلع السوق المحلي إلى بكرات طحن السيرميت المحلية. يتم عرض مقارنة خصائص أسطوانة الطحن في الصين والدول الأخرى في الجدول أدناه.
نوع أسطوانة الطحن | خصائص بكرات الطحن المختلفة | ||
ميزة | مساوئ | ||
سوق الصين | سبائك الصلب | قوة عالية، صلابة عالية، صلابة عالية، مقاومة التآكل | التكلفة العالية |
فولاذ صلب | قوة جيدة وصلابة | صلابة منخفضة ومقاومة التآكل منخفضة | |
حديد الدكتايل | صلابة جيدة، صلابة عالية، مقاومة التآكل المتوسطة، سهلة المعالجة | من السهل أن تتشقق، منخفضة القوة | |
تصلب الحديد الزهر عالي الكروم | قوة عالية، صلابة عالية، صلابة عالية | من السهل أن تقشر، لحام تراكب متكرر، مقاومة غير كافية للتعب البارد والحرارة | |
ارتفاع المنغنيز الصلب | صلابة عالية وصلابة ومقاومة التآكل المعتدلة | من السهل أن تتشقق وتتقلص | |
سبائك الصلب منخفض | قوة عالية وصلابة ومقاومة التأثير | غير مقاوم للتآكل، وعمر خدمة قصير | |
أسواق الدول الأخرى | طلاء مقاوم للاهتراء | قوة عالية وصلابة | مقاومة منخفضة التأثير ومكلفة |
سبائك الصلب عالية المعدن ثنائية المعدن المصبوبة بالطرد المركزي | صلابة عالية، طبقة خارجية مقاومة للاهتراء، طبقة داخلية قوية | من السهل فصلها |
تحضير المواد المركبة السيرميت
عملية تحضير المواد المركبة
تتكون المواد المركبة من السيرميت من جزيئات خزفية ومصفوفة معدنية. تلعب جزيئات السيراميك في المواد المركبة، باعتبارها الحاملات الرئيسية المقاومة للتآكل، دورًا حيويًا في استخدام المواد المركبة، ويمكن للمصفوفة المعدنية تفريغ القوة التي تتحملها جزيئات السيراميك أثناء استخدام المواد المركبة. يمكن أن يؤدي تحضير المواد المركبة السيرميت بطريقة التسلل إلى تجنب أوجه القصور مثل دورات الإنتاج الطويلة والاستهلاك العالي للطاقة والتكلفة العالية. استخدمنا برنامج محاكاة ProCAST لمحاكاة عملية المواد المركبة من الحديد الزهر ZTAp/عالية الكروم عند درجات حرارة صب تبلغ 1350 درجة مئوية، و1450 درجة مئوية، و1550 درجة مئوية، و1650 درجة مئوية، وبسرعات صب تبلغ 3.0 كجم/ثانية، و3.5 كجم/ثانية، و4.0 كجم/ثانية. ظروف الإجهاد في ظل ظروف مختلفة والتحقق من نتائج المحاكاة من خلال التجارب. أظهرت النتائج أن التأثير المركب يكون أفضل تحت صب الجاذبية الرملية عندما تكون سرعة الصب 3.5 كجم/ثانية، ودرجة حرارة الصب 1550 درجة مئوية. يمكن أن يضمن أن الجسم الجاهز لديه سلامة هيكلية جيدة أثناء العملية المركبة. استخدمنا تسلل صب الضغط السلبي لتحضير المواد المركبة من الحديد الزهر المعزز بالسيراميك ZTA. من خلال طلاء Ni وطلاء مسحوق Cr على سطح السيراميك ZTA، تم استخدام نشر العنصر في المصهور ذو درجة الحرارة العالية لتحسين قابلية بلل الواجهة وتعزيز تأثير التشريب وزيادة قوة الترابط. استخدمنا عملية صب تسلل بدون ضغط لتحضير جزيئات ألومينا مقوية من الزركونيا بحجم ميكرون معززة بمواد مركبة تعتمد على الحديد الزهر عالي الكروم، والتي حلت مشكلة الدمج الضعيف لجزيئات السيراميك بحجم ميكرون تحت ظروف التسرب ودراسة تعزيز ZTAp بشكل منهجي . تأثير محتوى المسحوق الناعم في التشكيلات المركبة من حديد الزهر عالي الكروم على بنيتها المجهرية وخواصها الميكانيكية.
خصائص تنظيم المواد المركبة
تنتج المواد المركبة السيرميت كمية كبيرة من المارتنسيت في المصفوفة من خلال عمليات التحضير المناسبة، وفي الوقت نفسه، يتم توزيع كربيدات M7C3 الأولية السداسية. يؤدي هذا إلى إبطاء معدل تآكل المعدن الأساسي، ويحمي جزيئات السيراميك ZTA إلى أقصى حد، ويحقق مقاومة عالية للتآكل. لقد استخدمنا تقنية التصلب الاتجاهي لتحضير الحديد الزهر عالي الكروم ببنية مفرطة الانصهار. لقد قمنا بدراسة تأثيرات التبريد والتلطيف على بنية المصفوفة والصلابة والمتانة ومقاومة التآكل. في ظل عملية التبريد بـ 1050 درجة مئوية + عملية التقسية بـ 450 درجة مئوية، فإن هيكل الحديد الزهر عالي الكروم هو M7C3+ martensite، مع كمية صغيرة من الأوستينيت المحتجز. تتمتع المصفوفة بطاقة تأثير عالية ومقاومة تآكل عالية. قمنا بتمييز اختبارات البنية المجهرية والأداء للحديد الزهر عالي الكروم منخفض الالتصاق في ظل ظروف معالجة حرارية مختلفة. لقد وجدنا أن الصلابة والطاقة الممتصة من الحديد الزهر عالي الكروم ناقص اليوتيك تزداد مع درجة حرارة التبريد وتمديد وقت الاحتفاظ. بعد التبريد والتلطيف، يمكن أن يصل الحد الأقصى للصلابة إلى 58HRC، ويمكن أن يصل الحد الأقصى لامتصاص طاقة التأثير إلى 15J. قمنا بدراسة تأثير عملية المعالجة الحرارية على البنية المجهرية والخواص الميكانيكية لحديد الزهر عالي الكروم سهل الانصهار. يتناقص نطاق محتوى الكربون في الفاصل سهل الانصهار مع زيادة محتوى الكروم، وهي علاقة خطية تقريبًا. سوف يؤدي التقسية عند 400 إلى 500 درجة مئوية إلى تصلب ثانوي. تزداد الصلابة بسرعة، ويتم تقليل فقدان التآكل بشكل كبير.
تصميم الهياكل المركبة
من خلال الدراسة المتعمقة للمركبات المقاومة للتآكل ذات الأساس المعدني، تم تحسين التكوين المركب وتصميمه وفقًا لاستخدام سطح عمل المنتج ومتطلبات قوة الإخراج. حاليًا، يتم إعداد المنطقة المركبة من المعدن والسيراميك كشبكة ثلاثية الأبعاد، ويمكن لهذا الهيكل أن يتجنب بشكل فعال الضغط الناتج أثناء انكماش ذوبان المعدن. تأكد من أن عملية إعداد واستخدام المواد المركبة من المعدن والسيراميك لن تنتج عنها شقوق أو كسور أو عيوب أخرى. من ناحية أخرى، فإن المنطقة المركبة المصنوعة من المعدن والسيراميك الشبيهة بالشبكة ستنتج هيكلًا مقعرًا ومحدبًا أثناء عملية التآكل، والذي يمكن أن "يلتقط" قطع الخام بشكل فعال في منطقة تكسير المواد بين أسطوانة الطحن والبطانة. استنادًا إلى برنامج تحليل العناصر المحدودة، قمنا بمحاكاة مجال درجة الحرارة والإجهاد الحراري لجزيئات السيراميك ZTA المعززة بمركبات مصفوفة الحديد الزهر عالية الكروم أثناء عملية الصب. تم تطبيق نموذج ميكانيكا البلاستيك الحراري لوصف توزيع الضغط الحراري لمسبوكات الجسم مسبقة الصب بهياكل مختلفة بدقة. لقد تبين أخيراً أن الإجهاد الحراري يتناقص مع زيادة جوانب فتحات الجسم مسبقة الصب، أي أن الإجهاد الحراري يقل إلى الحد الأدنى عندما تكون فتحات قرص العسل دائرية.
إلى جانب آلية فشل المواد تحت ظروف التآكل الكاشطة، نحلل أنه في ظل ظروف التآكل الكاشطة غير التصادمية، يعتمد تحسين مقاومة التآكل لمركبات السيراميك/الصلب الإنشائية على الأداء المشترك للصلابة والمتانة لجزيئات السيراميك وصلابة المصفوفة وقوة الترابط بين السيراميك/المصفوفة؛ في ظل ظروف التآكل الكاشطة، يعتمد تحسين مقاومة التآكل لمركبات السيراميك/الصلب الإنشائية بشكل أساسي على صلابة جزيئات السيراميك، وصلابة المصفوفة وقوة الترابط بين الأسطح للسيراميك/المصفوفة. في حالة التآكل الكاشط، يعتمد تحسين مقاومة التآكل لمركبات السيراميك/الفولاذ المبنية بشكل أساسي على صلابة جزيئات السيراميك، وصلابة المصفوفة، وقوة الرابطة البينية للسيراميك/المصفوفة.
تصنيع وتطبيق بكرات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك
نظرة عامة على التصميم الهيكلي وعملية التصنيع لأسطوانة طحن مركب السيرميت
أولاً، تم خلط سطح جزيئات السيراميك، وتم خلط جزيئات السيراميك ZTA المعالجة ومسحوق سبائك الكروم العالي بشكل متناسب ووضعها في قوالب الجرافيت، وضغطها. تم تحضير التشكيل الخزفي عن طريق صب تلبيد الفراغ عالي الحرارة، وكان شكل التشكيل كما هو موضح في الشكل، حيث كانت نسبة جدار مسام الشبكة (1.5 ~ 1.8): 1.
يتم ترتيب القوالب بشكل تسلسلي وتثبيتها داخل التجويف في المعدن بالطريقة الموضحة في الشكل أدناه. يتم صب مصهور الحديد الزهر عالي الكروم عن طريق الصب بالجاذبية عند درجة حرارة 1550 درجة مئوية. يتم الاحتفاظ باللفة لمدة 72 ساعة ثم يتم إزالتها للحصول على لفة طحن مركب السيرميت. تمت إزالة بكرات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك بعد 72 ساعة من وقت الانتظار.
تأثير تشغيل أسطوانة الطحن المركبة من المعدن والسيراميك
تم استخدام أسطوانة الطحن المركبة المصنوعة من المعدن والسيراميك الخاصة بشركتنا بنجاح في صناعة الألياف الزجاجية في ظروف العمل الموضحة في الجدول 2: مقارنة بيانات طحن الحديد الزهر التقليدي عالي الكروم وأسطوانة الطحن المعدنية والسيراميك لطحن الألياف الزجاجية. الاستخدام المبكر لبكرات طحن الحديد الزهر ذات الكروم العالي التقليدية، يبلغ إنتاجها 11 طنًا في الساعة، في إجمالي الناتج 12,000 طن بعد أن يكون سمك التآكل لسطح اللفة 45 ~ 50 مم. هذه المرة، الناتج من انخفاض حاد في الساعة لا يمكن أن تلبي متطلبات الإنتاج. بعد استخدام أسطوانات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك، يكون الإنتاج في الساعة مستقرًا عند أكثر من 13 طنًا، وهو أعلى بنسبة 18% من أسطوانات الطحن التقليدية المصنوعة من الحديد الزهر عالي الكروم. الاستخدام على الوجهين لما يصل إلى 60,000 طن هو إجمالي الناتج لأسطوانة الطحن التقليدية المصنوعة من الحديد الزهر عالي الكروم 5 مرات. من تحليل البيانات في الجدول 2، فإن استخدام بكرات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك يمكن أن يوفر الطاقة، ويقلل من استهلاك الطاقة، ويقلل من هدر الموارد غير المتجددة.
الجدول 2: مقارنة بيانات التشغيل للحديد الزهر التقليدي عالي الكروم وبكرات طحن السيرميت | |||||
الخامة | متوسط التيار/أ | سمك التآكل الإجمالي / مم | إجمالي وقت التشغيل/ساعة | متوسط إنتاج الوحدة في الساعة/(t/h) | إحصائيات الإنتاج الإجمالي / 10,000 طن |
حديد زهر عالي الكروم | 28 | 45-50 | 1000 | 11 | 1.2 |
مركبات السيراميك المعدنية | 25 | 35-40 | 4600 | 13 | 6 |
يوضح الشكل 3 تآكل بكرات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك في مراحل مختلفة من التشغيل. يمكن ملاحظة أن جزيئات السيراميك يتم توزيعها في شكل شبكي بارز، والذي "يلتقط" المادة في منطقة الطحن الخاصة بالبكرات أثناء عملية التشغيل ويحسن إنتاجية المسحوق.
الشكل 4 هو سمك التآكل لسطح العمل لأسطوانة الطحن تحت مخرجات مختلفة؛ يمكن ملاحظة أن معدل تآكل سطح العمل لأسطوانة الطحن في فترة ما قبل الحرب سريع نسبيًا.
ويرجع ذلك إلى "عملية الكسر" (عندما لا يكون السيراميك في حالة عمل كاملة)، مما يؤدي إلى زيادة التآكل. مع استمرار استخدام اللفات، تدخل المنطقة المركبة من السيراميك المعدني إلى التشغيل الكامل ويستقر معدل التآكل تدريجيًا. توضح البيانات الواردة في الجدول 2 أن مقاومة التآكل لللفات المركبة من المعدن والسيراميك أعلى بكثير من مقاومة لفات الحديد الزهر التقليدية عالية الكروم.
تحليل الفوائد الاقتصادية
في نفس دورة الاستخدام، فإن استخدام بكرات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك دون الحاجة إلى السطح لا يؤدي فقط إلى تقليل تكلفة الشراء وعدد زيارات الصيانة ولكن أيضًا إلى تقليل تكاليف الإنتاج بشكل كبير.
الجدول 3: مقارنة الأداء الاقتصادي لفات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك ولفائف الطحن عالية الكروم | |||||
البند | تكلفة/مجموعة المشتريات (يوان) | متوسط تكلفة طحن رولز للطن الواحد (رنمينبي) | استهلاك الكهرباء/(كيلوواط ساعة/طن) | تكلفة الكهرباء للطن (يوان) | التكلفة الإجمالية لمجموعة واحدة من بكرات الطحن للطن / يوان |
بكرات وبطانات طحن من حديد الزهر عالي الكروم | 120000 | 10.27 | 64 | 40 | 50.27 |
بكرات وبطانات طحن مركبة من المعدن والسيراميك | 250000 | 4.22 | 62 | 38 | 42.22 |
خذ الطاحونة العمودية HRM1700 كمثال، عمر التشغيل التقليدي للحديد الزهر الكرومي حوالي 1000 ساعة، إجمالي الإنتاج 12,000 طن، سعر السوق حوالي 120,000 يوان لكل مجموعة، تكاليف التفكيك والصيانة 0.32 مليون يوان، متوسط التكلفة لفات طحن للطن الواحد من مسحوق 10.27 يوان، للطن الواحد من مسحوق التكلفة 40 يوان من استهلاك الكهرباء، ومجموعة واحدة من ارتفاع لفائف الحديد الزهر الكروم للطن الواحد من مسحوق ما مجموعه 50.27 يوان. تم التغيير إلى أسطوانة الطحن المركبة من المعدن والسيراميك وعمر تشغيل البطانة حوالي 4600 ساعة، ويبلغ إجمالي الإنتاج 60,000 طن، وسعر السوق حوالي 250,000 يوان لكل مجموعة، وتكاليف التفكيك والصيانة تبلغ 0.32 مليون يوان، ومتوسط حمولة مسحوق بكرات الطحن. 4.22 يوان، للطن الواحد من تكلفة استهلاك المسحوق 38 يوان، ومجموعة واحدة من بكرات طحن الحديد الزهر عالية الكروم للطن الواحد من المسحوق بإجمالي 42.22 يوان. مطحنة عمودية واحدة وفقًا للإنتاج السنوي الذي يبلغ 100,000 طن للحساب، كل طن من المسحوق لتوفير تكلفة شراء بكرات الطحن 6.05 يوان، مما يوفر تكاليف الكهرباء 2 يوان، يمكن أن يقلل من تكلفة الشراء بمقدار 605,000 يوان سنويًا، مما يوفر تكاليف الكهرباء حوالي 200,000 يوان.
ملاحظات ختامية
حققت شركة Qiming Casting الكثير من الإنجازات في مجال البحث عن المواد المركبة من السيراميك المعدني، والتي وضعت الأساس النظري لبكرات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك المحلية. يتم تطبيق بكرات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك المحضرة بطريقة الصب والتسلل في معدات صنع مسحوق الألياف الزجاجية للعملاء، مع التأثير الواضح لتوفير الطاقة وتقليل الاستهلاك:
- يمكن أن يؤدي استخدام بكرات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك إلى زيادة الإنتاج في الساعة بنسبة تصل إلى 18% مقارنة بالمواد المقاومة للتآكل أحادية المعدن؛
- في ظل نفس حالة التآكل، يتم تقليل حجم التآكل لأسطوانة الطحن المركبة من المعدن والسيراميك بنسبة 30% إلى 35%، مما يمكن أن يطيل عمر الخدمة الإجمالي لأسطوانة الطحن إلى 3 إلى 5 مرات؛
- سيؤدي تقليل عدد الإصلاحات بمقدار 6 مرات إلى تقليل تكلفة الشراء بمقدار 605,000 دولار سنويًا وتوفير حوالي 200,000 دولار من تكاليف الكهرباء؛
- تقليل استهلاك الطاقة، كما أن استخدام بكرات الطحن المركبة من المعدن والسيراميك يقلل من متوسط استهلاك الطاقة لكل طن من المسحوق بنسبة 3%.