تحليل الفشل والبحث الأمثل عن مطارق كسارة المنغنيز

نبذة عامة

قام عميلنا في الولايات المتحدة الأمريكية بشراء 98 مطارق كسارة منجنيز (Mn18) لكسارات الأسمنت العمودية الخاصة به. وبعد ستة أشهر من الخدمة، تعطلت بعض الأجزاء وتعطلت. يريد العميل منا أن نحلل سبب الكسر ونقدم منتجات محسنة.

تحليل حالة العمل

مطرقة الكسارة هي المكون الأساسي للكسارة المطرقة، ونظرًا لظروف العمل عالية التأثير في الكسارة، ارتفاع الفولاذ المنغنيز هي المادة المعدنية الأكثر ملاءمة للمطرقة. إن رأس المطرقة الموجود في كسارة خبث الأسمنت مصنوع بشكل رئيسي من فولاذ المنغنيز ذو نسبة Mn18 العالية. أثناء عملية تصلب مطرقة فولاذية عالية المنغنيز، عندما يتجاوز مجموع الضغط الداخلي الناتج عن انكماش التبريد والضغط الحراري الناتج عن اختلاف درجة الحرارة بين داخل وخارج الصب قوة المنطقة المتأثرة بالإجهاد، يتم تطبيق غرامة سوف تحدث الشقوق في الصب. قد يتم ملء هذه الشقوق الدقيقة بعناصر مذابة من ناحية، ومن ناحية أخرى، قد تتسبب في تراكم الشوائب، وكلاهما سيشكل مناطق متقطعة في المصفوفة الفولاذية. ولا يمكن إزالة هذه الشقوق وحشوها الداخلية أثناء عملية تقسية الماء. في ظروف العمل القاسية والمعقدة داخل الكسارة، يكون اتجاه وشدة التأثير على رأس المطرقة أثناء تشغيلها عشوائيًا معينًا، مما يؤدي إلى التوسع المستمر للاختلافات في خصائص تصلب العمل السطحي وخصائص البنية المجهرية لأجزاء مختلفة من الكسارة. المطرقة. بالإضافة إلى ذلك، تستمر الشقوق الدقيقة الموجودة في الانتشار أثناء عملية تأثير الكلال، مما يؤدي في النهاية إلى حوادث فشل مثل الكسور أو كسر المطرقة، مما يؤثر على دورة حياة الخدمة الإجمالية.

فحص وتحليل المطارق الفاشلة لكسارة المنغنيز العالية

اختبار المكونات

تم أخذ أجزاء صب مختلفة لفحص التركيب، وتظهر النتائج في الجدول 1.

في الجدول 1، يمكن ملاحظة أن هناك اختلاف طفيف في التركيب بين المنطقة الوسطى والسطح، والذي يعزى إلى الفصل أثناء عملية التصلب. يعد الكروم أحد العناصر المضافة بكميات كبيرة نسبياً إلى الفولاذ الذي يحتوي على نسبة عالية من المنجنيز، كما أن دوره واضح تماماً. بعد معالجة تقسية الماء، يذوب الكروم في الغالب في الطور الأوستنيتي من الفولاذ عالي المنغنيز، مما يزيد من قوة إنتاج الفولاذ ويسرع ترسيب الكربيد أثناء التبريد، مما يؤدي عادةً إلى توزيع شبكي مستمر للكربيدات على طول حدود الحبوب. يُظهر الفولاذ عالي المنغنيز مع الكروم المضاف مقاومة تآكل محسنة عند تعرضه للتآكل القوي، مما يجعله مناسبًا لسبائك مطرقة الكسارة.

ينتمي التيتانيوم إلى فئة عناصر الاختزال الحيوية في الفولاذ المنصهر. وفي الفولاذ عالي الكربون والنيتروجين العالي Mn18، يمكن أن يتحد مع C وN لتكوين رواسب. إذا تشكلت جزيئات ذات نقطة انصهار عالية مثل TiN وTi(C,N) قبل التصلب، فيمكن أن تعمل كمواقع نووية غير متجانسة غير تلقائية للأوستينيت، مما يزيد من عدد الحبوب لكل وحدة حجم وبالتالي تحسين حجم الحبوب. لذلك، كان هناك قدر كبير من البحث والتطبيق العملي لسبائك التيتانيوم الدقيقة في الفولاذ عالي المنغنيز. في الفولاذ Mn18 الموصوف في هذه المقالة، تمت إضافة حوالي 0.5% من التيتانيوم خلال مرحلة التصميم الأولي.

تحليل واجهة الكسر لمطارق الكسارة

بعد عمليات التفتيش ذات الصلة، تم استخدام مطارق الكسارة Mn18 في الكسارة العمودية للأسمنت. وبعد فترة خدمة مدتها 6 أشهر، تعرض بعضهم لكسر في الكسور. تم تحليل العينات المكسورة، وتظهر النتائج ذات الصلة في الأشكال من 1 إلى 5.

• يوضح الشكل 1 أن الكسر حدث حول فتحة توصيل المطرقة، مما يشير إلى كسر هش عرضي.
• ويكشف الشكل 2 أن سطح الكسر في مواضع مختلفة يُظهر خصائص كسر الانقسام النموذجية، مما يشير إلى ضعف صلابة المطرقة. بالإضافة إلى ذلك، يتم توزيع الادراج غير النظامية على شكل كتلة على نطاق واسع عبر أقسام مختلفة، مما يشير إلى العدد الإجمالي المرتفع نسبيا لهذه الادراج.
• كما هو مبين في الشكل 3، في القسم الطبيعي من الهيكل، تكون الحبوب خشنة نسبيًا، ويتم ترسيب الكربيدات الممتلئة على طول حدود الحبوب. ومع ذلك، فإن الحدود الإجمالية لحبوب الأوستينيت تبدو طبيعية.
• يوضح الشكلان 3 و4 أن الحبيبات الموجودة في القسم الطبيعي من رأس المطرقة تكون عند مستوى 0.5 تقريبًا. في المقابل، تكون الحبوب القريبة من سطح الكسر أكبر، ويبلغ متوسط ​​قطر الحبوب أكثر من 400 ميكرومتر. تشكلت كربيدات شبكية مستمرة على طول حدود الحبوب، ونمت العديد من الكربيدات الحلقية من حدود الحبوب إلى الحبوب. يُظهر سطح الكسر خصائص كسر حبيبية واضحة. على عكس الكربيدات الكروية، التي لها بنية مكعبة مركزية الوجه، فإن الكربيدات الحلقية لها بنية مكعبة مركزية الجسم. تؤدي الخصائص الهيكلية المختلفة إلى اختلافات كبيرة في خواصها الفيزيائية. تعتبر الكربيدات الحلقية الدقيقة (الطول ≥20 ميكرومتر) مفيدة لتثبيت حدود الحبوب وتحسين الخواص الميكانيكية للفولاذ عالي المنغنيز، وخاصة صلابة الصدمات. ومع ذلك، في الشكل 4، تشير الكربيدات الطويلة للغاية ذات اللون الرمادي العميق التي تخترق الحبوب إلى أن تحول البرليت سيحدث داخلها. وذلك لأنه في ظل ظروف معينة من التبريد الفائق، ستشكل المناطق ذات ترسيب الكربيد المركز بنية مختلطة تتكون من رقائق Fe3C وكمية صغيرة من الفريت (التي تتكون من الترسيب المحلي للكربيدات لإنشاء منطقة منخفضة الكربون)، والمعروفة باسم البرليت. يتميز هذا الهيكل المختلط بترابط ضعيف، مما يؤدي إلى انخفاض طاقة امتصاص الصدمات مقارنة بمصفوفة الأوستينيت الموحدة. عند تعرضها لقوى خارجية قوية، يصبح كل من الفريت الحلقي وحدود الحبوب التي يقع فيها مناطق تركيز إجهاد، مما يؤدي إلى عيوب مثل الكسور والتمزق، مما يؤدي في النهاية إلى فشل كسر رأس المطرقة بعد فترة معينة من الخدمة.
• يوضح الشكل 5 أن TiN وTi(C,N) يتجمعان بشكل مستمر وعلى نطاق واسع في منطقة معينة، مما يشكل مناطق متقطعة في المصفوفة الفولاذية. في هذه المنطقة، تنخفض القوة والمتانة بشكل حاد. أثناء عملية عمل رأس المطرقة، تصبح هذه الأنواع من الشوائب مناطق تركيز ضغط واضحة. إنها تعمل بشكل مباشر كأصل الشقوق، حيث تتوسع وتمتد تدريجيًا، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين صدع واسع النطاق والتسبب في فشل كسر رأس المطرقة.

 

التحليل والمناقشة

 

تأثير التركيب الكيميائي

يعد الكربون أحد أهم العناصر في الفولاذ عالي المنغنيز. وجوده يسهل تكوين هيكل الأوستينيت أحادي الطور. كما تساعد كمية كبيرة من الكربون المذاب في الأوستينيت على زيادة قوة الفولاذ عالي المنغنيز. بالإضافة إلى ذلك، تساهم الكربيدات المتكونة من الكربون وعناصر السبائك مثل الكروم في تحسين مقاومة التآكل للفولاذ عالي المنغنيز. ومع ذلك، فإن المحتوى الكربوني المرتفع بشكل مفرط سيزيد من ميل ترسيب الكربيد عند حدود الحبوب، وهو ما يضر، في ظل نفس الظروف، بتثبيت حدود الحبوب. ولذلك، فمن المستحسن تقليل محتوى الكربون بشكل مناسب استناداً إلى الجدول 1.

يمكن أن تؤدي إضافة Mo إلى الفولاذ عالي المنغنيز إلى تقليل ترسيب الكربيدات في البنية المصبوبة وتقليل الميل إلى تكوين شبكة من الكربيدات على حدود حبيبات الأوستينيت. يمكن للموليبدينوم أيضًا أن يبطئ معدل ترسيب الفولاذ للكربيدات الشبيهة بالإبرة، مما يخفض درجة حرارة الترسيب. هذه التأثيرات مفيدة لتحسين مرونة وقوة الفولاذ عالي المنغنيز في حالة الصب. يمكنهم التعويض عن العيوب الناجمة عن إضافة عناصر الكروم. لذلك، يجب إضافة Mo بشكل مناسب للعمل جنبًا إلى جنب مع Cr، مع الاستفادة من التأثيرات المفيدة لكلا العنصرين.

تم تأكيد التأثيرات المفيدة لسبائك التيتانيوم الدقيقة في الفولاذ عالي المنغنيز والتي تمت مناقشتها في هذه المقالة. ومع ذلك، إذا كان محتوى التيتانيوم مرتفعًا جدًا بينما يظل محتوى النيتروجين مستقرًا نسبيًا، فإن TiN وTi(C, N) يبدأان بالترسيب عند 1400 درجة مئوية. وهي تتشكل وتندمج بشكل مستمر وعلى نطاق واسع داخل المعدن المصهور أو في المنطقة ثنائية الطور الصلبة والسائلة. مع استمرار التصلب، فإنها تتجمع باستمرار نحو حدود الحبوب، مع تركيز أعلى للعناصر المذابة ومراحل نقطة انصهار أقل نسبيًا. يتجاوز هذا التجميع المقدار المطلوب لتأثير التثبيت، مما يقلل من قوة ربط حدود الحبوب الأولية وحتى الانفصال الشديد بين المصفوفة الفولاذية وحدود الحبوب. أثناء عملية عمل رأس المطرقة، يصبح تجميع الشوائب منطقة تركيز إجهاد كبيرة، ويعمل بشكل مباشر كأصل الشقوق، والتي تنتشر تدريجيًا وتمتد لتسبب تشققًا واسع النطاق، مما يؤدي في النهاية إلى فشل رأس المطرقة.

لذلك، من منظور تركيبي، من الضروري الاستفادة الكاملة من التأثيرات المفيدة لـ TiN وTi(C, N) في مسبوكات Mn18 مع التحكم أيضًا في الآثار الضارة لهطول الأمطار المكثف والمركز. يمكن تقليل محتوى التيتانيوم بشكل مناسب من خلال النظر في ممارسات التطبيق الناضجة للفولاذ منخفض السبائك والفولاذ ذو السبائك المتوسطة.

 

تأثير تكنولوجيا العمليات

لإنتاج فولاذ منغنيز عالي مع أداء جيد وعمر خدمة مستقر، يعد التحكم في صقل حبيبات الأوستينيت وتشكل الكربيدات نقطتي تحكم رئيسيتين. أثناء عملية التبريد والبلورة للفولاذ الذي يحتوي على نسبة عالية من المنجنيز، تترسب كل من الكربيدات الشبكية والحلقية على طول حدود الحبوب، مع نمو الكربيدات الحلقية نحو الداخل. ومع ذلك، إذا كان الصب كبيرًا جدًا، والوقت من التسخين إلى معالجة تقوية الماء طويل جدًا، وكان اختراق التبريد أثناء معالجة تقوية الماء غير كافٍ، مما يؤدي إلى الإقامة لفترة طويلة في منطقة درجة الحرارة المرتفعة (≥500 درجة مئوية)، سيؤدي ذلك إلى استمرار نمو حبيبات الأوستينيت، والترسيب المستمر للكربيدات الحدودية للحبوب، والنمو المستمر للكربيدات الحلقية. وهذا يؤدي في النهاية إلى اختلافات مفرطة في حالات الضغط الداخلية والخارجية. في ظل القوى الخارجية القوية، تظهر لأول مرة الاضطرابات عالية الكثافة وتوأمة التشوه على سطح رأس المطرقة، مما يؤدي إلى زيادة قوته وصلابته بسرعة. تؤدي الزيادة الإضافية في الفرق في الإجهاد الداخلي والخارجي إلى هشاشة حدود الحبوب الداخلية، مما يؤدي إلى التمزق والكسر، والذي يتجلى في فشل كسر رأس المطرقة.

لذلك، من منظور العملية، من الضروري أولاً التأكد من أن درجة حرارة التسخين قبل معالجة الماء المقوى لرأس المطرقة معقولة وكافية، وبالتالي ضمان ذوبان الكربيدات بالكامل أو معظمها في الأوستينيت. بعد إزالة رأس المطرقة من فرن التسخين، تكون فترة الذروة لهطول الأمطار كربيد. إذا كان الوقت من الإزالة إلى الغمر في الماء طويلًا، فسوف تترسب الكربيدات بكميات كبيرة، وسيتم إنتاج الكربيدات الحلقية بسرعة. مع عدم كفاية قوة التبريد وعدم كفاية معدل نقل التبريد الداخلي، تحدث تأثيرات الشيخوخة الداخلية، مما يؤدي إلى نمو كبير للحبوب وترسيب كربيد مفرط أثناء عملية الاستخدام، مما يؤدي إلى تشقق حدود الحبوب وفشل رأس المطرقة. لذلك، يجب تقليل وقت غمر الصب بشكل كبير لتشكيل الأوستينيت المستقر في أسرع وقت ممكن، وتقليل كمية ترسيب الكربيد، وتجنب حدوث كربيد شبكي مع زيادة حجم الماء للحفاظ على التبريد الفائق وتسريع التبريد الداخلي، وتجنب حدوث الإفراط في التبريد. ترسيب الكربيد ووجود كربيدات حلقية كبيرة الحجم في ظل ظروف الشيخوخة، وبالتالي تحسين اتساق الهيكل الداخلي والخارجي، وخصائص حدود الحبوب، وأداء رأس المطرقة، وإطالة عمر الخدمة.

 

تدابير التحسين

بناءً على التحليل والمناقشة أعلاه، تمت صياغة تدابير التحسين التالية:

1. قم بتقليل هدف محتوى C لرؤوس مطرقة الكسارة عالية المنغنيز إلى 1.25% وهدف محتوى Ti إلى 0.15%.
2. أضف قيمة مستهدفة قدرها 0.5% من الموليبدينوم.
3. تمت زيادة درجة حرارة تسخين معالجة تقوية الماء بمطرقة الكسارة إلى 1060 درجة مئوية، وتم تحسين التشغيل، وتم تقليل الوقت من خروج مطرقة الكسارة من الفرن إلى دخول الماء إلى أقل من 40 ثانية.
4. قم بتحسين ظروف تبريد المياه، أو زيادة حجم خزان المياه، أو استخدام المياه المتداولة ذات التدفق الكبير والتي يتم التحكم في درجة حرارتها لضمان كثافة التبريد.

 

تأثير التنفيذ

المجهرية

تنتج العملية المحسنة مطارق كسارة Mn18، ويوضح الجدول 2 التركيب الفعلي للفولاذ المنصهر.

الجدول 2. التركيب الكيميائي لرأس المطرقة Mn18 الأمثل (بالوزن٪)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
أجزاء العينة	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

من الجدول 2، تصل المكونات إلى النطاق المستهدف للتحسين.

بعد الانتهاء من الصب، يتم تشريح مطرقة الكسارة، ويظهر التنظيم في الشكل 6.

ويبين الشكل 6 أنه بعد تحسين كل من التركيب والعملية، يصبح الهيكل بالقرب من سطح رأس المطرقة أكثر اتساقًا. حجم الحبوب عند المستوى 2، في حين أن الحبوب في المنطقة الأساسية حوالي المستوى 1، مما يظهر هطولًا مميزًا لحدود الحبوب. ومع ذلك، فإن الرواسب هي بشكل رئيسي كربيدات ممتلئة، وطول الكربيدات الحلقية يكون في الغالب ضمن 10 ميكرومتر، مما يشير إلى انخفاض مناسب في محتوى الكربون. تؤدي إضافة Mo مع Cr إلى تقليل الكمية الإجمالية للرواسب وتحسين شكلها، مما يفضي إلى استقرار حدود الحبوب. علاوة على ذلك، لم تتم ملاحظة أي شوائب ممتلئة تشبه TiN تتجمع في صفائح بين الرواسب، مما يشير إلى أن الآثار الضارة لمثل هذه الشوائب تقع ضمن نطاق يمكن التحكم فيه.

بعد 18 شهرًا من الاستخدام، لم تتعرض هذه الدفعة من مطارق الكسارة لأي فشل في الكسر باستثناء التآكل العادي على أطراف السطح. يشير هذا إلى تحسن كبير في الجودة الداخلية والخارجية لمطارق الكسارة، مما يؤدي إلى تمديد ثابت لدورة حياتها.

خاتمة

1. التشقق على طول حدود الحبوب في المقطع العرضي هو السبب المباشر لكسر مطرقة الكسارة Mn18، والسبب الأساسي هو ترسيب كربيدات شبكة حدود الحبوب الناتجة عن معدل التبريد غير الكافي.
2. إذا كان محتوى Ti مرتفعًا جدًا، فسوف تترسب كمية كبيرة من TiN المربع وتتجمع عند حدود الحبوب، مما سيقلل أيضًا من قوة ترابط حدود الحبوب ويعزز تشقق حدود الحبوب تحت تأثير القوى الخارجية.
3. يمكن أن يؤدي استخدام السبائك المركبة Cr وMo إلى تقليل ترسيب كربيدات حدود الحبوب، وتحسين شكل الكربيدات، وتقليل ترسيب الكربيدات كبيرة الحجم التي تشبه الإبرة بشكل كبير.
4. تم اعتماد تدابير مثل تحسين عملية تقوية الماء بناءً على تحسين التركيب لتحسين حبيبات المطرقة Mn18، والتحكم في إجمالي كمية الرواسب وشكلها، وفي النهاية تمديد وقت الخدمة.

استنادًا إلى تحليل خصائص واجهة الكسر، والتشكل، والبنية المعدنية لمطارق كسارة المنغنيز، فقد تم تحديد أن التشقق على طول حدود الحبوب، والمحتوى الزائد من Ti، وعمليات الإنتاج غير المعقولة هي أسباب الفشل. من خلال تقليل محتوى Ti، وزيادة عنصر Mo، وتغيير عملية الإنتاج، وغيرها من التدابير، يتم تحسين خصائص البنية المجهرية، والكمية الإجمالية، ومورفولوجيا رواسب مطارق الكسارة Mn18، ويتم تحسين دورة الخدمة واستقرار رأس المطرقة بشكل فعال.