Proč vyvíjet kovokeramické brusné válce?
Čína je jednou ze zemí s nejbohatšími zásobami nerostných surovin. S rozvojem základní vědy o materiálech se poptávka po rudném prášku každoročně zvyšuje. Existuje mnoho způsobů přípravy rudného prášku. Vertikální mlýnský systém je dnes typickým mlecím procesem a je široce používán v cementu, stavebních materiálech, těžbě, elektrické energii, sklolaminátu a dalších průmyslových odvětvích. Ruda se drtí a mele na prášek velikosti mikronů nebo dokonce nano velikosti pomocí kombinované činnosti mlecích válců a obkladových desek ve vertikálním mlýnu. Při kontinuálním procesu drcení a mletí je povrch mlecího válce také opotřebováván reakční silou materiálu, což nejen způsobuje velké opotřebení kovového materiálu, ale také vede ke snížení funkce mletí, snížení ve výkonu a zvýšení nákladů na údržbu a výměnu brusného válce. V současné době jsou mlecí válce ve vertikálních mlýnech často vyrobeny z litiny s vysokým obsahem chrómu nebo navařené s litinou s vysokým obsahem chrómu. Přestože jeho provozní stabilita je dobrá, stále existují problémy, jako je nízký denní výkon a nedostatečná odolnost proti opotřebení. Problém je, že nesplňuje očekávání lidí na nižší spotřebu zdrojů. Proto je životně důležitý vývoj nových materiálů pro výrobu nových brusných válců. Tento článek stručně představuje vývoj cermetových kompozitních mlecích válců ve vertikálních mlýnech a analyzuje účinky jejich aplikace pomocí případových studií.
Přehled vývoje a aplikace otěruvzdorných kovokeramických brusných válců v Číně a zámořských zemích
Jako hlavní mlecí součást vertikálního mlýna vyžaduje mlecí válec vysokou tvrdost a určitý stupeň houževnatosti. Proces vývoje materiálů odolných proti opotřebení prošel třemi fázemi: ocel s vysokým obsahem manganu, niklová tvrdá litina a litina s vysokým obsahem chrómu. Ocel s vysokým obsahem manganu se často používá v podmínkách s rázovým zatížením, ale nemůže být plně vytvrzena a má extrémně omezenou odolnost proti opotřebení. Díky své dobré prokalitelnosti může litina s tvrdou niklem při lití vytvořit tvrdou martenzitovou + M³C karbidovou strukturu odolnou proti opotřebení. Tato eutektická struktura může dobře odolávat orání matrice materiálem. , ale jeho houževnatost je nedostatečná a rozsah jeho použití je relativně malý. Litina s vysokým obsahem chrómu je třetí generací materiálů odolných proti opotřebení vyvinutých po oceli s vysokým obsahem manganu a litině tvrdé niklu. Ve srovnání s běžnou litinou má litina s vysokým obsahem chromu vysokou houževnatost, tepelnou odolnost a odolnost proti opotřebení.
V průmyslových odvětvích, jako je mletí rud, bude s tím, jak se provozní rychlost zařízení neustále zvyšuje, odolnost litiny s vysokým obsahem chromu proti opotřebení nedostatečná. Zahraniční výzkum materiálů odolných proti opotřebení se zaměřuje na kompozity s kovovou matricí využívající keramické částice ZTA a keramické částice WC jako vyztužující fáze. Mezi nimi jsou výrobci kompozitních materiálů zastoupeni Belgií Magotteaux a indická společnost VEGA Wear Resistant Materials Company používají tyto materiály k přípravě cermetových kompozitních brusných válečků a obložení a jejich pracovní povrchy se vyznačují vysokou tvrdostí a vysokou odolností proti opotřebení. Kovo-keramické kompozitní mlecí válce a obložení byly široce používány v cementářském, tepelném energetickém, rudném a dalších průmyslových odvětvích v zahraničí, což výrazně zvyšuje provozní dobu vertikálních mlýnů a snižuje abnormální údržbu vertikálních mlýnů. Cena dovážených cermetových brusných válců je však vysoká a dodací cyklus dlouhý, takže poměr cena/výkon není vysoký. Tuzemský trh se těší na tuzemské cermetové brusné válce. Srovnání charakteristik mlecího válce v Číně a dalších zemích je uvedeno v tabulce níže.
Typ brusného válce | Charakteristika různých brusných válců | ||
Výhoda | Nevýhoda | ||
Čína trh | Legované oceli | Vysoká pevnost, vysoká houževnatost, vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení | vysoká cena |
litá ocel | Dobrá pevnost a houževnatost | Nízká tvrdost a nízká odolnost proti opotřebení | |
Tvárné železo | Dobrá houževnatost, vysoká tvrdost, střední odolnost proti opotřebení, snadné zpracování | Snadno se láme, má nízkou pevnost | |
Navařená litina s vysokým obsahem chromu | Vysoká pevnost, vysoká houževnatost, vysoká tvrdost | Snadné odlepení, časté navařování překrytí, nedostatečná odolnost vůči únavě chladem a teplem | |
Ocel s vysokým obsahem manganu | Vysoká houževnatost, tvrdost a střední odolnost proti opotřebení | Snadno se láme a smršťuje | |
Nízkolegovaná ocel | Vysoká pevnost, houževnatost a odolnost proti nárazu | Není odolný proti opotřebení, krátká životnost | |
Trh ostatních zemí | Povlak odolný proti opotřebení | Vysoká pevnost a houževnatost | Nízká odolnost proti nárazu a drahé |
Odstředivě litá bimetalická vysoce legovaná ocel | Vysoká tvrdost, vnější vrstva odolná proti opotřebení, silná vnitřní vrstva | Snadno se odděluje |
Příprava cermetových kompozitních materiálů
Proces přípravy kompozitního materiálu
Cermetové kompozitní materiály se skládají z keramických částic a kovové matrice. Keramické částice v kompozitních materiálech jako hlavní nosiče odolné proti opotřebení hrají zásadní roli při použití kompozitních materiálů a kovová matrice může uvolnit sílu, kterou keramické částice nesou během použití kompozitních materiálů. Příprava cermetových kompozitních materiálů metodou infiltrace odléváním se může vyhnout nedostatkům, jako jsou dlouhé výrobní cykly, vysoká spotřeba energie a vysoké náklady. Použili jsme simulační software ProCAST k simulaci procesu kompozitních materiálů ZTAp/litina s vysokým obsahem chromu při teplotách lití 1350 °C, 1450 °C, 1550 °C a 1650 °C a rychlostech lití 3.0 kg/s, 3.5 kg/sa 4.0 kg/s. Zátěžové podmínky za různých podmínek a ověřte výsledky simulace pomocí experimentů. Výsledky ukazují, že kompozitní efekt je lepší při lití do písku, když je rychlost lití 3.5 kg/s a teplota lití je 1550 °C. Může zajistit, že prefabrikované tělo má dobrou strukturální integritu během procesu kompozitu. K přípravě kompozitních materiálů s matricí z keramiky vyztužené keramikou z litiny s vysokým obsahem chrómu jsme použili infiltraci podtlakovým litím. Pokovením Ni a nanesením Cr prášku na keramický povrch ZTA byla použita difúze prvků ve vysokoteplotní tavenině ke zlepšení smáčivosti rozhraní, podpoře impregnačního účinku a zvýšení pevnosti spojení. Použili jsme proces beztlakového infiltračního lití k přípravě mikronových částic oxidu zirkoničitého vyztuženého vysokochromovou litinou na bázi kompozitních materiálů, který vyřešil problém špatného tavení předlisku mikronových keramických částic za podmínek průsaku a systematicky studoval výztuž ZTAp . Vliv obsahu jemného prášku v kompozitních preformách s matricí z litiny s vysokým obsahem chromu na jejich mikrostrukturu a mechanické vlastnosti.
Charakteristika organizace kompozitních materiálů
Cermetové kompozitní materiály produkují prostřednictvím vhodných procesů přípravy velké množství martenzitu v matrici a současně jsou distribuovány šestihranné primární karbidy M7C3. Tím se zpomalí rychlost opotřebení základního kovu, v největší míře jsou chráněny keramické částice ZTA a dosáhne se vysoké odolnosti proti opotřebení. Pro přípravu vysokochromové litiny s hypereutektickou strukturou jsme použili technologii směrového tuhnutí. Studovali jsme účinky kalení a popouštění na strukturu matrice, tvrdost, houževnatost a odolnost proti opotřebení. Při procesu kalení na 1050 °C + popouštění na 450 °C je struktura litiny s vysokým obsahem chromu tvořena martenzitem M7C3+ s malým množstvím zadrženého austenitu. Matrice má vysokou rázovou energii a vysokou odolnost proti opotřebení. Charakterizovali jsme mikrostrukturu a výkonnostní zkoušky hypoeutektické litiny s vysokým obsahem chrómu za různých podmínek tepelného zpracování. Zjistili jsme, že tvrdost a rázová absorbovaná energie hypoeutektické litiny s vysokým obsahem chromu rostla s teplotou kalení a prodloužením doby výdrže. Po kalení a popouštění může maximální tvrdost dosáhnout 58 HRC a maximální absorpce energie nárazu může dosáhnout 15 J. Studovali jsme vliv procesu tepelného zpracování na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti eutektické litiny s vysokým obsahem chrómu. Rozsah obsahu uhlíku v eutektickém intervalu klesá se zvýšeným obsahem Cr, což je přibližně lineární závislost. Popouštění na 400~500℃ způsobí sekundární vytvrzení. Tvrdost se rychle zvyšuje a ztráty opotřebením se výrazně snižují.
Navrhování kompozitních konstrukcí
Díky hloubkové studii kompozitů odolných proti opotřebení na bázi kovu je konfigurace kompozitu optimalizována a navržena podle použití pracovní plochy produktu a požadavků na výstupní sílu. V současné době je oblast kovokeramického kompozitu připravována jako trojrozměrná trojrozměrná mřížka a tato struktura může účinně zabránit napětí vznikajícímu při kontrakci kovové taveniny. Zajistěte, aby proces přípravy a použití kovokeramického kompozitního materiálu nezpůsobil praskliny, lomy nebo jiné vady. Na druhé straně mřížkovaná kovokeramická kompozitní oblast vytvoří konkávně-konvexní strukturu během procesu opotřebení, která může účinně „zachycovat“ kusy rudy do oblasti drcení materiálu mezi mlecím válcem a vložkou. Na základě softwaru pro analýzu konečných prvků jsme během procesu odlévání simulovali teplotní pole a tepelné namáhání keramických částic ZTA vyztužených vysoce chromovou litinovou matricí. K přesnému popisu rozložení tepelného napětí prefabrikovaných odlitků těles s různými strukturami byl použit termoelasticko-plastický mechanický model. Konečně je ukázáno, že tepelné namáhání klesá se zvětšováním stran otvorů prefabrikovaného tělesa, tj. tepelné namáhání je minimalizováno, když jsou voštinové otvory kruhové.
V kombinaci s mechanismem selhání materiálů za podmínek nárazového abrazivního opotřebení analyzujeme, že za podmínek bezrázového abrazivního opotřebení závisí zlepšení odolnosti strukturálních keramických/ocelových kompozitů na kombinovaném výkonu tvrdosti a houževnatosti keramických částic. tvrdost matrice a pevnost mezifázového spojení keramika/matrice; za podmínek nárazového abrazivního opotřebení závisí zlepšení odolnosti proti opotřebení strukturních keramických/ocelových kompozitů hlavně na tvrdosti keramických částic, tvrdosti matrice a pevnosti mezifázového spojení keramiky/matrice. V případě rázového abrazivního opotřebení závisí zlepšení odolnosti proti opotřebení konstruovaných kompozitů keramika/ocel hlavně na houževnatosti keramických částic, tvrdosti matrice a pevnosti mezifázové vazby keramiky/matrice.
Výroba a aplikace kovokeramických kompozitních brusných válců
Přehled konstrukčního návrhu a výrobního procesu cermetového kompozitního brusného válce
Nejprve byl povrch keramických částic legován a upravené keramické částice ZTA a prášek slitiny s vysokým obsahem chrómu byly proporcionálně smíchány a vloženy do grafitových forem a zhutněny. Keramický předlisek byl připraven vysokoteplotním vakuovým slinováním a morfologie předlisku byla taková, jak je znázorněno na obr., na kterém byl poměr pórů a stěn mřížky (1.5~1.8):1.
Předlisky jsou postupně uspořádány a připevněny k vnitřku dutiny v kovu způsobem znázorněným na obrázku níže. Tavenina litiny s vysokým obsahem chromu se odlévá gravitačním litím při teplotě 1550°C. Válec se drží po dobu 72 hodin a poté se odstraní, aby se získal brusný válec z cermetového kompozitu. Mlecí válečky z kovokeramického kompozitu byly odstraněny po 72 hodinách doby zdržení.
Efekt provozu kovokeramického kompozitního brusného válce
Metal-keramický kompozitní brusný válec naší společnosti byl úspěšně použit v průmyslu skleněných vláken v pracovních podmínkách uvedených v tabulce 2: srovnání dat konvenčních vysoce chromovaných litin a kovokeramických brusných válečků pro broušení skleněných vláken. Včasné použití konvenčních litinových vysoce chromovaných litinových brusných válců, výkon 11 t za hodinu, v celkovém výkonu 12,000 45 t po opotřebení tloušťky povrchu válce je 50 ~ 13 mm. Tentokrát produkce prudkého poklesu v hodině nemůže splnit požadavky výroby. Po použití kovokeramických kompozitních brusných válců je hodinový výkon stabilní na více než 18t, což je o 60,000% více než u konvenčních vysoce chromovaných litinových brusných válců. Oboustranné použití až 5 2 t je celkový výkon běžného brusného válce z litiny s vysokým obsahem chromu XNUMXx. Z analýzy dat v tabulce XNUMX vyplývá, že použití kovokeramických kompozitních brusných válců může ušetřit energii, snížit spotřebu energie a snížit plýtvání neobnovitelnými zdroji.
Tabulka 2 Porovnání provozních údajů konvenčních brusných válců z litiny s vysokým obsahem chromu a cermetů | |||||
Materiál | Průměrný proud/A | Celková tloušťka opotřebení/mm | Celková doba chodu/h | Průměrný hodinový výstup/(t/h) | Statistika celkové produkce/10,000 XNUMX tun |
litina s vysokým obsahem chromu | 28 | 45-50 | 1000 | 11 | 1.2 |
Metalokeramické kompozity | 25 | 35-40 | 4600 | 13 | 6 |
Obr. 3 ukazuje opotřebení kovokeramických kompozitních brusných válců v různých fázích provozu. Je vidět, že keramické částice jsou rozmístěny ve výrazném mřížkovém tvaru, který během provozu „zachytává“ materiál do mlecí oblasti válců a zlepšuje výtěžnost prášku.
Obrázek 4 je tloušťka opotřebení pracovního povrchu brusného válce při různých výstupech; je vidět, že rychlost opotřebení pracovní plochy brusného válce v předválečném období je poměrně rychlá.
To je způsobeno „procesem vloupání“ (když keramika není plně funkční), což vede ke zvýšenému opotřebení. Při dalším používání válců se oblast kovokeramického kompozitu dostává do plného provozu a míra opotřebení se postupně vyrovnává. Údaje v tabulce 2 ukazují, že odolnost proti opotřebení kovokeramických kompozitních válců je mnohem vyšší než u konvenčních válců z litiny s vysokým obsahem chrómu.
Analýza ekonomických přínosů
Ve stejném cyklu použití může použití kovokeramických kompozitních brusných válců bez nutnosti povrchové úpravy nejen snížit pořizovací náklady a počet servisních návštěv, ale také výrazně snížit výrobní náklady.
Tabulka 3 Porovnání ekonomické výkonnosti kovokeramických kompozitních brusných válců a brusných válců s vysokým obsahem chromu | |||||
ITEM | Pořizovací cena/sada (RMB) | Průměrné náklady na brusné válce na tunu (RMB) | Spotřeba elektřiny/(kWh/t) | Náklady na elektřinu na tunu (RMB) | Celkové náklady na jednu sadu brusných válců na tunu/ RMB |
Vysoce chromované litinové brusné válce a vložky | 120000 | 10.27 | 64 | 40 | 50.27 |
Kovo-keramické kompozitní brusné válce a vložky | 250000 | 4.22 | 62 | 38 | 42.22 |
Vezměte si vertikální mlýn HRM1700 jako příklad, životnost konvenční litiny s vysokým obsahem chromu asi 1000 h, celkový výkon 12,000 120,000 t, tržní cena asi 0.32 10.27 juanů za sadu, náklady na demontáž a údržbu 40 milionu juanů, průměrné náklady na mlecí válce na tunu prášku 50.27 juanů, cena za tunu prášku 4600 juanů spotřeby elektřiny, jedna sada vysoce chromovaných litinových válců na tunu prášku celkem 60,000 juanů. Změněno na kovokeramický kompozitní brusný válec a provozní životnost vložky asi 250,000 h, celkový výkon 0.32 4.22 tun, tržní cena asi 38 42.22 juanů za sadu, náklady na demontáž a údržbu 100,000 milionu juanů, průměrná tonáž brusných válců náklady na prášek 6.05 juanů, spotřeba za tunu prášku 2 juanů, jedna sada brusných válců z litiny s vysokým obsahem chromu na tunu prášku celkem 605,000 juanů. Jediný vertikální mlýn podle ročního výkonu 200,000 XNUMX t pro výpočet, každá tuna prášku pro úsporu nákupních nákladů na mlecí válce XNUMX juanů, úspora nákladů na elektřinu XNUMX juanů, může snížit pořizovací náklady na XNUMX XNUMX juanů za rok, čímž se ušetří náklady na elektřinu ve výši asi XNUMX XNUMX juanů.
Závěrečné poznámky
Společnost Qiming Casting dosáhla mnoha úspěchů ve výzkumu kovokeramických kompozitních materiálů, což položilo teoretický základ pro domácí brousicí válce z kovokeramického kompozitu. Mlecí válce z kovokeramického kompozitu připravené metodou odlévání a infiltrace jsou aplikovány v zákaznických zařízeních na výrobu prášku ze skleněných vláken se zřejmým efektem úspory energie a snížení spotřeby:
- Použití kovokeramických kompozitních brusných válců může zvýšit hodinový výkon až o 18 % ve srovnání s monometalickými materiály odolnými proti opotřebení;
- Za stejných podmínek opotřebení se objemové opotřebení kovokeramického kompozitního brusného válce sníží o 30% ~ 35%, což může prodloužit celkovou životnost brusného válce na 3~5krát;
- Šestnásobné snížení počtu generálních oprav sníží pořizovací náklady o 6 605,000 USD ročně a ušetří přibližně 200,000 XNUMX USD na nákladech na elektřinu;
- Snížení spotřeby energie a použití kovokeramických kompozitních brusných válců snižuje průměrnou spotřebu energie na tunu prášku o 3 %.