Hvorfor udvikle metalkeramiske slibevalser?
Kina er et af landene med de rigeste mineralreserver. Med udviklingen af grundlæggende materialevidenskab stiger efterspørgslen efter malmpulver hvert år. Der er mange forberedelsesprocesser til malmpulver. Det vertikale møllesystem er en typisk slibeproces i dag og er meget udbredt i cement, byggematerialer, minedrift, elektrisk kraft, glasfiber og andre industrier. Malmen knuses og males til pulver i mikronstørrelse eller endda nanostørrelse gennem den kombinerede virkning af slibevalserne og foringspladerne i den vertikale mølle. Under den kontinuerlige knusnings- og slibeproces slides overfladen af slibevalsen også af materialets reaktionskraft, hvilket ikke kun forårsager en stor mængde slid på metalmaterialet, men også fører til et fald i slibefunktionen, et fald i output, og en stigning i omkostningerne til vedligeholdelse og udskiftning af slibevalsen. I øjeblikket er slibevalserne i lodrette møller ofte lavet af høj-chrom støbejern eller overlay-svejset med høj-chrom støbejern. Selvom driftsstabiliteten er god, er der stadig problemer såsom lav daglig produktion og utilstrækkelig slidstyrke. Problemet er, at det ikke lever op til folks forventninger til lavere ressourceforbrug. Derfor er det afgørende at udvikle nye materialer til at lave nye slibevalser. Denne artikel introducerer kort udviklingen af cermet-kompositslibevalser i vertikale møller og analyserer virkningerne af deres anvendelse med casestudier.
Oversigt over udvikling og anvendelse af slidbestandige metalkeramiske slibevalser i Kina og oversøiske lande
Som hovedslibekomponenten i den vertikale mølle kræver slibevalsen høj hårdhed og en vis grad af sejhed. Udviklingsprocessen af slidbestandige materialer har gennemgået tre faser: højmanganstål, nikkelhårdt støbejern og højchromstøbejern. Stål med højt manganindhold anvendes ofte under forhold med stødbelastninger, men det kan ikke hærdes fuldt ud og har ekstremt begrænset slidstyrke. På grund af dets gode hærdeevne kan nikkelhårdt støbejern danne en hård, slidstærk martensit + M³C-karbidstruktur, når den støbes. Denne eutektiske struktur kan godt modstå materialets pløjning af matrixen. , men dens sejhed er utilstrækkelig, og dens anvendelsesområde er relativt lille. Højkromstøbejern er tredje generation af slidbestandige materialer udviklet efter højt manganstål og nikkelhårdt støbejern. Sammenlignet med almindeligt støbejern har støbejern med høj krom høj sejhed, varmebestandighed og slidstyrke.
I industrier som malmformning vil slidstyrken af støbejern med højt krom blive utilstrækkelig, efterhånden som udstyrets driftshastighed fortsætter med at stige. Udenlandsk forskning i slidbestandige materialer fokuserer på metalmatrix-kompositter, der anvender ZTA-keramiske partikler og WC-keramiske partikler som forstærkende faser. Blandt dem, kompositmateriale forberedelse producenter repræsenteret ved Belgiens Magotteaux og Indiens VEGA Wear Resistant Materials Company bruger sådanne materialer til at fremstille cermet-kompositslibevalser og -foringer, og deres arbejdsflader har karakteristika af høj hårdhed og høj slidstyrke. Metal-keramiske kompositslibevalser og -foringer er blevet meget brugt i cement, termisk kraft, malm og andre industrier i udlandet, hvilket øger driftstiden for vertikale møller betydeligt og reducerer unormal vedligeholdelse af vertikale møller. Men prisen på importerede cermet slibevalser er høj, og leveringscyklussen er lang, så pris/ydelsesforholdet er ikke højt. Hjemmemarkedet ser frem til indenlandske cermet slibevalser. Sammenligningen af slibevalsens egenskaber i Kina og andre lande er vist i tabellen nedenfor.
Type slibevalse | Karakteristika for forskellige slibevalser | ||
Advantage | Ulempe | ||
Kina marked | Alloy Steel | Høj styrke, høj sejhed, høj hårdhed, slidstyrke | høje omkostninger |
støbt stål | God styrke og sejhed | Lav hårdhed og lav slidstyrke | |
Duktilt jern | God sejhed, høj hårdhed, medium slidstyrke, let at behandle | Let at knække, lav styrke | |
Hårdbelægning højkrom støbejern | Høj styrke, høj sejhed, høj hårdhed | Let at pille af, hyppig overlejringssvejsning, utilstrækkelig modstand mod kulde og varmetræthed | |
Højt manganstål | Høj sejhed, hårdhed og moderat slidstyrke | Let at knække og krympe | |
Lavlegeret stål | Høj styrke, sejhed og slagfasthed | Ikke slidstærk, kort levetid | |
Andre landes marked | Slidbestandig belægning | Høj styrke og sejhed | Lav slagfasthed og dyr |
Centrifugalstøbt bimetallisk højlegeret stål | Høj hårdhed, slidstærkt ydre lag, stærkt indre lag | Let at adskille |
Forberedelse af cermet kompositmaterialer
Fremstillingsproces for kompositmateriale
Cermet kompositmaterialer er sammensat af keramiske partikler og metalmatrix. Keramiske partikler i kompositmaterialer, som de vigtigste slidbestandige bærere, spiller en afgørende rolle i brugen af kompositmaterialer, og metalmatrixen kan aflaste den kraft, som de keramiske partikler bærer under brugen af kompositmaterialer. Forberedelse af cermet-kompositmaterialer ved hjælp af støbeinfiltrationsmetoden kan undgå mangler såsom lange produktionscyklusser, højt energiforbrug og høje omkostninger. Vi brugte ProCAST-simuleringssoftware til at simulere processen med ZTAp/høj chrom støbejernsmatrix kompositmaterialer ved hældetemperaturer på 1350°C, 1450°C, 1550°C og 1650°C og hældehastigheder på 3.0 kg/s, 3.5 kg/s og 4.0 kg/s. Stressforhold under forskellige forhold og verificere simuleringsresultaterne gennem eksperimenter. Resultaterne viser, at kompositeffekten er bedre under sandgravitationsstøbning, når hældehastigheden er 3.5 kg/s, og hældetemperaturen er 1550°C. Det kan sikre, at den præfabrikerede krop har god strukturel integritet under den sammensatte proces. Vi brugte undertryksstøbeinfiltrationen til at fremstille ZTA keramisk forstærkede højchrom støbejernsmatrix kompositmaterialer. Ved at plettere Ni og belægge Cr-pulver på den keramiske ZTA-overflade blev elementdiffusion brugt i højtemperatursmelten for at forbedre grænsefladebefugtningsevnen, fremme imprægneringseffekten og øge bindingsstyrken. Vi brugte en trykløs infiltrationsstøbeproces til at fremstille zirconiumoxid-hærdet aluminiumoxidpartikler forstærkede højchrombaserede kompositmaterialer, som løste problemet med dårlig sammensmeltning af keramiske partikelpræforme i mikronstørrelse under nedsivningsforhold og systematisk undersøgte ZTAp-forstærkning . Virkning af fint pulverindhold i støbejernsmatrixkompositpræforme med højt kromindhold på deres mikrostruktur og mekaniske egenskaber.
Karakteristika for kompositmaterialeorganisation
Cermet kompositmaterialer producerer en stor mængde martensit i matrixen gennem passende forberedelsesprocesser, og samtidig fordeles hexagonale primære M7C3-carbider. Dette sænker slidhastigheden af basismetallet, beskytter de keramiske ZTA-partikler i størst muligt omfang og opnår høj slidstyrke. Vi brugte retningsbestemt størkningsteknologi til at fremstille høj-chrom støbejern med en hypereutektisk struktur. Vi undersøgte virkningerne af bratkøling og temperering på matrixstrukturen, hårdhed, sejhed og slidstyrke. Under 1050 ℃ quenching + 450 ℃ tempereringsprocessen er støbejernsstrukturen med høj krom M7C3+ martensit, med en lille mængde tilbageholdt austenit. Matrixen har høj slagenergi og høj slidstyrke. Vi karakteriserede mikrostruktur- og ydeevnetestene af hypoeutektisk højkromstøbejern under forskellige varmebehandlingsbetingelser. Vi fandt ud af, at den hårdhed og stødabsorberede energi af hypoeutektisk højkromstøbejern steg med bratkølingstemperaturen og forlængelsen af holdetiden. Efter bratkøling og temperering kan den maksimale hårdhed nå 58HRC, og den maksimale slagenergiabsorption kan nå 15J. Vi undersøgte effekten af varmebehandlingsprocessen på mikrostrukturen og de mekaniske egenskaber af eutektisk højkromstøbejern. Kulstofindholdsområdet i det eutektiske interval falder med øget Cr-indhold, hvilket er omtrent en lineær sammenhæng. Anløbning ved 400 ~ 500 ℃ vil forårsage sekundær hærdning. Hårdheden øges hurtigt, og slidtabet reduceres markant.
Design af sammensatte strukturer
Med den dybdegående undersøgelse af metalbaserede slidbestandige kompositter er kompositkonfigurationen optimeret og designet i henhold til brugen af produktets arbejdsflade og kravene til udgangskraften. I øjeblikket er det metal-keramiske kompositområde forberedt som et tredimensionelt tredimensionelt gitter, og denne struktur kan effektivt undgå den spænding, der genereres under sammentrækningen af metalsmelten. Sørg for, at forberedelses- og brugsprocessen for metal-keramisk kompositmateriale ikke vil producere revner, brud eller andre defekter. På den anden side vil det gitterlignende metal-keramiske kompositområde producere en konkav-konveks struktur under slidprocessen, som effektivt kan "fange" malmstykkerne ind i materialeknusningsområdet mellem slibevalsen og foringen. Baseret på finite element-analysesoftwaren simulerede vi temperaturfeltet og termisk spænding af ZTA-keramiske partikler forstærkede højkromstøbejernsmatrixkompositter under støbeprocessen. En termoelastisk-plastisk mekanikmodel blev anvendt til nøjagtigt at beskrive den termiske spændingsfordeling af de præfabrikerede kropsstøbegods med forskellige strukturer. Det er endelig vist, at den termiske spænding aftager med stigningen af præfabrikerede kropshulsider, dvs. den termiske spænding minimeres, når bikagehullerne er cirkulære.
Kombineret med materialers svigtmekanisme under slibende slidforhold, analyserer vi, at forbedringen af slidstyrken af de strukturelle keramik-/stålkompositter under ikke-påvirkende slibende slidforhold afhænger af den kombinerede ydeevne af hårdhed og sejhed af de keramiske partikler , hårdheden af matrixen og grænsefladebindingsstyrken af keramikken/matrixen; under slibende stødforhold afhænger forbedringen af slidstyrken af de strukturelle keramik/stålkompositter hovedsagelig af hårdheden af de keramiske partikler, hårdheden af matrixen og grænsefladebindingsstyrken af keramikken/matrixen. I tilfælde af stødslibende slid afhænger forbedringen af slidstyrken af konstruerede keramik/stålkompositter hovedsageligt af sejheden af keramiske partikler, hårdheden af matrixen og grænsefladebindingsstyrken af keramikken/matrixen.
Fremstilling og anvendelse af metal-keramiske komposit slibevalser
Oversigt over strukturelt design og fremstillingsprocessen af cermet komposit slibevalse
For det første blev overfladen af keramiske partikler legeret, og de behandlede ZTA keramiske partikler og højchromlegeringspulver blev blandet proportionalt og sat i grafitforme og komprimeret. Den keramiske præform blev fremstillet ved højtemperaturvakuumsintringsstøbning, og præformens morfologi var som vist i fig., hvor gitterpore-vægforholdet var (1.5~1.8):1.
Præformene er sekventielt arrangeret og fastgjort til indersiden af hulrummet i metallet på den måde, der er vist i figuren nedenfor. Støbejernssmelten med højt krom hældes ved gravitationsstøbning ved en temperatur på 1550°C. Rullen holdes i 72 timer og fjernes derefter for at opnå cermetkompositslibevalsen. De metal-keramiske kompositslibevalser blev fjernet efter 72 timers holdetid.
Metal-keramisk komposit slibevalse driftseffekt
Vores virksomheds metal-keramiske komposit-slibevalse er blevet brugt med succes i glasfiberindustrien under arbejdsforholdene vist i tabel 2: konventionel højkrom støbejern og metalkeramisk slibevalse til slibning af glasfiberdata. Tidlig brug af konventionelle støbning højkrom støbejern slibevalser, output på 11t i timen, i den samlede produktion på 12,000t efter slidtykkelsen af rulleoverfladen er 45~50mm. Denne gang kan produktionen af et kraftigt fald i timen ikke opfylde produktionskravene. Efter brug af metal-keramiske kompositslibevalser er timeydelsen stabil på mere end 13t, hvilket er 18% højere end konventionelle højkromstøbejernsslibevalser. Dobbeltsidet brug på op til 60,000 t er det samlede output af en konventionel højkrom støbejernsslibevalse 5 gange. Fra dataanalysen i tabel 2 kan brug af metal-keramiske komposit-slibevalser spare energi, reducere energiforbruget og reducere spildet af ikke-vedvarende ressourcer.
Tabel 2 Sammenligning af driftsdata for konventionelle højchrom støbejern og cermet slibevalser | |||||
Materiale | Gennemsnitlig strøm/A | Samlet slidtykkelse/mm | Samlet køretid/t | Gennemsnitlig timeoutput/(t/h) | Samlet outputstatistik/10,000 tons |
høj krom støbejern | 28 | 45-50 | 1000 | 11 | 1.2 |
Metal-keramiske kompositter | 25 | 35-40 | 4600 | 13 | 6 |
Fig. 3 viser sliddet af metal-keramiske kompositslibevalser på forskellige driftsstadier. Det kan ses, at de keramiske partikler er fordelt i en fremtrædende gitterform, som "fanger" materialet ind i valsernes slibeområde under driften og forbedrer pulverudbyttet.
Figur 4 er slidtykkelsen af slibevalsens arbejdsflade under forskellige udgange; det kan ses, at slidhastigheden af slibevalsens arbejdsflade i førkrigstiden er relativt hurtig.
Dette skyldes "indbrudsprocessen" (når keramikken ikke er i fuld funktionsdygtig stand), hvilket fører til øget slitage. Efterhånden som rullerne fortsætter med at blive brugt, kommer det metal-keramiske kompositområde i fuld drift, og slidhastigheden aftager gradvist. Dataene i tabel 2 viser, at slidstyrken af de metal-keramiske kompositvalser er meget højere end for de konventionelle højchrom-støbejernsvalser.
Analyse af økonomiske fordele
I samme brugscyklus kan brugen af metal-keramiske kompositslibevalser uden behov for overfladebehandling kun reducere indkøbsomkostningerne og antallet af vedligeholdelsesbesøg, men også reducere produktionsomkostningerne betydeligt.
Tabel 3 Sammenligning af økonomisk ydeevne af metal-keramiske komposit-slibevalser og højchrom-slibevalser | |||||
ITEM | Anskaffelsesomkostninger/sæt (RMB) | Gennemsnitlige omkostninger ved slibevalser pr. ton (RMB) | Elforbrug/(kWh/t) | Omkostninger til elektricitet pr. ton (RMB) | Samlede omkostninger for et enkelt sæt slibevalser pr. ton/RMB |
Høj krom støbejern slibevalser og liners | 120000 | 10.27 | 64 | 40 | 50.27 |
Metal-keramisk komposit slibevalser og liners | 250000 | 4.22 | 62 | 38 | 42.22 |
Tag den lodrette mølle HRM1700 som et eksempel, konventionel høj kromstøbejerns levetid på omkring 1000 timer, den samlede produktion på 12,000 t, markedsprisen på omkring 120,000 yuan pr. sæt, demonterings- og vedligeholdelsesomkostninger på 0.32 millioner yuan, de gennemsnitlige omkostninger ved slibning ruller per ton pulver 10.27 renminbi, per ton pulver omkostninger på 40 renminbi af elforbrug, et enkelt sæt af høj krom støbejern ruller per ton pulver i alt 50.27 renminbi. Ændret til metal-keramisk komposit slibevalse og liner driftslevetid på omkring 4600h, den samlede produktion på 60,000 tons, markedsprisen på omkring 250,000 yuan pr. sæt, demonterings- og vedligeholdelsesomkostninger på 0.32 millioner yuan, den gennemsnitlige tonnage af slibevalser pulveromkostninger af 4.22 renminbi, per ton pulver forbrug omkostninger på 38 renminbi, et enkelt sæt af høj-chrom støbejern slibevalser per ton pulver i alt 42.22 renminbi. Enkelt lodret mølle i henhold til den årlige produktion på 100,000 t til at beregne, hvert ton pulver for at spare købsomkostningerne ved slibning af valser 6.05 yuan, spare el-omkostninger 2 yuan, kan reducere købsomkostningerne på 605,000 yuan om året, spare el-omkostninger på omkring 200,000 yuan.
Afsluttende bemærkninger
Qiming Casting har opnået en masse resultater i forskningen af metal-keramiske kompositmaterialer, som har lagt et teoretisk grundlag for indenlandske metal-keramiske komposit-slibevalser. De metalkeramiske kompositslibevalser, der er fremstillet ved støbe- og infiltrationsmetode, anvendes i kundernes udstyr til fremstilling af glasfiberpulver med den indlysende effekt af energibesparelse og forbrugsreduktion:
- Brugen af metal-keramiske kompositslibevalser kan øge timeydelsen med op til 18% sammenlignet med mono-metalliske slidbestandige materialer;
- Under samme slidtilstand reduceres volumenslid på den metalkeramiske kompositslibevalse med 30% ~ 35%, hvilket kan forlænge slibevalsens samlede levetid til 3 ~ 5 gange;
- At reducere antallet af eftersyn med 6 gange vil reducere indkøbsomkostningerne med $605,000 om året og spare omkring $200,000 i elomkostninger;
- Reducer energiforbruget, og brugen af metal-keramiske komposit-slibevalser reducerer det gennemsnitlige strømforbrug pr. ton pulver med 3%.