¿Por qué desarrollar rodillos abrasivos metal-cerámicos?
China es uno de los países con las reservas minerales más ricas. Con el desarrollo de la ciencia de los materiales fundamentales, la demanda de mineral en polvo aumenta cada año. Existen muchos procesos de preparación del mineral en polvo. El sistema de molino vertical es un proceso de molienda típico en la actualidad y se usa ampliamente en cemento, materiales de construcción, minería, energía eléctrica, fibra de vidrio y otras industrias. El mineral se tritura y se muele hasta obtener un polvo del tamaño de una micra o incluso un tamaño nanométrico mediante la acción combinada de los rodillos de molienda y las placas de revestimiento en el molino vertical. Durante el proceso continuo de trituración y molienda, la superficie del rodillo de molienda también se desgasta por la fuerza de reacción del material, lo que no solo causa una gran cantidad de desgaste en el material metálico sino que también conduce a una disminución en la función de molienda, una disminución en la producción, y un aumento en el coste de mantenimiento y sustitución del rodillo triturador. Actualmente, los rodillos de molienda en los molinos verticales suelen estar hechos de hierro fundido con alto contenido de cromo o soldados por superposición con hierro fundido con alto contenido de cromo. Aunque su estabilidad operativa es buena, todavía existen problemas como una baja producción diaria y una resistencia al desgaste insuficiente. El problema es que no cumple con las expectativas de la gente de un menor consumo de recursos. Por lo tanto, es vital desarrollar nuevos materiales para fabricar nuevos rodillos abrasivos. Este artículo presenta brevemente el desarrollo de rodillos de molienda compuestos de cermet en molinos verticales y analiza los efectos de su aplicación con estudios de casos.
Descripción general del desarrollo y aplicación de rodillos abrasivos metal-cerámicos resistentes al desgaste en China y países de ultramar
Como principal componente de molienda del molino vertical, el rodillo de molienda requiere una alta dureza y un cierto grado de tenacidad. El proceso de desarrollo de materiales resistentes al desgaste ha pasado por tres etapas: acero con alto contenido de manganeso, hierro fundido duro con níquel y hierro fundido con alto contenido de cromo. El acero con alto contenido de manganeso se utiliza a menudo en condiciones de cargas de impacto, pero no puede endurecerse por completo y tiene una resistencia al desgaste extremadamente limitada. Debido a su buena templabilidad, el hierro fundido duro con níquel puede formar una estructura dura y resistente al desgaste de martensita + carburo M³C cuando se funde. Esta estructura eutéctica puede resistir bien el arado de la matriz por el material. , pero su dureza es insuficiente y su rango de aplicación es relativamente pequeño. El hierro fundido con alto contenido de cromo es la tercera generación de materiales resistentes al desgaste desarrollados después del acero con alto contenido de manganeso y el hierro fundido duro con níquel. En comparación con el hierro fundido ordinario, el hierro fundido con alto contenido de cromo tiene alta tenacidad, resistencia al calor y resistencia al desgaste.
En industrias como la molienda de minerales, a medida que la velocidad de funcionamiento de los equipos continúa aumentando, la resistencia al desgaste del hierro fundido con alto contenido de cromo será insuficiente. La investigación extranjera sobre materiales resistentes al desgaste se centra en compuestos de matriz metálica que utilizan partículas cerámicas ZTA y partículas cerámicas WC como fases de refuerzo. Entre ellos, los fabricantes de preparados de materiales compuestos representados por la empresa belga Magotteaux y VEGA Wear Resistance Materials Company de la India utilizan dichos materiales para preparar rodillos y revestimientos de molienda compuestos de cermet, y sus superficies de trabajo tienen las características de alta dureza y alta resistencia al desgaste. Los rodillos y revestimientos de molienda de compuestos metal-cerámicos se han utilizado ampliamente en las industrias del cemento, la energía térmica, los minerales y otras industrias en el extranjero, lo que aumenta significativamente el tiempo de funcionamiento de los molinos verticales y reduce el mantenimiento anormal de los molinos verticales. Sin embargo, el precio de los rodillos abrasivos de cermet importados es alto y el ciclo de entrega es largo, por lo que la relación precio/rendimiento no es alta. El mercado interno espera con interés los rodillos abrasivos de cermet nacionales. La comparación de las características de los rodillos abrasivos en China y otros países se muestra en la siguiente tabla.
Tipo de rodillo de molienda | Características de los diferentes rodillos abrasivos. | ||
Advantage | Desventaja | ||
Mercado de China | Aleación de acero | Alta resistencia, alta tenacidad, alta dureza, resistencia al desgaste | Alto costo |
acero fundido | Buena fuerza y tenacidad. | Baja dureza y baja resistencia al desgaste. | |
Hierro dúctil | Buena tenacidad, alta dureza, resistencia media al desgaste, fácil de procesar | Fácil de romper, de baja resistencia. | |
Revestimiento duro de hierro fundido con alto contenido de cromo | Alta resistencia, alta tenacidad, alta dureza | Fácil de despegar, soldaduras superpuestas frecuentes, resistencia insuficiente al frío y la fatiga por calor | |
Acero alto manganeso | Alta tenacidad, dureza y resistencia al desgaste moderada. | Fácil de agrietar y encoger | |
Acero de baja aleación | Alta resistencia, tenacidad y resistencia al impacto. | No resistente al desgaste, vida útil corta | |
Mercado de otros países | Revestimiento resistente al desgaste | Alta resistencia y tenacidad | Baja resistencia al impacto y costosa. |
Acero bimetálico de alta aleación fundido centrífugamente | Alta dureza, capa exterior resistente al desgaste, capa interior fuerte | Fácil de separar |
Preparación de materiales compuestos cermet.
Proceso de preparación de material compuesto.
Los materiales compuestos Cermet están compuestos de partículas cerámicas y una matriz metálica. Las partículas cerámicas en materiales compuestos, como principales portadores de resistencia al desgaste, desempeñan un papel vital en el uso de materiales compuestos, y la matriz metálica puede descargar la fuerza que soportan las partículas cerámicas durante el uso de materiales compuestos. La preparación de materiales compuestos de cermet mediante el método de infiltración por fundición puede evitar deficiencias como ciclos de producción largos, alto consumo de energía y altos costos. Utilizamos el software de simulación ProCAST para simular el proceso de materiales compuestos de matriz de hierro fundido con alto contenido de cromo/ZTAp a temperaturas de vertido de 1350 °C, 1450 °C, 1550 °C y 1650 °C, y velocidades de vertido de 3.0 kg/s, 3.5 kg/s y 4.0 kg/s. Condiciones de estrés en diferentes condiciones y verificar los resultados de la simulación a través de experimentos. Los resultados muestran que el efecto compuesto es mejor bajo fundición por gravedad de arena cuando la velocidad de vertido es de 3.5 kg/s y la temperatura de vertido es de 1550 °C. Puede garantizar que el cuerpo prefabricado tenga una buena integridad estructural durante el proceso compuesto. Utilizamos la infiltración de fundición a presión negativa para preparar materiales compuestos de matriz de hierro fundido con alto contenido de cromo reforzados con cerámica ZTA. Al recubrir Ni y recubrir polvo de Cr sobre la superficie cerámica ZTA, se utilizó la difusión de elementos en la fusión a alta temperatura para mejorar la humectabilidad de la interfaz, promover el efecto de impregnación y aumentar la fuerza de unión. Utilizamos un proceso de fundición por infiltración sin presión para preparar materiales compuestos a base de hierro fundido reforzado con partículas de alúmina endurecidas con circonio de tamaño micrométrico, lo que resolvió el problema de la mala fusión de preformas de partículas cerámicas de tamaño micrométrico en condiciones de filtración y estudió sistemáticamente el refuerzo ZTAp. . Efecto del contenido de polvo fino en preformas compuestas de matriz de hierro fundido con alto contenido de cromo sobre su microestructura y propiedades mecánicas.
Características de la organización del material compuesto
Los materiales compuestos Cermet producen una gran cantidad de martensita en la matriz mediante procesos de preparación adecuados y, al mismo tiempo, se distribuyen carburos primarios hexagonales M7C3. Esto ralentiza la tasa de desgaste del metal base, protege al máximo las partículas cerámicas ZTA y logra una alta resistencia al desgaste. Utilizamos tecnología de solidificación direccional para preparar hierro fundido con alto contenido de cromo con una estructura hipereutéctica. Estudiamos los efectos del temple y revenido sobre la estructura de la matriz, dureza, tenacidad y resistencia al desgaste. Bajo el proceso de enfriamiento a 1050 ℃ + revenido a 450 ℃, la estructura de hierro fundido con alto contenido de cromo es martensita M7C3+, con una pequeña cantidad de austenita retenida. La matriz tiene alta energía de impacto y alta resistencia al desgaste. Caracterizamos las pruebas de microestructura y rendimiento de hierro fundido hipoeutéctico con alto contenido de cromo en diferentes condiciones de tratamiento térmico. Descubrimos que la dureza y la energía absorbida por impacto del hierro fundido hipoeutéctico con alto contenido de cromo aumentaron con la temperatura de enfriamiento y la extensión del tiempo de retención. Después del templado y revenido, la dureza máxima puede alcanzar 58 HRC y la absorción máxima de energía de impacto puede alcanzar 15 J. Estudiamos el efecto del proceso de tratamiento térmico sobre la microestructura y las propiedades mecánicas del hierro fundido eutéctico con alto contenido de cromo. El rango de contenido de carbono en el intervalo eutéctico disminuye con el aumento del contenido de Cr, que es aproximadamente una relación lineal. El templado a 400 ~ 500 ℃ provocará un endurecimiento secundario. La dureza aumenta rápidamente y la pérdida por desgaste se reduce significativamente.
Diseño de estructuras compuestas.
Con el estudio en profundidad de los compuestos resistentes al desgaste a base de metal, la configuración del compuesto se optimiza y diseña de acuerdo con el uso de la superficie de trabajo del producto y los requisitos de la fuerza de salida. Actualmente, el área compuesta de metal-cerámica se prepara como una rejilla tridimensional, y esta estructura puede evitar eficazmente la tensión generada durante la contracción del metal fundido. Asegúrese de que el proceso de preparación y uso del material compuesto metal-cerámico no produzca grietas, fracturas u otros defectos. Por otro lado, el área compuesta de metal-cerámica en forma de rejilla producirá una estructura cóncava-convexa durante el proceso de desgaste, que puede "atrapar" efectivamente los trozos de mineral en el área de trituración de material entre el rodillo triturador y el revestimiento. Con base en el software de análisis de elementos finitos, simulamos el campo de temperatura y la tensión térmica de los compuestos de matriz de hierro fundido con alto contenido de cromo reforzados con partículas cerámicas ZTA durante el proceso de fundición. Se aplicó un modelo de mecánica termoelástica-plástica para describir con precisión la distribución de tensiones térmicas de las piezas prefabricadas del cuerpo con diferentes estructuras. Finalmente se muestra que la tensión térmica disminuye con el aumento de los lados de los orificios del cuerpo prefabricado, es decir, la tensión térmica se minimiza cuando los orificios alveolares son circulares.
Combinado con el mecanismo de falla de los materiales bajo condiciones de desgaste abrasivo por impacto, analizamos que bajo condiciones de desgaste abrasivo sin impacto, la mejora de la resistencia al desgaste de los compuestos estructurales de cerámica/acero depende del desempeño combinado de dureza y tenacidad de las partículas cerámicas. , la dureza de la matriz y la fuerza de unión interfacial de la cerámica/matriz; En condiciones de desgaste abrasivo por impacto, la mejora de la resistencia al desgaste de los compuestos estructurales de cerámica/acero depende principalmente de la dureza de las partículas cerámicas, la dureza de la matriz y la fuerza de unión interfacial de la cerámica/matriz. En el caso del desgaste abrasivo por impacto, la mejora de la resistencia al desgaste de los compuestos cerámicos/acero construidos depende principalmente de la tenacidad de las partículas cerámicas, la dureza de la matriz y la resistencia de la unión interfacial de la cerámica/matriz.
Fabricación y aplicación de rodillos abrasivos de composite metal-cerámico.
Descripción general del diseño estructural y el proceso de fabricación del rodillo abrasivo compuesto cermet
En primer lugar, se aleó la superficie de las partículas cerámicas, y las partículas cerámicas ZTA tratadas y el polvo de aleación con alto contenido de cromo se mezclaron proporcionalmente y se colocaron en moldes de grafito y se compactaron. La preforma cerámica se preparó mediante moldeo por sinterización al vacío a alta temperatura, y la morfología de la preforma fue como se muestra en la Fig., en la que la relación poro-pared de la rejilla fue (1.5~1.8):1.
Las preformas se disponen secuencialmente y se fijan al interior de la cavidad en el metal de la manera que se muestra en la figura siguiente. La fundición de hierro fundido con alto contenido de cromo se vierte mediante fundición por gravedad a una temperatura de 1550°C. El rodillo se mantiene durante 72 h y luego se retira para obtener el rodillo de molienda compuesto de cermet. Los rodillos abrasivos de compuesto metal-cerámico se retiraron después de 72 h de tiempo de permanencia.
Efecto de operación del rodillo abrasivo compuesto de metal-cerámica
El rodillo abrasivo compuesto de metal-cerámica de nuestra empresa se ha utilizado con éxito en la industria de fibra de vidrio en las condiciones de trabajo que se muestran en la Tabla 2: comparación de datos de fibra de vidrio de pulido de rodillos abrasivos de hierro fundido convencional con alto contenido de cromo y rodillos de metal-cerámica. Uso inicial de rodillos de molienda de hierro fundido con alto contenido de cromo convencionales, con una producción de 11 t por hora, en una producción total de 12,000 t después de que el espesor de desgaste de la superficie del rodillo sea de 45 ~ 50 mm. Esta vez, la producción de una fuerte caída en la hora no puede cumplir con los requisitos de producción. Después de utilizar rodillos abrasivos compuestos de metal y cerámica, la producción por hora se mantiene estable en más de 13 toneladas, lo que es un 18% más que los rodillos abrasivos convencionales de hierro fundido con alto contenido de cromo. El uso bilateral de hasta 60,000 t equivale a 5 veces la potencia total de un rodillo abrasivo de fundición convencional con alto contenido de cromo. Según el análisis de datos de la Tabla 2, el uso de rodillos abrasivos compuestos de metal y cerámica puede ahorrar energía, reducir el consumo de energía y reducir el desperdicio de recursos no renovables.
Tabla 2 Comparación de los datos de funcionamiento de los rodillos de molienda convencionales de hierro fundido con alto contenido de cromo y cermet | |||||
Material | Corriente media/A | Espesor de desgaste total/mm | Tiempo total de funcionamiento/h | Producción media por unidad de hora/(t/h) | Estadísticas de producción total/10,000 toneladas |
hierro fundido con alto contenido de cromo | 28 | 45 - 50 | 1000 | 11 | 1.2 |
Compuestos metal-cerámicos | 25 | 35 - 40 | 4600 | 13 | 6 |
La figura 3 muestra el desgaste de rodillos abrasivos de material compuesto metal-cerámica en diferentes etapas de operación. Se puede observar que las partículas cerámicas se distribuyen en forma de rejilla prominente, lo que "atrapa" el material en el área de molienda de los rodillos durante el proceso de operación y mejora el rendimiento del polvo.
La Figura 4 es el espesor de desgaste de la superficie de trabajo del rodillo abrasivo bajo diferentes salidas; Se puede ver que la tasa de desgaste de la superficie de trabajo del rodillo abrasivo en el período anterior a la guerra era relativamente rápida.
Esto se debe al “proceso de asentamiento” (cuando la cerámica no está en plenas condiciones de funcionamiento), lo que provoca un mayor desgaste. A medida que se siguen utilizando los rodillos, la zona compuesta de metal y cerámica entra en pleno funcionamiento y la tasa de desgaste se estabiliza gradualmente. Los datos de la Tabla 2 muestran que la resistencia al desgaste de los rodillos compuestos de metal y cerámica es mucho mayor que la de los rodillos convencionales de hierro fundido con alto contenido de cromo.
Análisis de beneficios económicos.
En el mismo ciclo de uso, el uso de rodillos abrasivos de compuestos metal-cerámicos sin necesidad de pulido no solo puede reducir el costo de compra y el número de visitas de mantenimiento, sino que también reduce significativamente los costos de producción.
Tabla 3 Comparación del rendimiento económico de los rodillos abrasivos de compuestos metal-cerámicos y los rodillos abrasivos con alto contenido de cromo | |||||
ITEM | Costo de adquisición/conjunto (RMB) | Costo promedio de los rodillos de molienda por tonelada (RMB) | Consumo de electricidad/(kWh/t) | Costo de la electricidad por tonelada (RMB) | Costo total de un solo juego de rodillos trituradores por tonelada/ RMB |
Rodillos y revestimientos abrasivos de hierro fundido con alto contenido de cromo | 120000 | 10.27 | 64 | 40 | 50.27 |
Rodillos y revestimientos abrasivos de composite metal-cerámica | 250000 | 4.22 | 62 | 38 | 42.22 |
Tomemos como ejemplo el molino vertical HRM1700, con una vida útil convencional de hierro fundido con alto contenido de cromo de aproximadamente 1000 h, una producción total de 12,000 t, un precio de mercado de aproximadamente 120,000 yuanes por juego, costos de desmantelamiento y mantenimiento de 0.32 millones de yuanes, el costo promedio de rodillos de molienda por tonelada de polvo 10.27 yuanes, por tonelada de polvo cuesta 40 yuanes de consumo de electricidad, un solo juego de rodillos de hierro fundido con alto contenido de cromo por tonelada de polvo un total de 50.27 yuanes. Se cambió al rodillo de molienda compuesto de metal-cerámica y la vida útil del revestimiento es de aproximadamente 4600 h, la producción total de 60,000 toneladas, el precio de mercado de aproximadamente 250,000 yuanes por juego, los costos de desmantelamiento y mantenimiento de 0.32 millones de yuanes, el tonelaje promedio del costo del polvo de los rodillos de molienda de 4.22 yuanes, por tonelada de polvo el costo de consumo de 38 yuanes, un solo conjunto de rodillos de molienda de hierro fundido con alto contenido de cromo por tonelada de polvo un total de 42.22 yuanes. Un solo molino vertical de acuerdo con la producción anual de 100,000 t para calcular, cada tonelada de polvo para ahorrar el costo de compra de los rodillos de molienda 6.05 yuanes, ahorrando costos de electricidad 2 yuanes, puede reducir el costo de compra de 605,000 yuanes por año, ahorrando costos de electricidad de unos 200,000 yuanes.
Observaciones finales
Qiming Casting ha logrado muchos logros en la investigación de materiales compuestos de metal y cerámica, lo que ha sentado una base teórica para los rodillos de molienda domésticos de compuestos de metal y cerámica. Los rodillos de molienda de compuesto metal-cerámico preparados mediante el método de fundición e infiltración se aplican en los equipos de fabricación de polvo de fibra de vidrio de los clientes, con el efecto obvio de ahorro de energía y reducción del consumo:
- El uso de rodillos abrasivos compuestos de metal y cerámica puede aumentar la producción horaria hasta en un 18 % en comparación con los materiales monometálicos resistentes al desgaste;
- Bajo las mismas condiciones de desgaste, el desgaste volumétrico del rodillo abrasivo compuesto de metal y cerámica se reduce entre un 30% y un 35%, lo que puede extender la vida útil general del rodillo abrasivo de 3 a 5 veces;
- Reducir 6 veces el número de revisiones reducirá el costo de adquisición en $605,000 por año y ahorrará alrededor de $200,000 en costos de electricidad;
- Reduzca el consumo de energía y el uso de rodillos de molienda compuestos de metal y cerámica reduce el consumo de energía promedio por tonelada de polvo en un 3%.