Análisis de fallas e investigación de optimización en martillos trituradoras de manganeso

Fondo

Nuestro cliente de EE. UU. compró 98 martillos trituradores de manganeso (Mn18) para sus trituradoras verticales de cemento. Después de seis meses de servicio, algunas piezas se rompieron y fallaron. El cliente quiere que analicemos la causa de la rotura y le proporcionemos productos optimizados.

Análisis de condiciones de trabajo

El martillo triturador es el componente central de la trituradora de martillos y, debido a las condiciones de trabajo de alto impacto en la trituradora, acero con alto contenido de manganeso Es el material metálico más adecuado para el martillo. El cabezal de martillo de la trituradora de clinker de cemento está hecho principalmente de acero con alto contenido de manganeso Mn18. Durante el proceso de solidificación de un martillo de acero con alto contenido de manganeso, cuando la suma de la tensión interna generada por la contracción por enfriamiento y la tensión térmica generada por la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la pieza fundida excede la resistencia del área afectada por la tensión, fina Se producirán grietas en la fundición. Estas finas grietas pueden estar rellenas con elementos solutos por un lado y por otro pueden provocar la acumulación de inclusiones, las cuales formarán zonas discontinuas en la matriz del acero. Estas grietas y sus rellenos internos no pueden eliminarse durante el endurecimiento por agua. En las duras y complejas condiciones de trabajo dentro de la trituradora, la dirección y la intensidad del impacto en la cabeza del martillo durante su operación tienen cierta aleatoriedad, lo que lleva a la expansión continua de las diferencias en las características de endurecimiento de la superficie y las características de la microestructura de varias partes de la trituradora. el martillo. Además, las finas grietas existentes continúan propagándose durante el proceso de impacto por fatiga, lo que eventualmente provoca accidentes por fallas como fracturas o roturas de martillo, lo que afecta el ciclo de vida útil general.

Inspección y análisis de martillos trituradores con alto contenido de manganeso averiados.

Pruebas de ingredientes

Se tomaron diferentes piezas de fundición para la inspección de composición y los resultados se muestran en la Tabla 1.

En la Tabla 1 se puede observar que existe una ligera diferencia de composición entre la región central y la superficie, la cual se atribuye a la segregación durante el proceso de solidificación. El cromo es uno de los elementos añadidos en cantidades relativamente grandes al acero con alto contenido de manganeso, y su función también es bastante clara. Después del tratamiento de endurecimiento con agua, el cromo se disuelve principalmente en la fase de austenita del acero con alto contenido de manganeso, lo que aumenta el límite elástico del acero y acelera la precipitación de carburo durante el enfriamiento, lo que generalmente resulta en una distribución reticular continua de carburos a lo largo de los límites de los granos. El acero con alto contenido de manganeso con cromo agregado exhibe una resistencia al desgaste mejorada cuando se somete a una fuerte abrasión por impacto, lo que lo hace adecuado para piezas fundidas de martillos trituradores.

El titanio pertenece a la categoría de elementos reductores vitales en el acero fundido. En el acero Mn18 con alto contenido de carbono y nitrógeno, puede combinarse con C y N para formar precipitados. Si se forman partículas de alto punto de fusión como TiN y Ti(C, N) antes de la solidificación, pueden actuar como sitios de nucleación heterogéneos no espontáneos para la austenita, aumentando el número de granos por unidad de volumen y refinando así el tamaño del grano. Por lo tanto, se han realizado considerables investigaciones y aplicaciones prácticas de la microaleación de titanio en acero con alto contenido de manganeso. En el acero Mn18 descrito en este artículo, se añadió alrededor de un 0.5 % de titanio durante la fase de diseño inicial.

Análisis de la interfaz de fractura de martillos trituradoras.

Luego de las inspecciones pertinentes, se utilizaron martillos trituradores de Mn18 en una trituradora vertical de cemento. Después de un período de servicio de 6 meses, algunos de ellos experimentaron fallas por fractura. Se analizaron muestras fracturadas y los resultados relevantes se muestran en las Figuras 1 a 5.

• La Figura 1 muestra que la fractura ocurrió alrededor del orificio de conexión del perno del martillo, lo que indica una fractura frágil transversal.
• La Figura 2 revela que la superficie de fractura en diferentes posiciones exhibe características típicas de fractura por escisión, lo que indica una mala tenacidad del martillo. Además, las inclusiones irregulares en forma de bloques están ampliamente distribuidas en diferentes secciones, lo que indica un número total relativamente alto de dichas inclusiones.
• Como se muestra en la Figura 3, en la sección normal de la estructura, los granos son relativamente gruesos y los carburos en bloques precipitan a lo largo de los límites de los granos. Sin embargo, los límites generales del grano de austenita parecen normales.
• Las figuras 3 y 4 muestran que los granos en la sección normal del martillo están aproximadamente al nivel 0.5. Por el contrario, los granos cerca de la superficie de fractura son más grandes, con un diámetro de grano promedio de más de 400 μm. Se han formado carburos reticulares continuos a lo largo de los límites de los granos y muchos carburos aciculares han crecido desde los límites de los granos hacia los granos. La superficie de fractura exhibe claras características de fractura intergranular. A diferencia de los carburos esféricos, que tienen una estructura cúbica centrada en las caras, los carburos aciculares tienen una estructura cúbica centrada en el cuerpo. Las diferentes características estructurales conducen a diferencias significativas en sus propiedades físicas. Los carburos aciculares finos (longitud ≤20 μm) son beneficiosos para estabilizar los límites de grano y optimizar las propiedades mecánicas del acero con alto contenido de manganeso, especialmente la tenacidad al impacto. Sin embargo, en la Figura 4, los carburos ultralargos de color gris oscuro que penetran en los granos indican que se producirá una transformación de perlita en su interior. Esto se debe a que, bajo ciertas condiciones de sobreenfriamiento, las áreas con precipitación concentrada de carburos formarán una estructura mixta que consiste en Fe3C laminar y una pequeña cantidad de ferrita (formada por la precipitación local de carburos para crear una región baja en carbono), conocida como perlita. Esta estructura mixta tiene una unión débil, lo que resulta en una menor energía de absorción de impacto que una matriz de austenita uniforme. Cuando se somete a fuertes fuerzas externas, tanto la ferrita acicular como los límites de grano en los que se encuentra se convierten en zonas de concentración de tensiones, lo que provoca defectos como fracturas y desgarros, lo que en última instancia provoca la fractura del cabezal del martillo después de un cierto período de servicio.
• La Figura 5 muestra que TiN y Ti(C,N) se agregan de forma continua y extensa en un área determinada, formando regiones discontinuas en la matriz de acero. En esta zona, tanto la resistencia como la tenacidad disminuyen drásticamente. Durante el proceso de trabajo del tiburón martillo, este tipo de inclusiones se convierten en zonas obvias de concentración de tensiones. Actúan directamente como origen de las grietas, expandiéndose y extendiéndose gradualmente, lo que finalmente conduce a la formación generalizada de grietas y provoca la falla por fractura de la cabeza del martillo.

 

Análisis y discusión

 

Efecto de la composición química.

El carbono es uno de los elementos más importantes del acero con alto contenido de manganeso. Su presencia facilita la formación de una estructura austenita monofásica. Una gran cantidad de carbono disuelto en austenita también ayuda a aumentar la resistencia del acero con alto contenido de manganeso. Además, los carburos formados por carbono y elementos de aleación como el Cr contribuyen a mejorar la resistencia al desgaste del acero con alto contenido de manganeso. Sin embargo, un contenido de carbono excesivamente alto aumentará la tendencia a la precipitación de carburos en los límites de grano, lo que, en las mismas condiciones, es perjudicial para la estabilización de los límites de grano. Por lo tanto, es aconsejable reducir el contenido de carbono de manera adecuada según la Tabla 1.

Agregar Mo al acero con alto contenido de manganeso puede reducir la precipitación de carburos en la estructura recién fundida y disminuir la tendencia a formar una red de carburos en los límites de grano de la austenita. El molibdeno también puede reducir la velocidad de precipitación de los carburos en forma de agujas en el acero, reduciendo su temperatura de precipitación. Estos efectos son beneficiosos para mejorar la plasticidad y la resistencia del acero con alto contenido de manganeso en estado fundido. Pueden compensar las deficiencias provocadas por la adición de elementos de cromo. Por lo tanto, se debe agregar Mo de manera adecuada para que funcione junto con Cr, aprovechando los efectos beneficiosos de ambos elementos.

Se confirman los efectos beneficiosos de la microaleación de titanio en acero con alto contenido de manganeso que se analizan en este artículo. Sin embargo, si el contenido de titanio es demasiado alto mientras el contenido de nitrógeno permanece relativamente estable, TiN y Ti(C, N) comienzan a precipitar a 1400°C. Se forman y fusionan de forma continua y extensa dentro de la masa fundida de metal o en la zona bifásica sólido-líquido. A medida que continúa la solidificación, se agregan constantemente hacia los límites de los granos, con una mayor concentración de elementos solutos y fases con puntos de fusión relativamente más bajos. Esta agregación excede la cantidad requerida para su efecto de fijación, disminuyendo la fuerza inicial de unión de los límites de grano e incluso un desprendimiento severo entre la matriz de acero y los límites de grano. Durante el proceso de trabajo del martillo, la agregación de inclusiones se convierte en un área significativa de concentración de tensiones, que sirve directamente como origen de grietas, que se propagan y extienden gradualmente para causar grietas generalizadas y, en última instancia, conducen a la falla del martillo.

Por lo tanto, desde una perspectiva composicional, es necesario aprovechar al máximo los efectos beneficiosos del TiN y el Ti(C, N) en las piezas fundidas de Mn18 y, al mismo tiempo, controlar los efectos nocivos de su precipitación extensa y concentrada. El contenido de titanio se puede reducir adecuadamente considerando las prácticas de aplicación maduras de aceros de baja aleación y aceros de aleación media.

 

El impacto de la tecnología de procesos.

Para producir acero con alto contenido de manganeso con buen rendimiento y vida útil estable, controlar el refinamiento de los granos de austenita y la morfología de los carburos son dos puntos de control clave. Durante el proceso de enfriamiento y cristalización del acero con alto contenido de manganeso, los carburos reticulares y aciculares generalmente precipitan a lo largo de los límites de los granos, y los carburos aciculares crecen hacia adentro. Sin embargo, si la pieza fundida es demasiado grande, y el tiempo desde el calentamiento hasta el tratamiento de endurecimiento con agua es demasiado largo, y la penetración del enfriamiento durante el tratamiento de endurecimiento con agua es insuficiente, lo que resulta en una residencia prolongada en la zona de alta temperatura (≥500°C), conducirá a un crecimiento continuo de granos de austenita, una precipitación continua de carburos de límite de grano y un crecimiento continuo de carburos aciculares. En última instancia, esto conduce a diferencias excesivas en los estados de estrés internos y externos. Bajo fuertes fuerzas externas, las dislocaciones de alta densidad y la deformación aparecen por primera vez en la superficie del martillo, aumentando rápidamente su resistencia y dureza. El aumento adicional de la diferencia en la tensión interna y externa conduce a la fragilización de los límites internos de los granos, lo que resulta en desgarros y fracturas, que se manifiestan como falla por fractura del cabezal del martillo.

Por lo tanto, desde una perspectiva de proceso, primero es necesario asegurar que la temperatura de calentamiento antes del tratamiento de endurecimiento con agua del cabezal de martillo sea razonable y suficiente, asegurando así que los carburos se disuelvan total o mayoritariamente en la austenita. Después de retirar el martillo del horno de calentamiento, es el período pico de precipitación de carburo. Si el tiempo desde la extracción hasta la inmersión en agua es largo, los carburos precipitarán en grandes cantidades y se producirán rápidamente carburos aciculares. Con una resistencia de enfriamiento insuficiente y una tasa de transferencia de enfriamiento interna inadecuada, se producen efectos de envejecimiento interno, lo que resulta en un crecimiento significativo del grano y una precipitación excesiva de carburo durante el proceso de uso, lo que provoca grietas en los límites del grano y fallas del martillo. Por lo tanto, el tiempo de inmersión de la fundición debe reducirse en gran medida para formar austenita estable lo más rápido posible, reducir la cantidad de precipitación de carburo, evitar la aparición de carburos reticulares mientras se aumenta el volumen de agua para mantener el sobreenfriamiento y acelerar el enfriamiento interno, evitando la aparición de exceso. precipitación de carburo y la presencia de carburos aciculares de gran tamaño en condiciones de envejecimiento, mejorando así la consistencia de la estructura interna y externa, las características de los límites de grano y el rendimiento del martillo, y extendiendo su vida útil.

 

Medidas de optimización

Con base en el análisis y la discusión anteriores, se formulan las siguientes medidas de optimización:

1. Reducir el objetivo de contenido de C de las cabezas de martillo de trituradoras con alto contenido de manganeso al 1.25 % y el objetivo de contenido de Ti al 0.15 %.
2. Agregue un valor objetivo de 0.5% de molibdeno.
3. La temperatura de calentamiento del tratamiento de endurecimiento por agua del martillo triturador se aumentó a 1060°C, se optimizó la operación y el tiempo desde que el martillo triturador sale del horno hasta que ingresa al agua se redujo a menos de 40 segundos.
4. Optimice las condiciones de enfriamiento del agua, aumente el volumen del tanque de agua o utilice agua circulante de gran flujo con temperatura controlada para garantizar la intensidad del enfriamiento.

 

Efecto de implementación

Microestructura

El proceso optimizado produce martillos trituradores de Mn18 y la Tabla 2 muestra la composición real del acero fundido.

Tabla 2. Composición química optimizada de la cabeza de martillo de Mn18 (% en peso)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
Piezas de muestra	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

De la Tabla 2, los ingredientes alcanzan el rango objetivo de optimización.

Una vez completada la fundición, se disecciona el martillo triturador y su organización se muestra en la Figura 6.

La Figura 6 muestra que después de optimizar tanto la composición como el proceso, la estructura cerca de la superficie del martillo se vuelve más uniforme. El tamaño de grano está en el nivel 2, mientras que los granos en la región central están aproximadamente en el nivel 1, lo que muestra una precipitación en los límites de los granos distintos. Sin embargo, los precipitados son principalmente carburos en bloques y la longitud de los carburos aciculares está en su mayoría dentro de los 10 µm, lo que indica una reducción adecuada del contenido de carbono. La adición de Mo en combinación con Cr reduce la cantidad total de precipitados y optimiza su morfología, lo que favorece la estabilidad de los límites de grano. Además, no se observó que inclusiones en bloques similares a TiN se agregaran en láminas entre los precipitados, lo que sugiere que los efectos adversos de tales inclusiones están dentro de un rango controlable.

Después de 18 meses de uso, este lote de martillos trituradores no ha experimentado ninguna falla por fractura aparte del desgaste normal en los extremos de la superficie. Esto indica una mejora significativa en la calidad interna y externa de los martillos trituradores, lo que lleva a una extensión estable de su ciclo de vida útil.

Conclusión

1. El agrietamiento a lo largo del límite de grano en la sección transversal es la causa directa de la fractura del martillo triturador de Mn18, y la razón fundamental es la precipitación de carburos de la red de límite de grano causada por una velocidad de enfriamiento insuficiente.
2. Si el contenido de Ti es demasiado alto, una gran cantidad de TiN cuadrado precipitará y se agregará en los límites de los granos, lo que también disminuirá la fuerza de unión de los límites de los granos y promoverá el agrietamiento de los límites de los granos bajo la acción de fuerzas externas.
3. El uso de aleaciones compuestas de Cr y Mo puede reducir la precipitación de carburos de límite de grano, optimizar la morfología de los carburos y reducir significativamente la precipitación de carburos con forma de aguja de gran tamaño.
4. Se adoptan medidas como la optimización del proceso de endurecimiento por agua basado en la optimización de la composición para refinar los granos del martillo de Mn18, controlar la cantidad total y la forma de los precipitados y, en última instancia, ampliar el tiempo de servicio.

Con base en el análisis de las características de la interfaz de fractura, la morfología y la estructura metalográfica de los martillos trituradores de manganeso, se ha determinado que las razones del fallo son el agrietamiento a lo largo de los límites de los granos, el contenido excesivo de Ti y los procesos de producción irrazonables. Al reducir el contenido de Ti, aumentar el elemento Mo, cambiar el proceso de producción y otras medidas, se optimizan las características de la microestructura, la cantidad total y la morfología de los precipitados de los martillos trituradores de Mn18, y se mejoran efectivamente el ciclo de servicio y la estabilidad del cabezal del martillo.