Pourquoi développer des rouleaux abrasifs céramo-métalliques ?
La Chine est l'un des pays possédant les réserves minérales les plus riches. Avec le développement de la science fondamentale des matériaux, la demande de poudre de minerai augmente chaque année. Il existe de nombreux procédés de préparation de la poudre de minerai. Le système de broyeur vertical est aujourd'hui un processus de broyage typique et est largement utilisé dans les industries du ciment, des matériaux de construction, des mines, de l'énergie électrique, de la fibre de verre et d'autres industries. Le minerai est concassé et broyé en poudre de taille micronique, voire nanométrique, grâce à l'action combinée des rouleaux de broyage et des plaques de revêtement du broyeur vertical. Au cours du processus continu de concassage et de meulage, la surface du rouleau de broyage est également usée par la force de réaction du matériau, ce qui provoque non seulement une usure importante du matériau métallique, mais entraîne également une diminution de la fonction de meulage, une diminution en rendement, et une augmentation du coût de maintenance et de remplacement du rouleau broyeur. Actuellement, les rouleaux broyeurs des broyeurs verticaux sont souvent fabriqués en fonte à haute teneur en chrome ou soudés par recouvrement avec de la fonte à haute teneur en chrome. Bien que sa stabilité de fonctionnement soit bonne, des problèmes subsistent tels qu'un faible rendement quotidien et une résistance à l'usure insuffisante. Le problème est que cela ne répond pas aux attentes des gens en matière de consommation réduite de ressources. Il est donc vital de développer de nouveaux matériaux pour fabriquer de nouveaux rouleaux broyeurs. Cet article présente brièvement le développement de rouleaux de broyage composites en cermet dans les broyeurs verticaux et analyse les effets de leur application à l'aide d'études de cas.
Aperçu du développement et de l'application de rouleaux abrasifs métal-céramique résistant à l'usure en Chine et dans les pays d'outre-mer
En tant que composant principal de broyage du broyeur vertical, le rouleau de broyage nécessite une dureté élevée et un certain degré de ténacité. Le processus de développement de matériaux résistants à l'usure a subi trois étapes : l'acier à haute teneur en manganèse, la fonte dure au nickel et la fonte à haute teneur en chrome. L'acier à haute teneur en manganèse est souvent utilisé dans des conditions de charges d'impact, mais il ne peut pas être complètement durci et a une résistance à l'usure extrêmement limitée. En raison de sa bonne trempabilité, la fonte dure au nickel peut former une structure martensite + carbure M³C dure et résistante à l'usure lors de la coulée. Cette structure eutectique peut bien résister au labourage de la matrice par le matériau. , mais sa ténacité est insuffisante et son champ d'application est relativement restreint. La fonte à haute teneur en chrome est la troisième génération de matériaux résistants à l'usure développés après l'acier à haute teneur en manganèse et la fonte dure au nickel. Par rapport à la fonte ordinaire, la fonte à haute teneur en chrome présente une ténacité, une résistance à la chaleur et une résistance à l'usure élevées.
Dans des industries telles que le broyage de minerais, à mesure que la vitesse de fonctionnement des équipements continue d'augmenter, la résistance à l'usure de la fonte à haute teneur en chrome deviendra insuffisante. La recherche étrangère sur les matériaux résistants à l'usure se concentre sur les composites à matrice métallique utilisant des particules de céramique ZTA et des particules de céramique WC comme phases de renforcement. Parmi eux, les fabricants de préparations de matériaux composites représentés par l'entreprise belge Magotteaux et la société indienne VEGA Wear Resistance Materials Company utilisent de tels matériaux pour préparer des rouleaux de meulage et des revêtements en composite cermet, et leurs surfaces de travail présentent les caractéristiques d'une dureté élevée et d'une résistance élevée à l'usure. Les rouleaux de broyage et les revêtements composites métal-céramique ont été largement utilisés dans les industries du ciment, de l'énergie thermique, du minerai et d'autres industries à l'étranger, augmentant considérablement la durée de fonctionnement des broyeurs verticaux et réduisant la maintenance anormale des broyeurs verticaux. Cependant, le prix des rouleaux abrasifs en cermet importés est élevé et le cycle de livraison est long, le rapport prix/performance n'est donc pas élevé. Le marché intérieur attend avec impatience les rouleaux de meulage nationaux en cermet. La comparaison des caractéristiques des rouleaux broyeurs en Chine et dans d’autres pays est présentée dans le tableau ci-dessous.
Type de rouleau de meulage | Caractéristiques des différents rouleaux de broyage | ||
Différenciation | Désavantage | ||
Marché de la Chine | Acier allié | Haute résistance, haute ténacité, haute dureté, résistance à l'usure | coût élevé |
acier moulé | Bonne résistance et ténacité | Faible dureté et faible résistance à l'usure | |
fonte ductile | Bonne ténacité, dureté élevée, résistance à l'usure moyenne, facile à traiter | Facile à craquer, faible résistance | |
Fonte à haute teneur en chrome à rechargement dur | Haute résistance, haute ténacité, haute dureté | Facile à décoller, soudures par recouvrement fréquentes, résistance insuffisante à la fatigue du froid et de la chaleur | |
Acier à haute teneur en manganèse | Haute ténacité, dureté et résistance à l'usure modérée | Facile à craquer et à rétrécir | |
Acier faiblement allié | Haute résistance, ténacité et résistance aux chocs | Non résistant à l'usure, durée de vie courte | |
Marché d'autres pays | Revêtement résistant à l'usure | Haute résistance et ténacité | Faible résistance aux chocs et coûteux |
Acier hautement allié bimétallique coulé par centrifugation | Haute dureté, couche extérieure résistante à l'usure, couche intérieure solide | Facile à séparer |
Préparation de matériaux composites cermet
Processus de préparation des matériaux composites
Les matériaux composites cermet sont composés de particules céramiques et d'une matrice métallique. Les particules de céramique dans les matériaux composites, en tant que principaux supports résistants à l'usure, jouent un rôle essentiel dans l'utilisation des matériaux composites, et la matrice métallique peut décharger la force que supportent les particules de céramique lors de l'utilisation de matériaux composites. La préparation de matériaux composites cermet par la méthode d'infiltration par coulée peut éviter des inconvénients tels que de longs cycles de production, une consommation d'énergie élevée et un coût élevé. Nous avons utilisé le logiciel de simulation ProCAST pour simuler le processus de matériaux composites à matrice ZTAp/fonte à haute teneur en chrome à des températures de coulée de 1350 1450 °C, 1550 1650 °C, 3.0 3.5 °C et 4.0 3.5 °C, et à des vitesses de coulée de 1550 kg/s, XNUMX. kg/s et XNUMX kg/s. Contraindre des conditions dans différentes conditions et vérifier les résultats de la simulation par des expériences. Les résultats montrent que l'effet composite est meilleur sous coulée par gravité en sable lorsque la vitesse de coulée est de XNUMX kg/s et que la température de coulée est de XNUMX XNUMX °C. Cela peut garantir que le corps préfabriqué a une bonne intégrité structurelle pendant le processus de composite. Nous avons utilisé l’infiltration de coulée sous pression négative pour préparer des matériaux composites à matrice en fonte à haute teneur en chrome renforcés de céramique ZTA. En plaquant du Ni et en enduisant de la poudre de Cr sur la surface céramique ZTA, la diffusion d'éléments a été utilisée dans la fusion à haute température pour améliorer la mouillabilité de l'interface, favoriser l'effet d'imprégnation et augmenter la force de liaison. Nous avons utilisé un processus de coulée par infiltration sans pression pour préparer des matériaux composites à base de fonte à haute teneur en chrome renforcés par des particules d'alumine renforcées à la zircone de taille micronique, ce qui a résolu le problème de la mauvaise fusion des préformes de particules céramiques de taille micronique dans des conditions d'infiltration et a systématiquement étudié le renforcement ZTAp. . Effet de la teneur en poudre fine dans les préformes composites à matrice en fonte à haute teneur en chrome sur leur microstructure et leurs propriétés mécaniques.
Caractéristiques de l'organisation des matériaux composites
Les matériaux composites Cermet produisent une grande quantité de martensite dans la matrice grâce à des processus de préparation appropriés, et en même temps, des carbures primaires hexagonaux M7C3 sont distribués. Cela ralentit le taux d'usure du métal de base, protège au maximum les particules de céramique ZTA et permet d'obtenir une résistance élevée à l'usure. Nous avons utilisé la technologie de solidification directionnelle pour préparer de la fonte à haute teneur en chrome avec une structure hypereutectique. Nous avons étudié les effets de la trempe et du revenu sur la structure de la matrice, la dureté, la ténacité et la résistance à l'usure. Sous le processus de trempe à 1050 ℃ + de revenu à 450 ℃, la structure en fonte à haute teneur en chrome est de la martensite M7C3+, avec une petite quantité d'austénite retenue. La matrice a une énergie d'impact élevée et une résistance élevée à l'usure. Nous avons caractérisé les tests de microstructure et de performance de la fonte hypoeutectique à haute teneur en chrome dans différentes conditions de traitement thermique. Nous avons constaté que la dureté et l'énergie absorbée par l'impact de la fonte hypoeutectique à haute teneur en chrome augmentaient avec la température de trempe et l'allongement du temps de maintien. Après trempe et revenu, la dureté maximale peut atteindre 58HRC et l'absorption maximale d'énergie d'impact peut atteindre 15J. Nous avons étudié l'effet du processus de traitement thermique sur la microstructure et les propriétés mécaniques de la fonte eutectique à haute teneur en chrome. La plage de teneur en carbone dans l'intervalle eutectique diminue avec l'augmentation de la teneur en Cr, ce qui correspond à une relation approximativement linéaire. Un revenu à 400 ~ 500 ℃ provoquera un durcissement secondaire. La dureté augmente rapidement et la perte par usure est considérablement réduite.
Conception de structures composites
Grâce à l'étude approfondie des composites résistants à l'usure à base de métal, la configuration composite est optimisée et conçue en fonction de l'utilisation de la surface de travail du produit et des exigences de force de sortie. Actuellement, la zone composite métal-céramique est préparée sous la forme d'une grille tridimensionnelle tridimensionnelle, et cette structure peut efficacement éviter les contraintes générées lors de la contraction du métal fondu. Assurez-vous que le processus de préparation et d’utilisation du matériau composite métal-céramique ne produira pas de fissures, de fractures ou d’autres défauts. D'autre part, la zone composite métal-céramique en forme de grille produira une structure concave-convexe pendant le processus d'usure, qui peut efficacement « attraper » les morceaux de minerai dans la zone de concassage du matériau entre le rouleau de broyage et le revêtement. Sur la base du logiciel d'analyse par éléments finis, nous avons simulé le champ de température et la contrainte thermique des composites à matrice de fonte à haute teneur en chrome renforcés par des particules de céramique ZTA pendant le processus de coulée. Un modèle mécanique thermoélastique-plastique a été appliqué pour décrire avec précision la répartition des contraintes thermiques des pièces moulées préfabriquées avec différentes structures. Il est finalement montré que la contrainte thermique diminue avec l'augmentation des côtés des trous du corps préfabriqué, c'est-à-dire que la contrainte thermique est minimisée lorsque les trous en nid d'abeilles sont circulaires.
En combinaison avec le mécanisme de rupture des matériaux dans des conditions d'usure par abrasion par impact, nous analysons que dans des conditions d'usure par abrasion sans impact, l'amélioration de la résistance à l'usure des composites structurels céramique/acier dépend des performances combinées de dureté et de ténacité des particules de céramique. , la dureté de la matrice et la force de liaison interfaciale de la céramique/matrice ; dans des conditions d'usure abrasive par impact, l'amélioration de la résistance à l'usure des composites structurels céramique/acier dépend principalement de la dureté des particules céramiques, de la dureté de la matrice et de la force de liaison interfaciale de la céramique/matrice. Dans le cas de l'usure par abrasion par impact, l'amélioration de la résistance à l'usure des composites céramique/acier construits dépend principalement de la ténacité des particules céramiques, de la dureté de la matrice et de la force de liaison interfaciale de la céramique/matrice.
Fabrication et application de rouleaux de broyage composites métal-céramique
Aperçu de la conception structurelle et du processus de fabrication du rouleau de meulage composite cermet
Premièrement, la surface des particules de céramique a été alliée, et les particules de céramique ZTA traitées et la poudre d'alliage à haute teneur en chrome ont été mélangées proportionnellement et placées dans des moules en graphite, puis compactées. La préforme en céramique a été préparée par moulage par frittage sous vide à haute température, et la morphologie de la préforme était telle que représentée sur la figure, dans laquelle le rapport grille pores-paroi était de (1.5 ~ 1.8) : 1.
Les préformes sont disposées séquentiellement et fixées à l'intérieur de la cavité dans le métal de la manière illustrée sur la figure ci-dessous. La fonte à haute teneur en chrome est coulée par gravité à une température de 1550 72 °C. Le rouleau est maintenu 72h puis retiré pour obtenir le rouleau de broyage composite cermet. Les rouleaux broyeurs composites métal-céramique ont été retirés après XNUMX heures de temps de maintien.
Effet de fonctionnement du rouleau de meulage composite métal-céramique
Le rouleau de meulage composite métal-céramique de notre société a été utilisé avec succès dans l'industrie de la fibre de verre dans les conditions de travail indiquées dans le tableau 2 : comparaison des données de meulage conventionnelles en fonte à haute teneur en chrome et en métal-céramique pour le meulage des rouleaux de fibre de verre. Utilisation précoce de rouleaux de meulage en fonte à haute teneur en chrome pour moulage conventionnel, rendement de 11 t par heure, pour un rendement total de 12,000 45 t après que l'épaisseur d'usure de la surface du rouleau soit de 50 à 13 mm. Cette fois, la production en forte baisse horaire ne peut pas répondre aux besoins de production. Après avoir utilisé des rouleaux de broyage composites métal-céramique, le rendement horaire est stable à plus de 18 t, soit 60,000 % de plus que les rouleaux de broyage conventionnels en fonte à haute teneur en chrome. Une utilisation double face jusqu'à 5 2 t représente la puissance totale d'un rouleau abrasif classique en fonte à haute teneur en chrome XNUMX fois. D'après l'analyse des données du tableau XNUMX, l'utilisation de rouleaux de broyage composites métal-céramique peut économiser de l'énergie, réduire la consommation d'énergie et réduire le gaspillage de ressources non renouvelables.
Tableau 2 Comparaison des données de fonctionnement des rouleaux abrasifs conventionnels en fonte à haute teneur en chrome et en cermet | |||||
Matières | Courant moyen/A | Épaisseur d'usure totale/mm | Temps de fonctionnement total/h | Production horaire unitaire moyenne/(t/h) | Statistiques de production totale/10,000 XNUMX tonnes |
fonte à haute teneur en chrome | 28 | 45-50 | 1000 | 11 | 1.2 |
Composites métal-céramique | 25 | 35-40 | 4600 | 13 | 6 |
La figure 3 montre l'usure des rouleaux broyeurs composites métal-céramique à différentes étapes de fonctionnement. On peut voir que les particules de céramique sont réparties sous la forme d'une grille proéminente, qui « attrape » le matériau dans la zone de broyage des rouleaux pendant le fonctionnement et améliore le rendement en poudre.
La figure 4 est l'épaisseur d'usure de la surface de travail du rouleau broyeur sous différentes sorties ; on peut voir que le taux d'usure de la surface de travail du rouleau broyeur dans la période d'avant-guerre est relativement rapide.
Cela est dû au « processus de rodage » (lorsque la céramique n’est pas en parfait état de fonctionnement), qui entraîne une usure accrue. Au fur et à mesure que les rouleaux continuent d'être utilisés, la zone composite métal-céramique entre en pleine activité et le taux d'usure se stabilise progressivement. Les données du tableau 2 montrent que la résistance à l'usure des rouleaux composites métal-céramique est bien supérieure à celle des rouleaux conventionnels en fonte à haute teneur en chrome.
Analyse des avantages économiques
Dans le même cycle d'utilisation, l'utilisation de rouleaux abrasifs composites métal-céramique sans besoin de surfaçage peut non seulement réduire le coût d'achat et le nombre de visites de maintenance, mais également réduire considérablement les coûts de production.
Tableau 3 Comparaison des performances économiques des rouleaux broyeurs composites métal-céramique et des rouleaux broyeurs à haute teneur en chrome | |||||
ARTICLE | Coût d'approvisionnement/ensemble (RMB) | Coût moyen des rouleaux de broyage par tonne (RMB) | Consommation d'électricité/(kWh/t) | Coût de l'électricité par tonne (RMB) | Coût total d'un seul jeu de rouleaux de broyage par tonne/RMB |
Rouleaux et revêtements de broyage en fonte à haute teneur en chrome | 120000 | 10.27 | 64 | 40 | 50.27 |
Rouleaux et revêtements de meulage composites métal-céramique | 250000 | 4.22 | 62 | 38 | 42.22 |
Prenons comme exemple le broyeur vertical HRM1700, dont la durée de vie conventionnelle en fonte à haute teneur en chrome est d'environ 1000 12,000 heures, la production totale de 120,000 0.32 t, le prix du marché d'environ 10.27 40 yuans par ensemble, les coûts de démontage et de maintenance de 50.27 million de yuans, le coût moyen de rouleaux de broyage par tonne de poudre 4600 yuans, par tonne de poudre coût de 60,000 yuans de consommation d'électricité, un seul ensemble de rouleaux en fonte à haute teneur en chrome par tonne de poudre un total de 250,000 yuans. Changement pour une durée de vie du rouleau de broyage et du revêtement composites métal-céramique d'environ 0.32 4.22 heures, la production totale de 38 42.22 tonnes, le prix du marché d'environ 100,000 6.05 yuans par ensemble, les coûts de démontage et de maintenance de 2 million de yuans, le tonnage moyen du coût de la poudre des rouleaux de broyage de 605,000 yuans, par tonne de poudre coût de consommation de 200,000 yuans, un seul ensemble de rouleaux de broyage en fonte à haute teneur en chrome par tonne de poudre un total de XNUMX yuans. Broyeur vertical unique selon la production annuelle de XNUMX XNUMX t à calculer, chaque tonne de poudre permet d'économiser le coût d'achat des rouleaux de broyage de XNUMX yuans, ce qui permet d'économiser XNUMX yuans sur les coûts d'électricité, peut réduire le coût d'achat de XNUMX XNUMX yuans par an, économisant ainsi les coûts d'électricité de environ XNUMX XNUMX yuans.
Remarques finales
Qiming Casting a réalisé de nombreuses réalisations dans la recherche de matériaux composites métal-céramique, qui ont jeté les bases théoriques des rouleaux de broyage composites métal-céramique domestiques. Les rouleaux de broyage composites métal-céramique préparés par méthode de coulée et d'infiltration sont appliqués dans les équipements de fabrication de poudre de fibre de verre des clients, avec l'effet évident d'économie d'énergie et de réduction de la consommation :
- L'utilisation de rouleaux abrasifs composites métal-céramique peut augmenter le rendement horaire jusqu'à 18 % par rapport aux matériaux monométalliques résistants à l'usure ;
- Dans les mêmes conditions d'usure, l'usure volumique du rouleau de broyage composite métal-céramique est réduite de 30 % à 35 %, ce qui peut prolonger la durée de vie globale du rouleau de broyage jusqu'à 3 à 5 fois ;
- Réduire de 6 fois le nombre de révisions réduira le coût d'approvisionnement de 605,000 200,000 $ par an et permettra d'économiser environ XNUMX XNUMX $ en coûts d'électricité ;
- Réduisez la consommation d'énergie et l'utilisation de rouleaux de broyage composites métal-céramique réduit la consommation d'énergie moyenne par tonne de poudre de 3 %.