Perché sviluppare rulli macinatori metallo-ceramici?
La Cina è uno dei paesi con le più ricche riserve minerarie. Con lo sviluppo della scienza fondamentale dei materiali, la domanda di polvere di minerale aumenta ogni anno. Esistono molti processi di preparazione della polvere minerale. Il sistema di macinazione verticale è oggi un tipico processo di macinazione ed è ampiamente utilizzato nei settori del cemento, dei materiali da costruzione, nell'industria mineraria, nell'energia elettrica, nella fibra di vetro e in altri settori. Il minerale viene frantumato e macinato in polvere di dimensioni micron o addirittura nano attraverso l'azione combinata dei rulli di macinazione e delle piastre di rivestimento nel mulino verticale. Durante il processo continuo di frantumazione e macinazione, anche la superficie del rullo di macinazione viene usurata dalla forza di reazione del materiale, il che non solo provoca una grande usura del materiale metallico ma porta anche ad una diminuzione della funzione di macinazione, una diminuzione di produzione, ed un aumento dei costi di manutenzione e sostituzione del rullo molatore. Attualmente, i rulli di macinazione nei mulini verticali sono spesso realizzati in ghisa ad alto contenuto di cromo o saldati con ghisa ad alto contenuto di cromo. Sebbene la sua stabilità operativa sia buona, ci sono ancora problemi come la bassa produzione giornaliera e l'insufficiente resistenza all'usura. Il problema è che non soddisfa le aspettative delle persone riguardo ad un minore consumo di risorse. Pertanto, lo sviluppo di nuovi materiali per realizzare nuovi rulli di macinazione è fondamentale. Questo articolo introduce brevemente lo sviluppo dei rulli di macinazione in composito cermet nei mulini verticali e analizza gli effetti della loro applicazione con casi di studio.
Panoramica dello sviluppo e dell'applicazione di rulli di macinazione metallo-ceramica resistenti all'usura in Cina e nei paesi d'oltremare
Essendo il principale componente di macinazione del mulino verticale, il rullo di macinazione richiede elevata durezza e un certo grado di tenacità. Il processo di sviluppo di materiali resistenti all'usura ha attraversato tre fasi: acciaio ad alto contenuto di manganese, ghisa dura al nichel e ghisa ad alto contenuto di cromo. L'acciaio ad alto contenuto di manganese viene spesso utilizzato in condizioni con carichi d'urto, ma non può essere completamente indurito e ha una resistenza all'usura estremamente limitata. Grazie alla sua buona temprabilità, la ghisa dura al nichel può formare una struttura dura e resistente all'usura martensite + carburo M³C quando fusa. Questa struttura eutettica può ben resistere allo schiacciamento della matrice da parte del materiale. , ma la sua tenacità è insufficiente e il suo campo di applicazione è relativamente piccolo. La ghisa ad alto contenuto di cromo è la terza generazione di materiali resistenti all'usura sviluppati dopo l'acciaio ad alto contenuto di manganese e la ghisa nichel-dura. Rispetto alla ghisa ordinaria, la ghisa ad alto contenuto di cromo ha un'elevata tenacità, resistenza al calore e resistenza all'usura.
In settori come quello della macinazione dei minerali, poiché la velocità operativa delle apparecchiature continua ad aumentare, la resistenza all'usura della ghisa ad alto contenuto di cromo diventerà insufficiente. La ricerca estera sui materiali resistenti all'usura si concentra sui compositi a matrice metallica che utilizzano particelle di ceramica ZTA e particelle di ceramica WC come fasi di rinforzo. Tra questi, i produttori di preparati per materiali compositi rappresentati dal Belgio Magotteaux e l'azienda indiana VEGA Wear Resistente Materials utilizzano tali materiali per preparare rulli e rivestimenti in composito di cermet e le loro superfici di lavoro hanno le caratteristiche di elevata durezza ed elevata resistenza all'usura. I rulli di macinazione e i rivestimenti compositi in metallo-ceramica sono stati ampiamente utilizzati nei settori del cemento, dell'energia termica, dei minerali e in altri settori all'estero, aumentando significativamente il tempo di funzionamento dei mulini verticali e riducendo la manutenzione anomala dei mulini verticali. Tuttavia, il prezzo dei rulli di macinazione in cermet importati è elevato e il ciclo di consegna è lungo, quindi il rapporto prezzo/prestazioni non è elevato. Il mercato interno attende con impazienza i rulli di macinazione in cermet domestici. Il confronto delle caratteristiche dei rulli di macinazione in Cina e in altri paesi è mostrato nella tabella seguente.
Tipo di rullo di macinazione | Caratteristiche dei diversi rulli macinatori | ||
Vantaggio | Svantaggio | ||
Mercato cinese | Acciaio legato | Elevata resistenza, elevata tenacità, elevata durezza, resistenza all'usura | costo alto |
acciaio fuso | Buona resistenza e tenacità | Bassa durezza e bassa resistenza all'usura | |
Ferro duttile | Buona tenacità, elevata durezza, media resistenza all'usura, facile lavorazione | Facile da rompere, a bassa resistenza | |
Ghisa ad alto contenuto di cromo con riporto duro | Elevata resistenza, elevata tenacità, elevata durezza | Facile pelabilità, frequenti saldature per sovrapposizione, insufficiente resistenza al freddo e alla fatica da caldo | |
Acciaio ad alto contenuto di manganese | Elevata tenacità, durezza e moderata resistenza all'usura | Facile da rompere e restringere | |
Acciaio bassolegato | Elevata robustezza, tenacità e resistenza agli urti | Non resistente all'usura, breve durata | |
Mercato di altri paesi | Rivestimento resistente all'usura | Elevata resistenza e tenacità | Resistenza a basso impatto e costosa |
Acciaio bimetallico altolegato mediante fusione centrifuga | Elevata durezza, strato esterno resistente all'usura, strato interno resistente | Facile da separare |
Preparazione di materiali compositi cermet
Processo di preparazione del materiale composito
I materiali compositi Cermet sono composti da particelle ceramiche e matrice metallica. Le particelle ceramiche nei materiali compositi, in quanto principali portatori di resistenza all'usura, svolgono un ruolo vitale nell'uso dei materiali compositi e la matrice metallica può scaricare la forza che le particelle ceramiche sopportano durante l'uso dei materiali compositi. La preparazione dei materiali compositi cermet mediante il metodo dell'infiltrazione della colata può evitare inconvenienti quali lunghi cicli di produzione, elevati consumi energetici e costi elevati. Abbiamo utilizzato il software di simulazione ProCAST per simulare il processo di materiali compositi con matrice in ghisa ZTAp/ad alto contenuto di cromo a temperature di colata di 1350°C, 1450°C, 1550°C e 1650°C e velocità di colata di 3.0 kg/s, 3.5 kg/s e 4.0 kg/s. Condizioni di stress in diverse condizioni e verifica dei risultati della simulazione attraverso esperimenti. I risultati mostrano che l'effetto composito è migliore durante la colata per gravità in sabbia quando la velocità di colata è di 3.5 kg/s e la temperatura di colata è di 1550°C. Può garantire che il corpo prefabbricato abbia una buona integrità strutturale durante il processo composito. Abbiamo utilizzato l'infiltrazione di colata a pressione negativa per preparare materiali compositi a matrice di ghisa ad alto contenuto di cromo rinforzati con ceramica ZTA. Placcando Ni e rivestendo polvere di Cr sulla superficie ceramica ZTA, è stata utilizzata la diffusione degli elementi nella fusione ad alta temperatura per migliorare la bagnabilità dell'interfaccia, promuovere l'effetto di impregnazione e aumentare la forza di adesione. Abbiamo utilizzato un processo di fusione per infiltrazione senza pressione per preparare particelle di allumina rinforzate con zirconio di dimensioni micron rinforzate con materiali compositi a base di ghisa ad alto contenuto di cromo, che hanno risolto il problema della scarsa fusione delle preforme di particelle ceramiche di dimensioni micron in condizioni di infiltrazione e studiato sistematicamente il rinforzo ZTAp . Effetto del contenuto di polvere fine nelle preforme composite a matrice di ghisa ad alto contenuto di cromo sulla loro microstruttura e proprietà meccaniche.
Caratteristiche dell'organizzazione del materiale composito
I materiali compositi Cermet producono una grande quantità di martensite nella matrice attraverso opportuni processi di preparazione e, allo stesso tempo, vengono distribuiti carburi primari M7C3 esagonali. Ciò rallenta il tasso di usura del metallo base, protegge al massimo le particelle di ceramica ZTA e raggiunge un'elevata resistenza all'usura. Abbiamo utilizzato la tecnologia di solidificazione direzionale per preparare ghisa ad alto contenuto di cromo con una struttura ipereutettica. Abbiamo studiato gli effetti della bonifica sulla struttura della matrice, sulla durezza, sulla tenacità e sulla resistenza all'usura. Sotto il processo di tempra a 1050 ℃ + rinvenimento a 450 ℃, la struttura della ghisa ad alto contenuto di cromo è martensite M7C3+, con una piccola quantità di austenite trattenuta. La matrice ha un'elevata energia d'impatto e un'elevata resistenza all'usura. Abbiamo caratterizzato la microstruttura e i test prestazionali della ghisa ipoeutettica ad alto contenuto di cromo in diverse condizioni di trattamento termico. Abbiamo scoperto che la durezza e l'energia assorbita dall'urto della ghisa ipoeutettica ad alto contenuto di cromo aumentavano con la temperatura di raffreddamento e con l'estensione del tempo di mantenimento. Dopo l'estinzione e il rinvenimento, la durezza massima può raggiungere 58HRC e l'assorbimento massimo di energia d'impatto può raggiungere 15J. Abbiamo studiato l'effetto del processo di trattamento termico sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche della ghisa eutettica ad alto contenuto di cromo. L'intervallo del contenuto di carbonio nell'intervallo eutettico diminuisce all'aumentare del contenuto di Cr, che è approssimativamente una relazione lineare. Il rinvenimento a 400~500℃ causerà un indurimento secondario. La durezza aumenta rapidamente e la perdita per usura è notevolmente ridotta.
Progettazione di strutture composite
Con lo studio approfondito dei compositi resistenti all'usura a base metallica, la configurazione del composito viene ottimizzata e progettata in base all'uso della superficie di lavoro del prodotto e ai requisiti della forza di uscita. Attualmente, l'area composita metallo-ceramica è preparata come una griglia tridimensionale tridimensionale e questa struttura può efficacemente evitare lo stress generato durante la contrazione del metallo fuso. Assicurarsi che il processo di preparazione e utilizzo del materiale composito metallo-ceramica non produca crepe, fratture o altri difetti. D'altra parte, l'area composita metallo-ceramica a griglia produrrà una struttura concavo-convessa durante il processo di usura, che può "catturare" efficacemente i pezzi di minerale nell'area di frantumazione del materiale tra il rullo di macinazione e il rivestimento. Sulla base del software di analisi degli elementi finiti, abbiamo simulato il campo di temperatura e lo stress termico dei compositi a matrice di ghisa ad alto contenuto di cromo rinforzati con particelle ceramiche ZTA durante il processo di fusione. È stato applicato un modello meccanico termoelastico-plastico per descrivere accuratamente la distribuzione dello stress termico dei getti del corpo prefabbricato con diverse strutture. Si dimostra infine che lo stress termico diminuisce all'aumentare dei lati dei fori del corpo prefabbricato, ovvero lo stress termico è minimo quando i fori del nido d'ape sono circolari.
In combinazione con il meccanismo di cedimento dei materiali in condizioni di usura abrasiva da impatto, analizziamo che in condizioni di usura abrasiva senza impatto, il miglioramento della resistenza all'usura dei compositi strutturali in ceramica/acciaio dipende dalle prestazioni combinate di durezza e tenacità delle particelle di ceramica , la durezza della matrice e la forza di legame interfacciale della ceramica/matrice; in condizioni di usura abrasiva da impatto, il miglioramento della resistenza all'usura dei compositi strutturali ceramica/acciaio dipende principalmente dalla durezza delle particelle ceramiche, dalla durezza della matrice e dalla forza di legame interfacciale della ceramica/matrice. Nel caso dell'usura abrasiva da impatto, il miglioramento della resistenza all'usura dei compositi costruiti ceramica/acciaio dipende principalmente dalla tenacità delle particelle ceramiche, dalla durezza della matrice e dalla forza del legame interfacciale della ceramica/matrice.
Produzione e applicazione di rulli abrasivi compositi metallo-ceramici
Panoramica della progettazione strutturale e del processo di produzione del rullo abrasivo in composito cermet
In primo luogo, la superficie delle particelle ceramiche è stata legata e le particelle ceramiche ZTA trattate e la polvere di lega ad alto contenuto di cromo sono state miscelate proporzionalmente, inserite in stampi di grafite e compattate. La preforma ceramica è stata preparata mediante stampaggio per sinterizzazione sotto vuoto ad alta temperatura e la morfologia della preforma era come mostrata in Fig., in cui il rapporto pori della griglia/parete era (1.5~1.8):1.
Le preforme vengono disposte in sequenza e fissate all'interno della cavità nel metallo come mostrato nella figura sottostante. La fusione di ghisa ad alto contenuto di cromo viene colata mediante colata per gravità ad una temperatura di 1550°C. Il rullo viene trattenuto per 72 ore e quindi rimosso per ottenere il rullo di macinazione in composito cermet. I rulli di macinazione del composito metallo-ceramica sono stati rimossi dopo 72 ore di permanenza.
Effetto del funzionamento del rullo di macinazione composito metallo-ceramica
Il rullo di macinazione composito metallo-ceramica della nostra azienda è stato utilizzato con successo nell'industria della fibra di vetro nelle condizioni di lavoro mostrate nella Tabella 2: Confronto dei dati di macinazione della fibra di vetro di ghisa convenzionale ad alto contenuto di cromo e rulli di macinazione metallo-ceramica. Utilizzo precoce di rulli di macinazione in ghisa ad alto contenuto di cromo convenzionali, produzione di 11 t all'ora, per una produzione totale di 12,000 t dopo che lo spessore di usura della superficie del rullo è di 45 ~ 50 mm. Questa volta, la produzione di un forte calo nell'ora non può soddisfare i requisiti di produzione. Dopo aver utilizzato i rulli di macinazione in composito metallo-ceramica, la produzione oraria è stabile a oltre 13 t, ovvero il 18% in più rispetto ai tradizionali rulli di macinazione in ghisa ad alto contenuto di cromo. L'utilizzo su entrambi i lati fino a 60,000 t è la potenza totale di un tradizionale rullo abrasivo in ghisa ad alto contenuto di cromo 5 volte. Dall'analisi dei dati nella Tabella 2, l'utilizzo di rulli di macinazione compositi metallo-ceramici può far risparmiare energia, ridurre il consumo di energia e ridurre lo spreco di risorse non rinnovabili.
Tabella 2 Confronto dei dati operativi dei tradizionali rulli abrasivi in ghisa ad alto contenuto di cromo e cermet | |||||
Materiali | Corrente media/A | Spessore totale usura/mm | Tempo di esecuzione totale/h | Produzione oraria media unitaria/(t/h) | Statistiche sulla produzione totale/10,000 tonnellate |
ghisa ad alto contenuto di cromo | 28 | 45-50 | 1000 | 11 | 1.2 |
Compositi metallo-ceramici | 25 | 35-40 | 4600 | 13 | 6 |
La Fig. 3 mostra l'usura dei rulli di macinazione compositi metallo-ceramici nelle diverse fasi operative. Si può vedere che le particelle di ceramica sono distribuite in una forma a griglia prominente, che “cattura” il materiale nella zona di macinazione dei rulli durante il processo di funzionamento e migliora la resa della polvere.
La Figura 4 è lo spessore di usura della superficie di lavoro del rullo di macinazione sotto diverse uscite; si può vedere che il tasso di usura della superficie di lavoro del rullo di macinazione nel periodo prebellico è relativamente rapido.
Ciò è dovuto al “processo di rodaggio” (quando la ceramica non è perfettamente funzionante), che porta ad una maggiore usura. Man mano che i rulli continuano ad essere utilizzati, l'area composita metallo-ceramica entra in piena attività e il tasso di usura si stabilizza gradualmente. I dati nella Tabella 2 mostrano che la resistenza all'usura dei rulli compositi metallo-ceramica è molto superiore a quella dei rulli convenzionali in ghisa ad alto contenuto di cromo.
Analisi dei benefici economici
A parità di ciclo di utilizzo, l'utilizzo di rulli abrasivi compositi metallo-ceramici senza necessità di riporto non solo può ridurre il costo di acquisto e il numero di interventi di manutenzione, ma riduce anche significativamente i costi di produzione.
Tabella 3 Confronto delle prestazioni economiche dei rulli abrasivi compositi metallo-ceramici e dei rulli abrasivi ad alto contenuto di cromo | |||||
VOCE | Costo/set di approvvigionamento (RMB) | Costo medio dei rulli macinatori per tonnellata (RMB) | Consumo di elettricità/(kWh/t) | Costo dell'elettricità per tonnellata (RMB) | Costo totale di un singolo set di rulli di macinazione per tonnellata/RMB |
Rulli e camicie di macinazione in ghisa ad alto contenuto di cromo | 120000 | 10.27 | 64 | 40 | 50.27 |
Rulli e camicie abrasive in materiale composito metallo-ceramico | 250000 | 4.22 | 62 | 38 | 42.22 |
Prendiamo come esempio il mulino verticale HRM1700, la durata operativa convenzionale della ghisa ad alto contenuto di cromo di circa 1000 ore, la produzione totale di 12,000 t, il prezzo di mercato di circa 120,000 yuan per set, costi di smantellamento e manutenzione di 0.32 milioni di yuan, il costo medio di rulli di macinazione per tonnellata di polvere 10.27 yuan, per tonnellata di polvere costo di 40 yuan di consumo di elettricità, un unico set di rulli in ghisa ad alto contenuto di cromo per tonnellata di polvere per un totale di 50.27 yuan. Modificato in rullo di macinazione composito metallo-ceramico e durata operativa del rivestimento di circa 4600 ore, produzione totale di 60,000 tonnellate, prezzo di mercato di circa 250,000 yuan per set, costi di smantellamento e manutenzione di 0.32 milioni di yuan, tonnellaggio medio del costo della polvere dei rulli di macinazione di 4.22 yuan, per tonnellata di polvere il costo di consumo è di 38 yuan, un unico set di rulli di macinazione in ghisa ad alto contenuto di cromo per tonnellata di polvere per un totale di 42.22 yuan. Singolo mulino verticale in base alla produzione annua di 100,000 t da calcolare, ogni tonnellata di polvere per risparmiare sul costo di acquisto dei rulli di macinazione 6.05 yuan, risparmiando sui costi dell'elettricità 2 yuan, può ridurre il costo di acquisto di 605,000 yuan all'anno, risparmiando sui costi dell'elettricità di circa 200,000 yuan.
Osservazioni conclusive
Qiming Casting ha ottenuto molti risultati nella ricerca sui materiali compositi metallo-ceramici, che hanno gettato le basi teoriche per i rulli di macinazione compositi metallo-ceramici domestici. I rulli di macinazione compositi metallo-ceramici preparati mediante metodo di fusione e infiltrazione vengono applicati nelle apparecchiature per la produzione di polvere di fibra di vetro dei clienti, con l'ovvio effetto di risparmio energetico e riduzione dei consumi:
- L'utilizzo di rulli macinatori compositi metallo-ceramici può aumentare la produzione oraria fino al 18% rispetto ai materiali monometallici resistenti all'usura;
- Nelle stesse condizioni di usura, l'usura volumetrica del rullo di macinazione composito metallo-ceramica è ridotta del 30%~35%, il che può prolungare la durata complessiva del rullo di macinazione fino a 3~5 volte;
- Ridurre il numero di revisioni di 6 volte ridurrà i costi di approvvigionamento di 605,000 dollari all'anno e farà risparmiare circa 200,000 dollari sui costi dell'elettricità;
- Ridurre il consumo di energia e l'uso di rulli di macinazione compositi metallo-ceramica riduce del 3% il consumo medio di energia per tonnellata di polvere.