Analisi dei guasti e ricerca di ottimizzazione sui martelli frantoi per manganese

sfondo

Il nostro cliente statunitense ha acquistato 98 martelli frantoi al manganese (Mn18) per i suoi frantoi verticali per cemento. Dopo sei mesi di servizio, alcune parti si sono rotte e si sono guastate. Il cliente vuole che analizziamo la causa della rottura e forniamo prodotti ottimizzati.

Analisi delle condizioni di lavoro

Il martello del frantoio è il componente principale del frantoio a martelli e, a causa delle condizioni di lavoro ad alto impatto nel frantoio, acciaio ad alto contenuto di manganese è il materiale metallico più adatto per il martello. La testa del martello nel frantoio per clinker di cemento è realizzata principalmente in acciaio al manganese ad alto contenuto di Mn18. Durante il processo di solidificazione di un maglio in acciaio ad alto contenuto di manganese, quando la somma dello stress interno generato dal ritiro da raffreddamento e dello stress termico generato dalla differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno del getto supera la resistenza dell'area interessata dallo stress, è possibile si verificheranno delle crepe nella fusione. Queste sottili fessure possono essere riempite da elementi soluti da un lato e dall'altro possono causare l'accumulo di inclusioni, che formeranno entrambe zone discontinue nella matrice dell'acciaio. Queste crepe e le loro stuccature interne non possono essere eliminate durante la tempra in acqua. Nelle condizioni di lavoro dure e complesse all'interno del frantoio, la direzione e l'intensità dell'impatto sulla testa del martello durante il suo funzionamento hanno una certa casualità, portando alla continua espansione delle differenze nelle caratteristiche di incrudimento superficiale e nelle caratteristiche microstrutturali delle varie parti del frantoio. il martello. Inoltre, le sottili fessure esistenti continuano a propagarsi durante il processo di impatto a fatica, portando infine a guasti accidentali come fratture o rotture del martello, che influiscono sul ciclo di vita complessivo.

Ispezione e analisi dei martelli frantoi ad alto contenuto di manganese guasti

Test degli ingredienti

Sono state prelevate diverse parti di fusione per l'ispezione della composizione e i risultati sono mostrati nella Tabella 1.

Nella Tabella 1 si può osservare una leggera differenza nella composizione tra la regione centrale e la superficie, attribuita alla segregazione durante il processo di solidificazione. Il cromo è uno degli elementi aggiunti in quantità relativamente grandi all'acciaio ad alto contenuto di manganese e anche il suo ruolo è abbastanza chiaro. Dopo il trattamento di tempra in acqua, il cromo si dissolve principalmente nella fase austenite dell'acciaio ad alto contenuto di manganese, aumentando la resistenza allo snervamento dell'acciaio e accelerando la precipitazione dei carburi durante il raffreddamento, determinando tipicamente una distribuzione reticolare continua dei carburi lungo i bordi dei grani. L'acciaio ad alto contenuto di manganese con aggiunta di cromo mostra una migliore resistenza all'usura se sottoposto a forte abrasione da impatto, rendendolo adatto per le fusioni con martelli frantumatori.

Il titanio appartiene alla categoria degli elementi riducenti vitali nell'acciaio fuso. Nell'acciaio Mn18 ad alto contenuto di carbonio e azoto, può combinarsi con C e N per formare precipitati. Se particelle ad alto punto di fusione come TiN e Ti(C, N) si formano prima della solidificazione, possono agire come siti di nucleazione eterogenei non spontanei per l'austenite, aumentando il numero di grani per unità di volume e quindi affinando la dimensione dei grani. Pertanto, vi è stata una notevole ricerca e applicazione pratica della microlega di titanio in acciaio ad alto contenuto di manganese. Nell'acciaio Mn18 descritto in questo articolo, durante la fase di progettazione iniziale, è stato aggiunto circa lo 0.5% di titanio.

Analisi dell'interfaccia della frattura dei martelli frantoi

Dopo le opportune ispezioni, i martelli frantumatori Mn18 sono stati utilizzati in un frantoio verticale per cemento. Dopo un periodo di servizio di 6 mesi, alcuni di loro hanno subito fratture. Sono stati analizzati i campioni fratturati e i risultati rilevanti sono mostrati nelle Figure da 1 a 5.

• La Figura 1 mostra che la frattura si è verificata attorno al foro di collegamento del perno del martello, indicando una frattura fragile trasversale.
• La Figura 2 rivela che la superficie della frattura in diverse posizioni presenta caratteristiche tipiche di frattura da sfaldamento, indicando una scarsa tenacità del martello. Inoltre, le inclusioni irregolari a forma di blocco sono ampiamente distribuite in diverse sezioni, indicando un numero totale relativamente elevato di tali inclusioni.
• Come mostrato nella Figura 3, nella sezione normale della struttura, i grani sono relativamente grossolani e i carburi a blocchi vengono precipitati lungo i bordi dei grani. Tuttavia, i bordi complessivi dei grani dell’austenite appaiono normali.
• Le figure 3 e 4 mostrano che i grani nella sezione normale dello squalo martello sono approssimativamente al livello 0.5. Al contrario, i grani vicini alla superficie di frattura sono più grandi, con un diametro medio dei grani superiore a 400 μm. Carburi reticolari continui si sono formati lungo i bordi dei grani e molti carburi aciculari si sono cresciuti dai bordi dei grani nei grani. La superficie della frattura presenta chiare caratteristiche di frattura intergranulare. A differenza dei carburi sferici, che hanno una struttura cubica a facce centrate, i carburi aciculari hanno una struttura cubica a corpo centrato. Le diverse caratteristiche strutturali portano a differenze significative nelle loro proprietà fisiche. I carburi aciculari fini (lunghezza ≤20 μm) sono utili per stabilizzare i bordi del grano e ottimizzare le proprietà meccaniche dell'acciaio ad alto contenuto di manganese, in particolare la resilienza. Tuttavia, nella Figura 4, i carburi ultra lunghi e di colore grigio intenso che penetrano nei grani indicano che al loro interno avverrà la trasformazione della perlite. Questo perché in determinate condizioni di sottoraffreddamento, le aree con precipitazione concentrata di carburi formeranno una struttura mista costituita da Fe3C lamellare e una piccola quantità di ferrite (formata dalla precipitazione locale di carburi per creare una regione a basso contenuto di carbonio), nota come perlite. Questa struttura mista ha un legame debole, con conseguente energia di assorbimento dell'impatto inferiore rispetto a una matrice di austenite uniforme. Quando sottoposti a forti forze esterne, sia la ferrite aciculare che i bordi dei grani in cui si trova diventano zone di concentrazione di stress, portando a difetti come fratture e lacerazioni, con conseguente rottura per frattura dello stelo martello dopo un certo periodo di servizio.
• La Figura 5 mostra che TiN e Ti(C,N) si aggregano continuamente ed estensivamente in una certa area, formando regioni discontinue nella matrice dell'acciaio. In quest’area, sia la forza che la tenacità diminuiscono drasticamente. Durante il processo di lavorazione dello squalo martello, questo tipo di inclusioni diventano evidenti zone di concentrazione di stress. Agiscono direttamente come origine delle crepe, espandendosi ed estendendosi gradualmente, portando infine alla formazione diffusa di crepe e causando la rottura della frattura della testa del martello.

 

Analisi e discussione

 

Effetto della composizione chimica

Il carbonio è uno degli elementi più importanti nell'acciaio ad alto contenuto di manganese. La sua presenza facilita la formazione di una struttura austenitica monofase. Una grande quantità di carbonio disciolto nell'austenite aiuta anche ad aumentare la resistenza dell'acciaio ad alto contenuto di manganese. Inoltre, i carburi formati da carbonio ed elementi leganti come il Cr contribuiscono a migliorare la resistenza all'usura dell'acciaio ad alto contenuto di manganese. Tuttavia, un contenuto di carbonio eccessivamente elevato aumenterà la tendenza alla precipitazione del carburo ai bordi del grano, il che, nelle stesse condizioni, è dannoso per la stabilizzazione dei bordi del grano. Pertanto si consiglia di ridurre opportunamente il contenuto di carbonio in base alla Tabella 1.

L'aggiunta di Mo all'acciaio ad alto contenuto di manganese può ridurre la precipitazione dei carburi nella struttura grezza e diminuire la tendenza a formare una rete di carburi sui bordi dei grani dell'austenite. Il molibdeno può anche rallentare la velocità di precipitazione dei carburi aghiformi nell'acciaio, abbassandone la temperatura di precipitazione. Questi effetti sono utili per migliorare la plasticità e la resistenza dell'acciaio ad alto contenuto di manganese allo stato grezzo. Possono compensare le carenze causate dall'aggiunta di elementi di cromo. Pertanto, il Mo dovrebbe essere aggiunto in modo appropriato per agire in sinergia con il Cr, sfruttando gli effetti benefici di entrambi gli elementi.

Sono confermati gli effetti benefici della microlega di titanio nell'acciaio ad alto contenuto di manganese discussi in questo articolo. Tuttavia, se il contenuto di titanio è troppo elevato mentre il contenuto di azoto rimane relativamente stabile, TiN e Ti(C, N) iniziano a precipitare a 1400°C. Si formano e si fondono continuamente ed estensivamente all'interno del metallo fuso o nella zona bifase solido-liquido. Man mano che la solidificazione continua, si aggregano costantemente verso i bordi del grano, con una concentrazione di elementi soluto più elevata e fasi con punto di fusione relativamente più basso. Questa aggregazione supera la quantità richiesta per il loro effetto di bloccaggio, diminuendo la forza iniziale di legame ai bordi dei grani e persino un grave distacco tra la matrice di acciaio e i bordi dei grani. Durante il processo di lavorazione della testa di martello, l'aggregazione delle inclusioni diventa un'area di concentrazione significativa di sollecitazioni, che funge direttamente da origine di cricche, che gradualmente si propagano e si estendono fino a causare fessurazioni diffuse, portando infine alla rottura della testa di martello.

Pertanto, da un punto di vista compositivo, è necessario sfruttare appieno gli effetti benefici del TiN e del Ti(C, N) nei getti di Mn18, controllando allo stesso tempo gli effetti dannosi della loro precipitazione estesa e concentrata. Il contenuto di titanio può essere opportunamente ridotto considerando le pratiche applicative mature degli acciai bassolegati e mediolegati.

 

L'impatto della tecnologia di processo

Per produrre acciaio ad alto contenuto di manganese con buone prestazioni e durata di servizio stabile, il controllo dell'affinamento dei grani di austenite e la morfologia dei carburi sono due punti di controllo chiave. Durante il processo di raffreddamento e cristallizzazione dell'acciaio ad alto contenuto di manganese, sia i carburi reticolari che quelli aciculari tipicamente precipitano lungo i bordi dei grani, con i carburi aciculari che crescono verso l'interno. Tuttavia, se il getto è troppo grande e il tempo che intercorre tra il riscaldamento e il trattamento di tempra in acqua è troppo lungo e la penetrazione del raffreddamento durante il trattamento di tempra in acqua è insufficiente, con conseguente permanenza prolungata nella zona ad alta temperatura (≥500°C), ciò porterà a una crescita continua dei grani austeniti, a una continua precipitazione dei carburi ai bordi dei grani e a una crescita continua dei carburi aciculari. Ciò alla fine porta a differenze eccessive negli stati di stress interni ed esterni. Sotto forti forze esterne, dislocazioni ad alta densità e gemellaggi deformativi compaiono per la prima volta sulla superficie dello squalo martello, aumentandone rapidamente la resistenza e la durezza. L'ulteriore aumento della differenza di sollecitazione interna ed esterna porta all'infragilimento dei bordi interni del grano, con conseguente lacerazione e fratturazione, manifestata come rottura per frattura della testa del martello.

Pertanto, dal punto di vista del processo, è innanzitutto necessario garantire che la temperatura di riscaldamento prima del trattamento di tempra in acqua della testa del martello sia ragionevole e sufficiente, garantendo così che i carburi siano completamente o prevalentemente disciolti nell'austenite. Dopo che il martello è stato rimosso dal forno di riscaldamento, è il periodo di punta della precipitazione del carburo. Se il tempo che intercorre tra la rimozione e l'immersione in acqua è lungo, i carburi precipiteranno in grandi quantità e verranno prodotti rapidamente carburi aciculari. Con una forza di raffreddamento insufficiente e una velocità di trasferimento del raffreddamento interno inadeguata, si verificano effetti di invecchiamento interno, con conseguente crescita significativa del grano e precipitazione eccessiva di carburo durante il processo di utilizzo, portando alla rottura dei bordi del grano e alla rottura della testa di martello. Pertanto, il tempo di immersione del getto dovrebbe essere notevolmente ridotto per formare un'austenite stabile il più rapidamente possibile, ridurre la quantità di precipitazione di carburo, evitare la comparsa di carburi reticolari aumentando al contempo il volume dell'acqua per mantenere il sottoraffreddamento e accelerare il raffreddamento interno, evitando il verificarsi di eccessivi precipitazione di carburo e presenza di carburi aciculari sovradimensionati in condizioni di invecchiamento, migliorando così la consistenza della struttura interna ed esterna, le caratteristiche dei bordi del grano e le prestazioni della testa del martello e prolungandone la durata.

 

Misure di ottimizzazione

Sulla base dell'analisi e della discussione di cui sopra, vengono formulate le seguenti misure di ottimizzazione:

1. Ridurre l'obiettivo del contenuto di C delle teste dei martelli del frantoio ad alto contenuto di manganese all'1.25% e l'obiettivo del contenuto di Ti allo 0.15%.
2. Aggiungere un valore target dello 0.5% di molibdeno.
3. La temperatura di riscaldamento del trattamento di tempra ad acqua del martello frantumatore è stata aumentata a 1060°C, il funzionamento è stato ottimizzato e il tempo dall'uscita del martello frantumatore dal forno all'entrata nell'acqua è stato ridotto a meno di 40 secondi.
4. Ottimizzare le condizioni di raffreddamento dell'acqua, aumentare il volume del serbatoio dell'acqua o utilizzare acqua circolante a temperatura controllata a flusso elevato per garantire l'intensità del raffreddamento.

 

Effetto di implementazione

Microstruttura

Il processo ottimizzato produce martelli frantoi Mn18 e la Tabella 2 mostra la composizione effettiva dell'acciaio fuso.

Tabella 2. Composizione chimica ottimizzata della testa del martello Mn18 (% in peso)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	Ti
Parti campione	1.18	0.36	17.87	0.018	0.012	1.04	0.51	0.11	0.14

Dalla Tabella 2, gli ingredienti raggiungono l'intervallo target di ottimizzazione.

Una volta completata la fusione, il martello del frantoio viene sezionato e l'organizzazione è mostrata nella Figura 6.

La Figura 6 mostra che dopo aver ottimizzato sia la composizione che il processo, la struttura vicino alla superficie dello squalo martello diventa più uniforme. La dimensione dei grani è al livello 2, mentre i grani nella regione centrale sono circa al livello 1, mostrando precipitazioni distinte ai bordi dei grani. Tuttavia, i precipitati sono principalmente carburi a blocchi e la lunghezza dei carburi aciculari è per lo più entro 10 μm, indicando una corretta riduzione del contenuto di carbonio. L'aggiunta di Mo in combinazione con Cr riduce la quantità totale di precipitati e ottimizza la loro morfologia, favorendo la stabilità dei bordi dei grani. Inoltre, non è stata osservata alcuna inclusione a blocchi simile al TiN aggregarsi in fogli tra i precipitati, suggerendo che gli effetti avversi di tali inclusioni rientrano in un intervallo controllabile.

Dopo 18 mesi di utilizzo, questo lotto di martelli frantumatori non ha subito rotture, a parte la normale usura delle estremità superficiali. Ciò indica un miglioramento significativo della qualità interna ed esterna dei martelli frantumatori, con conseguente estensione stabile della loro durata di vita.

Conclusione

1. La fessurazione lungo il bordo del grano in sezione trasversale è la causa diretta della frattura del martello del frantoio Mn18 e la ragione fondamentale è la precipitazione dei carburi della rete del bordo del grano causata da una velocità di raffreddamento insufficiente.
2. Se il contenuto di Ti è troppo elevato, una grande quantità di TiN quadrato precipiterà e si aggregherà ai bordi dei grani, il che diminuirà anche la forza di legame ai bordi dei grani e favorirà la fessurazione dei bordi dei grani sotto l'azione di forze esterne.
3. L'uso di leghe composite di Cr e Mo può ridurre la precipitazione dei carburi ai bordi del grano, ottimizzare la morfologia dei carburi e ridurre significativamente la precipitazione dei carburi aghiformi sovradimensionati.
4. Misure come l'ottimizzazione del processo di tenacizzazione dell'acqua basata sull'ottimizzazione della composizione vengono adottate per affinare i grani del martello Mn18, controllare la quantità totale e la forma dei precipitati e, infine, prolungare il tempo di servizio.

Sulla base dell'analisi delle caratteristiche dell'interfaccia di frattura, della morfologia e della struttura metallografica dei martelli frantoi al manganese, è stato stabilito che le crepe lungo i bordi del grano, l'eccessivo contenuto di Ti e i processi di produzione irragionevoli sono le ragioni del fallimento. Riducendo il contenuto di Ti, aumentando l'elemento Mo, modificando il processo di produzione e altre misure, le caratteristiche della microstruttura, la quantità totale e la morfologia dei precipitati dei martelli frantoi Mn18 vengono ottimizzati e il ciclo di servizio e la stabilità del martello vengono effettivamente migliorati.