Por que desenvolver rolos de moagem metalocerâmicos?
A China é um dos países com as reservas minerais mais ricas. Com o desenvolvimento da ciência fundamental dos materiais, a demanda por pó de minério aumenta anualmente. Existem muitos processos de preparação de pó de minério. O sistema de moinho vertical é um processo de moagem típico atualmente e é amplamente utilizado em cimento, materiais de construção, mineração, energia elétrica, fibra de vidro e outras indústrias. O minério é triturado e moído em pó de tamanho mícron ou mesmo nanométrico através da ação combinada dos rolos de moagem e das placas de revestimento no moinho vertical. Durante o processo contínuo de britagem e moagem, a superfície do rolo de moagem também é desgastada pela força de reação do material, o que não só causa um grande desgaste no material metálico, mas também leva a uma diminuição na função de moagem, uma diminuição na produção e aumento no custo de manutenção e substituição do rolo de moagem. Atualmente, os rolos de moagem em moinhos verticais são muitas vezes feitos de ferro fundido com alto teor de cromo ou soldados por sobreposição com ferro fundido com alto teor de cromo. Embora sua estabilidade operacional seja boa, ainda existem problemas como baixa produção diária e resistência ao desgaste insuficiente. O problema é que não corresponde às expectativas das pessoas quanto ao menor consumo de recursos. Portanto, o desenvolvimento de novos materiais para fabricar novos rolos de moagem é vital. Este artigo apresenta brevemente o desenvolvimento de rolos de moagem de compósitos de cermet em moinhos verticais e analisa os efeitos de sua aplicação com estudos de caso.
Visão geral do desenvolvimento e aplicação de rolos de moagem metalocerâmicos resistentes ao desgaste na China e em países estrangeiros
Como principal componente de moagem do moinho vertical, o rolo de moagem requer alta dureza e um certo grau de tenacidade. O processo de desenvolvimento de materiais resistentes ao desgaste passou por três etapas: aço com alto teor de manganês, ferro fundido duro com níquel e ferro fundido com alto teor de cromo. O aço com alto teor de manganês é frequentemente usado em condições com cargas de impacto, mas não pode ser totalmente endurecido e tem resistência ao desgaste extremamente limitada. Devido à sua boa temperabilidade, o ferro fundido duro com níquel pode formar uma estrutura de martensita + carboneto M³C dura e resistente ao desgaste quando fundido. Esta estrutura eutética pode resistir bem ao arado da matriz pelo material. , mas sua tenacidade é insuficiente e sua faixa de aplicação é relativamente pequena. O ferro fundido com alto teor de cromo é a terceira geração de materiais resistentes ao desgaste desenvolvidos após o aço com alto teor de manganês e o ferro fundido com alto teor de níquel. Comparado com o ferro fundido comum, o ferro fundido com alto teor de cromo possui alta tenacidade, resistência ao calor e resistência ao desgaste.
Em indústrias como a moagem de minério, à medida que a velocidade operacional do equipamento continua a aumentar, a resistência ao desgaste do ferro fundido com alto teor de cromo se tornará insuficiente. A pesquisa estrangeira sobre materiais resistentes ao desgaste concentra-se em compósitos com matriz metálica usando partículas cerâmicas ZTA e partículas cerâmicas WC como fases de reforço. Entre eles, os fabricantes de preparação de materiais compósitos representados pela Bélgica Magotteaux e a VEGA Wear Resistance Materials Company da Índia usam esses materiais para preparar rolos e revestimentos de moagem compostos de cermet, e suas superfícies de trabalho têm as características de alta dureza e alta resistência ao desgaste. Os rolos e revestimentos de moagem compostos metal-cerâmicos têm sido amplamente utilizados em cimento, energia térmica, minério e outras indústrias no exterior, aumentando significativamente o tempo de operação dos moinhos verticais e reduzindo a manutenção anormal dos moinhos verticais. No entanto, o preço dos rolos de moagem de cermet importados é alto e o ciclo de entrega é longo, portanto a relação preço/desempenho não é alta. O mercado interno está ansioso pelos rolos de moagem de cermet nacionais. A comparação das características dos rolos de moagem na China e em outros países é mostrada na tabela abaixo.
Tipo de rolo de moagem | Características dos diferentes rolos de moagem | ||
Advantage | Desvantagem | ||
Mercado da China | Liga de aço | Alta resistência, alta tenacidade, alta dureza, resistência ao desgaste | alto custo |
aço fundido | Boa força e resistência | Baixa dureza e baixa resistência ao desgaste | |
ferro fundido dúctil | Boa tenacidade, alta dureza, média resistência ao desgaste, fácil de processar | Fácil de quebrar, baixa resistência | |
Revestimento de ferro fundido com alto teor de cromo | Alta resistência, alta tenacidade, alta dureza | Fácil de descascar, soldagem de sobreposição frequente, resistência insuficiente à fadiga pelo frio e pelo calor | |
Aço com alto teor de manganês | Alta tenacidade, dureza e resistência ao desgaste moderada | Fácil de quebrar e encolher | |
Aço de liga leve | Alta resistência, tenacidade e resistência ao impacto | Não resistente ao desgaste, vida útil curta | |
Mercado de outros países | Revestimento resistente ao desgaste | Alta resistência e tenacidade | Resistência de baixo impacto e caro |
Aço bimetálico de alta liga fundido centrifugamente | Alta dureza, camada externa resistente ao desgaste, camada interna forte | Fácil de separar |
Preparação de materiais compósitos de cermet
Processo de preparação de material compósito
Os materiais compósitos Cermet são compostos de partículas cerâmicas e matriz metálica. Partículas cerâmicas em materiais compósitos, como principais portadores resistentes ao desgaste, desempenham um papel vital no uso de materiais compósitos, e a matriz metálica pode descarregar a força que as partículas cerâmicas suportam durante o uso de materiais compósitos. A preparação de materiais compósitos de cermet pelo método de infiltração de fundição pode evitar deficiências como longos ciclos de produção, alto consumo de energia e alto custo. Usamos o software de simulação ProCAST para simular o processo de materiais compósitos de matriz de ferro fundido ZTAp/alto cromo em temperaturas de vazamento de 1350°C, 1450°C, 1550°C e 1650°C e velocidades de vazamento de 3.0kg/s, 3.5 kg/s e 4.0kg/s. Condições de tensão sob diferentes condições e verificação dos resultados da simulação através de experimentos. Os resultados mostram que o efeito do compósito é melhor sob fundição por gravidade em areia quando a velocidade de vazamento é de 3.5kg/s e a temperatura de vazamento é de 1550°C. Pode garantir que o corpo pré-fabricado tenha boa integridade estrutural durante o processo composto. Usamos a infiltração de fundição por pressão negativa para preparar materiais compósitos de matriz de ferro fundido com alto cromo reforçados com cerâmica ZTA. Ao revestir Ni e revestir pó de Cr na superfície cerâmica ZTA, a difusão do elemento foi usada no fundido de alta temperatura para melhorar a molhabilidade da interface, promover o efeito de impregnação e aumentar a resistência de ligação. Usamos um processo de fundição por infiltração sem pressão para preparar partículas de alumina temperadas com zircônia de tamanho micron, reforçadas com materiais compósitos à base de ferro fundido com alto cromo, o que resolveu o problema da má fusão de pré-formas de partículas cerâmicas de tamanho micron em condições de infiltração e estudou sistematicamente o reforço ZTAp . Efeito do teor de pó fino em pré-formas compostas com matriz de ferro fundido com alto teor de cromo em sua microestrutura e propriedades mecânicas.
Características da Organização do Material Composto
Os materiais compósitos Cermet produzem uma grande quantidade de martensita na matriz por meio de processos de preparação apropriados e, ao mesmo tempo, são distribuídos carbonetos M7C3 primários hexagonais. Isso retarda a taxa de desgaste do metal base, protege ao máximo as partículas cerâmicas ZTA e alcança alta resistência ao desgaste. Utilizamos a tecnologia de solidificação direcional para preparar ferro fundido com alto teor de cromo e estrutura hipereutética. Estudamos os efeitos da têmpera e do revenido na estrutura da matriz, dureza, tenacidade e resistência ao desgaste. Sob o processo de têmpera de 1050 ℃ + revenido de 450 ℃, a estrutura de ferro fundido com alto teor de cromo é martensita M7C3 +, com uma pequena quantidade de austenita retida. A matriz possui alta energia de impacto e alta resistência ao desgaste. Caracterizamos a microestrutura e os testes de desempenho de ferro fundido hipoeutético com alto teor de cromo sob diferentes condições de tratamento térmico. Descobrimos que a dureza e a energia absorvida pelo impacto do ferro fundido hipoeutético com alto teor de cromo aumentaram com a temperatura de têmpera e com a extensão do tempo de retenção. Após têmpera e revenido, a dureza máxima pode chegar a 58HRC e a absorção máxima de energia de impacto pode chegar a 15J. Estudamos o efeito do processo de tratamento térmico na microestrutura e nas propriedades mecânicas do ferro fundido eutético com alto teor de cromo. A faixa de teor de carbono no intervalo eutético diminui com o aumento do teor de Cr, o que é aproximadamente uma relação linear. O revenido a 400~500°C causará o endurecimento secundário. A dureza aumenta rapidamente e a perda por desgaste é significativamente reduzida.
Projeto de estruturas compostas
Com o estudo aprofundado de compósitos resistentes ao desgaste à base de metal, a configuração do compósito é otimizada e projetada de acordo com o uso da superfície de trabalho do produto e os requisitos da força de saída. Atualmente, a área do compósito metalocerâmico é preparada como uma grade tridimensional tridimensional, e esta estrutura pode efetivamente evitar o estresse gerado durante a contração do metal fundido. Certifique-se de que o processo de preparação e uso do material compósito metalocerâmico não produza rachaduras, fraturas ou outros defeitos. Por outro lado, a área composta metal-cerâmica em forma de grade produzirá uma estrutura côncava-convexa durante o processo de desgaste, que pode efetivamente “capturar” os pedaços de minério na área de britagem do material entre o rolo de moagem e o revestimento. Com base no software de análise de elementos finitos, simulamos o campo de temperatura e a tensão térmica dos compósitos com matriz de ferro fundido com alto teor de cromo reforçados com partículas cerâmicas ZTA durante o processo de fundição. Um modelo de mecânica termoelástica-plástica foi aplicado para descrever com precisão a distribuição das tensões térmicas dos corpos pré-moldados com diferentes estruturas. Finalmente é mostrado que a tensão térmica diminui com o aumento das laterais dos furos do corpo pré-moldado, ou seja, a tensão térmica é minimizada quando os furos em favo de mel são circulares.
Combinado com o mecanismo de falha de materiais sob condições de desgaste abrasivo por impacto, analisamos que sob condições de desgaste abrasivo sem impacto, a melhoria da resistência ao desgaste dos compósitos estruturais de cerâmica/aço depende do desempenho combinado de dureza e tenacidade das partículas cerâmicas , a dureza da matriz e a resistência de ligação interfacial da cerâmica/matriz; sob condições de desgaste abrasivo por impacto, a melhoria da resistência ao desgaste dos compósitos estruturais de cerâmica/aço depende principalmente da dureza das partículas cerâmicas, da dureza da matriz e da resistência de ligação interfacial da cerâmica/matriz. No caso do desgaste abrasivo por impacto, a melhoria da resistência ao desgaste dos compósitos cerâmicos/aço construídos depende principalmente da tenacidade das partículas cerâmicas, da dureza da matriz e da resistência de ligação interfacial da cerâmica/matriz.
Fabricação e aplicação de rolos de moagem de compósito metalocerâmico
Visão geral do projeto estrutural e do processo de fabricação do rolo de moagem composto de cermet
Em primeiro lugar, a superfície das partículas cerâmicas foi ligada, e as partículas cerâmicas ZTA tratadas e o pó de liga com alto teor de cromo foram misturados proporcionalmente e colocados em moldes de grafite e compactados. A pré-forma cerâmica foi preparada por moldagem por sinterização a vácuo em alta temperatura, e a morfologia da pré-forma foi mostrada na Fig., na qual a relação poro-parede da grade era (1.5 ~ 1.8): 1.
As pré-formas são dispostas sequencialmente e fixadas no interior da cavidade no metal da maneira mostrada na figura abaixo. O ferro fundido com alto teor de cromo é vazado por fundição por gravidade a uma temperatura de 1550°C. O rolo é mantido por 72h e depois removido para obter o rolo de moagem compósito de cermet. Os rolos de moagem do compósito metalocerâmico foram removidos após 72 horas de espera.
Efeito de operação do rolo de moagem composto metal-cerâmico
O rolo de moagem composto metal-cerâmico da nossa empresa tem sido usado com sucesso na indústria de fibra de vidro nas condições de trabalho mostradas na Tabela 2: ferro fundido convencional com alto teor de cromo e rolo de moagem metal-cerâmico moagem comparação de dados de fibra de vidro. Uso inicial de rolos de moagem de ferro fundido com alto teor de cromo de fundição convencional, a produção de 11t por hora, na produção total de 12,000t após a espessura de desgaste da superfície do rolo ser de 45 ~ 50 mm. Desta vez, a produção de um declínio acentuado na hora não consegue atender aos requisitos de produção. Depois de usar rolos de moagem compostos metal-cerâmicos, a produção horária é estável em mais de 13t, o que é 18% maior do que os rolos de moagem convencionais de ferro fundido com alto cromo. O uso frente e verso de até 60,000 t é a produção total de um rolo de moagem convencional de ferro fundido com alto cromo 5 vezes. A partir da análise dos dados da Tabela 2, o uso de rolos de moagem compostos metal-cerâmicos pode economizar energia, reduzir o consumo de energia e reduzir o desperdício de recursos não renováveis.
Tabela 2 Comparação de dados operacionais de rolos de moagem convencionais de ferro fundido com alto cromo e cermet | |||||
Material | Corrente média/A | Espessura total de desgaste/mm | Tempo total de execução/h | Produção média de unidade hora/(t/h) | Estatísticas de produção total/10,000 toneladas |
ferro fundido com alto teor de cromo | 28 | 45-50 | 1000 | 11 | 1.2 |
Compósitos metalocerâmicos | 25 | 35-40 | 4600 | 13 | 6 |
A Figura 3 mostra o desgaste dos rolos de moagem do compósito metalocerâmico em diferentes estágios de operação. Pode-se observar que as partículas cerâmicas são distribuídas em formato de grade proeminente, o que “captura” o material na área de moagem dos rolos no processo de operação e melhora o rendimento do pó.
A Figura 4 é a espessura de desgaste da superfície de trabalho do rolo de moagem sob diferentes saídas; pode-se observar que a taxa de desgaste da superfície de trabalho do rolo de moagem no período pré-guerra é relativamente rápida.
Isso se deve ao “processo de amaciamento” (quando a cerâmica não está em pleno funcionamento), que leva ao aumento do desgaste. À medida que os rolos continuam a ser utilizados, a área do compósito metalocerâmico entra em plena operação e a taxa de desgaste se estabiliza gradualmente. Os dados da Tabela 2 mostram que a resistência ao desgaste dos rolos compósitos metal-cerâmicos é muito maior do que a dos rolos convencionais de ferro fundido com alto teor de cromo.
Análise de benefícios econômicos
No mesmo ciclo de utilização, a utilização de rolos de moagem compósitos metalo-cerâmicos sem a necessidade de revestimento não só pode reduzir o custo de aquisição e o número de visitas de manutenção, mas também reduzir significativamente os custos de produção.
Tabela 3 Comparação do desempenho econômico de rolos de moagem de compósito metalocerâmico e rolos de moagem com alto teor de cromo | |||||
ITEM | Custo/conjunto de aquisição (RMB) | Custo médio de rolos de moagem por tonelada (RMB) | Consumo de eletricidade/(kWh/t) | Custo da eletricidade por tonelada (RMB) | Custo total de um único conjunto de rolos de moagem por tonelada/RMB |
Rolos e revestimentos de moagem de ferro fundido com alto teor de cromo | 120000 | 10.27 | 64 | 40 | 50.27 |
Rolos e revestimentos de moagem de compósito metalocerâmico | 250000 | 4.22 | 62 | 38 | 42.22 |
Tomemos como exemplo o moinho vertical HRM1700, vida operacional convencional de ferro fundido com alto cromo de cerca de 1000 horas, produção total de 12,000 t, preço de mercado de cerca de 120,000 yuans por conjunto, custos de desmontagem e manutenção de 0.32 milhões de yuans, custo médio de rolos de moagem por tonelada de pó 10.27 yuan, por tonelada de pó custo de 40 yuans de consumo de eletricidade, um único conjunto de rolos de ferro fundido com alto teor de cromo por tonelada de pó, um total de 50.27 yuans. Mudou para rolo de moagem composto de metal-cerâmica e vida operacional do forro de cerca de 4600h, a produção total de 60,000 toneladas, o preço de mercado de cerca de 250,000 yuans por conjunto, custos de desmontagem e manutenção de 0.32 milhões de yuans, a tonelagem média de rolos de moagem custo de pó de 4.22 yuans, por tonelada de custo de consumo de pó de 38 yuans, um único conjunto de rolos de moagem de ferro fundido com alto cromo por tonelada de pó, um total de 42.22 yuans. Moinho vertical único de acordo com a produção anual de 100,000 t para calcular, cada tonelada de pó para economizar o custo de compra de rolos de moagem 6.05 yuan, economizando custos de eletricidade 2 yuan, pode reduzir o custo de compra de 605,000 yuan por ano, economizando custos de eletricidade de cerca de 200,000 yuans.
Observações finais
A Qiming Casting obteve muitas conquistas na pesquisa de materiais compósitos metal-cerâmicos, o que estabeleceu uma base teórica para rolos de moagem compósitos metal-cerâmicos domésticos. Os rolos de moagem compostos metal-cerâmicos preparados pelo método de fundição e infiltração são aplicados em equipamentos de fabricação de pó de fibra de vidro dos clientes, com o efeito óbvio de economia de energia e redução de consumo:
- O uso de rolos de moagem compostos metalocerâmicos pode aumentar a produção por hora em até 18% em comparação com materiais monometálicos resistentes ao desgaste;
- Sob a mesma condição de desgaste, o desgaste volumétrico do rolo de moagem composto metal-cerâmico é reduzido em 30% ~ 35%, o que pode estender a vida útil geral do rolo de moagem em 3 a 5 vezes;
- Reduzir o número de revisões em 6 vezes reduzirá o custo de aquisição em US$ 605,000 por ano e economizará cerca de US$ 200,000 em custos de eletricidade;
- Reduza o consumo de energia, e o uso de rolos de moagem compostos metalocerâmicos reduz o consumo médio de energia por tonelada de pó em 3%.