Bij mechanische slijtage zijn veel aspecten betrokken, waaronder slijtage door schuren verantwoordelijk is voor meer dan 50% van alle industriële slijtage. Landen als Duitsland en het Verenigd Koninkrijk lijden jaarlijks miljarden dollars aan verliezen als gevolg van slijtage door schuren, en in Australië verliest de mijnbouwindustrie elk jaar 2% van de omzet uit minerale producten als gevolg van slijtage door schuren. Een aanzienlijk deel van deze schurende slijtage vindt plaats in voeringen van kogelmolens. Er zijn twee belangrijke benaderingen om dit probleem aan te pakken: ten eerste, het verbeteren van de slijtvastheid van materialen; en ten tweede het verbeteren van de slijtageomgeving door procesoptimalisatie. Dit onderzoek richt zich vooral op het materiële aspect.
Traditioneel materiaal ZGMn13 gebruikt in kogelmolens:
ZGMn13 is een staal met een hoog-mangaangehalte, uitgevonden door Hadfield in 1882. Het wordt gemaakt door ongeveer 13% Mn aan staal toe te voegen, waarbij de eigenschap van Mn wordt gebruikt om de "neus" van de S--curve van het staal naar rechts te verschuiven en de Ms- en Mf-lijnen te verlagen. Een volledig austenitische structuur wordt verkregen door langdurig bewaren bij 1000-1050 graden, gevolgd door geforceerde koeling. Deze volledig austenitische structuur vertoont verhardingseigenschappen. Het gebruik ervan als kogelmolenvoering heeft tot doel verharding van het werk te bereiken door de impact van maalkogels en schurende materialen op de voering. Tijdens de werking van de kogelmolen worden de maalkogels en schuurmaterialen echter door de rotatie van de cilinder naar een hoog punt gevoerd en vallen vervolgens in een cascade. De slijpballen en schurende materialen die van een hoogte vallen, hebben alleen direct invloed op de slijpballen en schurende materialen aan de basis van de materiaalstapel, en hebben indirect invloed op de voering door de opgehoopte laag slijpballen en schurende materialen. Dit resulteert in een lagere impactintensiteit en minder significante werkverharding. Uit praktijkervaring blijkt dat in kolenmolens in elektriciteitscentrales de werk-geharde hardheid van austenitisch hoog-mangaanstaal tussen HB230 en 250 ligt, en in ertsverwerkingsfabrieken niet hoger dan HB300, ver onder de-hardingsgrens van HB500 voor hoog-mangaanstaal. Daarom is het gebruik van staal met een hoog-mangaangehalte voor de vervaardiging van voeringen van kogelmolens ongepast, omdat hierbij geen gebruik wordt gemaakt van de slijtvaste-eigenschappen van staal met een hoog mangaangehalte.
Ontwikkelingsstatus van voeringmaterialen
Gezien de ongepaste toepassing van ZGMn13-materiaal in voeringen van kogelmolens, hebben metallurgen over de hele wereld sinds de jaren zestig onderzoek gedaan naar nieuwe voeringmaterialen, waarbij veel resultaten zijn geboekt.
(1) Nieuwe ontwikkelingen in ZGMn13
Onderzoekers hebben ZGMn13 verbeterd door elementen zoals Cr, Mo en V toe te voegen om stabiele, verspreide granulaire en eiland-vormige legeringscarbiden met hoge- hardheid te vormen, zoals (FeCr)3C en VC. Dit belemmert de groei van austenietkorrels tijdens de waterafschrikbehandeling, wat resulteert in een austenitische structuur met gedispergeerde hardmetalen punten, waardoor het hardingsvermogen en het hardingseffect van het materiaal worden verbeterd.
De Verenigde Staten produceren standaard gegoten hoog-mangaanstaal met 1,5%~2,5% Cr (klasse C) en standaard gegoten hoog-mangaanstaal met 0,9%~1,2% of 1,8%~2,1% Mo (kwaliteit E-1 en E-2).
Japan produceert standaard gegoten hoog-mangaanstaal met 1,5%~2,5% Cr (kwaliteit SCMnH11) en standaard gegoten hoog-mangaanstaal met 2,0%~3,0% Cr en 0,4%~0,7% V (kwaliteit SCMnH12). Het Inner Mongolia Casting and Forging Research Institute heeft chroom- ontwikkeld dat staal met een hoog- mangaangehalte en 1,5%~2,5% Cr bevat, en het gesmolten staal behandeld met zeldzame aardmetalen. De oppervlaktelaag (0,01 mm) van dit chroom{17}}bevattende staal met een hoog-mangaangehalte kan na harding in een kogelmolen een hardheid van HB390 bereiken, wat 1,5 keer zo hoog is als die van gewoon staal met een hoog-mangaangehalte, en de levensduur is 1,5 tot 2 keer langer dan die van gewoon staal met een hoog-mangaangehalte.
(2) Gelegeerd wit gietijzer
① 15Cr-3Mo wit gietijzer en de ontwikkeling ervan. Het meest representatieve alternatieve materiaal voor voeringen van staal met een hoog-mangaangehalte is martensitisch wit gietijzer dat 15% Cr + 3% Mo bevat. Dit materiaal bestaat uit discontinue eutectische ijzer-chroomcarbiden (Cr, Fe)7C3 en chroom-rijke secundaire carbiden, verdeeld in een martensitische matrix, waarbij de carbiden ongeveer 40% tot 50% van het totale volume in beslag nemen. Deze chroomcarbiden hebben een zeer hoge hardheid, allemaal boven HV1200-1800, voldoende om slijtage door gewone schuurmiddelen te weerstaan. De hardheid van de martensitische matrix ligt echter rond HRC50, wat zachter is dan sommige schuurmiddelen en zal wegslijten, waardoor de carbiden mogelijk loskomen. Daarom wordt de uitstekende slijtvastheid van de carbiden slechts gedeeltelijk benut. Het Harbin Institute of Technology heeft ook uitgebreid werk verricht om de prestaties van 15Cr-3Mo hoog-chroomwit gietijzer te verbeteren. Ze gebruikten zouten en legeringen van K, Na, Mg en Ca om een sproeimodificatiebehandeling uit te voeren op 15Cr-3Mo gietijzer, waardoor de oorspronkelijke netwerkverdeling van carbiden werd geëlimineerd en ze er wormachtig of klonterig uitzagen, terwijl ook de omvang van de carbiden werd verkleind. Dit verbeterde de taaiheid en slijtvastheid van het materiaal aanzienlijk. Studies hebben aangetoond dat de slijtagesnelheid van 15Cr-3Mo hoog-chroom wit gietijzer behandeld met verschillende modificerende elementen lager is dan die van onbehandeld materiaal. In het bijzonder was de gemiddelde slijtagesnelheid van met kalium gemodificeerd 15Cr-3Mo wit gietijzer met hoog chroomgehalte 63,2% lager dan die van het onbehandelde materiaal, en de slijtagesnelheid van de optimale oplossing was 74,4% lager dan die van het onbehandelde materiaal.
② Cu-bevattend wit gietijzer. Dit gelegeerde witte gietijzer, met succes ontwikkeld door Shandong Xinwen Tool Factory, wordt geproduceerd door toevoeging van 1,0% Cu en 0,9% zeldzame aardferrosiliciumlegering voor modificatie en inenting vóór het gieten, gevolgd door een normaliseringsbehandeling van 950 graden en een tempereerbehandeling van 600 graden, wat resulteert in gedispergeerde, fijne en gelijkmatig verdeelde carbiden. Uit machinale tests is gebleken dat in een cementmolen van L1,83 x 6,4 m de relatieve slijtvastheid van de zeldzame aardmetalen Cu--bevattende witte gietijzeren voering 2,4 keer zo groot was als die van de- stalen voering met een hoog mangaangehalte. (3) Medium- en laaggelegeerde staalsoorten
Hoewel kogelmolenvoeringen van hoog-mangaanstaal of gelegeerd wit gietijzer met toegevoegde legeringselementen een aanzienlijk verbeterde slijtvastheid vertonen vergeleken met gewone hoog-mangaanstalen voeringen, zijn deze materialen duurder vanwege de toevoeging van grote hoeveelheden edele metalen zoals Cr, Ni en Mo, en zijn ze gevoelig voor barsten en zelfs breken tijdens productie en gebruik. Op basis van deze redenen zijn Chinese metallurgen en gieterijarbeiders, gezien de specifieke omstandigheden in mijn land, begonnen met onderzoek naar het gebruik van middel- en laaggelegeerde staalsoorten voor kogelmolenvoeringen en hebben bemoedigende resultaten bereikt.
① Cr, Mo, Cu medium-koolstoflaag-slijtvast-staal. Het medium-koolstof-laag-slijtvast-staal dat Cr, Mo en Cu bevat en is behandeld met zeldzame aardmetalen, ontwikkeld door de Shenyang University of Technology, bereikte een hardheid van meer dan HRC50 en een impactwaarde van 25-60 J/cm² na luchtafkoeling bij 950 graden en tempering bij 250 graden. De matrix is getemperd martensiet, en scanning-elektronenmicroscopie onthulde een structuur van bundels latvormig martensiet. Onder hoge-transmissie-elektronenmicroscopie vertoonde de structuur duidelijk een mengsel van dislocatiemartensiet en een kleine hoeveelheid gekoppelde martensiet, met discontinue dunne film-achtige vastgehouden austeniet verdeeld over de martensietlatten. Deze vorm en verdeling van austeniet verbeterde de slagvastheid en relatieve slijtvastheid van het staal. De slijtvastheid van dit staal onder verschillende impactenergieën vertoonde een opvallend contrast met staal met een hoog mangaangehalte.
Met toenemende impactenergie verbeterde de slijtvastheid van hoog-mangaanstaal aanzienlijk, terwijl de slijtvastheid van het nieuw ontwikkelde Cr-, Mo- en Cu-staal afnam. Onder alle in de vergelijkende tests geselecteerde impactenergieomstandigheden was de slijtvastheid van het nieuwe staal echter hoger dan die van staal met een hoog-mangaangehalte. Gebruikt in een kogelmolen van L1,83 x 3 m in de Qian'an-ijzermijn in de provincie Hebei, had de van dit materiaal gemaakte voering een levensduur van 10-12 maanden, terwijl de levensduur van ZGMn13-voeringen slechts 3-5 maanden was.
② Cr-Mo-V-Ti medium-koolstoflegering met meerdere-elementen. Het medium-koolstof-multi--gelegeerd staal dat Cr, Mo en sporenhoeveelheden V, Ti en Nb bevat, ontwikkeld door het Hefei Cement Research and Design Institute, verkrijgt een getemperde martensiet + een kleine hoeveelheid lagere bainietmatrix met gedispergeerde carbide-harde fasen na behandeling met zeldzame aarden (RE) en specifieke warmtebehandeling. Uit tests blijkt dat dit type voering een hoge hardheid, goede slijtvastheid en hoge slagvastheid en buigsterkte heeft, met een levensduur die meer dan driemaal zo hoog is als die van gewoon staal met een hoog-mangaangehalte. Het is gebruikt in maalmolens in de Huaihai Cement Plant (L4,2m×12m), Kunming Cement Plant (L3,5m×11m) en Sichuan Dukou Cement Plant (L2,2m×13m), met een gemiddelde slijtagesnelheid van 3,16 g/t in de eerste kamer en 1,53 g/t in de tweede kamer; terwijl de gemiddelde slijtagesnelheid van stalen voeringen met een hoog-mangaangehalte 13 g/ton cement bedraagt.
③ Hoog-koolstof-medium-chroomgelegeerd staal. Een andere voering van hoog-koolstofmedium-chroomgelegeerd staal die 4,5%~5,5% Cr en 0,3%~0,7% Mo bevat en is behandeld met RE-inenting, eveneens ontwikkeld door het Hefei Cement Research and Design Institute, is met succes toegepast in cementkogelmolens.
④ Cr-Ti medium-mangaanstaal. Middelmatig-mangaanstaal met 5,5%~8,0% Mn, 1,5%~2,0% Cr, 0,05%~0,1% Ti en behandeld met 0,02%~0,05% RE, verkreeg een enkele austenietstructuur met fijnere korrels dan gewoon hoog-mangaanstaal door afschrikken met water bij 1100±30 graden. Voeringen gemaakt van dit materiaal hebben goede resultaten behaald in kogelmolens in de Banshigou-ijzermijn en de Tonghua-kopermijn in Tonghua Steel Plant. De relatieve slijtvastheid is 1,64 keer die van staal met een hoog mangaangehalte bij het malen van magnetieterts; en 1,48 maal zoveel als staal met een hoog-mangaangehalte bij het malen van kopererts. De belangrijkste reden voor de verbeterde slijtvastheid van dit materiaal is de betere hardingsprestatie in kogelmolens vergeleken met gewoon hoog-mangaanstaal.
⑤ Cr-Mo multi-fase laag-gelegeerd staal. De bestudeerde meerfasige laag{4}}slijtvaste stalen voering- die 3% Cr en 0,4% Mo bevatte, werd onderworpen aan een isotherme afschrik-hittebehandeling om een bainiet + martensiet + vastgehouden austeniet-microstructuur te verkrijgen. Dit materiaal bezit een hoge taaiheid en hoge hardheid, wat resulteert in een uitstekende weerstand tegen schokken, vermoeidheid, vervorming en slijtage. Veldtoepassingen hebben aangetoond dat deze voering een levensduur heeft die 1 tot 2 keer langer is dan die van gewoon staal met een hoog-gehalte aan mangaan.
