Odlewy ze stali wysokomanganowej: Przewodnik po kruszarkach szczękowych i udarowych

Odlewy ze stali wysokomanganowej są głównymi materiałami eksploatacyjnymi w przemyśle kruszącym i przetwórstwie minerałów. Odlewane z austenitycznej stali manganowej o zawartości manganu zazwyczaj od 11 do 14 procent, komponenty te zapewniają kombinację właściwości, których żaden inny dostępny na rynku stop nie może dorównać w zastosowaniach wymagających intensywnego kruszenia udarowego: są stosunkowo miękkie po pierwszym zainstalowaniu, a mimo to znacznie twardnieją na powierzchni poddawane wielokrotnemu obciążeniu udarowemu, zjawisko znane jako utwardzanie przez zgniot lub transformacja wywołana odkształceniem. To utwardzanie powierzchni następuje podczas pracy, a nie przed montażem, co oznacza, że ​​materiał w sposób ciągły regeneruje swoją odporną na zużycie powierzchnię przez cały okres użytkowania w odpowiednich warunkach pracy.

Bezpośredni wniosek dla każdego, kto określa odlewy ze stali wysokomanganowej jest następujący: stop ten jest standardowym i właściwym materiałem do odlewów ze stali wysokomanganowej w kruszarkach szczękowych i odlewów ze stali wysokomanganowej w kruszarkach udarowych, ponieważ warunki naprężenia udarowego w obu typach kruszarek są dokładnie tym, co aktywuje mechanizm utwardzania przez zgniot, który zapewnia materiałowi wyjątkową trwałość. W zastosowaniach o niskim uderzeniu i przeważnie zużyciu ściernym inne materiały mogą przewyższać stal wysokomanganową, ale w kruszarkach szczękowych i udarowych, gdzie każdy cykl kruszenia zapewnia znaczną siłę ściskającą i udarową częściom zużywającym się, odlewy ze stali wysokomanganowej są ustaloną specyfikacją z dobrych powodów technicznych. W tym artykule szczegółowo omówiono metalurgię, wymagania produkcyjne i specyficzne dla aplikacji wymagania dotyczące wydajności elementów kruszarki szczękowej i udarowej.

Metalurgia stali wysokomanganowej: dlaczego hartowanie ma znaczenie

Austenityczna stal manganowa została po raz pierwszy opracowana przez Sir Roberta Hadfielda w 1882 roku i pozostaje znana w handlu jako stal Hadfielda. Jego cechą charakterystyczną jest w pełni austenityczna mikrostruktura utrzymywana w temperaturze pokojowej dzięki połączeniu wysokiej zawartości węgla (zwykle 1,0 do 1,4 procent) i wysokiej zawartości manganu (11 do 14 procent), które razem tłumią przemianę martenzytyczną, która normalnie zachodziłaby w stali węglowej podczas chłodzenia z austenitu. Odlany materiał ma twardość około 170 do 210 Brinella, która jest bardziej miękka niż wiele stali narzędziowych i stali stopowych trudnościeralnych, ale tej początkowej miękkości towarzyszy wyjątkowa wytrzymałość: materiał może absorbować duże siły uderzenia bez pękania, ponieważ osnowa austenityczna odkształca się plastycznie, a nie pęka.

Krytyczny mechanizm utwardzania przez zgniot: gdy stal wysokomanganowa jest poddawana działaniu naprężenia ściskającego przekraczającego około 300 do 500 MPa, austenit na powierzchni naprężonej i w jej pobliżu przekształca się w martenzyt w wyniku przemiany fazowej wywołanej odkształceniem, podnosząc twardość powierzchni z około 200 Brinella do 450 do 550 Brinella. Ta przekształcona powierzchnia jest twarda i odporna na zużycie, podczas gdy leżący pod nią rdzeń austenityczny pozostaje wytrzymały i odporny na pękanie. Praktycznym rezultatem jest komponent, który podczas pracy tworzy odporną na ścieranie powierzchnię, zachowując jednocześnie udarność niezbędną do przetrwania obciążeń udarowych w procesie kruszenia bez rozbicia.

Stopnie zawartości manganu i węgla

Odlewy ze stali wysokomanganowej do zastosowań w kruszarkach produkowane są w kilku standardowych gatunkach o różnej zawartości manganu i węgla, zoptymalizowanych pod kątem różnych zadań kruszenia:

• Standardowy gatunek Mn13 (ASTM A128 klasa B 2): Około 1,0 do 1,4 procent węgla i 11 do 14 procent manganu. Najpowszechniej stosowany gatunek na wykładziny kruszarek szczękowych i udarowych w skałach średnio twardych i twardych. Zapewnia dobrą równowagę szybkości utwardzania przez zgniot i wytrzymałości.
• Zmodyfikowany gatunek Mn18 (wysoka zawartość manganu): Około 1,0 do 1,3 procent węgla i 16 do 19 procent manganu. Wyższa zawartość manganu zwiększa stabilność austenitu, poprawiając wytrzymałość, ale nieznacznie zmniejszając szybkość umocnienia przez zgniot. Preferowany do dużych elementów kruszarek, gdzie ryzyko pęknięcia na skutek nadmiernego uderzenia jest wyższe, a trwałość zużycia musi zostać przedłużona poprzez większą głębokość warstwy utwardzanej przez zgniot.
• Stal manganowa modyfikowana chromem: Standardowy skład Mn13 z dodatkiem 1,5 do 2,5% chromu. Dodatek chromu poprawia odporność na ścieranie pewnym kosztem wiązkości, dzięki czemu gatunki modyfikowane chromem nadają się do zastosowań w kruszarkach, w których występują zarówno duże uderzenia, jak i znaczne zużycie ścierne ze skał krzemionkowych lub kwarcytu.

Odlewy ze stali wysokomanganowej kruszarki szczękowej: specyfikacja i wydajność

Kruszarka szczękowa działa poprzez ściskanie skały pomiędzy stałą płytą szczękową a ruchomą płytą szczękową (szczęką wahliwą), przy czym dwie płyty szczękowe zbiegają się na dole komory kruszenia i rozchodzą się u góry. Skała jest ściskana między szczękami i pękana pod wpływem siły ściskającej, gdy szczęka wahliwa przesuwa się do przodu. Płyty szczękowe są głównymi elementami zużywającymi się w tym systemie i są najważniejszym zastosowaniem odlewów ze stali wysokomanganowej kruszarki szczękowej.

Projekt płytki szczękowej i rozważania dotyczące profilu

Płyty szczękowe do dużych kruszarek szczękowych są odlewane jako pojedyncze elementy lub w wielu sekcjach, w zależności od wielkości kruszarki i możliwości odlewniczych odlewni. Powierzchnia robocza płyty szczękowej jest pofałdowana z grzbietami, które skupiają naprężenia ściskające i pomagają w pękaniu skały. Profil pofałdowania (wysokość, nachylenie i kąt grzbietu) jest optymalizowany przez producentów kruszarek pod kątem konkretnego rodzaju skały i współczynnika rozdrobnienia rozmiaru danego zastosowania. W przypadku twardych, właściwych skał (granit, bazalt, gnejs) o wytrzymałości na ściskanie powyżej 150 MPa, trwałość płyty szczękowej w stali wysokomanganowej wynosi zazwyczaj od 50 000 do 200 000 ton przetworzonego materiału, w zależności od wskaźnika ścierności skały, gradacji nadawy kruszarki i parametrów pracy kruszarki.

Wymagania dotyczące obróbki cieplnej płytek szczękowych

Ponieważ odlewana stal wysokomanganowa zawiera wydzielenia węglików na granicach ziaren, które powstają w wyniku powolnego chłodzenia w zakresie temperatur wytrącania węglików podczas krzepnięcia. Węgliki te powodują kruchość materiału i należy je rozpuścić przed oddaniem odlewu do użytku. Proces obróbki cieplnej przesycania polega na podgrzaniu odlewu do temperatury od 1020 do 1100 stopni Celsjusza przez czas wystarczający do rozpuszczenia wszystkich węglików, a następnie szybkim hartowaniu w wodzie w celu zachowania w pełni austenitycznej struktury. Kruszarka szczękowa Odlewy ze stali wysokomanganowej, które nie zostały odpowiednio poddane obróbce cieplnej przesycającej, ulegną uszkodzeniu w wyniku kruchego pękania, a nie stopniowego zużycia, często w ciągu pierwszych godzin pracy w wymagającej kruszarce. Weryfikacja obróbki cieplnej poprzez pomiar twardości Brinella i badanie mikrostruktury stanowi niezbędną kontrolę jakości tego produktu.

Odlewy ze stali wysokomanganowej w kruszarkach udarowych: różne warunki naprężenia, różne priorytety projektowe

Kruszarka udarowa rozbija skałę pod wpływem uderzenia z dużą prędkością, a nie siły ściskającej. W kruszarce udarowej z poziomym wałem (HSI) wirnik wyposażony w listwy udarowe obraca się z dużą prędkością i uderza w skałę wprowadzaną do komory kruszenia, przyspieszając ją w płyty uderzeniowe (zwane również kurtynami lub fartuchami), gdzie pęka w kontakcie. W kruszarce udarowej z pionowym wałem (VSI) skała jest podawana do wysokoobrotowego wirnika i napędzana odśrodkowo w stronę zewnętrznej komory wyłożonej kamieniem lub kowadłem. Warunki naprężenia wywierane na części zużywalne w kruszarkach udarowych różnią się zasadniczo od warunków panujących w kruszarkach szczękowych, charakteryzują się większymi prędkościami odkształcania i różnymi kierunkami przyłożenia siły.

Listwy udarowe: najbardziej krytyczny element kruszarki udarowej

Listwy udarowe to główne elementy zużywające się w kruszarkach udarowych z poziomym wałem, montowane w szczelinach wirnika i uderzające w napływające skały z prędkością obwodową wirnika (zwykle od 25 do 45 metrów na sekundę w przypadku udarów głównych). Listwa udarowa musi jednocześnie być odporna na zużycie ścierne w wyniku kontaktu ze skałą i pochłaniać wstrząsy o wysokiej energii powstałe w wyniku każdego zderzenia pręta skalnego, bez pękania. Odlewy ze stali wysokomanganowej stanowią standardową specyfikację dla listew udarowych w kruszarkach udarowych pierwotnego i wtórnego przetwarzających twardą skałę, ponieważ uderzenia z dużą prędkością zapewniają warunki naprężenia wymagane do skutecznego utwardzania przez zgniot. Żywotność listwy udarowej przy obróbce twardego wapienia wynosi zazwyczaj od 200 do 600 ton skały na kilogram masy listwy udarowej, podczas gdy obróbka twardszych skał, takich jak bazalt czy granit, może zmniejszyć tę wartość do 50 do 200 ton na kilogram, odzwierciedlając wyższą ścieralność i intensywność uderzeń twardszych rodzajów skał.

Płyty udarowe i płyty przerywające

Płyty udarowe (znane również jako fartuchy lub kurtyny) przyjmują skały wyrzucane z wirnika i muszą pochłaniać powtarzające się uderzenia o wysokiej energii przez cały okres ich użytkowania. Komponenty te są również powszechnie dostarczane jako odlewy ze stali wysokomanganowej do kruszarki udarowej, chociaż w niektórych zastosowaniach o mniejszej udarności mogą być produkowane z białego żelaza Cr Mo, które zapewnia wyższą odporność na ścieranie kosztem zmniejszonej wytrzymałości. Wybór pomiędzy stalą wysokomanganową a żeliwem białym na płyty udarowe zależy od konkretnego poziomu energii uderzenia w kruszarce: tam, gdzie uderzenia są silne, niezbędna jest doskonała odporność stali manganowej na pękanie; tam, gdzie uderzenia są umiarkowane i dominuje ścieranie, żelazo białe może zapewnić dłuższą żywotność.

Porównanie odlewów ze stali wysokomanganowej do kruszarek szczękowych i udarowych

Kontrola jakości i kwestie związane z zaopatrzeniem w odlewy ze stali wysokomanganowej

Wydajność odlewów ze stali wysokomanganowej w zastosowaniach kruszarskich zależy w dużym stopniu od jakości procesu odlewania i obróbki cieplnej, co sprawia, że wybór dostawcy i kontrola przychodząca mają kluczowe znaczenie. Należy określić i zweryfikować następujące kryteria jakości dla wszystkich odlewów ze stali wysokomanganowej stosowanych w kruszarkach szczękowych i udarowych:

1. Weryfikacja składu chemicznego. Analiza spektrometryczna powinna potwierdzić, że zawartość manganu mieści się w określonym zakresie (11–14 procent dla Mn13, 16–19 procent dla Mn18) oraz że węgiel, krzem, fosfor i siarka mieszczą się w specyfikacji gatunku. Nadmiar fosforu powyżej 0,07% i siarki powyżej 0,05% powoduje kruchość stali i należy ją kontrolować.
2. Weryfikacja obróbki cieplnej poprzez badanie twardości. Po hartowaniu twardość powinna mieścić się w zakresie od 170 do 220 Brinella. Wartości znacznie powyżej tego zakresu wskazują na niepełną obróbkę roztworem (pozostałości węglików) lub błąd w składzie stopu. Wartości poniżej 160 Brinella mogą wskazywać, że temperatura roztworu była zbyt wysoka, powodując wzrost ziaren, co zmniejsza wytrzymałość.
3. Dokładność wymiarowa i wykończenie powierzchni. Wymiary odlewu należy sprawdzić z rysunkami producenta z zachowaniem odpowiednich tolerancji. Płyty szczękowe i listwy udarowe muszą prawidłowo pasować do odpowiednich systemów mocowania, aby zapewnić równomierny rozkład obciążenia i zapobiec przedwczesnym uszkodzeniom wynikającym z koncentracji naprężeń w punktach mocowania.
4. Wolność od szkodliwych wad odlewniczych. Porowatość skurczowa, pęknięcia i znaczne wtrącenia na powierzchni zużycia lub w strefie mocowania są powodem odrzucenia. Pęknięcia powierzchniowe można wykryć metodą inspekcji magnetycznej lub metodą penetracji barwnika; defekty wewnętrzne wymagają badań ultradźwiękowych lub kontroli radiograficznej w zastosowaniach krytycznych.

Odlewy ze stali wysokomanganowej do kruszarek szczękowych i udarowych stanowią dobrze ugruntowane i technicznie sprawdzone rozwiązanie w zakresie materiałów zużywalnych, które od ponad stu lat służy przemysłowi kamieniołomów, górnictwu i produkcji kruszyw. Unikalny mechanizm samoutwardzania się materiału w warunkach udarowych, w połączeniu z jego odpornością na pękanie, sprawia, że ​​naprawdę trudno jest go ulepszyć pod kątem specyficznych warunków obciążenia tego typu kruszarek. Kluczem do wykorzystania pełnego potencjału wydajności jest właściwy dobór gatunku stopu do konkretnego rodzaju skały i zadania kruszarki, przestrzeganie wymagań dotyczących obróbki cieplnej przesycającej oraz rygorystyczna kontrola jakości na wejściu, która weryfikuje zarówno skład, jak i prawidłowość obróbki cieplnej, zanim odlewy trafią do użytku.