Czym są odlewy o wysokiej zawartości chromu i jak zmaksymalizować ich trwałość?

Co to jest żeliwo o wysokiej zawartości chromu i dlaczego jest odporne na zużycie?

Żeliwo o wysokiej zawartości chromu jest stopem żelaza zawierającym od 11 do 30 procent chromu i od 2,0 do 3,5 procent węgla, przy czym chrom i węgiel łączą się podczas krzepnięcia, tworząc węgliki chromu typu M7C3. Węgliki te mają twardość Vickersa od 1400 do 1800 HV, co czyni je jedną z najtwardszych faz występujących w każdym materiale inżynieryjnym, z wyjątkiem ceramiki narzędziowej. Otaczająca osnowa metaliczna, zwykle martenzytyczna, po odpowiedniej obróbce cieplnej, zapewnia wytrzymałość, która zapobiega kruchemu pękaniu, które zniszczyłoby materiał ceramiczny w tych samych warunkach uderzenia.

Twardość nasypowa odlewu z żeliwa białego poddanego obróbce cieplnej o wysokiej zawartości chromu wynosi zazwyczaj od 58 do 66 HRC (skala Rockwella C), w porównaniu z 35 do 45 HRC w przypadku stali narzędziowej poddanej obróbce cieplnej i 180 do 220 HB w przypadku standardowego żeliwa szarego stosowanego w odlewach inżynieryjnych. Ta znaczna zaleta w zakresie twardości przekłada się bezpośrednio na odporność na zużycie ścierne: w teście ścierania liczby Millera i teście ściernicy z suchym piaskiem ASTM G65, żeliwa o wysokiej zawartości chromu stale wykazują 3 do 10 razy mniejszą utratę objętości niż standardowe żeliwo szare i 2 do 5 razy mniejszą utratę objętości niż stal hartowana w tych samych warunkach testowych.

Rola zawartości chromu w wydajności zużycia

Zawartość chromu w stopie determinuje rodzaj, udział objętościowy i rozkład węglików powstających podczas krzepnięcia, a także określa odporność korozyjną osnowy metalicznej. W stopach zawierających od 11 do 14 procent chromu udział objętościowy węglika jest stosunkowo niski (15 do 20 procent), a osnowa jest bardziej podatna na korozję w kwaśnym środowisku zawiesiny. Gdy zawartość chromu wzrasta w kierunku 25–30 procent, udział objętościowy węglika wzrasta do 25–35 procent, a zawartość chromu w osnowie wzrasta do poziomu zapewniającego znaczną odporność na korozję w średnio agresywnych środowiskach.

Gatunki chromu o zawartości 25 do 28 procent, często oznaczane jako Cr26 lub zgodne ze specyfikacją ASTM A532 klasa III typ A, są najczęściej stosowane w przypadku intensywnego łącznego ścierania i korozji w zastosowaniach w szlamach kopalnianych, podczas gdy gatunki chromu o zawartości 15 do 18 procent (Cr15, ASTM A532 klasa II typ E) zapewniają dobrą równowagę pomiędzy twardością, wytrzymałością i kosztem ścierania na sucho w kruszarkach i młynach. Wybór odpowiedniego gatunku chromu do konkretnego zastosowania jest pierwszą decyzją inżynierską przy określaniu specyfikacji odlewy o wysokiej zawartości chromu i ma większy wpływ na żywotność niż jakakolwiek późniejsza obróbka cieplna lub parametr operacyjny.

Dodatki stopowe modyfikujące wydajność

Oprócz chromu i węgla, żeliwa o wysokiej zawartości chromu są modyfikowane kilkoma dodatkowymi pierwiastkami stopowymi, które udoskonalają mikrostrukturę, poprawiają hartowność lub poprawiają określone właściwości:

• Molibden (0,5 do 3,0 procent): Zwiększa hartowność, zapewniając całkowitą przemianę martenzytyczną w grubych przekrojach podczas obróbki cieplnej hartowanej w powietrzu lub w oleju. Bez molibdenu odlewy o grubym przekroju poprzecznym mogą zatrzymywać austenit w rdzeniu, zmniejszając twardość w obszarach, które z biegiem czasu ulegają największemu zużyciu w miarę zużywania się powierzchni. Molibden jest standardowym dodatkiem do odlewów do zastosowań wymagających stałej twardości w przekrojach przekraczających 50 milimetrów.
• Mangan (0,5 do 1,5 procent): Zwiększa stabilność austenitu, co może być korzystne dla kontrolowania poziomu austenitu szczątkowego w stanie po odlaniu przed obróbką cieplną, ale nadmiar manganu destabilizuje powstawanie martenzytu podczas obróbki cieplnej i powinien być utrzymywany w określonym zakresie dla gatunku docelowego.
• Nikiel (0,5 do 1,5 procent): Stosowany w połączeniu z molibdenem w celu zwiększenia hartowności w gatunkach, w których sam molibden jest niewystarczający w przypadku bardzo grubych przekrojów lub gdy koszt molibdenu jest kontrolowany. Nikiel ma mniejszy wpływ na hartowność na jednostkę dodatku niż molibden, ale jest tańszy, co czyni tę kombinację ekonomicznie optymalną dla wielu dostępnych na rynku stopów odlewniczych.
• Miedź (0,5 do 1,2 procent): Wspomaga tłumienie perlitu i poprawia twardość osnowy w niektórych gatunkach niższego chromu. Dodatki miedzi są bardziej powszechne w stopach Cr15, gdzie hartowność samego chromu może być graniczna dla hartowania na powietrzu o średnich grubościach przekroju.

Zalety żeliwa o wysokiej zawartości chromu w porównaniu z odlewami standardowymi

Zalety użytkowe żeliwa o wysokiej zawartości chromu w porównaniu ze standardowymi odlewami z żeliwa szarego, żeliwa sferoidalnego i stali węglowej stosowanymi w ogólnych zastosowaniach inżynieryjnych są najwyraźniej widoczne poprzez porównanie konkretnych danych dotyczących szybkości zużycia z prób serwisowych i standardowych testów laboratoryjnych w tych samych warunkach zastosowania. Poniższe porównanie dotyczy kluczowych kategorii zalet, które decydują o specyfikacji odlewów o wysokiej zawartości chromu w zastosowaniach przemysłowych.

Porównanie trwałości zużycia ściernego

W przypadku ścierania pod wysokim naprężeniem z użyciem grubych, twardych cząstek ściernych (granit, kwarcyt, ruda żelaza i podobne materiały ścierne z twardej skały o twardości w skali Mohsa powyżej 6), odlewy z żeliwa białego o wysokiej zawartości chromu rutynowo osiągają 3 do 8 razy dłuższą żywotność w porównaniu z równoważnymi komponentami wykonanymi ze standardowego żeliwa szarego. W porównaniu z hartowaną stalą średniowęglową (350 do 400 HB) przewaga jest zazwyczaj 2 do 4 razy większa, w zależności od twardości cząstek ściernych i warunków naprężenia. W przypadku ścierania przy niskim naprężeniu drobnymi, miękkimi cząstkami ściernymi, przewaga trwałości jest skromniejsza, w zakresie od 1,5 do 2,5 razy, ponieważ drobniejsze cząstki są mniej skuteczne w penetracji powierzchni twardego węglika, a przewaga mikrostruktury węglika nad osnową z twardego martenzytu jest mniejsza.

W opublikowanej próbie eksploatacyjnej kruszenia wapienia, pręty udarowe z żelaza o wysokiej zawartości chromu Cr26 w kruszarce udarowej z poziomym wałem osiągnęły 850 ton metrycznych wapienia na kilogram zużycia pręta udarowego, w porównaniu do 210 ton metrycznych na kilogram w przypadku prętów udarowych ze stali hartowanej o równoważnej geometrii w tej samej kruszarce przetwarzającej ten sam wsad. Stanowi to 4-krotną korzyść w zakresie trwałości, która po uwzględnieniu wyższego kosztu jednostkowego odlewów o wysokiej zawartości chromu zapewnia 60-procentową redukcję kosztu na tonę pokruszonego produktu z samego budżetu na zużycie listwy udarowej.

Połączona odporność na korozję i ścieranie

W zastosowaniach związanych z obróbką na mokro, gdzie zawiesina ścierna styka się z powierzchnią ścierną, synergistyczny efekt jednoczesnego ścierania i korozji przyspiesza zużycie w tempie większym niż suma dwóch niezależnych mechanizmów. Pasywna warstwa tlenku chromu, która tworzy się na powierzchni żeliwa o wysokiej zawartości chromu (w szczególności gatunków Cr26 z zawartością chromu w osnowie przekraczającą 13 procent) zapewnia znaczącą ochronę przed korozją, która opóźnia to synergistyczne przyspieszenie, dzięki czemu łączna przewaga w zakresie trwałości użytkowej żeliwa o wysokiej zawartości chromu w porównaniu z niezabezpieczoną stalą węglową jest znacznie większa niż sama zaleta w zakresie ścierania na sucho.

W zastosowaniach z kwaśnymi szlamami mineralnymi o wartościach pH od 4 do 6, gdzie korozja jest znaczącym mechanizmem zużycia, wirniki i tuleje pomp z dużą zawartością chromu Cr26 wykazały trwałość eksploatacyjną od 5 do 10 razy dłuższą niż odpowiedniki ze stali węglowej, w porównaniu z 2 do 4-krotną korzyścią obserwowaną w zastosowaniach związanych ze ścieraniem na sucho przy podobnej twardości cząstek i warunkach udarności.

Tabela porównawcza zużycia: Gatunki materiałów w środowisku ściernym

Kruszarki Odlewy o wysokiej zawartości chromu : Zastosowania kruszarki udarowej

Kruszarki udarowe, w tym udary z wałem poziomym (HSI) i udary z wałem pionowym (VSI), poddają swoje elementy podlegające zużyciu szczególnie wymagającej kombinacji uderzenia z dużą prędkością i poślizgu ściernego. Podstawowymi elementami zużywającymi się w kruszarkach udarowych z poziomym wałem są listwy udarowe, wykładziny fartucha (zwane także płytami udarowymi lub płytami kruszącymi) oraz wykładziny boczne. W udarach z wałem pionowym kluczowymi elementami zużywającymi się są ślizgi wirnika, kowadełka i tuleje rur zasilających. Żeliwo o wysokiej zawartości chromu jest standardową specyfikacją materiałową dla wszystkich tych komponentów w zastosowaniach kruszenia skał średnich i twardych.

Listwy udarowe do kruszarki udarowej z wałem poziomym

Listwa udarowa jest głównym elementem kruszącym w impaktorze z wałem poziomym, obracającym się wraz z wirnikiem z prędkością końcówki od 25 do 45 metrów na sekundę i wielokrotnie uderzającym w skałę wsadową z dużą prędkością. Listwa udarowa musi wytrzymać zarówno uderzenie o wysokiej energii początkowego uderzenia skały, jak i następujące po nim ścierne przesuwanie się fragmentów pokruszonej skały wzdłuż powierzchni roboczej listwy w miarę przyspieszania materiału w komorze kruszenia. To połączenie udaru i ścierania wymaga materiału, który oferuje zarówno odpowiednią wytrzymałość, aby wytrzymać obciążenia udarowe bez kruchego pękania, jak i wysoką twardość, aby wytrzymać ścieranie i zużycie ślizgowe.

Optymalnym materiałem na listwę udarową do wapienia, piaskowca i podobnych materiałów wsadowych o średniej twardości jest zazwyczaj żelazo o wysokiej zawartości chromu Cr26 lub Cr20 i twardości poddanej obróbce cieplnej od 60 do 65 HRC, co zapewnia najlepszą kombinację trwałości na zużycie i odporności na pękanie w tej usłudze. W przypadku twardszych, bardziej ściernych materiałów wsadowych, takich jak granit, kwarcyt i rudy żelaza, zawartość chromu można zwiększyć do 28 do 30 procent, a dodatkowo można dodać molibden (1,5 do 2,5 procent), aby zapewnić pełną przemianę martenzytu w przekroju listwy udarowej o grubości zwykle 80 do 150 milimetrów.

W przypadku wysoce ściernych materiałów wsadowych o zawartości krzemionki powyżej 60% (takich jak kwarcyt i piasek krzemionkowy) stosuje się kompozytowe listwy udarowe z wkładką z żelaza o wysokiej zawartości chromu odlane w korpusie z żeliwa sferoidalnego lub stali, aby połączyć odporność na zużycie żelaza o wysokiej zawartości chromu na powierzchni roboczej z wytrzymałością żeliwa sferoidalnego lub stali w punktach mocowania, gdzie kruche pęknięcie przekroju z żeliwa o wysokiej zawartości chromu mogłoby spowodować katastrofalną utratę pręta.

Wkładki fartuchowe i wkładki boczne

Wykładziny fartucha w impaktorze z wałem poziomym tworzą wtórne powierzchnie uderzeniowe, w które uderza skała po wyrzuceniu z wirnika. Wkładki te poddawane są uderzeniom z mniejszą prędkością niż listwy udarowe, ale nadal wymagają dużej twardości, aby wytrzymać zużycie ścierne powodowane przez skały ślizgające się po ich powierzchni pomiędzy uderzeniami. Wykładziny z żelaza o wysokiej zawartości chromu w gatunku Cr15 lub Cr20 są standardem do zastosowań w wapieniu i średnio twardych skałach; w przypadku twardszych skał można wybrać gatunek Cr26. Wykładziny boczne, które zawierają materiał w komorze kruszenia i prowadzą pokruszony produkt w stronę otworu wylotowego, podlegają głównie zużyciu ślizgowemu w wyniku ścierania przy mniejszym uderzeniu, a gatunek Cr15 jest odpowiedni do większości zastosowań wykładzin bocznych, niezależnie od twardości skały.

Komponenty wirnika VSI

Urządzenia udarowe z wałem pionowym działają na zasadzie przyspieszania materiału podawanego przez wirnik do prędkości od 45 do 75 metrów na sekundę, zanim uderzy on w otaczający pierścień kowadeł lub półkę skalną. Płytki wirnika (elementy przyspieszające materiał przez wirnik) i kowadła (stałe cele uderzenia) poddawane są ekstremalnie agresywnemu łącznemu uderzeniu i ścieraniu. Płytki wirnika VSI do zastosowań w skałach twardych są zazwyczaj wykonane ze stali Cr26 lub Cr28 o twardości od 63 do 66 HRC i są wymieniane co 100 do 400 godzin, w zależności od twardości skały i wskaźnika ścieralności. Wysoka częstotliwość wymiany części eksploatacyjnych VSI sprawia, że ​​ekonomika wyboru materiału jest niezwykle wrażliwa na koszt jednostkowy na godzinę pracy, a stosunek ceny do wydajności różnych gatunków żelaza o wysokiej zawartości chromu i materiałów konkurencyjnych ocenia się na podstawie kosztu na tonę przetworzonego produktu, a nie samej ceny jednostkowej.

Młyn pionowy Odlewy o wysokiej zawartości chromu

Młyny pionowe (zwane także młynami walcowymi pionowymi lub VRM) mielą surowiec, klinkier, żużel i węgiel poprzez prasowanie i walcowanie materiału wsadowego pomiędzy obracającymi się walcami mielącymi a stacjonarnym lub obrotowym stołem mielącym. Naciski stykowe pomiędzy rolką a stołem przekraczają 200 megapaskali w nowoczesnych konstrukcjach VRM o wysokiej wydajności, a połączenie wysokiego naprężenia normalnego, ślizgania się ścierniwa w strefie styku rolki ze stołem oraz efektów termicznych szlifowania z dużą prędkością powoduje najcięższe warunki zużycia spotykane w każdym odlewie przemysłowym.

Szlifowanie opon walcowych i segmentów stołu

Opona walca szlifierskiego (wymienna osłona zewnętrzna walca szlifierskiego) i segmenty stołu szlifierskiego (odporne na zużycie segmenty wykładziny przykręcone do stołu szlifierskiego) są głównymi elementami zużywającymi się w młynie pionowym. Obydwa elementy są zazwyczaj odlewane z żelaza o wysokiej zawartości chromu, a konkretny gatunek wybiera się na podstawie szlifowanego materiału i konkretnych parametrów roboczych projektu VRM.

W przypadku mielenia surowców cementowych i klinkieru, gdzie wsad o umiarkowanej twardości (3 do 5 w skali Mohsa) jest przetwarzany z dużą wydajnością, żelazo o wysokiej zawartości chromu od Cr15 do Cr20 jest standardem zarówno w przypadku opon walców, jak i segmentów stołu, zapewniając żywotność od 8 000 do 15 000 godzin pracy przed wymaganą wymianą. Do mielenia żużla, gdzie granulowany żużel wielkopiecowy jest znacznie twardszy i bardziej ścierny niż klinkier cementowy (twardość w skali Mohsa od 6 do 7 dla niektórych rodzajów żużli), preferowany jest gatunek Cr26, a typowy okres użytkowania wynosi od 6000 do 10 000 godzin, w zależności od właściwości żużla.

Rozmiar opon wałeczkowych i segmentów stołu VRM stwarza poważne wyzwania w zakresie odlewania, ponieważ sekcje o grubości od 100 do 250 milimetrów muszą osiągać jednakową twardość na całej długości, aby zapobiec przyspieszonemu zużyciu, które występuje, gdy odsłonięty jest bardziej miękki rdzeń w miarę zużywania się początkowej twardej warstwy powierzchniowej. Wymaga to starannego zaprojektowania stopu o odpowiedniej hartowności (osiąganej poprzez dodatki molibdenu i niklu, jak opisano powyżej) oraz kontrolowanych procedur obróbki cieplnej, które pozwalają uzyskać wymaganą szybkość chłodzenia na całej grubości przekroju.

Elementy mielące młyna węglowego

Młyny węglowe stosowane w elektrowniach mielą węgiel na drobny pył przed wtryskiwaniem do pieców kotłowych. Elementy mielące (wykładziny mis, płaszcze walców i segmenty stołu) w młynach węglowych działają w środowisku jednoczesnego ścierania przez węgiel i wtrącenia mineralne, cykle termiczne powodowane przez gorące powietrze używane do suszenia węgla podczas mielenia oraz potencjalne ryzyko zapłonu wybuchowego w wyniku gromadzenia się pyłu węglowego. Żeliwo o wysokiej zawartości chromu jest standardowym materiałem na elementy mielące we wszystkich głównych konstrukcjach młynów misowych i młynów walcowych stosowanych w energetyce, przy czym najpopularniejszy jest gatunek Cr15, a gatunek Cr26 stosowany w przypadku węgli o dużej ścieralności i wysokiej zawartości substancji mineralnych (zawartość popiołu powyżej 20 procent).

Podsumowanie zastosowań VRM według materiału gruntowego

Jak poprawić odporność na zużycie odlewów o wysokiej zawartości chromu

Odporność na zużycie odlewów o wysokiej zawartości chromu nie jest stałą właściwością determinowaną wyłącznie chemią. Jest to wynik całego procesu produkcyjnego, od zaprojektowania stopu, poprzez topienie, krzepnięcie i obróbkę cieplną, i można go znacznie ulepszyć poprzez ukierunkowane interwencje na każdym etapie. Zrozumienie, które zmienne mają największy wpływ na zużycie, pozwala odlewniom i użytkownikom końcowym na wprowadzenie dobrze ukierunkowanych ulepszeń zamiast stosowania ogólnej poprawy jakości, która może nie uwzględniać konkretnego czynnika ograniczającego w ich zastosowaniu.

Obróbka cieplna: pojedyncza zmienna o największym wpływie

Obróbka cieplna odlewów z żeliwa białego o wysokiej zawartości chromu jest pojedynczym etapem produkcji, który ma największy wpływ na ostateczną odporność odlewu na zużycie. Celem obróbki cieplnej jest przekształcenie osnowy metalicznej ze stanu odlewu (mieszanina austenitu, węglików i często perlitu lub martenzytu, w zależności od stopu i szybkości chłodzenia) do stanu w pełni martenzytycznego, który zapewnia zarówno maksymalną twardość, jak i wytrzymałość niezbędną do przeciwstawienia się pękaniu pod obciążeniem udarowym.

Standardowy cykl obróbki cieplnej żelaza białego o wysokiej zawartości chromu składa się z dwóch etapów:

1. Obróbka destabilizująca (austenityzująca): Odlew podgrzewa się do temperatury w zakresie od 950 do 1060 stopni Celsjusza (dokładna temperatura zależy od gatunku stopu i docelowego rozpuszczenia węglików) i utrzymuje w tej temperaturze przez okres od 2 do 6 godzin, w zależności od grubości przekroju. Podczas tego zatrzymania węgliki wtórne wytrącone podczas krzepnięcia są częściowo rozpuszczane z powrotem w osnowie austenitycznej, wzbogacając osnowę w chrom i węgiel oraz zapewniając jednolite warunki początkowe dla kolejnego etapu utwardzania. Temperatura destabilizacji musi być precyzyjnie kontrolowana w granicach plus minus 10 stopni Celsjusza, aby uniknąć niedostatecznego rozpuszczenia węglików wtórnych (co powoduje, że osnowa jest zbyt uboga dla pełnej hartowności) lub nadmiernego rozpuszczenia węglików pierwotnych (co powoduje pogrubienie struktury węglika i zmniejszenie odporności na zużycie).
2. Hartowanie powietrzem lub olejem: Po zatrzymaniu destabilizującym odlew szybko przenosi się do czynnika chłodzącego. Hartowanie powietrzem (wymuszone chłodzenie powietrzem) jest wystarczające w przypadku większości stopów z odpowiednimi dodatkami zapewniającymi hartowność (molibden powyżej 1,5 procent dla przekrojów do 100 milimetrów); Hartowanie w oleju stosuje się w przypadku stopów o niższej hartowności lub w przypadku bardzo grubych przekrojów, gdzie chłodzenie powietrzem jest zbyt wolne, aby zapobiec tworzeniu się perlitu. Celem jest wystarczająco szybkie schłodzenie temperatury czoła perlitu (około 550–650 stopni Celsjusza), aby stłumić przemianę perlitu i osiągnięcie w pełni martenzytycznej osnowy, przy jednoczesnym wystarczająco powolnym chłodzeniu w temperaturze końcowej martenzytu (poniżej 200 stopni Celsjusza), aby uniknąć pękania po hartowaniu w wyniku naprężenia termicznego.

Po hartowaniu stosuje się odprężanie w temperaturze od 200 do 260 stopni Celsjusza przez 2 do 4 godzin w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych powstających podczas szybkiego chłodzenia, poprawiając odporność na pękanie bez znaczącego zmniejszania twardości osnowy.

Udoskonalanie mikrostruktury podczas krzepnięcia

Rozmiar i rozkład węglika osiągane podczas krzepnięcia wyznaczają górną granicę odporności na zużycie, której nawet doskonała obróbka cieplna nie może przekroczyć. Grube, słabo rozłożone węgliki zapewniają mniej skuteczną barierę dla zużycia ściernego niż drobne, równomiernie rozłożone węgliki o tym samym całkowitym ułamku objętościowym, ponieważ grube węgliki umożliwiają większym cząstkom ściernym znalezienie materiału osnowy pomiędzy węglikami w celu przecięcia, podczas gdy drobne węgliki zapewniają skutecznie jednolitą twardą powierzchnię materiału ściernego.

Uszlachetnianie węglika można osiągnąć poprzez:

• Kontrolowana temperatura zalewania: Odlewanie w najniższej dopuszczalnej temperaturze w celu całkowitego wypełnienia formy (zwykle 1350 do 1420 stopni Celsjusza w przypadku żelaza o wysokiej zawartości chromu) zwiększa przechłodzenie podczas krzepnięcia, co sprzyja drobniejszemu zarodkowaniu węglika i drobniejszemu końcowemu rozmiarowi węglika. Nadmierna temperatura odlewania powoduje pogrubienie mikrostruktury krzepnięcia i wytwarzanie większych węglików pierwotnych.
• Inokulacja: Niewielkie dodatki tytanu (0,05 do 0,1 procent), wanadu (0,1 do 0,3 procent) lub innych pierwiastków tworzących węgliki zapewniają dodatkowe miejsca zarodkowania tworzenia węglików podczas krzepnięcia, dając drobniejszy i bardziej równomierny rozkład węglików. Poprawę odporności na zużycie w wyniku samego zaszczepienia (bez innych zmian) określono ilościowo na 10 do 20 procent w laboratoryjnych testach zużycia, porównujących wytopy zaszczepione i nieszczepione o tym samym składzie nominalnym.
• Kontrolowana szybkość krzepnięcia: Szybsze krzepnięcie powoduje powstanie drobniejszych węglików. W przypadku małych i średnich odlewów zastosowanie metalowych naprężeń w miejscach powierzchni roboczych formy zwiększa szybkość chłodzenia na tych powierzchniach, powodując wytwarzanie drobniejszych węglików w obszarach najbardziej narażonych na zużycie podczas pracy.

Zarządzanie austenitem zachowanym

Po standardowej obróbce cieplnej większość odlewów z żeliwa białego o wysokiej zawartości chromu zawiera od 5 do 20 procent austenitu szczątkowego w osnowie, w zależności od składu stopu i parametrów obróbki cieplnej. Austenit szczątkowy jest fazą bardziej miękką (około 300 do 400 HV) niż martenzyt (800 do 1000 HV), a wysoki poziom austenitu szczątkowego zmniejsza twardość osnowy i odporność odlewu na zużycie ścierne. W zastosowaniach, w których wymagana jest maksymalna odporność na zużycie ścierne, a obciążenie udarowe jest niewielkie, zawartość austenitu szczątkowego należy zminimalizować do poniżej 10 procent za pomocą jednego z następujących podejść: obróbka kriogeniczna w temperaturze od -70 do -196 stopni Celsjusza po normalnej obróbce cieplnej, przechłodzenie do temperatur poniżej temperatury końcowej martenzytu lub dostosowanie składu w celu obniżenia temperatury początkowej martenzytu.

W zastosowaniach, w których występują znaczne obciążenia udarowe, korzystny jest pewien poziom austenitu szczątkowego (10 do 20 procent), ponieważ zapewnia on odporność na pękanie, która zapobiega rozprzestrzenianiu się mikropęknięć inicjowanych uderzeniami w odlewie. Optymalny poziom austenitu szczątkowego zależy zatem od konkretnego zastosowania i stanowi kompromis między odpornością na zużycie a wytrzymałością, który należy rozwiązać w oparciu o dominujący tryb awarii w konkretnym środowisku pracy.

Jak utrzymać odlewy o wysokiej zawartości chromu, aby zapewnić długą żywotność

Konserwacja odlewów o wysokiej zawartości chromu w kruszarkach i młynach obejmuje zarówno praktyki operacyjne, które chronią integralność zainstalowanych części zużywalnych, jak i praktyki monitorowania i planowania wymiany, które maksymalizują całkowity okres użytkowania każdej części bez ponoszenia strat produkcyjnych i uszkodzeń mechanicznych, które występują, gdy części są zużyte powyżej limitu użyteczności przed wymianą. Poniższe ramy konserwacji dotyczą obu wymiarów.

Praktyki operacyjne, które zachowują integralność odlewu

Sposób obsługi kruszarki lub młyna ma bezpośredni wpływ na szybkość zużycia i częstość pękania odlewów o wysokiej zawartości chromu, a dyscyplina operacyjna wokół następujących praktyk zapewnia wymierną poprawę żywotności odlewów:

• Kontroluj metal obcy i materiał niekruszący się w nadawie: Stalowe pręty zbrojeniowe, zęby koparki i inny metal obcy w nadawie kruszarki powodują ekstremalne uderzenia, które mogą spowodować pęknięcie prętów udarowych o wysokiej zawartości chromu, okładzin fartuchów i klocków VSI, nawet jeśli normalny poziom udarności podczas pracy mieści się w zakresie wytrzymałości materiału. Zainstaluj i utrzymuj skuteczne wykrywanie obcych metali (zwykle detektory metali i systemy magnetyczne odpowiednie do rodzaju materiału) przed wszystkimi kruszarkami udarowymi przetwarzającymi strumienie surowca zmieszanego lub pochodzącego z rozbiórki.
• Kontroluj wielkość i prędkość podawania: Nadwymiarowy nadaw w kruszarce udarowej powoduje uderzenia większe niż projektowane, które przyspieszają zużycie i zwiększają ryzyko pękania. Utrzymuj w dobrym stanie sita skalujące i skalujące wstępnej kruszarki, aby mieć pewność, że wsad kruszarki odpowiada specyfikacji nominalnej wielkości wsadu, dla której zaprojektowano listwy udarowe i wykładziny. Skoki szybkości podawania, które powodują, że wirnik uderza w masywne nagromadzenia materiału, a nie w pojedyncze cząstki, podobnie zwiększają szczytowe obciążenia udarowe; stosuj kontrolowane systemy podawania (podajniki taśmowe z kontrolą prędkości zamiast lejów wyrównawczych z niekontrolowanym rozładunkiem), aby utrzymać stałą prędkość podawania.
• Utrzymuj prawidłowe ustawienia prędkości wirnika i odstępu: W kruszarkach udarowych prędkość wirnika określa energię kinetyczną każdej listwy udarowej uderzającej w skałę i jest główną zmienną operacyjną wpływającą zarówno na szybkość produkcji, jak i stopień zużycia. Praca przy minimalnej prędkości wirnika, która zapewnia wymaganą specyfikację wielkości produktu, minimalizuje stopień zużycia na tonę; praca z większą prędkością niż to konieczne zwiększa zużycie energii i przyspiesza zużycie bez poprawy jakości produktu. Sprawdź, czy ustawienia odstępu fartucha są zgodne ze specyfikacją; zbyt małe szczeliny zwiększają prawdopodobieństwo zakleszczenia się dużych fragmentów pomiędzy wirnikiem a fartuchem, powodując uderzenia, które mogą spowodować jednoczesne pęknięcie zarówno listew udarowych, jak i fartuchów.
• Obracaj listwy udarowe w odpowiednich odstępach czasu: Kruszarki udarowe z wałem poziomym są zaprojektowane w taki sposób, że listwy udarowe można obracać o 180 stopni lub zmieniać położenie z krawędzi natarcia na krawędź spływu, gdy jedna strona zużyje się do granicy obrotu. Obrót w odpowiednim punkcie wyrównuje zużycie pomiędzy dwiema powierzchniami roboczymi każdej listwy udarowej, skutecznie podwajając całkowitą objętość zużycia uzyskiwaną z każdej listwy w porównaniu z bieganiem aż do całkowitego zużycia jednej strony przed obrotem. Opóźniony obrót powoduje nierównomierne zużycie, które zmniejsza użyteczną objętość zużycia i może powodować niewyważenie wirnika, co zwiększa obciążenia łożysk i wibracje.

Harmonogram kontroli i pomiarów zużycia

Systematyczny pomiar głębokości zużycia odlewu w regularnych odstępach czasu jest podstawą skutecznego planowania wymiany. Bez ilościowych danych dotyczących zużycia decyzje dotyczące wymiany opierają się wyłącznie na ocenie wizualnej, co zwykle skutkuje albo przedwczesną wymianą części o pozostałym okresie użytkowania (powodując niepotrzebne koszty części), albo opóźnioną wymianą części zużytych poniżej ich bezpiecznego limitu użytkowania (ryzyko uszkodzenia mechanicznego sprzętu głównego).

Ustal procedurę pomiaru zużycia za pomocą suwmiarki lub ultradźwiękowych mierników grubości, która mierzy głębokość zużycia w określonych punktach odniesienia na każdym odlewie w regularnych odstępach czasu (zwykle co 250 do 500 godzin pracy w przypadku mocno obciążonych części eksploatacyjnych kruszarki i co 500 do 1000 godzin w przypadku elementów szlifierskich VRM). Zapisz te pomiary w arkuszu kalkulacyjnym śledzenia i wykreśl skumulowane zużycie w funkcji godzin pracy. Powstała krzywa szybkości zużycia pozwala przewidzieć pozostały okres użytkowania w dowolnym punkcie kontroli, umożliwiając zaplanowanie planowanej wymiany w dogodnym oknie konserwacji, zamiast reagować na awarię spowodowaną zużytą częścią.

Naprawy spawalnicze odlewów wysokochromowych

Żelazo białe o wysokiej zawartości chromu jest trudne do spawania konwencjonalnymi metodami ze względu na jego kruchość i wysoki równoważnik węgla, które sprzyjają pękaniu zarówno w napoinie, jak i w strefie wpływu ciepła przylegającej do spoiny. Jednakże napawanie napawane za pomocą odpowiednich elektrod z węglika chromu lub drutu proszkowego może zostać użyte do przywrócenia zużytych powierzchni odlewów o grubych przekrojach na miejscu, wydłużając żywotność bez konieczności ponoszenia kosztów całkowitej wymiany części. Kluczowymi wymaganiami dotyczącymi skutecznego napawania odlewów z żeliwa o wysokiej zawartości chromu są:

• Rozgrzej do 400 do 500 stopni Celsjusza przed spawaniem, aby zmniejszyć gradient termiczny pomiędzy jeziorkiem spawalniczym a otaczającym go materiałem odlewniczym na zimno, który jest głównym czynnikiem powodującym pękanie w strefie wpływu ciepła w żelazie o wysokiej zawartości węgla i chromu.
• Używaj materiałów eksploatacyjnych do napawania z węglika chromu (nie elektrody ogólnego przeznaczenia lub elektrody ze stali austenitycznej), które wytwarzają osad o właściwościach zużycia porównywalnych z podstawowym materiałem odlewniczym. Osady z nieodpowiedniej elektrody, która jest bardziej miękka niż otaczający materiał podstawowy, będą się preferencyjnie zużywać, co przekreśli cel naprawy.
• Kontroluj temperaturę międzyściegową i umożliwiają kontrolowane powolne chłodzenie po spawaniu poprzez owinięcie części kocami izolacyjnymi, aby zminimalizować naprężenia termiczne podczas chłodzenia, które powodują opóźnione pękanie w odlewach o grubych przekrojach.

Odlewy o wysokiej zawartości chromu stanowią technicznie dojrzałe i sprawdzone ekonomicznie rozwiązanie problemu zużycia w najbardziej wymagających zastosowaniach przemysłowych. Połączenie wyboru odpowiedniego gatunku chromu dla konkretnych warunków ścierania i udarności, określenia prawidłowych parametrów obróbki cieplnej w celu maksymalizacji twardości i wytrzymałości osnowy, zastosowania najlepszych praktyk w zakresie dyscypliny operacyjnej w celu zachowania integralności odlewu w trakcie eksploatacji oraz wdrożenia systematycznych pomiarów zużycia i planowania wymiany zapewnia najniższy całkowity koszt posiadania części zużywalnych o wysokiej zawartości chromu przez cały okres użytkowania sprzętu do kruszenia i szlifowania.

Kontrola jakości w produkcji odlewów o wysokiej zawartości chromu

Stała wydajność eksploatowanych odlewów o wysokiej zawartości chromu zależy od rygorystycznej kontroli jakości stosowanej podczas ich produkcji. W przeciwieństwie do standardowych wyrobów stalowych, których skład i zakres właściwości mechanicznych są ściśle regulowane przez powszechnie przyjęte normy, odlewy z żeliwa białego o wysokiej zawartości chromu są często produkowane według zastrzeżonych lub specyficznych specyfikacji aplikacji, gdzie kontrola jakości produkcji stosowana przez odlewnię jest głównym zapewnieniem stałej wydajności. Zrozumienie, jakie kontrole jakości należy określić i zweryfikować przy zamawianiu odlewów o wysokiej zawartości chromu, umożliwia kupującym odróżnienie wiarygodnych źródeł od tych wytwarzających produkt niespójny.

Weryfikacja składu chemicznego

Każde ciepło żelazo o wysokiej zawartości chromu należy poddać analizie przed wylaniem za pomocą optycznej spektrometrii emisyjnej (OES) na próbce pobranej z kadzi lub pieca. Analiza musi potwierdzić, że wszystkie określone pierwiastki stopowe (chrom, węgiel, molibden, nikiel i krzem) mieszczą się w docelowym zakresie składu przed wlaniem ciepła do form. Wygrzewanie wykraczające poza specyfikację należy przed wylaniem skorygować dodatkiem stopu; wylewanie ciepła niezgodnego ze specyfikacją w oczekiwaniu, że będzie ono akceptowalne, stanowi znaczne ryzyko jakościowe, ponieważ konsekwencje nieprawidłowego składu na zużycie i reakcję na obróbkę cieplną mogą nie być widoczne, dopóki części nie zostaną zamontowane w eksploatacji.

Kupujący powinni wymagać certyfikatów testów młyna (MTC) przedstawiających rzeczywistą analizę kadzi dla każdej partii produkcyjnej, zamiast akceptować certyfikaty jakości ogólnej, które potwierdzają zgodność ze standardową specyfikacją bez podawania faktycznego składu konkretnych dostarczonych części. Porównanie danych MTC dla wielu zamówień pozwala na identyfikację trendów w zakresie zmienności składu, zanim wpłyną one na jakość usługi, i dostarcza danych potrzebnych do skorelowania różnic w składzie z zaobserwowanymi różnicami w żywotności pomiędzy partiami.

Badanie twardości po obróbce cieplnej

Każdy żelazo o wysokiej zawartości chromu casting należy poddać badaniu twardości metodą Rockwella po obróbce cieplnej, aby sprawdzić, czy w całej zamierzonej strefie pomiarowej została osiągnięta wymagana twardość. W przypadku większości części eksploatacyjnych kruszarek i młynów określony zakres twardości wynosi od 58 do 66 HRC, w zależności od gatunku stopu i zastosowania. Badanie twardości należy przeprowadzić w co najmniej trzech miejscach na odlew: w dwóch przeciwległych położeniach powierzchni roboczej i jednym położeniu krawędzi. Odlew wykazujący akceptowalną twardość na powierzchni roboczej, ale znacznie niższą twardość na krawędziach, wskazuje na niepełną przemianę martenzytu w obszarach o mniejszej szybkości chłodzenia podczas hartowania, co może powodować preferencyjne zużycie w tych miejscach pracy.

W przypadku dużych odlewów, gdzie zmiany grubości przekroju mogą mieć wpływ na rozkład twardości na grubości, niszczące badanie twardości na próbkach wyciętych z reprezentatywnych miejsc odlewów prototypu lub pierwszego artykułu pozwala ustalić gradient twardości w przekroju i sprawdzić, czy obróbka cieplna osiąga minimalną wymaganą twardość na wszystkich głębokościach, które będą odsłonięte przez cały okres użytkowania części. Badanie to jest szczególnie ważne w przypadku opon do walców szlifierskich VRM i segmentów stołów o przekroju przekraczającym 100 milimetrów, gdzie twardość rdzenia po obróbce cieplnej ma kluczowe znaczenie dla wydajności, ponieważ powierzchnia zużywa się, a z czasem głębszy materiał staje się powierzchnią roboczą.

Kontrola wymiarowa i jakość powierzchni

Zgodność wymiarowa z określonym rysunkiem jest weryfikowana poprzez pomiar wszystkich krytycznych wymiarów przy użyciu skalibrowanych sprawdzianów i szablonów. W przypadku odlewów obrobionych wykańczająco po obróbce cieplnej (takich jak wirniki pomp, segmenty pierścieni szlifierskich i precyzyjne płyty ścieralne) pomiar wymiarowy po obróbce końcowej potwierdza, że ​​obróbka osiągnęła wymaganą dokładność wymiarową i wykończenie powierzchni. W przypadku odlewów używanych w stanie surowym lub szlifowanym kontrole wymiarowe koncentrują się na powierzchniach montażowych i współpracujących, które określają prawidłowe dopasowanie i wyrównanie w sprzęcie głównym.

Kontrola jakości powierzchni obejmuje zarówno wygląd powierzchni odlewu, jak i badania nieniszczące pod kątem defektów podpowierzchniowych w zastosowaniach krytycznych. Kontrola wzrokowa identyfikuje porowatość skurczową powodującą pękanie powierzchni, zimne pęknięcia, gorące rozdarcia i znaczną chropowatość powierzchni, które wskazują na problemy z jakością odlewu. W przypadku zastosowań o poważnych konsekwencjach, takich jak duże ślizgi wirnika VSI, elementy szlifierskie VRM i podzespoły maszyn procesowych o krytycznym znaczeniu, badania penetracyjne lub badania cząstek magnetycznych dostępnych powierzchni dają dodatkową pewność, że przed zamontowaniem części nie wystąpią żadne pęknięcia powodujące pękanie powierzchni. Pęknięcia w odlewach z żeliwa o wysokiej zawartości chromu nie zapadają się samoczynnie, jak mogłoby to mieć miejsce w przypadku materiałów plastycznych; Pęknięcie powierzchniowe na mocno obciążonej części zużywalnej kruszarki udarowej może szybko przekształcić się w katastrofalne pęknięcie pod obciążeniem roboczym, co sprawia, że ​​wykrywanie pęknięć przed serwisem stanowi znaczącą inwestycję zarówno w bezpieczeństwo, jak i niezawodność produkcji.