U drobljenju i preradi minerala, habajući dijelovi nisu potrošni materijal koji treba svesti na najmanju moguću mjeru — oni su precizno projektirane komponente čiji sastav materijala, mikrostruktura i toplinska obrada određuju propusnost, operativne troškove i kvalitetu proizvoda cijelog kruga. Odabir između odljevaka od čelika s visokim sadržajem mangana i lijevanog željeza s visokim udjelom kroma je pojedinačna odluka o materijalima koja se najviše odnosi na odabir trošnih dijelova drobilice , a pogrešno postavljanje košta daleko više u zastojima, preuranjenoj zamjeni i gubitku proizvodnje nego bilo koja razlika u cijeni unaprijed između dvije obitelji legura.
Ovaj vodič pokriva metalurgiju, karakteristike izvedbe, logiku odabira i kriterije nabave za četiri najkritičnije kategorije lijevanja za trošenje drobilice: udarna drobilica odljevci s visokim sadržajem kroma , čelični odljevci drobilice s visokim sadržajem mangana, komponente od lijevanog željeza s visokim sadržajem kroma i čeljusne ploče čeljusne drobilice s visokim sadržajem mangana — s posebnim naglaskom na fiksnu čeljusnu ploču, potrošni dio koji se najviše zamjenjuje u bilo kojoj instalaciji čeljusne drobilice.
Potrošni dijelovi drobilice otkazuju kroz dva različita mehanizma — abraziju i udar — a ti mehanizmi zahtijevaju fundamentalno različite reakcije materijala. Niti jedna legura ne ističe se u oboje istovremeno, zbog čega se izbor habajućih odljevaka mora voditi specifičnom kombinacijom jačine udarca i abrazivne tvrdoće prisutnih u primjeni drobljenja.
Abrazivno trošenje nastaje kada čestice tvrdih minerala — kvarc, granit, bazalt, željezna ruda, troska — klize ili se kotrljaju po površini odljevka, bušeći mikro-žljebove i uklanjajući materijal na razini neravnina. Primarna otpornost na abraziju je tvrdoća površine: tvrđe površine manje se deformiraju pod kontaktom abrazivnih čestica, smanjujući dubinu izoranog utora i volumen materijala koji se istiskuje po jedinici klizne udaljenosti. To je razlog zašto lijevano željezo s visokim udjelom kroma, s tvrdoćom od 58–68 HRC, značajno nadmašuje standardni čelik s visokim sadržajem mangana (početna tvrdoća 180–220 HBN, što je ekvivalentno približno 15–20 HRC) u okruženjima čiste abrazije.
Udarno trošenje nastaje kada krhotine stijene velikom brzinom udare o površinu odljevka, stvarajući lokalizirane koncentracije naprezanja koje mogu slomiti krte materijale ili plastično deformirati duktilne. Ekstremna tvrdoća lijevanog željeza s visokim sadržajem kroma dolazi s niskom otpornošću na lom — tipične Charpyjeve vrijednosti udara od 3–8 J za željezo s visokim udjelom kroma u odnosu na 100–200 J za čelik s visokim udjelom mangana — čineći ga osjetljivim na pucanje i pucanje pod ponovljenim udarima visoke energije. Jedinstvena prednost čelika s visokim sadržajem mangana je njegova austenitna mikrostruktura: pod ponovljenim udarnim opterećenjem, površinski rad otvrdnjava sa svoje tvrdoće kao što je lijevano od 180–220 HBN na 450–550 HBN, stvarajući tvrdi površinski sloj potpomognut čvrstom, duktilnom jezgrom koja apsorbira energiju udara bez širenja loma.
Ovaj mehanizam otvrdnjavanja je definirajuće svojstvo čelika s visokim sadržajem mangana i razlog zašto je on ostao materijal izbora za čeljusne ploče i druge habajuće dijelove drobilice s velikim udarom više od 130 godina od originalnog patenta Roberta Hadfielda 1882. Kritični zahtjev za pojavu otvrdnjavanja je da udarno naprezanje mora premašiti granicu tečenja materijala. U primjenama gdje je energija udarca niska - fino drobljenje mekog kamena ili spori rad čeljusne drobilice - površina manganskog čelika ne postiže svoj potencijal otvrdnjavanja pri radu i ima lošu izvedbu u usporedbi s tvrđim, ali krhkijim alternativama.
Lijevano željezo s visokim udjelom kroma (HCCI) je vrhunski materijal za lijevanje otporan na abraziju za primjene u drobilicama gdje dominira abrazivno trošenje i gdje je udarno opterećenje umjereno do nisko. Njegova prednost izvedbe u odnosu na manganski čelik u odgovarajućim primjenama nije marginalna — lijevano željezo s visokim udjelom kroma obično daje 2–5 puta duži vijek trajanja od čelika s visokim udjelom mangana u primjenama s visokom abrazivnošću i malim udarcima , razlika koja iz temelja mijenja ekonomiju operacije drobljenja.
Lijevano željezo s visokim udjelom kroma karakterizira sadržaj kroma od 12-30% i sadržaj ugljika od 2,0-3,6%, stvarajući mikrostrukturu koja se sastoji od tvrdih karbida kroma (tip M7C3) ugrađenih u metalnu matricu koja može biti martenzitna, austenitna ili mješavina ovisno o toplinskoj obradi. Krom karbid M7C3 ima tvrdoću od 1.400–1.800 HV — tvrđi od većine minerala koji se nalaze u tipičnoj hrani za drobilice, uključujući kvarc (približno 1100 HV). Ova ekstremna tvrdoća karbida primarni je izvor HCCI otpornosti na habanje.
Volumni udio krom karbida u mikrostrukturi raste s udjelom ugljika i kroma. Kvalitete s visokim udjelom ugljika i kroma (3,0–3,5% C, 25–30% Cr) postižu volumne udjele karbida od 35–45%, pružajući maksimalnu otpornost na habanje. Niži stupnjevi ugljika (2,0–2,5% C, 12–15% Cr) žrtvuju nešto otpornosti na abraziju radi poboljšane žilavosti, što ih čini prikladnijima za primjene s umjerenim udarcima.
Lijevano željezo s visokim sadržajem kroma ima austenitnu matricu umjerene tvrdoće. Toplinska obrada pretvara matricu u martenzit, dramatično povećavajući ukupnu tvrdoću i poboljšavajući sposobnost matrice da podupre karbidnu fazu pod abrazivnim kontaktom. Standardni slijed toplinske obrade za odljevke drobilice željeza s visokim sadržajem kroma je:
Ispravno toplinski obrađeno lijevano željezo s visokim udjelom kroma postiže ukupnu tvrdoću od 58–68 HRC — razinu koju bi bilo nemoguće obraditi konvencionalnim sredstvima i koja pruža otpornost na habanje koja premašuje bilo koji alternativni materijal za lijevanje željeza u uvjetima brušenja i kliznog trošenja pod velikim naprezanjem.
| Ocjena | Sadržaj Cr (%) | C Sadržaj (%) | Tvrdoća (HRC) | Udarna žilavost | Primarna primjena |
|---|---|---|---|---|---|
| Cr12 HCCI | 11–14 | 2,0–2,8 | 56–62 (prikaz, ostalo). | Umjereno | Puhalice sekundarne drobilice, primjene s umjerenim udarom |
| Cr20 HCCI | 18–23 (prikaz, ostalo). | 2,5–3,2 | 60–65 (prikaz, stručni). | Nisko–umjereno | Puhalice udarne drobilice, VSI vrhovi rotora, konusne obloge |
| Cr26 HCCI | 24–28 (prikaz, ostalo). | 2.8–3.5 | 62–68 (prikaz, ostalo). | Niska | Visoko abrazivan, s malim utjecajem: drobljenje troske, fini vapnenac |
Udarne drobilice — i udarne glave s horizontalnim vratilom (HSI) i udarne glave s okomitim vratilom (VSI) — podvrgavaju svoje potrošne dijelove bitno drugačijem režimu opterećenja od čeljusnih ili konusnih drobilica. Umjesto kompresijskog drobljenja između dviju površina, udarne drobilice ubrzavaju stijenu velikom brzinom u stacionarne nakovnje ili protiv drugih čestica stijene. Potrošni dijelovi u udarnim drobilicama moraju se istovremeno oduprijeti abraziji velike brzine mineralnih čestica koje klize preko njihove površine i ponavljajućem udarnom opterećenju fragmenata stijena koji udaraju pri brzinama vrha rotora od 25-55 metara u sekundi.
Šipka za puhanje — udarni element montiran na rotoru koji udara u nadolazeću stijenu — komponenta je s najvećim trošenjem u HSI drobilici i odljevak koji je najkritičniji za performanse u cijelom stroju. Odabir materijala šipke za puhanje mora uravnotežiti otpornost na abraziju i otpornost na udar unutar specifične radne ovojnice stroja i materijala za punjenje:
Ploče za razbijanje (udarne pregače) su stacionarne površine nakovnja o koje udarci stijene ubrzani udarnom polugom udaraju u HSI drobilicama. Njihov mehanizam trošenja kombinira udar velike brzine u početnoj zoni udara s abrazivnim kliznim trošenjem dok se fragmenti preusmjeravaju duž površine pregače. Lijevano željezo s visokim sadržajem kroma Cr20 je standardni materijal za razbijajuće ploče u sekundarnom i tercijarnom udarnom drobljenju , gdje kontrolirana veličina sirovine ograničava vršnu udarnu energiju na razine unutar HCCI-jeve ovojnice žilavosti. Za primarno drobljenje s velikim punjenjem, martenzitni čelik ili čelične pregače od mangana sigurniji su izbor unatoč nižoj otpornosti na abraziju.
Čelik s visokim sadržajem mangana (Hadfieldov čelik, austenitni manganski čelik) ostaje dominantan materijal za trošne dijelove čeljusne drobilice, okretne plašteve i konkavne dijelove drobilice i sve primjene drobilice gdje je dugotrajno visokoenergetsko udarno opterećenje primarni mehanizam trošenja. Njegova kombinacija umjerene početne tvrdoće, ekstremne sposobnosti otvrdnjavanja i izvrsne žilavosti je profil performansi koji nijedna druga porodica legura otpornih na habanje ne može ponoviti.
Standardni Hadfieldov sastav čelika od 11–14% Mn i 1,0–1,4% C (ASTM A128 stupanj B) je tijekom desetljeća rafiniran u obitelj razreda s modificiranim sastavima koji ciljaju specifične primjene drobljenja:
Lijevani manganski čelik sadrži precipitate karbida na granicama zrna koji jako krte leguru, čineći je sklonom lomu tijekom rada. Žarenje u otopini — zagrijavanje na 1.000–1.100°C i kaljenje u vodi — otapa ove karbide u austenitnoj matrici, obnavljajući potpuno austeničnu strukturu i maksimizirajući žilavost. Neadekvatno žarenje otopinom je najčešći uzrok prijevremenog loma čeljusne ploče u servisu i to je specifikacija kvalitete koju kupci moraju provjeriti kada nabavljaju odljevke od čelika s visokim sadržajem mangana. Ključni pokazatelji pravilne toplinske obrade su izgled površine kaljene vodom (bez zračnog hlađenja), snimljeni podaci o vremenu i temperaturi koji pokazuju potpunu natopljenost na temperaturi i Charpyjeve vrijednosti udarca koje zadovoljavaju minimum ASTM A128 od 100 J za standardne kvalitete.
Čeljusna ploča je trošni dio koji definira učinak čeljusne drobilice. U čeljusnoj drobilici, dvije čeljusne ploče — fiksna (nepomična) čeljusna ploča i okretna (pokretna) čeljusna ploča — stvaraju komoru za drobljenje u kojoj se stijena sabija dok se ne slomi. Fiksna čeljusna ploča obično se troši brže od okretne čeljusne ploče jer je to stacionarna površina prema kojoj se materijal pretežno sabija, a njegova geometrija i kvaliteta materijala izravno određuju raspodjelu veličine proizvoda, propusnost i interval između zamjena čeljusne ploče.
Valovita površina čeljusne ploče - izmjenični grebeni i udoline preko površine drobljenja - služi više funkcija koje se često ne cijene u potpunosti:
Uspon grebena (udaljenost između susjednih vrhova grebena) obično je 50–100 mm za primarne drobilice koje obrađuju veliku hranu, smanjujući se na 30–60 mm za sekundarne primjene. Visina grebena od 30–50 mm na novim pločama degradira do gotovo ravne na kraju korisnog vijeka — praćenje visine grebena je pouzdana metoda za procjenu preostalog vijeka trajanja ploče čeljusti bez uklanjanja ploče iz drobilice.
Prostorna raspodjela trošenja na uklonjenoj fiksnoj čeljusnoj ploči je dijagnostička informacija o operaciji drobljenja — a ne samo zapis o gubitku materijala. Razumijevanje uobičajenih obrazaca trošenja omogućuje korektivne radnje koje produljuju vijek trajanja sljedećeg kompleta čeljusti:
Većina čeljusnih ploča je simetrično dizajnirana kako bi se omogućilo preokretanje - rotiranje ploče za 180° kako bi se neistrošeni gornji dio stavio u donju zonu gnječenja koja se jako troši. Sustavno preokretanje čeljusnih ploča na sredini njihova životnog vijeka dosljedno produljuje ukupni životni vijek ploča za 30–50% , budući da se materijal koji bi inače bio odbačen kao potpuno istrošen u donjoj zoni premješta u položaj nižeg trošenja gdje nastavlja pružati korisnu uslugu. Ova praksa je jednostavna, dodaje nulte materijalne troškove i najučinkovitija je mjera produljenja životnog vijeka čeljusne ploče dostupna operaterima drobilica.
Sustavni odabir habajućeg lijevanog materijala zahtijeva poštenu procjenu dviju varijabli primjene: abrazivne tvrdoće sirovog materijala (izražene kao Mohsova tvrdoća ili sadržaj silicijevog dioksida) i razina energije udarca u fazi drobljenja. Ove dvije varijable, prikazane jedna naspram druge, definiraju matricu odabira koja pouzdanije usmjerava izbor legure od uobičajenih preporuka.
| Primjena | Krmni materijal | Razina utjecaja | Preporučeni materijal | Očekivana životna prednost |
|---|---|---|---|---|
| Čeljusna ploča čeljusne drobilice — primarni tvrdi kamen | Granit, kvarcit, bazalt | Vrlo visoko | Mn18 ili Mn14Cr2 | Najbolja žilavost; rad-hardening bitno |
| Čeljusna ploča čeljusne drobilice — meka/srednja stijena | Vapnenac, pješčenjak | visoko | Standardni Mn13 ili Mn14Cr2 | Dobar balans; Dodatak Cr poboljšava početnu tvrdoću |
| HSI puhalica — sekundarni/tercijarni | Vapnenac, krupni materijal <100 mm | Umjereno | Cr20 HCCI | 3–5× u odnosu na Mn13; dominira abrazija |
| HSI šipka za puhanje — primarni, veliki dovod | Mješovita stijena, opasnost od lutanja | Vrlo visoko | Mn13 ili martenzitni čelik | HCCI rizik prijeloma neprihvatljiv |
| Plašt konusne drobilice/konkavni | Tvrda abrazivna stijena | Umjereno–High | Mn14Cr2 ili Mn18 | Otvrdnjavanje kritično za unutarnju površinu plašta |
| VSI vrh rotora — visoko abrazivan | Silikatni pijesak, granit | Umjereno (high velocity) | Cr26 HCCI ili WC umetci | Potrebna najveća tvrdoća na vrhu rotora |
| Drobilica troske — visoka abrazija | Troska iz peći, željezna ruda | Nisko–umjereno | Cr26 HCCI | Ekstremna otpornost na habanje; odijela s malim utjecajem na HCCI |
Učinkovitost trošnih odljevaka u uporabi ne ovisi samo o navedenoj leguri, već io kvaliteti ljevaoničke prakse, izvedbi toplinske obrade i točnosti dimenzija gotovog dijela. Čeljusna ploča izlivena od ispravno određenog Mn13, ali s neadekvatnim žarenjem u otopini, puknut će u prvim danima rada ; poluga za puhanje s visokim sadržajem kroma i unutarnjom poroznošću skupljanja otkazat će na defektu mnogo prije nego što se dosegne očekivani vijek trajanja. Određivanje legure je potrebno, ali nije dovoljno — osiguranje kvalitete procesa lijevanja jednako je kritično.
Analiza optičke emisijske spektrometrije (OES) odljevka ispitnog kupona sa svakim zagrijavanjem metala standardna je metoda za provjeru zadovoljava li isporučeni odljevak specificirani sastav legure. Ključni elementi za provjeru i njihovi rasponi tolerancije:
Ispitivanje tvrdoće gotovih odljevaka omogućuje najdostupniju provjeru kvalitete toplinske obrade. Minimalni zahtjevi za tvrdoću i metode ispitivanja:
Unutarnja poroznost i šupljine skupljanja najčešći su nedostaci lijevanja u trošnim dijelovima drobilice i najopasniji — nevidljivi su izvana, ali djeluju kao mjesta koncentracije naprezanja koja iniciraju preuranjeni lom. Metode ispitivanja bez razaranja primjenjive na odljevke drobilice:
Specifikacija najboljeg habajućeg odljevka daje svoju punu vrijednost samo u kombinaciji s ispravnom praksom ugradnje, sustavnim praćenjem trošenja i planiranjem zamjene koji bilježi maksimalnu iskoristivost materijala bez rizika od katastrofalnog kvara odljevka ili oštećenja strukture drobilice.
Zamjena ploča čeljusti i puhala u pravo vrijeme — ni prerano (traćenje preostalog materijala) ni prekasno (rizik oštećenja drobilice lomljenjem) — zahtijeva sustavni pristup praćenju. Preporučene prakse praćenja: