Čelični odljevci s visokim sadržajem mangana: Vodič za čeljusnu i udarnu drobilicu

Čelični odljevci s visokim sadržajem mangana su glavni materijali za habanje u industriji drobljenja i preradi minerala. Izlivene od austenitnog manganskog čelika s udjelom mangana obično između 11 i 14 posto, ove komponente isporučuju kombinaciju svojstava s kojima se nijedna druga komercijalno dostupna legura ne može mjeriti za primjene intenzivnih udarnih drobljenja: relativno su mekane kada su prvi put ugrađene, ali dramatično otvrdnu na površini kada su podvrgnute opetovanom udarnom opterećenju, što je fenomen poznat kao otvrdnjavanje ili transformacija izazvana deformacijom. Ovo otvrdnjavanje površine događa se tijekom rada, a ne prije ugradnje, što znači da materijal kontinuirano regenerira svoju otpornu površinu tijekom cijelog radnog vijeka pod ispravnim radnim uvjetima.

Izravan zaključak za svakoga tko navodi odljevke od čelika s visokim sadržajem mangana je sljedeći: legura je standardni i ispravni materijal za odljevke od čelika s visokim sadržajem mangana za čeljusnu drobilicu i odljevke od čelika s visokim sadržajem mangana za udarnu drobilicu jer su uvjeti udarnog naprezanja u obje vrste drobilica upravo ono što aktivira mehanizam otvrdnjavanja koji materijalu daje izuzetan vijek trajanja. U primjenama s niskim udarom i pretežno abrazivnim trošenjem, drugi materijali mogu nadmašiti čelik s visokim sadržajem mangana, ali u čeljusnim i udarnim drobilicama gdje svaki ciklus drobljenja isporučuje značajnu silu pritiska i udara na dijelove koji se troše, čelični odljevci s visokim sadržajem mangana utvrđena su specifikacija iz dobrih tehničkih razloga. Ovaj članak detaljno pokriva metalurgiju, proizvodne zahtjeve i razmatranja performansi specifičnih za primjenu za komponente čeljusne i udarne drobilice.

Metalurgija čelika s visokim sadržajem mangana: Zašto je otvrdnjavanje bitno

Austenitni manganski čelik prvi je razvio Sir Robert Hadfield 1882. i ostaje komercijalno poznat kao Hadfieldov čelik. Njegova definirajuća karakteristika je potpuno austenitna mikrostruktura koja se zadržava na sobnoj temperaturi kroz kombinaciju visokog sadržaja ugljika (obično 1,0 do 1,4 posto) i visokog sadržaja mangana (11 do 14 posto), koji zajedno potiskuju martenzitnu transformaciju koja bi se normalno dogodila u ugljičnom čeliku hlađenjem iz austenita. Lijevani materijal ima tvrdoću od približno 170 do 210 Brinella, što je mekše od mnogih alatnih čelika i legiranih čelika za habanje, ali ovu početnu mekoću prati iznimna žilavost: materijal može apsorbirati velike udarne sile bez loma jer se austenitna matrica plastično deformira, a ne puca.

Mehanizam kritičnog otvrdnjavanja radom: kada se čelik s visokim sadržajem mangana podvrgne tlačnom udarnom naprezanju koje prelazi približno 300 do 500 MPa, austenit na i blizu napregnute površine pretvara se u martenzit kroz deformaciju induciranu faznu transformaciju, podižući površinsku tvrdoću s približno 200 Brinella na 450 do 550 Brinela. Ova transformirana površina je tvrda i otporna na habanje, dok temeljna austenitna jezgra ostaje čvrsta i otporna na lomove. Praktični rezultat je komponenta koja razvija površinu otpornu na habanje tijekom rada, a istovremeno održava udarnu žilavost potrebnu za preživljavanje udarnih opterećenja procesa drobljenja bez pucanja.

Ocjene sadržaja mangana i ugljika

Čelični odljevci s visokim sadržajem mangana za drobilice proizvode se u nekoliko standardnih kvaliteta s različitim sadržajem mangana i ugljika optimiziranih za različite zadatke drobljenja:

• Standardni stupanj Mn13 (ASTM A128 stupanj B 2): Otprilike 1,0 do 1,4 posto ugljika i 11 do 14 posto mangana. Najrašireniji tip za obloge čeljusnih i udarnih drobilica u srednje tvrdim do tvrdim stijenama. Pruža dobru ravnotežu brzine otvrdnjavanja i žilavosti.
• Modificirani stupanj Mn18 (visoki sadržaj mangana): Približno 1,0 do 1,3 posto ugljika i 16 do 19 posto mangana. Veći sadržaj mangana povećava stabilnost austenita, poboljšavajući žilavost, ali neznatno smanjujući brzinu otvrdnjavanja. Preferira se za velike komponente drobilice gdje je rizik loma od prekomjernog udara veći i vijek trajanja se mora produljiti kroz veću dubinu sloja očvrsnutog radom.
• Krom modificirani manganski čelik: Standardni sastav Mn13 s dodatkom 1,5 do 2,5 posto kroma. Dodatak kroma poboljšava otpornost na abraziju uz određenu cijenu žilavosti, čineći kromom modificirane kvalitete prikladnim za primjene u drobilima koje uključuju i jak udar i značajno abrazivno trošenje silikatnih stijena ili kvarcita.

Čeljusna drobilica Odljevci od čelika s visokim sadržajem mangana: specifikacija i izvedba

Čeljusna drobilica radi sabijanjem stijene između fiksne čeljusne ploče i pomične čeljusne ploče (okretna čeljust), pri čemu se dvije čeljusne ploče spajaju na dnu komore za drobljenje i razilaze na vrhu. Stijena se hvata između čeljusti i lomi tlačnom silom dok se zakretna čeljust kreće naprijed. Čeljusne ploče su primarne habajuće komponente u ovom sustavu i najvažnija su primjena za čeljusne drobilice s visokim sadržajem mangana.

Dizajn čeljusne ploče i razmatranja profila

Čeljusne ploče za velike čeljusne drobilice lijevaju se kao pojedinačni komadi ili u više dijelova, ovisno o veličini drobilice i mogućnosti lijevanja ljevaonice. Radna površina ploče čeljusti je valovita s grebenima koji koncentriraju tlačni stres i pomažu pri lomu stijene. Profil valovitosti (visina grebena, nagib i kut) optimiziraju proizvođači drobilica za određenu vrstu stijene i omjer smanjenja veličine za primjenu. Za čvrstu, kompetentnu stijenu (granit, bazalt, gnajs) s tlačnom čvrstoćom iznad 150 MPa, vijek trajanja ploče čeljusti u čeliku s visokim sadržajem mangana obično se kreće od 50 000 do 200 000 tona obrađenog materijala, ovisno o indeksu abrazivnosti stijene, graduaciji punjenja drobilice i radnim parametrima drobilice.

Zahtjevi za toplinsku obradu čeljusnih ploča

Budući da lijevani čelik s visokim sadržajem mangana sadrži talog karbida na granicama zrna koji je rezultat sporog hlađenja kroz raspon temperature taloženja karbida tijekom skrućivanja. Ovi karbidi čine materijal krhkim i moraju se otopiti prije nego se odljevak stavi u upotrebu. Proces toplinske obrade otopinom uključuje zagrijavanje odljevka na 1020 do 1100 stupnjeva Celzijusa dovoljno vremena da se otope svi karbidi, zatim brzo gašenje u vodi kako bi se očuvala potpuno austenitna struktura. Čeljusna drobilica Čelični odljevci s visokim udjelom mangana koji nisu pravilno toplinski obrađeni otopinom otkazat će zbog krtog loma, a ne zbog postupnog trošenja, često unutar prvih sati rada u zahtjevnoj primjeni drobilice. Provjera toplinske obrade mjerenjem tvrdoće po Brinellu i ispitivanjem mikrostrukture bitna je kontrola kvalitete za ovaj proizvod.

Udarna drobilica Čelični odljevci s visokim sadržajem mangana: različiti uvjeti naprezanja, različiti prioriteti dizajna

Udarna drobilica lomi stijenu udarom velike brzine, a ne tlačnom silom. U udarnoj drobilici s vodoravnom osovinom (HSI), rotor opremljen šipkama za puhanje rotira velikom brzinom i udara o stijenu koja se dovodi u komoru za drobljenje, ubrzavajući je u udarne ploče (također zvane zavjese ili pregače) gdje se lomi pri kontaktu. U drobilici s vertikalnim udarom osovine (VSI), stijena se dovodi u rotor velike brzine i pokreće centrifugalno prema vanjskoj komori obloženoj stijenom ili nakovnjem. Uvjeti naprezanja koji se nameću dijelovima koji se troše u udarnim drobilicama bitno se razlikuju od onih u čeljusnim drobilicama, s višim stopama deformacije i različitim smjerovima primjene sile.

Puhalice: najkritičnija komponenta udarne drobilice

Šipke za puhanje su primarne habajuće komponente u udarnim drobilicama s vodoravnom osovinom, postavljene u utore na rotoru i udaraju u nadolazeću stijenu perifernom brzinom rotora (obično 25 do 45 metara u sekundi u primarnim udarnim glavama). Šipka za puhanje mora se istovremeno oduprijeti abrazivnom trošenju uslijed kontakta sa stijenom i apsorbirati udarni udar visoke energije pri svakom sudaru šipke sa stijenom bez lomljenja. Čelični odljevci s visokim sadržajem mangana standardna su specifikacija za šipke za puhanje u primarnim i sekundarnim udarnim drobilicama za obradu tvrdih stijena jer udarci velike brzine osiguravaju uvjete naprezanja potrebne za učinkovito otvrdnjavanje. Vijek trajanja šipke za puhanje u obradi tvrdog vapnenca obično je 200 do 600 tona stijene po kilogramu težine šipke za puhanje, dok obrada tvrđe stijene kao što je bazalt ili granit može smanjiti to na 50 do 200 tona po kilogramu, odražavajući veću abrazivnost i žestinu udara tvrđih vrsta stijena.

Udarne ploče i razbojne ploče

Udarne ploče (također poznate kao pregače ili zavjese) primaju kamenje koje rotor baca i moraju apsorbirati ponovljene udare visoke energije tijekom svog radnog vijeka. Ove se komponente također obično isporučuju kao čelični odljevci s visokim sadržajem mangana za udarne drobilice, iako se u nekim primjenama s manjim udarom mogu proizvoditi od Cr Mo bijelog željeza koje nudi veću otpornost na habanje po cijenu smanjene žilavosti. Odabir između čelika s visokim sadržajem mangana i bijelog željeza za udarne ploče ovisi o specifičnim razinama energije udarca u drobilici: tamo gdje su udari jaki, vrhunska otpornost na lom manganskog čelika je bitna; tamo gdje su udari umjereni i abrazija dominira, bijelo željezo može ponuditi duži vijek trajanja.

Usporedba čeličnih odljevaka s visokim sadržajem mangana za čeljusne i udarne drobilice

Kontrola kvalitete i razmatranja nabave za čelične odljevke s visokim sadržajem mangana

Učinkovitost čeličnih odljevaka s visokim udjelom mangana u primjenama drobilica uvelike ovisi o kvaliteti procesa lijevanja i toplinske obrade, što odabir dobavljača i ulaznu inspekciju čini kritično važnima. Sljedeće kriterije kvalitete treba specificirati i verificirati za sve čelične odljevke s visokim sadržajem mangana koji se koriste u primjenama čeljusnih i udarnih drobilica:

1. Provjera kemijskog sastava. Spektrometrijska analiza treba potvrditi da je sadržaj mangana unutar navedenog raspona (11 do 14 posto za Mn13, 16 do 19 posto za Mn18) i da su ugljik, silicij, fosfor i sumpor unutar specifikacije stupnja. Prekomjerni sadržaj fosfora iznad 0,07 posto i sumpora iznad 0,05 posto čini čelik krtim i mora se kontrolirati.
2. Provjera toplinske obrade ispitivanjem tvrdoće. Tvrdoća kaljenog mora biti u rasponu od 170 do 220 Brinella. Vrijednosti znatno iznad ovog raspona ukazuju na nepotpunu obradu otopine (preostali karbidi) ili pogrešku u sastavu legure. Vrijednosti ispod 160 Brinella mogu značiti da je temperatura otopine bila previsoka, uzrokujući rast zrna koji smanjuje žilavost.
3. Točnost dimenzija i završna obrada površine. Dimenzije odljevka treba provjeriti prema crtežu proizvođača s odgovarajućim tolerancijama. Čeljusne ploče i šipke za puhanje moraju ispravno odgovarati svojim odgovarajućim sustavima za montiranje kako bi se osigurala ravnomjerna raspodjela opterećenja i spriječio preuranjeni kvar zbog koncentracije naprezanja na točkama montiranja.
4. Bez štetnih grešaka u lijevanju. Poroznost zbog skupljanja, pukotine i značajne inkluzije na habajućoj površini ili zoni ugradnje razlog su za odbacivanje. Površinske pukotine mogu se otkriti ispitivanjem magnetskim česticama ili ispitivanjem penetrantom boje; unutarnji nedostaci zahtijevaju ultrazvučno ispitivanje ili radiografski pregled u kritičnim primjenama.

Čelični odljevci s visokim udjelom mangana za čeljusne i udarne drobilice predstavljaju dobro utvrđeno i tehnički potvrđeno rješenje za habajuće materijale koje je više od jednog stoljeća služilo industriji kamenoloma, rudarstvu i proizvodnji agregata. Jedinstveni mehanizam samootvrdnjavanja materijala pod uvjetima udarca, u kombinaciji s njegovom otpornošću na lomljenje, čini istinski teškim poboljšanje za specifične uvjete opterećenja ovih vrsta drobilica. Ključ za ostvarenje punog potencijala izvedbe leži u ispravnom odabiru stupnja legure za specifičnu vrstu stijene i zadatak drobilice, pridržavanje zahtjeva za toplinsku obradu otopine i rigoroznu ulaznu inspekciju kvalitete koja provjerava i sastav i primjerenost toplinske obrade prije nego što odljevci krenu u upotrebu.