Đúc thép mangan cao: Hướng dẫn sử dụng máy nghiền hàm và tác động

Đúc thép mangan cao là vật liệu hao mòn chính của ngành công nghiệp nghiền và chế biến khoáng sản. Được đúc từ thép mangan austenit với hàm lượng mangan thường từ 11 đến 14 phần trăm, các thành phần này mang lại sự kết hợp các đặc tính mà không hợp kim thương mại nào khác có thể sánh được cho các ứng dụng nghiền chịu va đập mạnh: chúng tương đối mềm khi lắp đặt lần đầu, tuy nhiên chúng cứng lại đáng kể trên bề mặt khi chịu tải tác động lặp đi lặp lại, một hiện tượng được gọi là sự biến đổi do gia công cứng lại hoặc biến dạng do biến dạng gây ra. Quá trình làm cứng bề mặt này xảy ra trong quá trình vận hành chứ không phải trước khi lắp đặt, nghĩa là vật liệu liên tục tái tạo bề mặt cứng trong suốt thời gian sử dụng trong điều kiện vận hành chính xác.

Kết luận trực tiếp cho bất kỳ ai chỉ định Vật đúc thép mangan cao là: hợp kim là vật liệu tiêu chuẩn và chính xác cho Máy nghiền hàm Đúc thép mangan cao và Máy nghiền tác động Đúc thép mangan cao vì điều kiện ứng suất va đập ở cả hai loại máy nghiền chính xác là những gì kích hoạt cơ chế làm cứng công việc mang lại cho vật liệu tuổi thọ mài mòn vượt trội. Trong các ứng dụng có độ mài mòn thấp và chủ yếu là mài mòn, các vật liệu khác có thể hoạt động tốt hơn thép có hàm lượng mangan cao, nhưng trong máy nghiền hàm và va đập nơi mỗi chu kỳ nghiền mang lại lực nén và lực va đập đáng kể cho các bộ phận bị mài mòn, vật đúc bằng thép có hàm lượng mangan cao là thông số kỹ thuật đã được thiết lập vì lý do kỹ thuật tốt. Bài viết này đề cập đến các vấn đề liên quan đến luyện kim, sản xuất và các cân nhắc về hiệu suất cụ thể của ứng dụng đối với các bộ phận của máy nghiền hàm và máy nghiền va đập một cách toàn diện.

Luyện kim thép mangan cao: Tại sao lại là vấn đề làm cứng

Thép mangan Austenitic được phát triển lần đầu tiên bởi Sir Robert Hadfield vào năm 1882 và vẫn được biết đến với tên thương mại là thép Hadfield. Đặc điểm xác định của nó là cấu trúc vi mô austenit hoàn toàn được giữ lại ở nhiệt độ phòng thông qua sự kết hợp của hàm lượng carbon cao (thường là 1,0 đến 1,4 phần trăm) và hàm lượng mangan cao (11 đến 14 phần trăm), cùng nhau ngăn chặn sự biến đổi martensitic thường xảy ra trong thép carbon khi làm mát từ austenite. Vật liệu đúc có độ cứng khoảng 170 đến 210 Brinell, mềm hơn nhiều loại thép công cụ và thép hợp kim, nhưng độ mềm ban đầu này đi kèm với độ dẻo dai đặc biệt: vật liệu có thể hấp thụ lực tác động lớn mà không bị gãy do ma trận austenit biến dạng dẻo thay vì nứt.

Cơ chế làm cứng công việc quan trọng: khi thép mangan cao chịu ứng suất va chạm nén vượt quá khoảng 300 đến 500 MPa, austenite ở và gần bề mặt bị ứng suất biến đổi thành martensite thông qua sự biến đổi pha do biến dạng, nâng độ cứng bề mặt từ khoảng 200 Brinell lên 450 đến 550 Brinell. Bề mặt biến đổi này cứng và chống mài mòn, trong khi lõi austenit bên dưới vẫn cứng và có khả năng chống gãy. Kết quả thực tế là một bộ phận phát triển bề mặt cứng khi sử dụng trong khi vẫn duy trì độ bền va đập cần thiết để chịu được tải trọng sốc của quá trình nghiền mà không bị vỡ.

Hàm lượng Mangan và Carbon

Thép đúc mangan cao dành cho các ứng dụng máy nghiền được sản xuất ở một số loại tiêu chuẩn với hàm lượng mangan và carbon khác nhau được tối ưu hóa cho các nhiệm vụ nghiền khác nhau:

• Tiêu chuẩn loại Mn13 (ASTM A128 loại B 2): Khoảng 1,0 đến 1,4 phần trăm carbon và 11 đến 14 phần trăm mangan. Loại được sử dụng rộng rãi nhất cho lớp lót máy nghiền hàm và va đập trong các ứng dụng đá có độ cứng trung bình đến cứng. Cung cấp sự cân bằng tốt giữa tốc độ làm việc cứng và độ dẻo dai.
• Loại Mn18 biến tính (mangan cao): Khoảng 1,0 đến 1,3 phần trăm carbon và 16 đến 19 phần trăm mangan. Hàm lượng mangan cao hơn làm tăng độ ổn định của austenit, cải thiện độ dẻo dai nhưng làm giảm nhẹ tốc độ đông cứng. Được ưu tiên cho các bộ phận máy nghiền lớn có nguy cơ gãy xương do va đập quá mức cao hơn và tuổi thọ mài mòn phải được kéo dài thông qua lớp cứng hơn khi gia công ở độ sâu lớn hơn.
• Thép mangan biến tính Chrome: Thành phần Mn13 tiêu chuẩn có bổ sung 1,5 đến 2,5% crom. Việc bổ sung crom giúp cải thiện khả năng chống mài mòn ở một mức độ nào đó đối với độ bền, làm cho các loại crom biến tính phù hợp cho các ứng dụng máy nghiền liên quan đến cả tác động cao và độ mài mòn đáng kể từ đá silic hoặc thạch anh.

Máy nghiền hàm đúc thép mangan cao: Thông số kỹ thuật và hiệu suất

Máy nghiền hàm hoạt động bằng cách nén đá giữa tấm hàm cố định và tấm hàm di động (hàm xoay), với hai tấm hàm hội tụ ở đáy buồng nghiền và phân kỳ ở phía trên. Đá bị kẹp giữa các hàm và bị gãy do lực nén khi hàm xoay chuyển động về phía trước. Các tấm hàm là bộ phận chịu mài mòn chính trong hệ thống này và là ứng dụng quan trọng nhất đối với Vật đúc thép mangan cao cho máy nghiền hàm.

Thiết kế tấm hàm và cân nhắc về mặt cắt

Tấm hàm cho máy nghiền hàm lớn được đúc thành từng mảnh hoặc thành nhiều phần tùy thuộc vào kích thước máy nghiền và khả năng đúc của xưởng đúc. Bề mặt làm việc của tấm hàm được làm gợn sóng với các đường gờ tập trung ứng suất nén và hỗ trợ phá vỡ đá. Cấu hình nếp gấp (chiều cao, cao độ và góc) được tối ưu hóa bởi các nhà sản xuất máy nghiền cho loại đá cụ thể và tỷ lệ giảm kích thước của ứng dụng. Đối với đá cứng, tốt (đá granit, đá bazan, gneiss) có cường độ nén trên 150 MPa, tuổi thọ mài mòn của tấm hàm bằng thép mangan cao thường dao động từ 50.000 đến 200.000 tấn vật liệu đã qua xử lý, tùy thuộc vào chỉ số mài mòn của đá, cấp độ cấp liệu của máy nghiền và các thông số vận hành máy nghiền.

Yêu cầu xử lý nhiệt đối với tấm hàm

Vì thép mangan cao đúc có chứa kết tủa cacbua ở ranh giới hạt do làm lạnh chậm trong phạm vi nhiệt độ kết tủa cacbua trong quá trình hóa rắn. Các cacbua này làm giòn vật liệu và phải được hòa tan trước khi vật đúc được đưa vào sử dụng. Quá trình xử lý nhiệt dung dịch bao gồm làm nóng vật đúc đến 1.020 đến 1.100 độ C trong thời gian đủ để hòa tan tất cả các cacbua, sau đó làm nguội nhanh trong nước để bảo toàn cấu trúc austenit hoàn toàn. Máy nghiền hàm Vật đúc bằng thép có hàm lượng Mangan cao chưa được xử lý nhiệt bằng dung dịch thích hợp sẽ bị hỏng do gãy giòn chứ không phải do mòn dần, thường là trong vòng những giờ đầu tiên sử dụng trong ứng dụng máy nghiền đòi hỏi khắt khe. Việc xác minh quá trình xử lý nhiệt thông qua đo độ cứng Brinell và kiểm tra vi cấu trúc là biện pháp kiểm soát chất lượng thiết yếu đối với sản phẩm này.

Máy nghiền tác động Đúc thép mangan cao: Điều kiện ứng suất khác nhau, ưu tiên thiết kế khác nhau

Máy nghiền tác động làm gãy đá do tác động ở vận tốc cao chứ không phải do lực nén. Trong máy nghiền tác động trục ngang (HSI), một rôto có gắn thanh thổi quay với tốc độ cao và đập đá được đưa vào buồng nghiền, đẩy đá vào các tấm va đập (còn gọi là tấm chắn hoặc tạp dề) nơi nó bị gãy khi tiếp xúc. Trong máy nghiền tác động trục thẳng đứng (VSI), đá được đưa vào một rôto tốc độ cao và được đẩy ly tâm vào khoang ngoài có lót đá hoặc lót đe. Các điều kiện ứng suất tác động lên các bộ phận bị mài mòn trong máy nghiền va đập về cơ bản khác với các điều kiện trong máy nghiền hàm, với tốc độ biến dạng cao hơn và các hướng tác dụng lực khác nhau.

Thanh thổi: Thành phần máy nghiền tác động quan trọng nhất

Thanh đòn là bộ phận chịu mài mòn chính trong máy nghiền tác động trục ngang, được gắn trong các khe trên rôto và đập vào đá tới ở vận tốc ngoại vi của rôto (thường là 25 đến 45 mét mỗi giây trong máy va chạm chính). Thanh thổi phải đồng thời chống mài mòn do tiếp xúc với đá và hấp thụ chấn động tác động năng lượng cao của mỗi lần va chạm vào thanh đá mà không bị gãy. Thép đúc mangan cao là thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho thanh thổi trong máy nghiền tác động sơ cấp và thứ cấp xử lý đá cứng vì tác động vận tốc cao cung cấp các điều kiện ứng suất cần thiết để làm cứng công việc hiệu quả. Tuổi thọ của thanh thổi trong chế biến đá vôi cứng thường là 200 đến 600 tấn đá trên mỗi kg trọng lượng thanh thổi, trong khi xử lý đá cứng hơn như đá bazan hoặc đá granit có thể giảm xuống còn 50 đến 200 tấn mỗi kg, phản ánh độ mài mòn cao hơn và mức độ va đập nghiêm trọng của các loại đá cứng hơn.

Tấm tác động và tấm đập

Các tấm tác động (còn được gọi là tấm chắn hoặc tấm màn) tiếp nhận đá văng ra từ rôto và phải hấp thụ các tác động năng lượng cao lặp đi lặp lại trong suốt thời gian sử dụng của chúng. Các thành phần này cũng thường được cung cấp dưới dạng Vật đúc thép mangan cao cho máy nghiền tác động, mặc dù trong một số ứng dụng có tác động thấp hơn, chúng có thể được sản xuất từ ​​​​sắt trắng Cr Mo có khả năng chống mài mòn cao hơn với chi phí giảm độ dẻo dai. Việc lựa chọn giữa thép mangan cao và sắt trắng cho tấm va đập phụ thuộc vào mức năng lượng va chạm cụ thể trong máy nghiền: khi bị va đập nghiêm trọng, độ bền gãy vượt trội của thép mangan là điều cần thiết; ở những nơi tác động vừa phải và mài mòn chiếm ưu thế, sắt trắng có thể mang lại tuổi thọ dài hơn.

So sánh vật liệu đúc bằng thép mangan cao cho máy nghiền hàm và máy nghiền tác động

Các cân nhắc về kiểm soát chất lượng và mua sắm đối với vật đúc thép có hàm lượng Mangan cao

Hiệu suất của Thép đúc có hàm lượng Mangan cao trong các ứng dụng máy nghiền phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của quá trình đúc và xử lý nhiệt, khiến việc lựa chọn nhà cung cấp và kiểm tra đầu vào trở nên cực kỳ quan trọng. Các tiêu chí chất lượng sau đây phải được chỉ định và xác minh cho tất cả các loại Thép đúc có hàm lượng Mangan cao được sử dụng trong các ứng dụng máy nghiền hàm và máy nghiền tác động:

1. Xác minh thành phần hóa học. Phân tích quang phổ phải xác nhận rằng hàm lượng mangan nằm trong phạm vi quy định (11 đến 14 phần trăm đối với Mn13, 16 đến 19 phần trăm đối với Mn18) và cacbon, silicon, phốt pho và lưu huỳnh nằm trong thông số kỹ thuật của cấp. Phốt pho quá mức trên 0,07 phần trăm và lưu huỳnh trên 0,05 phần trăm làm giòn thép và phải được kiểm soát.
2. Xác minh xử lý nhiệt bằng thử nghiệm độ cứng. Khi độ cứng được làm nguội phải nằm trong khoảng từ 170 đến 220 Brinell. Các giá trị cao hơn nhiều so với phạm vi này cho thấy việc xử lý dung dịch chưa hoàn chỉnh (cacbua dư) hoặc sai sót trong thành phần hợp kim. Giá trị dưới 160 Brinell có thể cho thấy nhiệt độ dung dịch quá cao, khiến hạt phát triển làm giảm độ dai.
3. Độ chính xác kích thước và bề mặt hoàn thiện. Kích thước vật đúc phải được kiểm tra theo bản vẽ của nhà sản xuất với dung sai thích hợp. Các tấm hàm và thanh thổi phải vừa khít với hệ thống lắp đặt tương ứng của chúng một cách chính xác để đảm bảo phân bổ tải trọng đồng đều và ngăn ngừa hư hỏng sớm do tập trung ứng suất tại các điểm lắp đặt.
4. Không có khuyết tật đúc có hại. Độ xốp co ngót, vết nứt và tạp chất đáng kể trên bề mặt mài mòn hoặc vùng lắp là nguyên nhân bị loại bỏ. Các vết nứt bề mặt có thể được phát hiện bằng cách kiểm tra hạt từ tính hoặc thử nghiệm chất thẩm thấu thuốc nhuộm; các khuyết tật bên trong đòi hỏi phải kiểm tra bằng siêu âm hoặc kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ trong các ứng dụng quan trọng.

Thép đúc mangan cao dành cho máy nghiền hàm và máy nghiền tác động đại diện cho một giải pháp vật liệu mài mòn đã được thiết lập tốt và được kiểm chứng về mặt kỹ thuật, đã phục vụ các ngành công nghiệp khai thác đá, khai thác mỏ và sản xuất tổng hợp trong hơn một thế kỷ. Cơ chế tự làm cứng độc đáo của vật liệu trong các điều kiện va đập, kết hợp với độ bền chống gãy của nó, khiến cho việc cải thiện các điều kiện tải cụ thể của các loại máy nghiền này thực sự khó khăn. Chìa khóa để nhận ra tiềm năng hiệu suất đầy đủ của nó nằm ở việc lựa chọn loại hợp kim chính xác cho loại đá cụ thể và nhiệm vụ của máy nghiền, tuân thủ các yêu cầu xử lý nhiệt trong dung dịch và kiểm tra chất lượng đầu vào nghiêm ngặt để xác minh cả thành phần và mức độ phù hợp của xử lý nhiệt trước khi vật đúc được đưa vào sử dụng.