EP0620065A1 - Procédé de fabrication de pièces d'usure composites et pièces réalisées par ce procédé - Google Patents

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EP0620065A1
EP0620065A1 EP94200689A EP94200689A EP0620065A1 EP 0620065 A1 EP0620065 A1 EP 0620065A1 EP 94200689 A EP94200689 A EP 94200689A EP 94200689 A EP94200689 A EP 94200689A EP 0620065 A1 EP0620065 A1 EP 0620065A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inserts
support
wear
mold
cores
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP94200689A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Norbert Guerard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Magotteaux International SA
Original Assignee
Magotteaux International SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Magotteaux International SA filed Critical Magotteaux International SA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02CCRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C4/00Crushing or disintegrating by roller mills
    • B02C4/28Details
    • B02C4/30Shape or construction of rollers
    • B02C4/305Wear resistant rollers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02CCRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C15/00Disintegrating by milling members in the form of rollers or balls co-operating with rings or discs
    • B02C15/004Shape or construction of rollers or balls
    • B02C15/005Rollers or balls of composite construction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/06Casting in, on, or around objects which form part of the product for manufacturing or repairing tools
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/08Casting in, on, or around objects which form part of the product for building-up linings or coverings, e.g. of anti-frictional metal

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a composite wear part, in particular a wear part for vertical or cylindrical grinders comprising inserts and a body according to which said body is cast around the inserts arranged in a mold. .
  • the invention also relates to wearing parts produced by the implementation of this method.
  • European patent application EP-0 476 496 describes a method in which longitudinal inserts, comprising at least one projecting radial rib, are arranged against each other on the circumference of a mold with axial symmetry. This way of operating ensures that the inserts are not displaced by the casting of the second metal.
  • this method can only be used for relatively large inserts in a mold with axial symmetry and a high insertion rate since the inserts must be in mutual contact.
  • the aim of the present invention is to propose a method for manufacturing composite wearing parts which makes it possible to maintain the inserts in their position during the casting of the second metal, without the inserts having to be in direct contact with the neighboring inserts.
  • the present invention provides a method of manufacturing a composite wearing part comprising inserts and a body in which the body is poured around the inserts in a mold and which is characterized in that said inserts are fixed on a temporary destructible support and that this support is used as the delimitation surface of the mold.
  • the support is a cylindrical envelope.
  • the inserts can be fixed to this support by mechanical means, such as screws, rivets or circlips, by adhesive means, such as high temperature ceramic glues, or by welding.
  • the support can be perforated at the places where the inserts will be placed.
  • the support for example made of sheet metal, can be coated with a refractory to allow it, during casting, to withstand the temperature of the cast metal at least until the inserts are caught in it.
  • the support can be removed, for example by machining, abrasion, fusion, etc., if the operating conditions of the part require it.
  • the support advantageously has a first surface which, in the mold, at least partially delimits the wear surface, and the inserts are fixed directly to this first mold surface.
  • the support consists of cores of parallelipiped shape with a length corresponding to the width of the wearing part. These cores are made of foundry sand hardened with a binder. Several inserts are fixed to each core by partial immersion before hardening of the sand.
  • insert-holder cores are then erected on edge and juxtaposed to form a peripheral belt in the mold.
  • the inserts are asymmetrically aligned on their cores, which allows, by erecting them alternately in one direction and in the other, to automatically realize the staggered configuration of the network of inserts.
  • the inserts can advantageously be subjected to a homogenization heat treatment and / or coated with a refractory before being fixed to the support.
  • the inserts can be of varied shape, for example: cylindrical, frustoconical, polygonal or can have the shape of a truncated pyramid. They may also include at least one re-entrant radial groove and / or at least one projecting radial rib so as to be well anchored in the body of the part by their particular geometric shape.
  • the inserts are advantageously made of a metal alloy having a high resistance to wear, for example, of chromium cast iron containing complex carbides of chromium (Cr), niobium (Nb), vanadium (V) and / or molybdenum (Mo).
  • the inserts can also be made of molten tungsten carbides and infiltrated by brazing based on nickel (Ni) or copper (Cu).
  • the body of the part for its part, is advantageously made of a metal alloy combining good mechanical properties with an average resistance to wear.
  • the average temperature of the inserts being lower than the average temperature of the material forming the body of the part during its solidification, the material forming the body contracts more than the inserts during cooling after casting of the body of the part. Of this way, the inserts are held in position by the contraction forces exerted by the body.
  • the mass ratio of the inserts / total mass of the part is advantageously between 5 and 40%.
  • the part may have a bore which may be either cylindrical or conical.
  • the face for laying on the bore can be flat so as to allow easier machining of the part and, in this case obviously, the shaft on which the segments will be mounted is polygonal.
  • the distribution of the inserts is regular and forms a network of which the mesh is a centered hexagon made up of equilateral elementary triangles.
  • the arrangement and the distance between the inserts can be chosen so that the structure formed by the ductile metal gives the assembly a high resistance to mechanical stresses.
  • Other distributions of the inserts are also possible, such as for example in the form of a network whose mesh is a square or a centered square. Tests have shown that, for hoops for mills, the diameter of the inserts is advantageously between 10 and 100 mm and that the optimal spacing between the inserts is between 2 and 40 mm.
  • the resistance to wear, the diameter of the inserts, the distribution of the inserts and the density of the inserts can be adapted to the local intensity of the abrasion to avoid irregular wear along the generator and thus eliminate costly operations of periodic adjustments or loss of grinding efficiency.
  • the arrangement of the inserts in the shredder frets is determined so that the different hardness of the metals promotes the appearance of a macro-roughness which reduces slippage between the material to be ground and the grinding surface to increase the throughput and reduce wear on the parts.
  • Such mills are, for example, used to grind ores, coal or clinker. They essentially consist of two juxtaposed cylindrical rollers 21, 22 which rotate in opposite directions. The material to be ground 23 is introduced through a feed channel (not shown). It is gripped between the two cylinders 21, 22 and ground under high pressure. The ground material 24 then falls on a conveyor belt which discharges it to a storage place for example.
  • the composite wear parts can also advantageously be used in a vertical roller mill as shown diagrammatically in FIG. 2.
  • Such shredders essentially consist of a rotary track 30 on which grinding rollers 32 move. material to be ground is introduced through a central feed channel 34 and falls on track 30 where it is crushed and ground between this track and the rollers 32. The ground material is captured, at the periphery of track 30, by a current ascending hot air and separated at the same time under the effect of gravity and a separator 36 according to the particle size.
  • the rollers 32 must have a frustoconical shape as shown in Figure 2 and be slightly inclined.
  • the grinding rollers are, in general, constituted by a frustoconical or cylindrical annular hoop, mounted on a hub. On the one hand, they must have sufficient resistance to wear caused by grinding and, at the same time, be able to be machined to be mounted on the hub.
  • the known hoops are generally cast in Ni-hard cast iron or in chromium cast iron and then machined with great precision before being mounted on the hub.
  • the wear of such a hoop is uniform over the circumference of the hoop.
  • wear is generally variable, along the same generator, the ends, especially the peripheral ends, wear out less quickly than the central part.
  • there is a gradual polishing of the work surface with the consequence of an increased risk of slippage between the hoop and the material to be ground.
  • the profile of the working surfaces changes and the backlash adjustment system no longer makes it possible to restore optimal grinding conditions.
  • the sliding between the material to be ground and the surface of the hoop accelerates wear and reduces the flow rate, especially if the material to be ground is wet.
  • FIGS. 3, 4 and 5 Examples of different modes of distribution of the inserts on a hoop or a grinding cylinder are represented in FIGS. 3, 4 and 5.
  • FIG. 3 we see a unitary mesh in the form of a centered hexagon whose elements are actually equilateral triangles.
  • the unit cells shown in Figures 4 and 5 have the shape of a centered square, respectively a square. It will be noted that, due to the fixing of the inserts, the difference between the latter can be significant, which makes it possible to give the assembly a high resistance to mechanical stresses. In any case, the configuration according to Figure 3 allows the achievement of the highest insertion rate.
  • Figures 6A, 7A and 8A show different forms of inserts.
  • the geometric shape of the inserts is important for the life of the hoop and for its mechanical stability.
  • the inserts shown comprise, in the three illustrated cases, two re-entrant peripheral radial grooves 16 which improve the anchoring of the inserts in the body of the part.
  • Figures 6B, 7B and 8B show three preferred cross-sectional shapes of the inserts: circular, square or hexagonal respectively.
  • the shape of the base surface of the inserts is important because it determines, with the diameter of the inserts and their spacing, the percentage of the wear surface formed by the material of the inserts, respectively by the material of the hoop body. ie the insertion rate.
  • Figure 9 shows an example of a particular distribution on the working surface of a hoop. Larger diameter 6 '' inserts are placed in the middle of the work surface while smaller diameter 6 'inserts are located at the peripheral ends.
  • This particular distribution of the inserts is advantageous because the wear of a hoop is, in general, not regular. Indeed, the wear of a hoop is circumferentially uniform. On the other hand, wear is generally variable the along the same generator. Indeed, the peripheral ends wear less quickly than the central part. It follows that the profile of the working surfaces changes and that ultimately, the backlash system no longer allows to work in optimal conditions. The frets must then be dismantled and rectified.
  • a grinding track such as that shown at 30 in FIG. 2 can also be produced with inserts.
  • Figures 10 and 11 illustrate a first embodiment of a method of casting a hoop 2 of a grinding roller consisting of a body 14 of annular cylindrical shape in a relatively ductile material in which are embedded the periphery of the inserts 6 according to FIG. 6A in an alloy with high wear resistance.
  • the inserts 6 are first fixed to the inner wall of a cylindrical support 4, for example made of sheet metal. In the example shown, this fixing is carried out using screws 8.
  • This support 4 is then placed with its lining of inserts 6 in a mold which is delimited internally by a cylindrical part to form a central cylindrical bore 12 defining the inner surface 10 of the hoop 2.
  • the metal can thus fill the entire volume 14 delimited internally by the mold and externally by the support 4.
  • the material forming the body contracts more during cooling. In this way, the inserts 6 are also maintained by the pressure stresses exerted by the material forming the body of the hoop 2 on the inserts 6.
  • the part shown in broken lines in FIG. 10 is obtained in which the support 4 remains attached to the inserts 6. Since casting does not allow smooth and finished surfaces to be produced, the part is preferably subjected to machining on a lathe until the hoop 2 shown in solid lines is obtained. This machining eliminates at the same time the temporary support 4.
  • Figures 12 to 16 illustrate a second embodiment of the method according to the present invention. Although suitable for the different configurations of Figures 3 to 5, this embodiment is particularly suitable for the staggered configuration according to Figure 3.
  • provisional assemblies are first produced by bringing together several inserts 6 using the cores 40 to form combs of the kind shown on Figures 12 and 13.
  • These cores 40 which are ingots of parallelipiped shape, are formed in what is called a core box. It is a tank of shape complementary to that of the cores 40, the bottom of which has cavities of shape complementary to that of the inserts 6.
  • the inserts 6 are placed in their respective cavities and the tank is filled with foundry sand and of binder to form the cores 40 which, by hardening thanks to the binder, retain the inserts 6.
  • each core carries three inserts.
  • the particularity of this embodiment is that, with a view to achieving a configuration according to FIG. 3, the three inserts 6 are arranged asymmetrically in their core 40, that is to say that the two outer inserts are located at different distances from the two ends of the nuclei.
  • annular mold For the casting of the cylinders, an annular mold is used which is delimited externally and internally by cylindrical surfaces 42 and 44.
  • the cores 40 are then erected edge: one next to the other along the outer wall taking care to take advantage of the asymmetrical arrangement of the inserts 6 in their cores 40 to place the cores 40 alternately in one direction and in the other so that the inserts 6 after their installation are presented according to the staggered configuration of FIG. 14.
  • the cores 40 can be bonded to each other and to the wall of the mold.
  • the cores 40 have, in section, as shown in FIG. 13, a slightly frustoconical shape so that, as shown in FIG. 15, the cores 40 can be juxtaposed without play and take place by the simple arch effect without the need for glue.
  • the disassembly and unhooking of the peripheral ring constituted by the cores is carried out in order to obtain a rough part from which protrude the parts of the inserts 6 which previously were coated by the pits.
  • These projecting parts are then removed by a usual cutting process such as for example with a disc, a flame, a band saw, etc.
  • the simplest way, however, is a shock break. This rupture can be facilitated and controlled by making in each insert, for example during their casting or by machining, a notch at the desired place of the rupture.
  • the remnants of the inserts thus detached can be reused for example for pouring other inserts.

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Abstract

L'invention vise des pièces de fonderie dont la surface d'usure est pourvue d'un réseau d'inserts (6) en alliage à haute résistance à l'usure entourés chacun d'un alliage plus ductile. Le procédé de fabrication de ces pièces consiste à couler l'alliage plus ductile autour des inserts (6) dans un moule. Pour maintenir les inserts en place durant la coulée, ceux-ci sont fixés sur un support provisoire (4) destructible. Ces pièces sont utilisables notamment dans les broyeurs à cylindres et dans les broyeurs verticaux. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce d'usure composite, en particulier d'une pièce d'usure de broyeurs verticaux ou cylindriques comprenant des inserts et un corps selon lequel on coule ledit corps autour des inserts disposés dans un moule. L'invention concerne également des pièces d'usure réalisées par la mise en oeuvre de ce procédé.
  • De nombreuses pièces d'usure, par exemple dans le domaine des broyeurs, sont soumises à des sollicitations mécaniques élevées dans la masse et à une forte usure par abrasion à leur surface travaillante. Il est dès lors souhaitable que ces pièces présentent une forte résistance à l'abrasion et une certaine ductilité pour pouvoir résister aux sollicitations mécaniques telles que des chocs. De plus, une certaine ductilité est aussi requise si ces pièces doivent éventuellement être usinées. Or, il est bien connu que ces propriétés ne sont pas conciliables. Certes, il est possible de choisir un compromis entre ces deux propriétés opposées, mais ceci doit nécessairement se faire aux dépens de la résistance à l'usure ou de la ductilité.
  • Pour éviter un tel compromis, il est connu de réaliser des pièces bimétalliques dont la partie exposée à l'abrasion, constituée de fonte ou chrome à forte résistance à l'abrasion, est supportée par un noyau en acier plus ductile. Ceci permet de réduire l'usure de la pièce, tout en diminuant les risques de casse du noyau.
  • On connaît plusieurs procédés de fabrication de telles pièces composites ou bimétalliques.
  • Ainsi, il est connu de réaliser des pièces d'usure bimétalliques par assemblage soudé. Si, en théorie, l'assemblage soudé ne présente pas de limites au niveau de la morphologie des composantes à assembler, en pratique, de telles limites existent et elles dépendent du procédé de soudage utilisé. De plus, tous les procédés de soudage appliqués à des matériaux fragiles exigent une maîtrise parfaite de leur cycle d'échauffement et de refroidissement ainsi qu'un positionnement très précis des surfaces à assembler. Il en résulte que l'assemblage soudé est une technique difficile à mettre en oeuvre, onéreuse et peu polyvalente.
  • Du brevet américain US-2,155,215, il est connu de fabriquer des pièces d'usure bimétalliques en coulant le support de la pièce autour d'inserts disposés dans le moule. La masse des inserts doit être calculée de manière à ce que ces derniers soient réchauffés au-dessus de leur température critique par le métal coulé. Les inserts sont maintenus à l'intérieur de leur logement dans la pièce du fait de la contraction thermique supérieure du métal formant le corps de la pièce. Cependant, lors de la coulée du métal formant le corps de la pièce, on risque de déplacer les inserts dans le moule. Ceci est particulièrement le cas lorsque les inserts sont de petite taille et/ou ont une base relativement petite par rapport à leur hauteur et/ou ont une forme ronde.
  • La demande de brevet européen EP-0 476 496 décrit un procédé dans lequel des inserts longitudinaux, comportant au moins une nervure radiale saillante, sont disposés les uns contre les autres sur la circonférence d'un moule à symétrie axiale. Cette manière d'opérer garantit que les inserts ne sont pas déplacés par la coulée du deuxième métal. Cependant, ce procédé ne peut être utilisé que pour des inserts relativement volumineux dans un moule à symétrie axiale et à taux d'insertion élevé puisque les inserts doivent être en contact mutuel.
  • Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de pièces d'usure composites permettant de maintenir les inserts dans leur position lors de la coulée du deuxième métal, sans que les inserts doivent être en contact direct avec les inserts voisins.
  • Pour atteindre cet objectif, la présente invention propose un procédé de fabrication d'une pièce d'usure composite comprenant des inserts et un corps selon lequel on coule le corps autour des inserts dans un moule et qui est caractérisé en ce que lesdits inserts sont fixés sur un support provisoire destructible et que l'on utilise ce support comme surface de délimitation du moule.
  • Selon un premier mode d'exécution de la présente invention, le support est une enveloppe cylindrique.
  • Les inserts peuvent être fixés sur ce support par des moyens mécaniques, tels que des vis, des rivets ou des circlips, par des moyens adhésifs, tels que des colles céramiques à haute température, ou par soudure.
  • Afin de faciliter le positionnement et la fixation, le support peut être perforé aux endroits où seront placés les inserts.
  • Le support, par exemple en tôle, peut être enduit d'un réfractaire pour lui permettre, lors de la coulée, de résister à la température du métal coulé au moins jusqu'à ce que les inserts soient pris dans celui-ci.
  • Après la solidification du métal coulé, le support peut être éliminé, par exemple par usinage, abrasion, fusion, etc., si les conditions de fonctionnement de la pièce l'exigent.
  • Si la pièce d'usure présente une surface d'usure composite, le support présente avantageusement une première surface qui, dans le moule, délimite au moins partiellement la surface d'usure, et les inserts sont fixés directement sur cette première surface du moule.
  • Selon un second mode d'exécution de la présente invention, le support est constitué de noyaux de forme parallèlipipédique d'une longueur correspondant à la largeur de la pièce d'usure. Ces noyaux sont constitués de sable de fonderie durci à l'aide d'un liant. Plusieurs inserts sont fixés à chaque noyau par immersion partielle avant durcissement du sable.
  • Ces noyaux porte-inserts sont ensuite dressés de chant et juxtaposés pour former une ceinture périphérique dans le moule.
  • Selon un mode d'exécution avantageux, les inserts sont alignés asymétriquement sur leurs noyaux, ce qui permet, en les dressant alternativement dans un sens et dans l'autre, de réaliser automatiquement la configuration en quinconce du réseau d'inserts.
  • Les inserts peuvent avantageusement être soumis à un traitement thermique d'homogénéisation et/ou enduits d'un réfractaire avant d'être fixés sur le support.
  • Les inserts peuvent être de forme variée, par exemple : cylindrique, tronconique, polygonale ou peuvent avoir la forme d'un tronc de pyramide. Ils peuvent également comporter au moins une gorge radiale rentrante et/ou au moins une nervure radiale saillante pour être bien ancrés dans le corps de la pièce par leur forme géométrique particulière.
  • Les inserts sont avantageusement exécutés dans un alliage métallique ayant une haute résistance à l'usure, par exemple, en fonte au chrome contenant des carbures complexes au chrome (Cr), au niobium (Nb), au vanadium (V) et/ou au molybdène (Mo). Les inserts peuvent aussi être constitués en carbures de tungstène fondus et infiltrés par une brasure à base de nickel (Ni) ou de cuivre (Cu).
  • Le corps de la pièce, quant à lui, est avantageusement constitué en alliage métallique alliant de bonnes propriétés mécaniques à une résistance moyenne à l'usure.
  • La température moyenne des inserts étant inférieure à la température moyenne du matériau formant le corps de la pièce lors de la solidification de celui-ci, le matériau formant le corps se contracte plus que les inserts lors du refroidissement après coulée du corps de la pièce. De cette manière, les inserts sont maintenus en position par les forces de contraction exercées par le corps.
  • Le rapport masse des inserts/masse totale de la pièce se situe avantageusement entre 5 et 40 %.
  • La pièce peut présenter un alésage qui peut être, soit cylindrique, soit conique. Dans les cas où le revêtement d'usure est réalisé par segments rapportés, la face de pose sur l'alésage peut être plane de sorte à permettre un usinage plus aisé de la pièce et, dans ce cas évidemment, l'arbre sur lequel les segments seront montés est polygonal.
  • Selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention, la distribution des inserts est régulière et forme un réseau dont la maille est un hexagone centré constitué de triangles élémentaires équilatéraux. La disposition et l'écart entre les inserts peuvent être choisis de sorte que la structure formée par le métal ductile confère à l'ensemble une résistance élevée aux sollicitations mécaniques. D'autres répartitions des inserts sont également possibles, comme par exemple sous forme d'un réseau dont la maille est un carré ou un carré centré. Des essais ont montré que, pour des frettes pour broyeurs, le diamètre des inserts se situe avantageusement entre 10 et 100 mm et que l'écartement optimal entre les inserts se situe entre 2 et 40 mm.
  • La résistance à l'usure, le diamètre des inserts, la distribution des inserts et la densité des inserts peuvent être adaptés à l'intensité locale de l'abrasion pour éviter une usure irrégulière le long de la génératrice et supprimer ainsi de coûteuses opérations de rectifications périodiques ou une perte d'efficacité de broyage. Selon encore un autre mode de réalisation, la disposition des inserts dans les frettes de broyeurs est déterminée de manière que la dureté différente des métaux favorise l'apparition d'une macro-rugosité qui réduit le glissement entre la matière à broyer et la surface de broyage afin d'augmenter le débit et de réduire l'usure des pièces.
  • Il est évident que le procédé décrit dans cette demande peut aussi être utilisé pour d'autres types de pièces composites dont le corps de la pièce est coulé comme par exemple des pistes de broyeurs verticaux.
  • D'autres particularités et caractéristiques ressortiront de la description de quelques modes de réalisation avantageux, présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en référence aux dessins dans lesquels :
    • la Figure 1 représente schématiquement un broyeur cylindrique ;
    • la Figure 2 montre schématiquement un broyeur vertical ;
    • la Figure 3 montre une distribution des inserts dont la maille est un hexagone centré ;
    • la Figure 4 représente une distribution des inserts dont la maille est un carré centré ;
    • la Figure 5 illustre une distribution des inserts dont la maille est un carré ;
    • la Figure 6A montre un insert cylindrique ;
    • la Figure 6B représente une coupe selon la ligne IX-IX' de la Figure 6A ;
    • la Figure 7A représente un insert à base carrée ;
    • la Figure 7B montre une coupe selon la ligne X-X' de la Figure 7A ;
    • la Figure 8A représente un insert à base hexagonale ;
    • la Figure 8B montre une coupe selon la ligne XI-XI' de la Figure 8A ;
    • la Figure 9 montre un exemple de distribution des inserts sur le pourtour d'une frette ;
    • la Figure 10 représente une coupe radiale à travers une moitié d'un moule dans lequel sont placés des inserts selon un premier mode d'exécution de l'invention ;
    • la Figure 11 illustre en coupe axiale une frette de broyage dans son moule selon la Figure 10 ;
    • les Figures 12 et 13 montrent des vues latérale et axiale d'un deuxième mode d'exécution d'un support provisoire des inserts ;
    • la Figure 14 montre la disposition des supports dans le moule pour l'obtention d'une configuration régulière en quinconce des inserts ;
    • les Figures 15 et 16 montrent respectivement des vues en coupe radiale et axiale d'un moule pour la coulée d'un broyeur cylindrique selon le deuxième mode d'exécution.
  • Une première application avantageuse pour la mise en oeuvre de pièces composites sera maintenant décrite en référence à un broyeur cylindrique tel que représenté schématiquement sur le Figure 1. De tels broyeurs sont, par exemple, utilisés pour broyer des minerais, du charbon ou du clinker. Ils sont essentiellement constituées de deux rouleaux cylindriques juxtaposés 21, 22 qui tournent en sens opposé. La matière à broyer 23 est introduite par un canal d'alimentation (non représenté). Elle est saisie entre les deux cylindres 21, 22 et broyée sous pression élevée. La matière broyée 24 tombe ensuite sur une bande de transport qui l'évacue vers un endroit de stockage par exemple.
  • Les pièces d'usure composites peuvent aussi être avantageusement mises en oeuvre dans un broyeur vertical à galets tel que représenté schématiquement sur le Figure 2. De tels broyeurs sont essentiellement constitués d'une piste rotative 30 sur laquelle évoluent des galets de broyage 32. La matière à broyer est introduite par un canal d'alimentation central 34 et tombe sur la piste 30 où elle est écrasée et broyée entre cette piste et les galets 32. La matière broyée est saisie, à la périphérie de la piste 30, par un courant ascendant d'air chaud et séparée en même temps sous l'effet de la gravité et d'un séparateur 36 suivant la granulométrie. Pour éviter des frictions entre les galets 32 et la piste 30, les galets 32 doivent avoir une forme tronconique comme représentée sur la Figure 2 et être légèrement inclinés.
  • Les galets de broyage sont, en général, constitués par une frette annulaire tronconique ou cylindrique, montée sur un moyeu. Ils doivent, d'une part, avoir une résistance suffisante à l'usure occasionnée par le broyage et, en même temps, pouvoir être usinés pour être montés sur le moyeu. Les frettes connues sont en général coulées en fonte Ni-hard ou en fonte au chrome et ensuite usinées avec une grande précision avant d'être montées sur le moyeu.
  • En service, l'usure d'une telle frette est uniforme sur la circonférence de la frette. En revanche, l'usure est généralement variable, le long d'une même génératrice, les extrémités, surtout les extrémités périphériques s'usant moins vite que la partie centrale. En plus, il se produit un polissage progressif de la surface de travail, avec comme conséquence un risque accru de patinage entre la frette et la matière à broyer. Il en résulte que le profil des surfaces travaillantes se modifie et le système de rattrapage des jeux ne permet plus de restaurer des conditions optimales de broyage. En outre, la surface extérieure se polissant, le glissement entre la matière à broyer et la surface de la frette accélère l'usure et réduit le débit, surtout si la matière à broyer est humide.
  • Pour améliorer le rendement et allonger la durée de vie des broyeurs verticaux et des frettes des galets de broyeurs, on utilisera des pièces d'usure composites à inserts qui seront décrits plus en détails par la suite.
  • Des exemples de différents modes de distribution des inserts sur une frette ou un cylindre de broyage sont représentés sur les Figures 3, 4 et 5. Ainsi, sur la Figure 3, on voit une maille unitaire en forme d'hexagone centré dont les éléments sont en fait des triangles équilatéraux. Les mailles unitaires représentées sur les Figures 4 et 5 ont la forme d'un carré centré, respectivement d'un carré. Il sera noté que, du fait de la fixation des inserts, l'écart entre ces derniers peut être important, ce qui permet de conférer à l'ensemble une résistance élevée aux sollicitations mécaniques. En tout état de cause, la configuration selon la Figure 3 permet la réalisation du taux d'insertion le plus élevé.
  • Les Figures 6A, 7A et 8A représentent différentes formes d'inserts. La forme géométrique des inserts est importante pour la durée de vie de la frette et pour sa stabilité mécanique. Les inserts représentés comportent, dans les trois cas illustrés, deux gorges radiales périphériques rentrantes 16 qui améliorent l'ancrage des inserts dans le corps de la pièce.
  • Les Figures 6B, 7B et 8B représentent trois formes de section préférées des inserts : circulaire, carrée ou hexagonale respectivement. La forme de la surface de base des inserts est importante car elle détermine, avec le diamètre des inserts et leur espacement, le pourcentage de la surface d'usure formé par le matériau des inserts, respectivement par le matériau du corps de frette c'est-à-dire le taux d'insertion.
  • Par le travail de la frette, une usure préférentielle de l'alliage ductile est provoqué et des rainures entre les inserts se forment. Ces rainures agrippent la matière à broyer et augmentent le rendement de la frette. Le diamètre, la forme et l'espacement des inserts est choisi en fonction des caractéristiques de frottement du matériau employé, de sa granulométrie et de son angularité.
  • La Figure 9 montre un exemple d'une distribution particulière sur la surface de travail d'une frette. Des inserts 6'' d'un diamètre plus grand sont placés au milieu de la surface de travail tandis, que des inserts 6' d'un diamètre plus faible se situent aux extrémités périphériques. Cette distribution particulière des inserts est avantageuse car l'usure d'une frette n'est, en général, pas régulière. En effet, l'usure d'une frette est circonférentiellement uniforme. En revanche, l'usure est généralement variable le long d'une même génératrice. En effet, les extrémités périphériques s'usent moins vite que la partie centrale. Il en résulte que le profil des surfaces travaillantes se modifie et que finalement, le système de rattrapage des jeux ne permet plus de travailler dans des conditions optimales. Les frettes doivent alors être démontées et rectifiées.
  • Le choix judicieux de la forme, des dimensions, de la dureté et de la distribution des inserts permet d'obtenir une usure totale (en gr/T de matière broyée) minimale, de générer une surface d'usure ayant un profil favorable au processus de broyage et de réduire la fréquence des interventions pour rectifier la génératrice.
  • Les applications décrites ci-dessus c'est-à-dire les broyeurs cylindriques et les frettes de galets de broyage ne sont que des exemples d'application. Une piste de broyage telle que celle représentée en 30 sur la Figure 2 peut également être réalisée avec des inserts.
  • On va maintenant décrire en référence aux Figures suivantes différents modes d'exécution du procédé proposé par la présente invention pour la coulée des pièces décrites ci-dessus.
  • Les Figures 10 et 11 illustrent un premier mode d'exécution d'un procédé de coulée d'une frette 2 d'un galet de broyage constitué d'un corps 14 de forme cylindrique annulaire en un matériau relativement ductile dans lequel sont noyés sur tout le pourtour des inserts 6 selon la Figure 6A en alliage à haute résistance à l'usure. Les inserts 6 sont d'abord fixés sur la paroi intérieure d'un support cylindrique 4 par exemple en tôle. Dans l'exemple représenté, cette fixation est réalisée à l'aide de vis 8. Ce support 4 est ensuite placé avec sa garniture d'inserts 6 dans un moule qui est délimité intérieurement par une partie cylindrique pour former un alésage cylindrique central 12 définissant la surface intérieure 10 de la frette 2. Lors de la coulée, le métal peut ainsi remplir tout le volume 14 délimité intérieurement par le moule et extérieurement par le support 4.
  • Etant donné que la température moyenne des inserts 6 est inférieure à la température moyenne du matériau formant le corps 14 de la frette 2 lors de la solidification de celle-ci, le matériau formant le corps se contracte davantage lors du refroidissement. De cette manière, les inserts 6 sont également maintenus par les contraintes de pression qu'exerce le matériau formant le corps de la frette 2 sur les inserts 6.
  • Après décochage, on obtient la pièce représentée en traits interrompus sur la Figure 10 dans laquelle le support 4 reste accroché aux inserts 6. Etant donné qu'une coulée ne permet pas la réalisation des surfaces lisses et terminées, la pièce est, de préférence, soumise à un usinage sur tour jusqu'à l'obtention de la frette 2 représentée en traits pleins. Cet usinage élimine en même temps le support provisoire 4.
  • Les Figures 12 à 16 illustrent un second mode d'exécution du procédé selon la présente invention. Quoique convenant pour les différentes configurations des Figures 3 à 5, ce mode de réalisation s'adapte particulièrement bien à la configuration en quinconce selon la Figure 3.
  • En vue de la fabrication par exemple d'un cylindre de broyage par la mise en oeuvre de ce procédé, on réalise d'abord des assemblages provisoires en réunissant plusieurs inserts 6 à l'aide des noyaux 40 pour former des peignes du genre représenté sur les Figures 12 et 13. Ces noyaux 40 qui sont des lingots de forme parallèlipipédique, sont formés dans ce que l'on appelle une boite à noyaux. Il s'agit d'une cuve de forme complémentaire à celle des noyaux 40 dont le fond comporte des cavités de forme complémentaire à celle des inserts 6. On place les inserts 6 dans leurs cavités respectives et on remplit la cuve de sable de fonderie et de liant pour former les noyaux 40 qui en se durcissant grâce au liant retiennent les inserts 6. Le nombre d'inserts par noyau est variable suivant le taux d'insertion du cylindre tandis que la longueur d'un noyau 40 correspond généralement à la longueur axiale d'un cylindre. Dans l'exemple représenté, chaque noyau porte trois inserts. La particularité de ce mode d'exécution est que, en vue de la réalisation de configuration suivant la Figure 3, les trois inserts 6 sont disposés de façon asymétrique dans leur noyau 40 c'est-à-dire que les deux inserts extérieurs se trouvent à des distances différentes des deux extrémités des noyaux.
  • Pour la coulée des cylindre, on utilise un moule annulaire délimité extérieurement et intérieurement par des surfaces cylindriques 42 et 44. On dresse ensuite les noyaux 40 de chant : l'un à côté de l'autre le long de la paroi extérieure en ayant soin de profiter de la disposition asymétrique des inserts 6 dans leurs noyaux 40 pour placer les noyaux 40 alternativement dans un sens et dans l'autre afin que les inserts 6 après leur mise en place se présentent selon la configuration en quinconce de la Figure 14.
  • Pour assurer le maintien des inserts 6 pendant la coulée, les noyaux 40 peuvent être collés les uns aux autres et à la paroi du moule. Selon un mode de réalisation avantageux, les noyaux 40 présentent, en section, comme représenté sur la Figure 13 une forme légèrement tronconique si bien que, comme le montre la Figure 15, les noyaux 40 peuvent être juxtaposés sans jeux et tenir la place par le simple effet de voûte sans nécessité de colle.
  • Après coulée du métal d'enrobage formant le corps 46 du cylindre de broyage et après refroidissement, on procède au démontage et au décochage de l'anneau périphérique constitué par les noyaux pour obtenir une pièce brute de laquelle dépassent les parties des inserts 6 qui auparavant étaient enrobées par les noyaux. Ces parties saillantes sont ensuite enlevées par un procédé habituel de découpe comme par exemple au disque, à la flamme, à la scie à ruban etc. La manière la plus simple est toutefois une rupture par choc. Cette rupture peut être facilitée et contrôlée en pratiquant dans chaque insert, par exemple lors de leur coulée ou par usinage, une entaille à l'endroit voulu de la rupture.
  • Les restes des inserts ainsi détachés peuvent être réutilisés par exemple pour couler d'autres inserts.
  • On obtient ainsi la pièce brute qui pourrait être utilisée telle quelle, mais qui, comme proposé pour le premier mode d'exécution, est, de préférence, soumise à une opération d'usinage sur tour pour parfaire ses surfaces.

Claims (18)

  1. Procédé de fabrication d'une pièce d'usure composite comprenant des inserts (6) et un corps selon lequel on coule ledit corps autour des inserts dans un moule, caractérisé en ce que lesdits inserts sont fixés sur un support provisoire destructible et que l'on utilise ce support comme surface de délimitation du moule.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support est enduit d'une matière réfractaire.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le support est éliminé après solidification du métal coulé.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le support est une enveloppe cylindrique en tôle munie de trous de positionnement pour les inserts.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que le support est constitué de noyaux de forme parallèlipipédique d'une longueur correspondant à la largeur de la pièce d'usure.
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les noyaux sont constitués de sable de fonderie et en ce que chaque noyau porte plusieurs inserts qui sont maintenus en place par durcissement du sable sous l'effet d'un liant.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les noyaux sont dressés de chant et juxtaposés dans un moule annulaire pour former une ceinture périphérique du moule.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les noyaux ont une forme tronconique pour être maintenus en place par effet de voûte.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les inserts sont arrangés de façon asymétrique dans chaque noyau et en ce que les noyaux sont orientés alternativement dans un sens et dans l'autre dans le moule.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que, après décochage, les parties saillantes des inserts sont enlevées par rupture.
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque insert est muni d'une entaille déterminant l'endroit de rupture.
  12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la pièce coulée, est soumise, après refroidissement, à une opération d' usinage sur tour pour parfaire ses surfaces.
  13. Pièce d'usure composite réalisée par la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que sa surface d'usure comporte un réseau d'inserts (6) en alliage à haute résistance à l'usure noyés dans une masse de support en alliage plus ductile, les différents inserts n'étant pas en contact mutuel.
  14. Pièce selon la revendication 13, caractérisée en ce que les inserts (6) ont une forme allongée et sont disposés avec leur axe longitudinal perpendiculairement à la surface.
  15. Pièce selon la revendication 14, caractérisée en ce que les inserts (6) comportent au moins une gorge (16) périphérique et/ou une nervure périphérique saillante.
  16. Pièce selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisée en ce que le réseau d'inserts (6) est arrangé suivant une configuration en quinconce dont la maille élémentaire est un triangle équilatéral.
  17. Pièce d'usure selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisée en ce que les inserts (6) sont en fonte au chrome contenant des carbures complexes au chrome, niobium, vanadium et/ou molybdène.
  18. Pièce d'usure selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisée en ce que les inserts (6) sont constitués de carbures de tungstène fondus infiltrés par une brasure à base de nickel ou de cuivre.
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