EP0777542B1 - Piece de fonderie bimetallique servant de piece d'usure dans les broyeurs verticaux, son procece de fabrication et utilisation dans les broyeurs verticaux - Google Patents

Piece de fonderie bimetallique servant de piece d'usure dans les broyeurs verticaux, son procece de fabrication et utilisation dans les broyeurs verticaux Download PDF

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EP0777542B1
EP0777542B1 EP95928904A EP95928904A EP0777542B1 EP 0777542 B1 EP0777542 B1 EP 0777542B1 EP 95928904 A EP95928904 A EP 95928904A EP 95928904 A EP95928904 A EP 95928904A EP 0777542 B1 EP0777542 B1 EP 0777542B1
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EP
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core
hub
cast iron
ductile
connecting elements
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EP95928904A
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Norbert Guerard
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Magotteaux International SA
Original Assignee
Magotteaux International SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/08—Casting in, on, or around objects which form part of the product for building-up linings or coverings, e.g. of anti-frictional metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/02—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making reinforced articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C15/00—Disintegrating by milling members in the form of rollers or balls co-operating with rings or discs
    • B02C15/004—Shape or construction of rollers or balls
    • B02C15/005—Rollers or balls of composite construction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/06—Casting in, on, or around objects which form part of the product for manufacturing or repairing tools

Definitions

  • the present invention relates to a foundry part bi-metallic serving as a wearing part in grinders, in particularly so-called vertical shredders. It applies also to a method of producing such a part and to its use in grinders of this type.
  • Vertical shredders have rollers turning on a grinding track with vertical axis
  • the grinding rollers are mounted on a central hub and are provided at their periphery with wearing parts which can be in the form of segments or which can be also made in one piece.
  • the wearing part is particularly difficult to be machined after casting because of its specific properties, namely its high hardness, while tolerances less than H9 are required for this machining.
  • Document GB-2 078 575 A describes parts of weldable wear consisting of a weldable steel part provided with protuberances which, after being placed in a mold is subjected to a metallurgical-mechanical bond obtained by casting a cast iron. These parts are described as may be suitable for various uses such as parts machine and tools. We propose to use for the part wear and tear low spheroidal graphitic cast iron wear resistance and low weldability in which a hard metal is incorporated.
  • the combined metallurgical-mechanical connection is described as a means of compensating for the tensions resulting from differences in coefficient of expansion between the alloy of base (graphite cast iron) and reinforcement material incorporated in the wear part, thus ensuring a good connection between this wear part and the part weldable and avoiding the propagation of micro-cracks.
  • Document AU-B-44415/89 (617891) describes a core with mechanical connection element in the form inserts, joined together by pouring an envelope in white cast iron constituting a non-ductile wear material. These inserts are welded together however, after cooling of the white cast iron.
  • the invention essentially aims to propose a new design of wear parts for grinders of the type mentioned which provides a series of specific benefits, in particularly better resistance to cracking, absence of deformation of the hub under stresses applied and generally more flexibility in the system for attaching wear parts to the hub. We also aim to achieve significant savings in level of manufacturing price and lifespan of rooms.
  • the invention relates to a bimetallic foundry part according to claim 1.
  • This type of part can be in the form of segments or as a single piece, for their mounting on the hub of the vertical grinder rollers.
  • the ductile iron used is preferably a cast iron from type GS (GGG 40 according to DIN 1693).
  • the step which is generally provided at the foot of the wear part for its connection to the hub can be adapted to the requirements of each manufacturer.
  • the specific shape of the studs is preferably chosen so as to provide simplified form nets rounded.
  • the parts according to the invention also make it possible to facilitate the weighting of the part in chromium cast iron and to obtain better mechanical properties thanks to the cooling effect of the ductile iron part.
  • the bimetallic coins as well thus avoid the need for a bonding solution metallurgical. This avoids the well known drawback a horizontal separation surface between the two metals sunk.
  • the studs can affect the shape of a dovetail.
  • the process for manufacturing such a part is particularly interesting due to the choice of materials implemented which allows the core to be cast first with the studs in a first mold and then, after having applied a refractory coating to prevent bonding metallurgical, to sink the envelope.
  • We finally proceed to a quenching heat treatment taking into account the nature of the components of the room and possibly the intended use, in particular the grinder and materials to be ground, according to the criteria well known to specialists in these materials.
  • a roller 3 is driven relative to axis 1 by turning through a hub 2 shown schematically on an axis 5 which can be slightly inclined (as shown) or horizontal, in view to grind the material fed between the roller and the track grinding 6.
  • the reference 7 represents the material to be ground fed centrally in the crusher. After grinding, the fine particles are extracted from the mill and the most large are returned to grinding track 6 by a air flow schematized by the arrow 9.
  • the roller 3 is rounded on its peripheral part and the track has a shape corresponding.
  • the actual wear part bearing the mark general 11 is formed by a core 13 comprising studs 15 obtained from foundry on which an envelope is poured 17.
  • the essential characteristic of the invention is the fact that the core 13 and connecting elements in the form of studs 15 from casting are formed from a material ductile, namely GS cast iron while the shell 17 is made in non-ductile alloys in particular chrome irons ⁇ 64 Rc hardness used usually as wearing parts.
  • the offset of the envelope 17 with respect to the core 13 can be adapted to the different manufacturers' requirements in a simple way, especially since the peripheral junction line 21 between the envelope 17 and the core 13 is advantageously located in the internal angle of offset, which avoids exposure of this line to the direct action of the material to be ground.
  • the process used to produce the part wear according to the invention is to sink first the core 13 with the studs 15; after applying a refractory coating on the core, place the part in a second mold and the envelope is poured 17. The assembly undergoes then a quenching heat treatment.
  • the casting of Figures 4 and 5 is a block bimetal of 230x275x150mm formed by a part corresponding to core 13 and studs 15 in GS cast iron (GGG40) and by a casing part 11 in chromium cast iron with a hardness greater than or equal to 64 Rc.
  • a refractory coating (not shown) is applied to this part to avoid reflow of studs and the risk of a metallurgical link with the chrome cast iron.
  • the bimetal block was then trimmed and quenched.
  • the tests are carried out in a SCHENK machine from maximum capacity of 2500 kN.
  • the applied signal is sinusoidal.
  • the assembly has been subjected to an oscillating compression load 100kN-2000kN generating maximum contact pressures 3 times greater than those experienced by a roller in service.
  • the assembly tested has not suffered any apparent degradation during 465,000 cycles.

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Description

OBJET DE L'INVENTION
La présente invention concerne une pièce de fonderie bimétallique servant de pièce d'usure dans des broyeurs, en particulier des broyeurs dits verticaux. Elle s'applique également à un procédé de réalisation d'une telle pièce et à son utilisation dans des broyeurs de ce type.
Arrière plan technologique de l'invention
Les broyeurs verticaux comportent des galets tournant sur une piste de broyage à axe vertical Les galets de broyage sont montés sur un moyeu central et sont pourvus à leur périphérie de pièces d'usure qui peuvent se présenter sous forme de segments ou qui peuvent être également constituées sous forme monobloc.
Ces pièces d'usure sont réalisées en fonte présentant une forte résistance à l'abrasion, notamment des fontes à haute teneur en chrome et, par conséquent sont très peu ductiles (leur valeur d'allongement de rupture est pratiquement égale à zéro). Les pièces d'usure sont généralement solidarisées à l'aide de clames au moyeu.A cause précisément de leur absence de ductilité, on peut observer sous les contraintes dues aux diverses sollicitations mécaniques l'apparition notamment de fissures qui se propagent dans les dites pièces. Divers autres inconvénients se manifestent dont, sous l'effet des contraintes, notamment une déformation du moyeu. Cette déformation du moyeu cause de considérables difficultés lors du remplacement des pièces d'usure et il est courant de devoir remplacer à la fois la pièce d'usure et le moyeu.
De plus, la pièce d'usure est particulièrement difficile à usiner après coulée à cause de ses propriétés spécifiques, à savoir sa haute dureté, alors que des tolérances inférieures à H9 sont exigées pour ces usinages.
Dans le document GB-2 078 575 A on décrit des pièces d'usure soudables constituées d'une partie en acier soudable pourvue de protuberances qui, après avoir été placée dans une moule est soumise à une liaison métallurgico-mécanique obtenue en coulant une fonte. Ces pièces sont décrites comme pouvant convenir à divers usages telles que des pièces de machine et des outils. On propose d'utiliser pour la partie d'usure coulée une fonte graphitique sphéroïdale de faible résistance à l'usure et de faible soudabilité dans laquelle un métal dur est incorporé.
La liaison combinée métallurgico-mécanique est décrite comme permettant de compenser les tensions résultant des différences de coefficient de dilatation entre l'alliage de base (fonte graphitique) et la matière de renforcement incorporée dans la partie d'usure, en assurant ainsi une bonne liaison entre cette partie d'usure et la partie soudable et en évitant la propagation des micro-fissures.
Dans le document AU-B-44415/89 (617891), on décrit un noyau pourvu d'élément de liaison mécanique sous forme d'inserts, rendus solidaires par coulée d'une enveloppe en fonte blanche constituant un matériau d'usure non ductile. Ces inserts sont soudés ensemble cependant, après refroissement de la fonte blanche coulée.
La Demanderesse s'est cependant aperçue qu'aucune de ces solutions n'est totalement satisfaisante d'une part parce qu'elle limite l'utilisation de compositions très dures pour la partie d'usure puisqu'il faut assurer cette liaison métallurgico-mécanique et d'autre part parce qu'une telle liaison n'empêche pas suffisamment la propagation des fissures et des micro-fissures. Ce phénomène est particulièrement observé dans le cas de grands broyeurs verticaux décrits ci-dessus.
Buts visés par l'invention
L'invention vise essentiellement à proposer une conception nouvelle des pièces d'usure de broyeurs du type mentionné qui assure une série d'avantages spécifiques, en particulier une meilleure résistance à la fissuration, une absence de déformation du moyeu sous les contraintes appliquées et de manière générale, une plus grande souplesse dans le système de fixation des pièces d'usure au moyeu. On vise également à réaliser d'importantes économies au niveau du prix de fabrication et de la durée de vie des pièces.
D'autres buts et avantages de l'invention apparaítront à la lecture du mémoire descriptif et des revendications.
Eléments caractéristiques de l'invention
L'invention concerne une pièce de fonderie bimétallique selon la revendication 1.
Ce type de pièce peut se présenter sous forme de segments ou sous forme d'un élément monobloc, en vue de leur montage sur le moyeu des galets de broyeurs verticaux.
Dans le cas du montage de segments, ceci peut se réaliser par clamage ou boulonnage sur le moyeu; dans le cas d'éléments monobloc, l'assemblage a lieu par frettage, sans nécessité de souder ces élements sur le moyeu dans aucun des cas.
Dans un cas comme dans l'autre, les risques de fissuration sont fortement réduits même sous des conditions de contraintes importantes puisque la zone de fixation des boulons ou des clames de solidarisation avec le moyeu est située dans la partie du noyau en fonte ductile.
Le fait que la partie de liaison, qui est la plus fortement sollicitée, soit constituée par des goujons venus de coulée dans le noyau en fonte ductile, contribue à la résistance mécanique de l'ensemble.
Les efforts générés par le travail de broyage - au lieu d'être transmis directement de la pièce d'usure sur le moyeu - sont ici repris d'abord par les goujons et ensuite par le noyau en fonte ductile.Ceci a pour conséquence d'une part que des fissurations ou des criques pouvant apparaítre sur la périphérie externe de la pièce d'usure ne se propagent pas dans la masse totale de la pièce d'usure. De plus, les déformations observées dans la technique des pièces d'usure mono-métalliques dures sur un moyeu doux sont ainsi évitées. Finalement, la surface de pose de la pièce d'usure qui doit être usinée pour s'adapter parfaitement au moyeu est constituée dans le cas présent par une fonte ductile ce qui facilite nettement l'usinage.
De manière générale, on observe une économie générale par la réduction du prix d'usinage, l'utilisation d'une pièce moins lourde, l'économie d'éléments d'alliage et une grande souplesse d'utilisation permettant de fixer la pièce d'usure bimétallique aussi bien par clamage que par boulonnage, ou dans le cas d'un élément monobloc, par frettage.
La fonte ductile utilisée est de préférence une fonte du type GS (GGG 40 suivant la norme DIN 1693).
De même on dispose d'une plus grande liberté d'exécution des formes spécifiques non seulement parce qu'elles sont plus faciles à usiner mais également parce que les pièces selon cette conception particulière sont moins sollicitées mécaniquement et que, dans leur conception, il n'y a plus lieu de tenir compte dans la même mesure des efforts importants transmis. Ceci permet donc d'adapter la forme spécifique des pièces d'usure aux différents types de construction de broyeur vertical à galets.
Le décrochement qui est généralement prévu au pied de la pièce d'usure pour son raccordement au moyeu peut être adapté aux exigences de chaque constructeur.
La forme spécifique des goujons est de préférence choisie de manière à prévoir des filets simplifiés de forme arrondie.
Les pièces selon l'invention permettent également de faciliter le masselottage de la partie en fonte au chrome et d'obtenir des meilleures propriétés mécaniques grâce à l'effet refroidisseur de la partie en fonte ductile. Il convient de noter que les pièces bimétalliques ainsi réalisées évitent ainsi, le recours à une solution de liaison métallurgique. Ceci permet d'éviter l'inconvénient bien connu d'une surface de séparation horizontale entre les deux métaux coulés.
De plus, l'absence de liaison métallurgique évite la propagation de la fissuration apparaissant dans la pièce d'usure périphérique dans le noyau.
L'utilisation d'une forme arrondie pour les filets des goujons évite l'amorce de criques et contribue donc à une durée de vie prolongée des pièces.
Selon une forme d'exécution spécifique de l'invention, les goujons peuvent affecter la forme d'une queue d'aronde.
Le procédé pour la fabrication d'une telle pièce est particulièrement intéressant par suite du choix des matériaux mis en oeuvre qui permet de couler d'abord le noyau avec les goujons dans un premier moule et ensuite, après avoir appliqué un enduit réfractaire destiné à empêcher une liaison métallurgique, de couler l'enveloppe. On procède finalement à un traitement thermique de trempe tenant compte de la nature des éléments constitutifs de la pièce et éventuellement de l'usage envisagé, en particulier du broyeur et des matériaux à broyer, selon les critères bien connus des spécialistes de ces matériaux.
L'invention sera décrite plus en détail en référence à une forme d'exécution préférée de celle-ci, au regard des dessins annexés.
D'autres détails et éléments caractéristiques de l'invention apparaítront à la lecture de la description qui suit.
Brève description des dessins
  • La figure 1 représente schématiquement la disposition d'un galet de broyage dans un broyeur à axe vertical.
  • La figure 2 représente à titre d'illustration d'une forme particulière de l'invention, un segment de galet selon l'invention;
  • La figure 3 est une section AB dans la forme d'exécution de la figure 2;
  • Les figures 4 et 5 reprennent un exemple d'une pièce réalisée selon l'invention, la figure 4 étant une coupe suivant CD de la figure 5.
    • En se référant à la figure 1, on a indiqué par le repère 1 l'axe de rotation central du broyeur dit à axe vertical. De manière en soi connue, un galet 3 est entraíné par rapport à l'axe 1 en tournant grâce à un moyeu 2 représenté schématiquement sur un axe 5 qui peut être légèrement incliné (comme représenté) ou horizontal, en vue de broyer la matière alimentée entre le galet et la piste de broyage 6. Le repère 7 représente la matière à broyer alimentée centralement dans le broyeur. Après broyage, les particules fines sont extraites du broyeur et les plus grosses sont renvoyées vers la piste de broyage 6 par un courant d'air schématisé par la flèche 9.
    Ainsi qu'on le notera, le galet 3 est arrondi sur sa partie périphérique et la piste présente une forme correspondante.
    La pièce d'usure à proprement parler portant le repère général 11 est formée par un noyau 13 comportant des goujons 15 obtenus de fonderie sur lesquels est coulée une enveloppe 17.
    La caractéristique essentielle de l'invention est le fait que le noyau 13 et des éléments de liaison sous forme de goujons 15 venus de coulée sont formés en un matériau ductile, à savoir de la fonte GS tandis que l'enveloppe 17 est réalisée dans les alliages non-ductiles en particulier des fontes au chrome de dureté ≥ 64 Rc utilisées habituellement comme pièces d'usure.
    Il convient de noter que le décrochement de l'enveloppe 17 par rapport au noyau 13 peut être adapté aux différentes exigences des constructeurs de manière simple, d'autant que la ligne de jonction périphérique 21 entre l'enveloppe 17 et le noyau 13 se situe avantageusement dans l'angle interne de décrochement, ce qui évite une exposition de cette ligne à l'action directe de la matière à broyer.
    On réalise de cette manière un concept constructif particulièrement simple.
    Pratiquement la moitié de la masse de ce qui constituait antérieurement une pièce d'usure mono-métallique fixée sur un moyeu, est, selon l'invention constituée par le noyau ductile, ce qui entraíne une économie importante d'éléments d'alliage onéreux.
    Il convient de noter que si l'on a décrit une forme d'exécution de la pièce d'usure sous forme de segments, il est également possible de constituer une frette monobloc selon le concept inventif de l'invention.
    Le procédé mis en oeuvre pour la réalisation de la pièce d'usure selon l'invention consiste à couler en premier lieu le noyau 13 avec les goujons 15; après avoir appliqué un enduit refractaire sur le noyau, on place la pièce dans un second moule et on coule l'enveloppe 17. L'ensemble subit ensuite un traitement thermique de trempe.
    Afin d'illustrer l'invention on décrira ci-après un exemple d'exécution d'une pièce selon l'invention et les résultats d'essais de laboratoire obtenus.
    Exemple 1 Essai bimétal à liaison mécanique
    La pièce coulée des figures 4 et 5 est un bloc bimétallique de 230x275x150mm formé par une partie correspondant au noyau 13 et aux goujons 15 en fonte GS (GGG40) et par une partie d'enveloppe 11 en fonte au chrome d'une dureté supérieure ou égale à 64 Rc.
    Après ébarbage, un enduit réfractaire (non représenté) est appliqué sur cette partie pour éviter la refusion des goujons et le risque d'une liaison métallurgique avec la fonte au chrome.
    Après avoir placé ce bloc dans un second moule, la fonte au chrome a été coulée sur celui-ci.
    Le bloc bimétal a ensuite été, ébarbé et trempé.
    On a procédé à des essais de fatigue.
    Les essais sont effectués dans une machine SCHENK de capacité maximale de 2500 kN.
    Le signal appliqué est sinusoidal.
    L'assemblage a subi une charge oscillante de compression 100kN-2000kN générant des pressions maximum de contact 3 fois supérieures à celles subies par un galet en service.
    L'assemblage testé n'a pas subi de dégradation apparente durant 465 000 cycles.

    Claims (9)

    1. Pièce de fonderie bimétallique destinée à des broyeurs verticaux comportant un noyau (13) réalisé en une fonte ductile pourvu d'éléments de liaison mécanique (15), rendus solidaires par coulée d'une enveloppe (17), réalisée en un matériau d'usure non-ductile à haute teneur en chrome, caractérisée en ce que les éléments de liaison (15) sont constitués par des goujons venus de coulée du noyau (13) en fonte ductile.
    2. Pièce selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle se présente sous forme de segments ou sous forme d'un élément monobloc, en vue de leur montage sur le moyeu des galets de broyeurs verticaux.
    3. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisée en ce que la fonte ductile utilisée est une fonte du type GGG40 selon la norme DIN 1693.
    4. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caracterisée en ce que le matériau d'usure non ductile est une fonte au chrome de dureté supérieure ou égale à 64 Rc.
    5. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'on utilise comme éléments de liaison (15) des goujons présentant des filets de forme arrondie.
    6. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un décrochement périphérique et que la ligne de jonction périphérique (21) entre l'enveloppe (17) et le noyau (13) se situe dans l'angle interne de ce décrochement.
    7. Procédé pour la fabrication d'une pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'on coule en premier lieu le noyau (13) avec les éléments de liaison (15), en ce qu'on applique ensuite un enduit réfractaire sur le noyau et éléments de liaison, en ce qu'on place la pièce dans un second moule et coule l'enveloppe (17) et en ce qu'on procède finalement à un traitement thermique de trempe.
    8. Utilisation des pièces selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou obtenues selon le procédé de la revendication 8 caractérisée en ce qu'elle est montée sur le moyeu (2) d'un galet (3) d'un broyeur dit à axe vertical.
    9. Utilisation selon la revendication 8 caracérisée en ce que le montage sur ledit moyeu (2) est réalisé soit par clamage ou boulonnage du noyau (13) sur le moyeu (2) ou encore par frettage du noyau (13) sur le moyeu(2).
    EP95928904A 1994-08-17 1995-08-16 Piece de fonderie bimetallique servant de piece d'usure dans les broyeurs verticaux, son procece de fabrication et utilisation dans les broyeurs verticaux Expired - Lifetime EP0777542B1 (fr)

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    Application Number Priority Date Filing Date Title
    BE9400744 1994-08-17
    BE9400744A BE1008577A6 (fr) 1994-08-17 1994-08-17 Piece de fonderie bimetallique servant de piece d'usure dans les broyeurs verticaux et leur procede de fabrication.
    PCT/BE1995/000074 WO1996005005A1 (fr) 1994-08-17 1995-08-16 Piece de fonderie bimetallique servant de piece d'usure dans les broyeurs verticaux, son procece de fabrication et utilisation dans les broyeurs verticaux

    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP0777542A1 EP0777542A1 (fr) 1997-06-11
    EP0777542B1 true EP0777542B1 (fr) 1998-09-09

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    EP (1) EP0777542B1 (fr)
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    BE (1) BE1008577A6 (fr)
    DE (1) DE69504691T2 (fr)
    DK (1) DK0777542T3 (fr)
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