PL181691B1

PL181691B1 - Sposób wytwarzania elementów mielacych oraz elementy mielace PL PL PL PL

Info

Publication number: PL181691B1
Application number: PL95317125A
Authority: PL
Inventors: Michel Bonnevie
Original assignee: Amic Ind Ltd; Magotteaux Int
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 2001-09-28
Also published as: WO1995028506A1; EP0756645A1; DE69501733T2; JPH09512058A; AU684632B2; AU2250595A; MX9604925A; KR970702382A; JP3923075B2; SK133796A3; BE1008247A6; CA2187165C; CA2187165A1; DE69501733D1; BR9507841A; ES2121371T3; CZ296510B6; PL317125A1; MY113054A; IN191664B

Abstract

1. Sposób wytwarzania elementów mielacych ze stali stopowej, znamienny tym, ze ze stali stopowej, wysoko weglo- wej, o skladzie wyrazonym w procentach wagowych : wegiel od 1,1 do 2,0%, man- gan od 0,5 do 3,5%, chrom od 1,0 do 4,0%, krzem od 0,6 do 1,2% gdzie pozostalosc do 100% stanowi zelazo o zwyklej zawartosci zanieczyszczen, odlewa sie elementy mie- lace o zadanym ksztalcie, które po odlaniu poddaje sie obróbce polegajacej na chlo- dzeniu od temperatury powyzej 900°C do temperatury okolo 500°C z predkoscia chlodzenia od 0,30 do 1,90°C/s, nadajac im ostateczna strukture metalograficzna, glów- nie strukture nierównowagowego perlitu drobnoplytkowego i twardosc pomiedzy 47 Rc i 54 Rc. Fig.1 PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementów mielących ze stali stopowej, do stosowania jako zużywalne elementy ścieralne w urządzeniach mielących i kruszących, a także elementy mielące, zwłaszcza kule mielące ze stali stopowej.

W przemyśle wydobywczym zachodzi potrzeba uwalniania cennych minerałów ze złóż skalnych, w których minerały te występują lub są osadzone, mając na uwadze wzbogacenie złóż, a następnie wydzielenie.

Takie uwalnianie wymaga skruszenia i wysokiego rozdrobnienia minerału.

Biorąc pod uwagę jedynie etap mielenia ocenia się, że roczne światowe zużycie elementów mielących, stanowiących zużywalne elementy ścieralne - wynosi 750.000 do 1.000.000 ton, przy czym elementy te mają postać kul oraz cylpebsów cylindrycznych lub w kształcie stożka ściętego.

Powszechnie stosuje się elementy mielące z następujących materiałów:

1, Niskostopowa stal martenzytyczna (0,7 -1% węgla, składniki stopowe poniżej 1%) formowana przez walcowanie lub kucie, a następnie obróbkę cieplną w celu osiągnięcia powierzchniowej twardości 60 - 65 Rc.

181 691

2. Żeliwo martenzytyczne z chromem (1,7 - 3,5% węgla, 9 - 30% chromu) formowane przez odlewanie i obróbkę cieplną w celu osiągnięcia twardości 60 - 68 Rc w całym przekroju.

3. Niskostopowe, perlityczne żeliwo białe (3 - 4,2% węgla, składniki stopowe poniżej 2%) bez poddawania obróbce, o twardości 45 - 55 Rc, osiągniętej przez odlewanie.

Wszystkie dotychczasowe rozwiązania mają swoje wady i niedogodności:

- w przypadku kutych stali martenzytycznych, wadą są koszty inwestycji związanych z maszynami walcującymi lub kuźniczymi oraz urządzenia do obróbki cieplnej, powodujące wzrost zużycia energii.

- w przypadku stopów żeliwo-chrom, dodatkowe koszty wiążą się ze składnikami stopowymi (głównie chromem) oraz z obróbką cieplną.

- w końcu zaś, w przypadku niskostopowego perlitycznego żeliwa białego koszty wytwarzania są generalnie całkiem niskie, lecz za to jego odporność na ścieranie nie jest tak dobra jak w przypadku innych rozwiązań. Ponadto przemysłowo wytwarzane są elementy mielące o wymiarach poniżej 60 mm.

Podsumowując, w przypadku minerałów, którym towarzyszą skały o wysokich własnościach ściernych (przykładowo w przypadku złota, miedzi i innych) dotychczasowe rozwiązania nie całkowicie zaspokajają, potrzeby użytkowników, ponieważ koszty produktów i materiałów zużywalnych przy obróbce (kule mielące i inne elementy mielące) wyraźnie wpływają na koszty produkcji pożądanych materiałów.

W dokumencie: Patent Abstracts of Japan (Skróty japońskich opisów patentowych) tom 14 nr 77 (C-0688) z dnia 14 lutego 1990 oraz w japońskim opisie patentowym nr JP A 01294 821 (Kawasaki Heavy Ind., Ltd.) z dnia 28 listopada 1989 r. opisano produkcję prętów mielących o wysokiej odporności na ścieranie i obciążenia dynamiczne, o doskonałej trwałości, na drodze poddawania walcowanej stali wysokowęglowo-chromowej hartowaniu wodą w ściśle określonych warunkach oraz odpuszczaniu niskotemperaturowemu. Wyjściową walcowaną stal wysokowęglowo-chromową zawierającą - wagowo 0,5-1,5% węgla, poniżej 0,8% krzemu, poniżej 1,0% manganu i 0,9-1,60% chromu poddaje się hartowaniu wodą w czasie 2-4 minut stosując 220-380 m² wody chłodzącej na jednostkę powierzchni stali walcowanej, a następnie materiał poddaje się odpuszczaniu w niskiej temperaturze. Dzięki temu ogranicza się hartowanie przez szybkie chłodzenie podczas hartowania wodą aby zwiększyć głębokość hartowania na powierzchni i ogranicza się hartowanie w obrębie rdzenia, aby zachować odporność na obciążenia dynamiczne.

W publikacji GB-A-2006824 opisano kute elementy mielące z białego żeliwa zawierającego chrom. Początkowo, materiał jest odlewany w postaci sztaby, a następnie cięty na kawałki, które poddaje się kuciu i chłodzeniu w warunkach odpowiednich do nadania im wyglądu perlitu.

Tak wytworzony produkt poddaje się obróbce cieplnej, prowadzonej w dwóch etapach, z których końcowy ma zapewnić strukturę martenzytyczną lub austenityczną.

W tym sposobie pośrednią strukturę perlityczną nadaje się materiałowi w celu lepszego zhomogenizowania struktury do drugiego etapu obróbki termicznej, ale ostateczna struktura produktu nie jest strukturą perlityczną.

W dokumencie: DATABASE WpI, Week 7814, (Baza danych WPI, Tydzień 7814) wydawanym przez Derwent Publications Ltd., Londyn, GB; AN 78-26355a oraz JP A 53 019 916 (Toyo Chuko K.K.), 23 opisano grafityzowane odlewane kule stalowe do młyna kulowego, zwierające węgiel, krzem, mangan, chrom, molibden, nikiel, fosfor, magnez oraz ewentualnie metal ziem rzadkich i wapń.

Skład stali wyrażony w procentach wagowych jest następujący: 1,7-4% węgla, 0,5-3,5% krzemu, 0,3-3% manganu, 0,2-6% chromu, 0,303% molibdenu, 0,1-4% niklu, co najwyżej 0,06% fosforu, 0,03-0,6% magnezu i ewentualnie metal ziem rzadkich, wapń - w niewielkiej ilości oraz żelazo i nieuniknione zanieczyszczenia do 100%. Odlewa się sferyczne kule i poddaje się je obróbce cieplnej w celu dostosowania twardości.

Węgiel stosuje się jako rozdzielający grafit oraz w celu wytworzenia zdyspergowanego węglika chromu. Krzem zapewnia dobre właściwości przesypowe i wysokie własności odlewnicze stopionej surówki. Mangan nadaje stalowym kulom odporność na ścieranie. Nikiel

181 691 i molibden nadają stali odporność na obciążenia dynamiczne oraz twardość. Fosfor wpływa na odporność na obciążenia dynamiczne.

Kule mają średnice 17-90 mm i twardość Rockwell'a 45-65. Są one przeznaczone do rozdrabniania klinkieru cementowego w młynach kulowych.

Publikacja GB-A 2024860 dotyczy elementów kruszących kutych ze stali mającej wysoką zawartość węgla i subtelnie rozdzieloną strukturę martenzytyczną w całej masie, zawierającej węgliki w ilości od 2 do 6% wagowych, w postaci mieszanych węglików żelazochromowych typu (Fe, Cr)3C.

Sposób wytwarzania tych elementów kruszących polega na rozgrzaniu pręta lub kęsa staliwa lub stali konstrukcyjnej o wymaganym składzie do temperatury rzędu 900 do 1000°C, przy czym pręt tnie się ewentualnie na kęsy w tej temperaturze, a następnie kęsy poddaje się kuciu we wskazanej temperaturze od 900 do 1000°C. Elementy te są następnie bezpośrednio hartowane w oleju lub w wodzie, przykładowo w oleju o temperaturze 300°C i mogą być wygrzewane w temperaturze 200-500°C.

W dokumencie: Patent Abstracts of Japan (Skróty japońskich opisów patentowych) tom 6 nr 78 (G-102) z dnia 15 maja 1982 oraz w japońskim opisie patentowym nr JP A 57 013 150 (Komatsu Ltd.) z dnia 23 stycznia 1982 r. opisano obróbkę cieplną stopowych kul o podwyższonej odporności na ścieranie i kruszenie, jak również optymalizację twardości powierzchniowej poprzez wprowadzenie dodatku określonych ilości węgla, krzemu, manganu, chromu i tym podobnych składników oraz przez prowadzenie obróbki cieplnej w wybranej temperaturze: stop o składzie: 1,70-(2,60% węgla, 0,3-1,00% krzemu, 0,3-1,00% manganu, 8,00-14,0% chromu, co najwyżej 0,4% boru, co najwyżej 0,8-0% molibdenu i żelazo do 100% ogrzewa się do 900-1000°C i chłodzi się powietrzem od temperatury 850°C do 650°C ze średnią prędkością 30-300°C/s.

Publikacja EP-A-0014655 dotyczy elementów mielących, które zestalają się w otwartych wlewnicach w formie pręta, który następnie tnie się na kawałki. Przed lub po cięciu pręta na kawałki prowadzi się obróbkę termiczną nadającą materiałowi strukturę austenityczną, lub martenzytyczną.

Publikacja EP-A-0120748 dotyczy prętów mielących, którym w procesie kontrolowanego chłodzenia nadano subtelną strukturę powierzchni oraz dendiyczną strukturę rdzenia.

Głównym celem wynalazku jest dobór stali o udoskonalonych właściwościach, pozwalających w szczególności na przezwyciężenie wad i trudności związanych z korzystaniem z rozwiązań należących do stanu techniki w zakresie elementów zużywalnych, w szczególności elementów mielących, ustalenie jej składu, warunków odlewania i chłodzenia po odlaniu aby zgodnie z wynalazkiem zapewnić elementy mielące o odporności na zużycie przez ścieranie, zwłaszcza w kontakcie ze szczególnie ściernymi substancji, porównywalnej z odpornością stali formowanej plastycznie i stopów żeliwo-chrom, lecz przy niższych kosztach oraz lepszej niż odporność perlitycznego żeliwa, lecz przy porównywalnych kosztach.

Inne cele i korzyści związane z obecnym wynalazkiem staną się jasne po zapoznaniu z poniższym opisem istoty wynalazku oraz korzystnych przykładów jego realizacji.

Sposób wytwarzania elementów mielących według wynalazku polega na tym, że ze stali stopowej, wysokowęglowej, o składzie wyrażonym w procentach wagowych : węgiel od

1,1 do 2,0%, mangai od 0,5 do 3,5%, chrom od 1,0 do 4,0%, krzem od 0,,6 do 1,2%, gdzie pozostałość do 100% stanowi żelazo o zwykłej zawartości zanieczyszczeń, odlewa się elementy mielące o żądanym kształcie, które po odlaniu poddaje się obróbce polegającej na chłodzeniu od temperatury powyżej 900°C do temperatury około 500°C z prędkością chłodzenia od 0,30 do l,90°C/s, nadając im ostateczną strukturę metalograficzną, głównie strukturę nierównowagowego perlitu drobnopłytkowego i twardość pomiędzy 47 Rc i 54 Rc.

Korzystnie sposobem według wynalazku wytwarza się elementy mielące o zawartości węgla pomiędzy 1,2 a 2,0% wagowych, korzystniej pomiędzy 1,3 i 1,7% wagowych, a najkorzystniej - o zawartości węgla rzędu 1,5% wagowych, dla zapewnienia optymalnej odporności na ścieranie, a jednocześnie aby utrzymać odporność na udar.

181 691

Zgodnie z wynalazkiem strukturę perlitu uzyskuje się wyjmując jeszcze gorący odlew z formy odlewniczej oraz dostosowując skład chemiczny odlewu do jego masy i do prędkości chłodzenia po wyjęciu z formy.

Zgodnie z wynalazkiem dobierając starannie zawartość manganu do wartości średnicy wytwarzanej kuli mielącej oraz prędkości chłodzenia uzyskuje się subtelną strukturę perlityczną.

Elementy mielące wytwarzane powyższym sposobem według wynalazku cechują się tym, że stanowią odlewy w formie kul mielących o średnicy rzędu 100 mm ze stali stopowej, wysokowęglowej, o zawartości węgla rzędu 1,5% wagowych, manganu rzędu od 1,5 do 3,0% wagowych, chromu rzędu 3,0% wagowych, krzemu rzędu 0,8% wagowych, gdzie pozostałość do 100% wagowych stanowi żelazo o zwykłej zawartości zanieczyszczeń, posiadające ostateczną strukturę metalograficzną głównie nierównowagowego perlitu drobnopłytkowego, o twardości pomiędzy 47 Rc i 54 Rc.

Elementy mielące wytwarzane wyżej opisanym sposobem według wynalazku cechują się tym, że stanowią odlewy w formie kul mielących o średnicy rzędu 70 mm ze stali stopowej, wysokowęglowej, o zawartości węgla rzędu 1,5% wagowych, manganu rzędu od 0,8 do 1,5% wagowych, chromu rzędu 3,0% wagowych, krzemu rzędu 0,8% wagowych, gdzie pozostałość do 100% wagowych stanowi żelazo o zwykłej zawartości zanieczyszczeń, posiadające ostateczną strukturę metalograficzną głównie nierównowagowego perlitu drobnopłytkowego, o twardości pomiędzy 47 Rc i 54 Rc.

Zgodnie z wynalazkiem stosowaną obróbkę cieplną dobiera się pod katem minimalizacji ilości cementytu, martenzytu, austenitu oraz perlitu grubopłytkowego, które mogą pojawiać się w strukturze stali.

Zgodnie z wynalazkiem, wyżej wymienione stale są poddawane, po odlaniu, obróbce cieplnej obejmującej chłodzenie od temperatury powyżej 900°C do temperatury około 500°C ze średnią szybkością chłodzenia pomiędzy 0,30 i 1,90°C/s dla nadania stali wskazanej mikrostruktury, obejmującej głównie nierównowagowy perlit drobnopłytkowy, o twardości pomiędzy 47 Rc i 54 Rc.

Podczas odlewania bezpośrednio formuje się elementy zużywalne, w szczególności elementy mielące, a odlewanie można prowadzić dowolną znaną techniką.

Strukturę perlitu osiąga się na drodze wyjmowania jeszcze gorącego elementu z formy odlewniczej oraz przez dostosowanie składu chemicznego do masy elementu mielącego, a także przez dobór szybkości chłodzenia po wyjęciu z formy odlewniczej.

Wynalazek zostanie obecnie opisany bardziej szczegółowo z odniesieniem do korzystnych przykładów realizacji, które podane zostaną dla ilustracji jedynie, nie ograniczając zakresu wynalazku.

W przykładach procenty wyrażono w procentach wagowych.

Przykłady IdoIV.

We wszystkich przykładach zastosowano stal o składzie: węgiel - 1,5%, chrom - 3% i krzem - 0,8%, przy czym pozostałość stanowiło żelazo ze zwykłymi zanieczyszczeniami. Szczegółowe zawartości manganu i chromu wyrażone w procentach wagowych dla kul o różnej średnicy podano w poniższej tabeli 1.

Tabela 1

Przykład nr	Średnica kuli	% Manganu	% Chromu
I	100 mm	3	3
Π	100 mm	19	3
III	70 mm	1,5	3
IV	70 mm	0,8	3

181 691

Po całkowitym zestaleniu, odlew wydobywa się z formy w najwyższej możliwej temperaturze, dostosowanej do łatwego manipulowania, korzystnie powyżej 900°C.

Następnie odlew chłodzi się w jednostajny sposób, z szybkością zdefiniowaną w funkcji jego masy. _r

Kontrolowane warunki chłodzenia utrzymuje się aż do temperatury 500°C, poniżej której chłodzenie jest nieistotne.

Średnie warunki chłodzenia, wyrażone w °C/s dla temperatur pomiędzy 1000°C i 500°C, podano w poniższej tabeli 2 dla przykładów wskazanych powyżej:

Tabela 2

Przykład nr	Średnica kuli	Średnia szybkość chłodzenia
I	100 mm	1,15°C/s
Π	100 mm	1,30°C/s
ΠΙ	70 mm	l,50°C/s
IV	70 mm	l,65°C/s

Najważniejszą korzyścią osiąganą dzięki tej obróbce cieplnej jest to, że możliwe jest otrzymanie struktury perlitu drobnopłytkowego bardzo łatwo. Można także wykorzystać ciepło resztkowe odlewu po odlaniu i w ten sposób obniżyć koszty produkcji.

Mikrografie przedstawione na rysunkach fig. 1 i 2 pokazują strukturę stali w elementach wytwarzanych sposobem według wynalazku.

Figura 1 przedstawia - w 400-krotnym powiększeniu, mikrografię kuli o średnicy 100 mm, o następującym składzie chemicznym, wyrażonym w procentach wagowych: 1,5% węgla, 1,9% manganu, 3,0% chromu, 0,8% krzemu. Po wydobyciu z formy odlew ten był jednostajnie chłodzony od temperatury 1000°C do temperatury otoczenia, z szybkością l,30°C/s. Zmierzona twardość Rockwell'a wynosi 51 Rc. Struktura składa się z perlitu drobnopłytkowego, 8-10% cementytu i co najmniej 5-7 % martenzytu.

Figura 2 przedstawia - w 400-krotnym powiększeniu, mikrografię kuli o średnicy 70 mm, o następującym składzie chemicznym, wyrażonym w procentach wagowych: 1,5% węgla, 1,59% manganu, 3,0% chromu, 0,8% krzemu. Po wydobyciu z formy odlew ten był jednostajnie chłodzony od temperatury 1100°C do temperatury otoczenia z szybkością l,50°C/s. Zmierzona twardość Rockwell' a wynosi 52 Rc. Struktura składa się z perlitu drobnopłytkowego, 5-7 % martenzytu.

Elementy mielące - kule mielące, których mikrografie przedstawiają rysunki fig. 1 i 2, poddane były próbie ścieralności w celu sprawdzenia ich własności w warunkach przemysłowych.

Odporność na ścieranie elementów według wynalazku była oceniana w próbach prowadzonych techniką znakowanych kul. Technika ta obejmuje wprowadzenie uprzednio ustalonej ilości kul wykonanych według wynalazku ze stopu określonego wyżej, do przemysłowego młyna kulowego. Najpierw kule sortuje się według wagi i identyfikuje się przez nawiercenia, razem z kulami o tym samym ciężarze, wykonanymi z jednego z innych stopów znanych ze stanu techniki. Po ustalonym czasie eksploatacji zatrzymuje się młyn i wybiera się z niego zaznaczone kule. Kule waży się, a zaobserwowane różnice w wadze pozwalają na porównanie zachowania się różnych stopów objętych testem. Procedurę powtarza się kilkakrotnie, aby otrzymać statystycznie istotne wyniki.

Pierwszą próbę przeprowadzono w młynie mielącym bardzo ścierny minerał, zawierający ponad 70% kwarcu. Kule o średnicy 100 mm objęte testem badano co tydzień przez pięć tygodni. Kule odniesienia wykonane z martenzytycznego wysokochromowego żeliwa białego zużyły się z początkowej masy 4600 kg do 2800 kg. Względna odporność na ścieranie różnych stopów może być podsumowana jak następuje: martenzytyczne żeliwo białe

181 691 z 12% chromu o twardości 64 Rc 1,00 x stal stosowana w elementach według wynalazku o twardości 51 Rc 0,98 x.

Podobne testy przeprowadzono w innych młynach, w których mielono minerały równie wysoko ścierne, gdzie jednakże warunki udamości w porównaniu z warunkami pracy powyższego młyna były odmienne.

Wyniki otrzymane dla kul wykonanych sposobem według wynalazku były bardzo zbliżone (0,9 do 1,1 razy lepsze), do tych które otrzymywano dla wysokochromowego żeliwa białego.

Taka odporność na ścieranie - pod wpływem materiałów ściernych, obserwowana w przypadku elementów według wynalazku ze stopu perlitycznego zapewnia wyraźne obniżenie kosztów mielenia minerałów, ponoszonych przez użytkowników.

Faktycznie, uproszczenie procesu wytwarzania, redukcja kosztów instalacji i kosztów przerobu, a także redukcja ilości składników stopowych w porównaniu z chromo-żelazem zapewnia bardziej ekonomiczne warunki eksploatacyjne.

181 691

Fgi

Fig.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1,1 do 2,0%, mangan od 0,5 do 3,5%, chrom od 1,0 do 4,0%, krzem od 0,6 do 1,2% gdzie pozostałość do 100% stanowi żelazo o zwykłej zawartości zanieczyszczeń, odlewa się elementy mielące o żądanym kształcie, które po odlaniu poddaje się obróbce polegającej na chłodzeniu od temperatUry powyżej 900°C do temperatury około 500°C z prędkością chłodzenia od 0,30 do l,90°C/s, nadając im ostateczną strukturę metalograficzną, głównie strukturę nierównowagowego perlitu drobnopłytkowego i twardość pomiędzy 47 Rc i 54 Rc.

1. Sposób wytwarzania elementów mielących ze stali stopowej, znamienny tym, że ze stali stopowej, wysokowęglowej, o składzie wyrażonym w procentach wagowych : węgiel od

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wytwarza się elementy mielące o zawartości węgla pomiędzy 1,2 a 2,0% wagowych.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wytwarza się elementy mielące o zawartości węgla pomiędzy 1,3 i 1,7% wagowych.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że wytwarza się elementy mielące o zawartości węgla rzędu 1,5% wagowych.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że strukturę perlitu uzyskuje się wyjmując jeszcze gorący odlew z formy odlewniczej oraz dostosowując skład chemiczny odlewu do jego masy i do prędkości chłodzenia po wyjęciu z formy.

6. Elementy mielące ze stali stopowej, znamienne tym, że stanowią odlewy w formie kul mielących o średnicy rzędu 100 mm ze stali stopowej, wysokowęglowej, o zawartości węgla rzędu 1,5% wagowych, manganu rzędu od 1,5 do 3,0% wagowych, chromu rzędu 3,0% wagowych, krzemu rzędu 0,8% wagowych, gdzie pozostałość do 100% wagowych stanowi żelazo o zwykłej zawartości zanieczyszczeń, posiadające ostateczną strukturę metalograficzną głównie nierównowagowego perlitu drobnopłytkowego, o twardości pomiędzy 47 Rc i 54 Rc.

7. Elementy mielące ze stali stopowej, znamienne tym, że stanowią odlewy w formie kul mielących o średnicy rzędu 70 mm ze stali stopowej, wysokowęglowej, o zawartości węgla rzędu 1,5% wagowych, manganu rzędu od 0,8 do 1,5% wagowych, chromu rzędu 3,0% wagowych, krzemu rzędu 0,8% wagowych, gdzie pozostałość do 100% wagowych stanowi żelazo o zwykłej zawartości zanieczyszczeń, posiadające ostateczną strukturę metalograficzną, głównie nierównowagowego perlitu drobnopłytkowego, o twardości pomiędzy 47 Rc i 54 Rc.