În procesul de zdrobire și prelucrare a mineralelor, piesele de uzură nu sunt consumabile care trebuie reduse la minimum - sunt componente proiectate cu precizie a căror compoziție materială, microstructură și tratament termic determină randamentul, costul de operare și calitatea produsului întregului circuit. Alegerea dintre piese turnate din oțel cu conținut ridicat de mangan și fontă cu conținut ridicat de crom este cea mai importantă decizie privind materialele în alegerea pieselor de uzură ale concasorului. , iar greșirea costă mult mai mult timp de nefuncționare, înlocuire prematură și pierdere de producție decât orice diferență de preț inițială între cele două familii de aliaje.
Acest ghid acoperă metalurgia, caracteristicile de performanță, logica de selecție și criteriile de achiziție pentru cele mai critice patru categorii de turnare de uzură a concasoarelor: concasor cu impact piese turnate cu conținut ridicat de crom , piese turnate din oțel cu conținut ridicat de mangan, componente din fontă cu conținut ridicat de crom și plăci cu falci din oțel cu conținut ridicat de mangan pentru concasor cu falci — cu accent special pe placa cu falci fixe, cea mai înlocuită piesă de uzură din orice instalație de concasor cu falci.
Piesele de uzură ale concasorului eșuează prin două mecanisme distincte - abraziunea și impactul - și aceste mecanisme necesită răspunsuri fundamentale diferite ale materialelor. Niciun aliaj nu excelează la ambele simultan, motiv pentru care selecția pieselor turnate de uzură trebuie să fie determinată de combinația specifică de severitate a impactului și duritate abrazivă prezentă în aplicația de strivire.
Uzura abrazivă apare atunci când particulele minerale dure - cuarț, granit, bazalt, minereu de fier, zgură - alunecă sau se rostogolesc pe suprafața de turnare, arătând micro-caneluri și îndepărtând materialul la nivelul asperității. Rezistența principală la abraziune este duritatea suprafeței: suprafețele mai dure se deformează mai puțin la contactul cu particule abrazive, reducând adâncimea canelurii arate și volumul de material deplasat pe unitate de distanță de alunecare. Acesta este motivul pentru care fonta cu crom ridicat, cu o duritate de 58–68 HRC, depășește semnificativ oțelul standard de mare mangan (duritate inițială 180–220 HBN, echivalent cu aproximativ 15–20 HRC) în medii cu abraziune pură.
Uzura prin impact are loc atunci când fragmentele de rocă lovesc suprafața de turnare cu viteză, creând concentrații de tensiuni localizate care pot fractura materialele fragile sau le pot deforma plastic pe cele ductile. Duritatea extremă a fontei cu crom ridicat vine cu o duritate scăzută la rupere - valori tipice de impact Charpy de 3–8 J pentru fierul cu conținut ridicat de crom față de 100–200 J pentru oțelul cu conținut ridicat de mangan — făcându-l vulnerabil la fisurare și despicare în cazul impacturilor repetate de înaltă energie. Avantajul unic al oțelului cu conținut ridicat de mangan este microstructura sa austenitică: sub încărcare de impact repetată, suprafața se întărește de la duritatea turnată de 180–220 HBN la 450–550 HBN, creând un strat de suprafață dur susținut de un miez dur, ductil care absoarbe energia de impact fără propagarea fracturii.
Acest mecanism de întărire prin muncă este proprietatea definitorie a oțelului cu conținut ridicat de mangan și motivul pentru care a rămas materialul de alegere pentru plăcile de fălci și alte piese de uzură pentru concasor cu impact puternic de peste 130 de ani de la brevetul original al lui Robert Hadfield în 1882. Cerința critică pentru ca întărirea prin muncă să aibă loc este ca solicitarea de impact să depășească limita de curgere a materialului. În aplicațiile în care energia de impact este scăzută - zdrobirea fină a rocii moi sau funcționarea lentă a concasorului cu fălci - suprafața din oțel cu mangan nu își atinge potențialul de întărire prin lucru și are performanțe slabe în comparație cu alternativele mai dure, dar mai fragile.
Fonta cu conținut ridicat de crom (HCCI) este materialul de turnare de prim rang, rezistent la abraziune, pentru aplicațiile de concasor în care domină uzura abrazivă și încărcarea la impact este moderată până la scăzută. Avantajul său de performanță față de oțelul mangan în aplicații adecvate nu este marginal - Fonta cu un conținut ridicat de crom asigură de obicei de 2-5 ori mai mare durată de uzură decât oțelul cu conținut ridicat de mangan în aplicații cu abraziune ridicată și cu impact redus , o diferență care schimbă fundamental economia operației de zdrobire.
Fonta cu conținut ridicat de crom se caracterizează printr-un conținut de crom de 12–30% și un conținut de carbon de 2,0–3,6%, producând o microstructură constând din carburi de crom dure (tip M7C3) înglobate într-o matrice metalică care poate fi martensitică, austenitică sau un amestec în funcție de tratamentul termic. Carbura de crom M7C3 are o duritate de 1.400–1.800 HV — mai dur decât majoritatea mineralelor găsite în alimentarea tipică a concasorului, inclusiv cuarțul (aproximativ 1.100 HV). Această duritate extremă a carburilor este sursa principală a rezistenței la abraziune a HCCI.
Fracția de volum a carburii de crom din microstructură crește odată cu conținutul de carbon și crom. Notale cu conținut ridicat de carbon și crom (3,0–3,5% C, 25–30% Cr) ating fracțiuni de volum de carbură de 35–45%, oferind rezistență maximă la abraziune. Calitățile de carbon mai scăzute (2,0–2,5% C, 12–15% Cr) sacrifică o anumită rezistență la abraziune pentru o rezistență îmbunătățită, făcându-le mai potrivite pentru aplicații cu impact moderat.
Fonta cu crom ridicat are o matrice austenitică cu duritate moderată. Tratamentul termic transformă matricea în martensită, crescând dramatic duritatea generală și îmbunătățind capacitatea matricei de a susține faza de carbură sub contact abraziv. Secvența standard de tratament termic pentru piese turnate de concasor cu fier cu conținut ridicat de crom este:
Fonta cu un conținut ridicat de crom, tratată termic corespunzător, atinge o duritate totală de 58–68 HRC — un nivel care ar fi imposibil de prelucrat prin mijloace convenționale și care oferă o rezistență la abraziune care depășește orice material alternativ de turnare feros în condiții de șlefuire și uzură prin alunecare la solicitare ridicată.
| Grade | Conținut Cr (%) | C Conținut (%) | Duritate (HRC) | Rezistența la impact | Aplicație primară |
|---|---|---|---|---|---|
| Cr12 HCCI | 11–14 | 2,0–2,8 | 56–62 | Moderat | Bare de suflare pentru concasor secundar, aplicații cu impact moderat |
| Cr20 HCCI | 18–23 | 2,5–3,2 | 60–65 | Scăzut–Moderat | Bare de suflare pentru concasor de impact, vârfuri de rotor VSI, căptușeli de con |
| Cr26 HCCI | 24–28 | 2,8–3,5 | 62–68 | Scăzut | Foarte abraziv, cu impact redus: sfărâmare zgură, calcar fin |
Concasoarele cu impact — atât dispozitivele de lovire cu ax orizontal (HSI) cât și cele cu ax vertical (VSI) — își supun piesele de uzură la un regim de încărcare fundamental diferit față de concasoarele cu falci sau con. Mai degrabă decât strivirea prin compresie între două suprafețe, concasoarele cu impact accelerează roca cu viteză mare în nicovalele staționare sau împotriva altor particule de rocă. Piesele de uzură ale concasoarelor cu impact trebuie să reziste simultan la abraziunea cu viteză mare a particulelor minerale care alunecă pe suprafața lor și la încărcarea cu impact repetitivă a fragmentelor de rocă care lovesc la viteze de vârf ale rotorului de 25-55 de metri pe secundă.
Bara de suflare - elementul de impact montat pe rotor care lovește roca care intră - este componenta cu cea mai mare uzură a unui concasor HSI și cea mai critică performanță de turnare din întreaga mașină. Selecția materialului pentru bara de suflare trebuie să echilibreze rezistența la abraziune și rezistența la impact în limitele specifice de funcționare a mașinii și a materialului de alimentare:
Plăcile de spargere (șorțuri de impact) sunt suprafețele staționare de nicovală împotriva cărora fragmentele de rocă accelerate de bara de suflare lovesc în concasoarele HSI. Mecanismul lor de uzură combină impactul de mare viteză în zona de lovire inițială cu uzura abrazivă de alunecare, deoarece fragmentele redirecționează de-a lungul suprafeței șorțului. Fonta cu conținut ridicat de crom, calitatea Cr20 este materialul standard pentru plăcile de spargere în zdrobirea prin impact secundar și terțiar , unde dimensiunea de alimentare controlată limitează energia de impact de vârf la niveluri din limitele de rezistență ale HCCI. Pentru zdrobirea primară cu alimentare mare, șorțurile din oțel martensitic sau oțel mangan sunt alegeri mai sigure, în ciuda rezistenței lor mai mici la abraziune.
Oțelul cu conținut ridicat de mangan (oțel Hadfield, oțel austenitic cu mangan) rămâne materialul dominant pentru piesele de uzură ale concasorului cu fălci, manșoanele și concavele de concasor giratoriu și orice aplicație de concasor în care sarcina de impact susținută de înaltă energie este mecanismul principal de uzură. Combinația sa de duritate inițială moderată, capacitate extremă de întărire la lucru și duritate excelentă este un profil de performanță pe care nicio altă familie de aliaje rezistente la uzură nu îl reproduce.
Compoziția standard de oțel Hadfield de 11–14% Mn și 1,0–1,4% C (ASTM A128 Grad B) a fost rafinată de-a lungul deceniilor într-o familie de calități cu compoziții modificate care vizează aplicații specifice de concasare:
Oțelul cu mangan turnat conține precipitate de carbură la granulă, care fragilizează grav aliajul, făcându-l predispus la rupere în timpul funcționării. Recoacere cu soluție – încălzire la 1.000–1.100°C și călirea cu apă – dizolvă aceste carburi în matricea de austenită, restabilind structura complet austenitică și maximizând duritatea. Soluția inadecvată de recoacere este cea mai frecventă cauză a fracturii premature a plăcii maxilarului în timpul serviciului și este specificația de calitate pe care cumpărătorii trebuie să o verifice atunci când se aprovizionează cu piese turnate de concasor din oțel cu conținut ridicat de mangan. Indicatorii cheie ai unui tratament termic adecvat sunt aspectul suprafeței stinse cu apă (nu răcită cu aer), datele înregistrate de timp și temperatură care arată o înmuiere completă la temperatură și valorile de impact Charpy care îndeplinesc minimele ASTM A128 de 100 J pentru clasele standard.
Placa cu falci este partea de uzură care definește performanța concasorului cu falci. Într-un concasor de fălci, două plăci de fălci - placa fixă (staționară) și placa pivotantă (mobilă) - creează camera de zdrobire în care roca este comprimată până se fracturează. Placa fălcilor fixe se uzează de obicei mai repede decât placa fălcilor pivotante deoarece este suprafața staționară împotriva căreia materialul este comprimat în mod predominant, iar geometria și calitatea materialului determină în mod direct distribuția dimensiunii produsului, debitul și intervalul dintre înlocuirea plăcilor falci.
Suprafața ondulată a unei plăci de fălci - alternând creste și văi pe suprafața de zdrobire - îndeplinește funcții multiple care adesea nu sunt pe deplin apreciate:
Pasul crestei (distanța dintre vârfurile coamei adiacente) este de obicei de 50–100 mm pentru concasoarele primare care procesează avans mari, reducându-se la 30–60 mm pentru aplicațiile secundare. Înălțimea coamei de 30–50 mm pe plăcile noi se degradează la sfârșitul duratei de viață utilă — monitorizarea înălțimii coamei este o metodă fiabilă pentru evaluarea duratei de viață rămase a plăcilor cu falci fără a scoate placa din concasor.
Distribuția spațială a uzurii pe o placă de falcă fixă îndepărtată este informații de diagnostic despre operația de zdrobire - nu doar o înregistrare a pierderii de material. Înțelegerea tiparelor comune de uzură permite acțiuni corective care prelungesc durata de viață a următorului set de plăci de falcă:
Majoritatea plăcilor de fălci sunt proiectate simetric pentru a permite inversarea - rotind placa cu 180° pentru a prezenta secțiunea superioară neuzată în zona de strivire inferioară cu uzură ridicată. Inversarea sistematică a plăcilor de fălci la mijlocul duratei de viață a acestora prelungește în mod constant durata de viață totală a plăcilor cu 30-50% , deoarece materialul care altfel ar fi aruncat ca fiind complet uzat în zona inferioară este mutat într-o poziție de uzură mai scăzută, unde continuă să ofere servicii utile. Această practică este simplă, adaugă costuri materiale zero și este cea mai eficientă măsură de prelungire a duratei de viață a plăcilor de falcă disponibilă pentru operatorii de concasor.
Selecția sistematică a materialului de turnare la uzură necesită o evaluare sinceră a două variabile de aplicare: duritatea abrazivă a materialului de alimentare (exprimată ca duritate Mohs sau conținut de silice) și nivelul de energie de impact al etapei de zdrobire. Aceste două variabile, reprezentate grafic una față de cealaltă, definesc o matrice de selecție care ghidează alegerea aliajului în mod mai fiabil decât recomandările de bază.
| Aplicație | Material de furaj | Nivel de impact | Material recomandat | Avantaj de viață așteptat |
|---|---|---|---|---|
| Placă de falci concasor de fălci — primar de rocă dură | Granit, cuarțit, bazalt | Foarte sus | Mn18 sau Mn14Cr2 | Cea mai bună duritate; esenţială călirea la muncă |
| Placă de falci concasor de fălci — rocă moale/medie | Calcar, gresie | Înalt | Standard Mn13 sau Mn14Cr2 | echilibru bun; Adaosul de Cr îmbunătățește duritatea inițială |
| Bară de suflare HSI — secundar/terțiar | Calcar, alimentare cu dimensiuni <100mm | Moderat | Cr20 HCCI | 3–5× față de Mn13; domină abraziunea |
| Bară de suflare HSI - primar, avans mare | Rock mixt, risc de vagabond | Foarte sus | Mn13 sau oțel martensitic | Riscul de fractură HCCI inacceptabil |
| Manta concavă/concavă | Rocă abrazivă tare | Moderat–High | Mn14Cr2 sau Mn18 | Întărirea prin muncă critică pentru suprafața interioară a mantalei |
| Varful rotorului VSI — foarte abraziv | Nisip siliciu, granit | Moderat (high velocity) | Cr26 HCCI sau inserturi WC | Duritate maximă necesară la vârful rotorului |
| Concasor de zgură - abraziune ridicată | Zgura de cuptor, minereu de fier | Scăzut–Moderat | Cr26 HCCI | Rezistență extremă la abraziune; HCCI cu impact redus |
Performanța pieselor turnate de uzură a concasorului în exploatare depinde nu doar de aliajul specificat, ci și de calitatea practicii de turnătorie, execuția tratamentului termic și acuratețea dimensională a piesei finite. O placă de fălci turnată din Mn13 specificat corect, dar cu soluție de recoacere inadecvată se va fractura în primele zile de funcționare ; o bară de suflare cu crom ridicat, cu porozitate de contracție internă, va eșua la defect cu mult înainte ca durata sa de uzură estimată să fie atinsă. Specificarea aliajului este necesară, dar nu suficientă - asigurarea calității procesului de turnare este la fel de critică.
Analiza spectrometriei de emisie optică (OES) a unui cupon de testare turnat cu fiecare căldură de metal este metoda standard pentru verificarea faptului că turnarea livrată îndeplinește compoziția de aliaj specificată. Elemente cheie de verificat și intervalele de toleranță ale acestora:
Testarea durității pieselor turnate finite oferă cea mai accesibilă verificare a calității adecvării tratamentului termic. Cerințe minime de duritate și metode de încercare:
Porozitatea internă și cavitățile de contracție sunt cele mai comune defecte de turnare în piesele de uzură ale concasorului și cele mai periculoase - sunt invizibile la exterior, dar acționează ca locuri de concentrare a tensiunilor care inițiază fractura prematură. Metode de încercare nedistructivă aplicabile pieselor turnate de concasoare:
Cea mai bună specificație de turnare la uzură își oferă valoarea maximă numai atunci când este combinată cu practici corecte de instalare, monitorizare sistematică a uzurii și programare de înlocuire care surprinde utilizarea maximă a materialului fără a risca defectarea catastrofală a turnării sau deteriorarea structurii concasorului.
Înlocuirea plăcilor fălcilor și a barelor de suflare la momentul corect – nici prea devreme (risipirea materialului rămas), nici prea târziu (risc de deteriorare a concasorului) – necesită o abordare sistematică de monitorizare. Practici de monitorizare recomandate: