Analyse des Einsatzes von Sinterkarbid in Hochdruck-Walzenmühlen (HPGR)

Sinterkarbid ist ein Schlüsselmaterial für die wichtigsten verschleißfesten Komponenten von Hochdruck-Walzenmühlen (HPGR). Das Anwendungsniveau und der Verbrauchsumfang spiegeln direkt die Reife der HPGR-Technologie und ihre Marktdurchdringung wider. In diesem Artikel werden die spezifischen Anwendungsformen, die wichtigsten Leistungsanforderungen und die neuesten technologischen Fortschritte von Hartmetall in HPGRs kombiniert, um mehrdimensionale Berechnungen und Analysen des Verbrauchs durchzuführen und eine Referenz für die Entwicklung der Branche zu liefern.

I. Kernanwendungsformen von Hartmetall in Hochdruck-Walzenmühlen

Bei der konstruktiven Gestaltung von Hochdruck-Walzenmühlen ist das Kernanwendungsszenario von Hartmetall die Herstellung von verschleißfesten Bolzen (auch bekannt als Wolframkarbid-Spikes) und deren Einbettung in die Oberfläche des Walzenmantels (Walzenoberfläche), wodurch eine “Noppenwalzenoberfläche” entsteht. Diese Struktur hat sich zur Standardlösung für die Walzenoberflächentechnologie im Hochdruckwalzwerk entwickelt und ist als der fortschrittlichste technische Weg in der Branche anerkannt.

(1) Antragsformulare und wesentliche Vorteile

Sinterkarbidstifte haben meist eine zylindrische Struktur und werden durch Verfahren wie Presssitz, Warmaushärtung oder Kleben in einer matrixartigen, dichten Anordnung in die Oberfläche des Walzenmantels eingebettet. Während des Betriebs der Anlage füllt feines Pulvermaterial unter hohem Druck die Lücken zwischen den Walzenstiften und bildet ein “Materialpolster”, das den Walzenmantelsubstrat wirksam vor direktem Verschleiß schützt. Die freiliegenden Hartmetallrollenstifte mit ihrer hohen Härte widerstehen direkt der Extrusion, dem Aufprall und dem Abrieb des Materials.

Im Vergleich zu herkömmlichen geschweißten Walzenoberflächen ist die Lebensdauer von Hartmetall-Walzenoberflächen deutlich verbessert und erhöht sich um mehr als das 10-fache. In der Praxis haben die Hartmetall-Walzenoberflächen der Humboldt AG in Deutschland eine tatsächliche Lebensdauer von etwa 8.000 Stunden. Bei fortgeschrittenen Anwendungen in der Eisenerz-Zerkleinerung im Inland erreicht die geplante Lebensdauer dieser Art von Walzenoberflächen 12.000 bis 18.000 Stunden, wodurch die Wartungskosten für die Stillstandszeiten der Anlagen erheblich reduziert werden.

(2) Anpassungsanforderungen an das Substrat des Rollmantels

Die Leistung von Hartmetall-Rollenstiften hängt eng mit der Leistung des Trägermaterials der Rollenhülse zusammen. Das Trägermaterial muss eine ausreichend hohe Druckfestigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen, um die Rollenstifte stabil zu halten und gleichzeitig dem Materialabrieb zu widerstehen. Untersuchungen haben ergeben, dass Rollenhülsen aus hochfestem, verschleißfestem Stahl der Serie Fe-C-V-Mo-Cr, die durch Schleuderguss und anschließende Wärmebehandlung hergestellt werden, eine drei- bis fünfzehnmal höhere Verschleißfestigkeit als gewöhnliches hochchromhaltiges Gusseisen aufweisen. Dadurch werden die Arbeitsanforderungen von Hartmetallbolzen voll erfüllt und sichergestellt, dass sie nicht abfallen oder sich lösen. Darüber hinaus wurde in der Industrie der Einsatz eines Gießverfahrens erforscht, bei dem Karbidkugeln direkt in eine verschleißfeste Gusseisen- oder bainitische Sphärogussmatrix gegossen werden, um eine zusammengesetzte Rollenoberflächenstruktur zu bilden, wodurch die Gesamtverschleißfestigkeit der Rollenoberfläche weiter verbessert wird.

II. Leistungsanforderungen an das Material und technologischer Fortschritt bei Hartmetallbolzen

Als Kernkomponente von Hochdruck-Walzenmühlen, die unmittelbar dem Verschleiß ausgesetzt ist, bestimmt die Materialeigenschaft von Hartmetallstollen direkt die Lebensdauer der Walzenoberfläche, die Stabilität des Anlagenbetriebs und die Gesamtwirtschaftlichkeit. Daher werden strenge Anforderungen an ihre Leistung gestellt, und die Industrie treibt die entsprechende technologische Optimierung kontinuierlich voran.

(1) Materialzusammensetzung und Anwendungsherausforderungen

Derzeit ist der gängige Werkstoff für Hartmetallbolzen in Hochdruck-Walzenmühlen Wolfram-Kobalt-Hartmetall (WC-Co). In der Praxis besteht eine technische Kernherausforderung: Um einen vorzeitigen Bruch der Bolzen unter hohen Druck- und Schlagbelastungen zu verhindern, müssen Sorten mit höherem Kobaltgehalt gewählt werden. Eine Erhöhung des Kobaltgehalts führt jedoch zu einer Verringerung der Härte des Hartmetalls, wodurch dessen Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Beständigkeit gegen thermische Ermüdung beeinträchtigt wird. Aus der Sicht des mikroskopischen Verschleißmechanismus äußert sich der Bolzenverschleiß hauptsächlich als Auslaugungsverlust der Kobaltbindephase und als abrasiver Verschleiß der WC-Hartphase durch den Werkstoff, die beide zusammen die Lebensdauer der Bolzen beeinträchtigen.

(2) Richtungen der Leistungsoptimierung und praktische Ergebnisse

Um die oben genannten Herausforderungen bei der Anwendung zu bewältigen, konzentriert sich die Hauptrichtung der Optimierung in der Industrie auf die Anpassung der Zusammensetzung und des Gefüges des Sinterkarbids. Durch die Optimierung der WC-Korngröße, des WC-Gehalts und des Bindemitteltyps wird ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit erreicht, wodurch die Gesamtleistung der Bolzen verbessert wird. Langzeit-Feldversuche zeigen, dass Bolzen aus Hartmetall mit mittlerer WC-Korngröße (1,0-2,0 μm) und niedrigem Kobaltgehalt (5-9 Vol.%) eine um 27% verbesserte Haltbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Bolzen aufweisen, mit einer Testdauer von 26.000 Stunden, was die Machbarkeit dieser optimierten Lösung bestätigt. In der Zwischenzeit wird die technologische Forschung und Entwicklung fortgesetzt, wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuartiger Wolfram-Kobalt-Sinterkarbide liegt, die eine hohe Härte, hohe Festigkeit, hervorragende Schlagfestigkeit, Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und Korrosionsbeständigkeit aufweisen und deren Anwendungsszenarien weiter ausbauen.

(3) Erforschung und Anwendung von alternativen Materialien

Neben den traditionellen WC-Co-Hartmetallen erforscht die Industrie auch die Anwendung alternativer Materialien. Unter ihnen, TiC-basierten hochmanganhaltigen stahlgebundenen Hartmetallen wurden nach und nach für verschleißfeste Bauteile wie Hochdruck-Walzenmühlenmäntel verwendet. Bei dieser Art von Werkstoffen wird TiC als harte Phase und Hochmanganstahl als Bindemittelphase verwendet. Sie besitzen nicht nur eine gute Verschleißfestigkeit, sondern auch eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit und Kosteneffizienz und eignen sich für einige mittlere bis niedrige Belastungsbedingungen. Derzeit zeigt die Marktnachfrage einen allmählichen Aufwärtstrend.

III. Analyse und Schätzung des Karbidverbrauchs

Die Schätzung des Karbidverbrauchs in Hochdruck-Walzenmühlen ist äußerst komplex, da der Umfang des Verbrauchs in direktem Zusammenhang mit mehreren Faktoren steht, darunter die installierte Kapazität der Hochdruck-Walzenmühlen, die Ausrüstungsspezifikationen, die Betriebsbedingungen, die Konstruktionsparameter der Stifte und der Austauschzyklus. Im Folgenden wird eine vorläufige Schätzung und Analyse des Verbrauchs unter vier Gesichtspunkten vorgenommen: Markttreiber, Einzelmaschinenverbrauch, Fallstudien und Verbrauchsstruktur.

(1) Markttreiber und Maßstabsgrundlage

Der weit verbreitete Einsatz von Hochdruck-Walzenmühlen in Metallbergwerken (insbesondere bei der Eisenerzgewinnung und -verarbeitung) und in der Zementindustrie ist die treibende Kraft für den Anstieg des Hartmetallverbrauchs. Diese Anlagen bieten erhebliche Vorteile in Bezug auf Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung, sparen 20%-35% Strom und reduzieren den Stahlverbrauch um mehr als 60% im Vergleich zu herkömmlichen Brechanlagen, was den Erfordernissen einer umweltfreundlichen Entwicklung der Industrie entgegenkommt und einen kontinuierlichen Anstieg der installierten Kapazität bewirkt. Derzeit haben inländische Unternehmen einen Durchbruch bei den Kerntechnologien für Hochdruck-Walzenmühlen erzielt und importierte Anlagen erfolgreich ersetzt. Dies bedeutet, dass die Installation neuer Anlagen und der Ersatz bestehender Anlagen durch Walzenmäntel auf dem heimischen Markt das Wachstum des Verbrauchs von im Inland hergestellten Hartmetallstiften direkt vorantreiben und eine stabile Marktgrundlage für den Hartmetallverbrauch bilden wird.

(2) Schätzung des Verbrauchs pro Einheit

2.1. Anzahl und Gewicht der Hartmetallstifte: Eine einzelne Hochdruck-Walzenmühle ist mit zwei Walzenmänteln ausgestattet, in deren Oberfläche jeweils Tausende bis Zehntausende von Hartmetallstiften eingelassen werden müssen. Der Durchmesser, die Höhe und die Anordnungsdichte der Stifte müssen je nach den Spezifikationen der Anlage und den Eigenschaften der zu verarbeitenden Materialien (Härte, Partikelgröße usw.) angepasst werden. Bei einigen Anwendungen liegt der Durchmesser der Hartmetallkugeln (Bolzenvarianten) beispielsweise zwischen 10 und 25 mm. Das Gewicht eines einzelnen Bolzens variiert beträchtlich und reicht von einigen hundert Gramm bis zu mehreren Kilogramm; daher kann die Gesamtmenge an Hartmetall, die für die Ersteinbettung einer einzigen Einheit benötigt wird, mehrere Tonnen erreichen.

2.2. Austauschzyklus und Verbrauchshäufigkeit: Hartmetallstifte sind keine Verschleißteile; ihre Lebensdauer ist mit der der gesamten Rollenhülse synchronisiert. Beim Konzept der “wartungsfreien” Konstruktion sind die Bolzen und das Trägermaterial der Rollenhülse formschlüssig miteinander verbunden, so dass die Bolzen während des Betriebs nicht abfallen können. Die gesamte Rollenhülse (einschließlich aller eingebetteten Hartmetallstifte) muss ausgetauscht werden, wenn die Stifte auf eine Resthöhe von ca. 8 mm abgenutzt sind und die gesamte Einheit ausfällt. Das bedeutet, dass innerhalb der 8.000-18.000-Stunden-Lebensdauer des Walzenmantels die Hartmetallstifte nicht einzeln ausgetauscht werden, sondern der Verbrauch auf die “Walzenmantel-Baugruppe” bezogen ist. Wird eine Konstruktion gewählt, bei der die Bolzen einzeln ausgetauscht werden können, erhöht sich die Häufigkeit des Sinterkarbidverbrauchs erheblich.

(III) Indirekte Berechnung anhand von Anwendungsfällen

Ausgehend von praktischen Anwendungsfällen kann die Lebensdauer der Oberfläche der Sinterkarbidstollen bei der Zerkleinerung von Eisenerz mit einem Protodyakonov-Härtekoeffizienten f=14-16 8.000 Stunden erreichen; bei optimierter Konstruktion und stabilen Betriebsbedingungen kann die Lebensdauer auf 18.000 Stunden erhöht werden. Geht man davon aus, dass eine große Bergbau- und Aufbereitungsanlage im Dauerbetrieb mit ca. 8.000 Betriebsstunden pro Jahr arbeitet, beträgt der Austauschzyklus für die Walzenmäntel (einschließlich der Hartmetallstollen) ca. 1-2 Jahre. Mit dem zunehmenden Einsatz von Hochdruck-Walzenmühlen in immer mehr Bergwerken und Zementwerken steigt die Zahl der neu hinzukommenden Ausrüstungskomponenten und der Austausch von Walzenmänteln bestehender Anlagen stetig an, was eine stabile Nachfrage nach Hartmetall zur Folge hat.

(IV) Analyse der Verbrauchsstruktur

Die Verbrauchsstruktur von Sinterkarbid im Bereich der Hochdruck-Walzenmühlen umfasst hauptsächlich drei Aspekte: Erstens der Verbrauch für neue Anlagen, d.h. der Verbrauch, der entsteht, wenn neue Hochdruck-Walzenmühlen mit in den Walzenmänteln eingebetteten Sinterkarbidstiften ausgeliefert werden; zweitens der Verbrauch für den Ersatz von Walzenmänteln nach dem Verkauf, denn Walzenmäntel sind Verbrauchsmaterial, ihr Reparaturzyklus ist lang und sie müssen in der Regel zur Aufbereitung an das Werk zurückgeschickt werden. Um eine kontinuierliche Produktion zu gewährleisten, müssen die Unternehmen Ersatz-Walzenmäntel vorhalten, und der Ersatz dieser Ersatz-Walzenmäntel und beschädigter Walzenmäntel stellt einen riesigen After-Sales-Markt dar; drittens der Verbrauch für technologische Upgrades, da einige ältere Anlagen von herkömmlichen geschweißten Walzenoberflächen auf Sinterkarbidstollen-Walzenoberflächen umgestellt werden, was ebenfalls einen zusätzlichen Bedarf an Sinterkarbid mit sich bringt.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sinterkarbid das wichtigste Material ist, um eine extrem lange Lebensdauer und hohe Betriebssicherheit in Hochdruck-Walzenmühlen zu erreichen. Sein Verbrauch ist eng mit der Marktexpansion von Hochdruck-Walzenmühlen verbunden, und beide weisen einen synchronen Wachstumstrend auf. Da die energiesparenden und verbrauchsreduzierenden Vorteile von Hochdruck-Walzenmühlen in der Industrie immer mehr an Bedeutung gewinnen und Hartmetallwerkstoffe in Bezug auf Verschleißfestigkeit, Schlagzähigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit weiter optimiert werden, wird erwartet, dass ihr Verbrauch im Bereich der Hochdruck-Walzenmühlen weiterhin stetig wachsen wird. Es sei darauf hingewiesen, dass eine genaue Berechnung des Sinterkarbidverbrauchs die Kombination präziser Daten erfordert, wie z. B. den Jahresumsatz von Hochdruck-Walzenmühlen, den Gerätebestand, das durchschnittliche Gewicht der Walzenmäntel und die Austauschrate. Gegenwärtig hat sich in diesem Bereich ein beträchtlicher und ständig wachsender spezialisierter Markt für den Sinterkarbidverbrauch gebildet.

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