Análisis de la aplicación de carburo cementado en molinos de rodillos de alta presión (HPGR)

Carburo cementado es un material clave para los principales componentes resistentes al desgaste de los molinos de rodillos de alta presión (HPGR). Su nivel de aplicación y escala de consumo reflejan directamente la madurez de la tecnología HPGR y su penetración en el mercado. Este artículo combina las formas específicas de aplicación, los requisitos básicos de rendimiento y los últimos avances tecnológicos del carburo cementado en los HPGR para realizar cálculos y análisis multidimensionales de su consumo, proporcionando una referencia para el desarrollo de la industria.

I. Formas de aplicación del carburo cementado en molinos de rodillos de alta presión

En el diseño estructural de los molinos de rodillos de alta presión, el principal escenario de aplicación del carburo cementado es la fabricación de espárragos resistentes al desgaste (también conocidos como espárragos de carburo de tungsteno) y su incrustación en la superficie del manguito del rodillo (superficie del rodillo), formando una estructura de “superficie de rodillo de espárrago”. Esta estructura se ha convertido en la solución dominante para la tecnología de superficies de rodillos de molinos de rodillos de alta presión y está reconocida como la vía técnica más avanzada del sector.

(1) Formularios de solicitud y ventajas fundamentales

Los pernos de carburo de tungsteno cementado adoptan en su mayoría una estructura cilíndrica y se incrustan en la superficie del sustrato del manguito del rodillo en una disposición densa similar a una matriz mediante procesos como el ajuste por interferencia, el fraguado en caliente o la unión adhesiva. Durante el funcionamiento del equipo, el material en polvo fino rellena los huecos entre los pasadores de los rodillos a alta presión, formando una “almohadilla de material” que protege eficazmente el sustrato del manguito del rodillo del desgaste directo. Los pasadores de rodillo de carburo expuestos, con su alta dureza, soportan directamente la extrusión, el impacto y la abrasión del material.

En comparación con las superficies de rodillos soldadas tradicionales, la vida útil de las superficies de rodillos de metal duro mejora significativamente, aumentando más de 10 veces. En aplicaciones prácticas, las superficies de rodillos de carburo de Humboldt AG en Alemania tienen una vida útil real de aproximadamente 8.000 horas. En aplicaciones domésticas avanzadas, en condiciones de trituración de mineral de hierro, la vida útil diseñada de este tipo de superficies de rodillos ha alcanzado de 12.000 a 18.000 horas, lo que reduce significativamente los costes de mantenimiento por inactividad de los equipos.

(2) Requisitos de coincidencia del sustrato del manguito del rodillo

El rendimiento de los pasadores de rodillo de carburo está estrechamente relacionado con el rendimiento del material del sustrato del manguito de rodillo. El sustrato debe poseer una resistencia a la compresión y al desgaste suficientemente elevadas para proporcionar un soporte estable a los pasadores de rodillo y resistir al mismo tiempo la abrasión del material. Investigaciones relacionadas indican que los manguitos de rodillo fabricados con acero de alta resistencia al desgaste de la serie Fe-C-V-Mo-Cr, producidos mediante fundición centrífuga y posterior tratamiento térmico, presentan una resistencia al desgaste de 3 a 15 veces superior a la de la fundición ordinaria de alto cromo. Esto satisface plenamente los requisitos de trabajo de los espárragos de metal duro, garantizando que no se caigan ni se aflojen. Además, algunas investigaciones de la industria han explorado el uso de un proceso de fundición por inserción, fundiendo directamente bolas de carburo en una matriz de fundición resistente al desgaste o de fundición dúctil bainítica para formar una estructura de superficie de rodillo compuesta, mejorando aún más la resistencia general al desgaste de la superficie del rodillo.

II. Requisitos de rendimiento de los materiales y progreso tecnológico de los espárragos de metal duro

Como componente central de los molinos de rodillos de alta presión que soporta directamente el desgaste, el rendimiento del material de los espárragos de carburo determina directamente la vida útil de la superficie del rodillo, la estabilidad del funcionamiento del equipo y la eficiencia económica general. Por lo tanto, se imponen requisitos estrictos sobre su rendimiento, y la industria está promoviendo continuamente la optimización tecnológica relacionada.

(1) Composición del material y problemas de aplicación

En la actualidad, el principal material para los espárragos de metal duro utilizados en los molinos de rodillos de alta presión es el carburo de tungsteno-cobalto (WC-Co). En las aplicaciones prácticas, existe un reto técnico fundamental: para evitar la rotura prematura de los espárragos bajo altas cargas de presión e impacto, deben seleccionarse calidades con mayor contenido de cobalto. Sin embargo, el aumento del contenido de cobalto conduce a una disminución de la dureza del carburo cementado, sacrificando así su resistencia al desgaste, a la corrosión y a la fatiga térmica. Desde el punto de vista del mecanismo de desgaste microscópico, el desgaste de los espárragos se manifiesta principalmente como pérdida por lixiviación de la fase aglutinante del cobalto y desgaste abrasivo de la fase dura del WC por el material, factores ambos que afectan conjuntamente a la vida útil de los espárragos.

(2) Optimización del rendimiento y resultados prácticos

Para hacer frente a los retos de aplicación mencionados, la principal dirección de optimización en la industria se centra en el ajuste de la composición y la microestructura del carburo cementado. Al optimizar el tamaño del grano de WC, el contenido de WC y el tipo de fase aglutinante, se consigue un equilibrio entre la dureza y la tenacidad, mejorando así el rendimiento general de los espárragos. Los datos de las pruebas de campo a largo plazo muestran que los espárragos fabricados con carburo cementado con un tamaño de grano de WC medio (1,0-2,0 μm) y un bajo contenido de cobalto (5-9 vol.%) presentan una mejora de 27% en durabilidad en comparación con los espárragos convencionales, con una duración de las pruebas de 26.000 horas, lo que verifica la viabilidad de esta solución optimizada. Mientras tanto, la investigación y el desarrollo de tecnologías relacionadas están en curso, centrándose en el desarrollo de nuevos carburos cementados de tungsteno-cobalto que combinan alta dureza, alta resistencia, excelente resistencia al impacto, resistencia a la fatiga térmica y resistencia a la corrosión, ampliando aún más sus escenarios de aplicación.

(3) Exploración y aplicación de materiales alternativos

Además de los carburos cementados WC-Co tradicionales, la industria también está explorando la aplicación de materiales alternativos. Entre ellos, TiC-Los carburos cementados con base de acero de alto manganeso se han aplicado gradualmente a componentes estructurales resistentes al desgaste, como los manguitos de los molinos de rodillos de alta presión. Este tipo de material utiliza TiC como fase dura y acero de alto manganeso como fase aglutinante, y posee no sólo una buena resistencia al desgaste, sino también una excelente procesabilidad y rentabilidad, adecuada para algunas condiciones de carga media a baja. Actualmente, la demanda del mercado muestra una tendencia gradual al alza.

III. Análisis y estimación del consumo de carburo

La estimación del consumo de carburo en los molinos de rodillos de alta presión es muy compleja, ya que su escala de consumo está directamente relacionada con múltiples factores, como la capacidad instalada de los molinos de rodillos de alta presión, las especificaciones de los equipos, las condiciones de funcionamiento, los parámetros de diseño de los pasadores y el ciclo de sustitución. A continuación se ofrece una estimación y un análisis preliminares de su consumo desde cuatro dimensiones: impulsores del mercado, consumo de una sola máquina, estudios de casos y estructura del consumo.

(1) Impulsores del mercado y base de escala

La adopción generalizada de molinos de rodillos de alta presión en las minas de metal (especialmente en la extracción y procesamiento de mineral de hierro) y en la industria cementera es la principal fuerza impulsora del crecimiento del consumo de carburo. Estos equipos poseen importantes ventajas de ahorro energético y reducción del consumo, ahorrando 20%-35% de electricidad y reduciendo el consumo de acero en más de 60% en comparación con los equipos de trituración tradicionales, lo que se ajusta a las necesidades de desarrollo ecológico de la industria e impulsa un aumento continuo de la capacidad instalada. En la actualidad, las empresas nacionales han logrado grandes avances en las tecnologías básicas de los molinos de rodillos de alta presión, sustituyendo con éxito a los equipos importados. Esto significa que las instalaciones de nuevos equipos y las sustituciones de manguitos de rodillos de equipos existentes en el mercado nacional impulsarán directamente el crecimiento del consumo de pasadores de carburo de producción nacional, proporcionando una base de mercado estable para el consumo de carburo.

(2) Estimación del consumo por unidad

2.1. Número y peso de los espárragos de carburo: Un solo molino de rodillos de alta presión está equipado con dos camisas de rodillos, cada una de las cuales requiere miles o decenas de miles de espárragos de carburo incrustados en su superficie. El diámetro, la altura y la densidad de disposición de los espárragos deben personalizarse en función de las especificaciones del equipo y las propiedades de los materiales procesados (dureza, tamaño de las partículas, etc.). Por ejemplo, en algunas aplicaciones, el diámetro de las bolas de carburo (variantes de espárragos) oscila entre 10 y 25 mm. El peso de un solo espárrago varía considerablemente, de varios cientos de gramos a varios kilogramos; por lo tanto, la cantidad total de carburo necesaria para la incrustación inicial de una sola unidad puede alcanzar varias toneladas.

2.2. Ciclo de sustitución y frecuencia de consumo: Los espárragos de carburo no son elementos consumibles; su vida útil está sincronizada con la del manguito de rodillo en su conjunto. Bajo el concepto de diseño “libre de mantenimiento”, los espárragos y el sustrato del manguito del rodillo se ajustan con interferencia para garantizar que los espárragos no se caigan durante el funcionamiento. El manguito de rodillo completo (incluidos todos los espárragos de carburo incrustados) debe sustituirse cuando los espárragos se desgastan hasta una altura residual de aproximadamente 8 mm y falla toda la unidad. Esto significa que dentro de las 8.000-18.000 horas de vida útil del manguito del rodillo, los espárragos de carburo cementado no se sustituyen individualmente; el consumo se basa en el “conjunto del manguito del rodillo”. Si se adopta un diseño que permita la sustitución individual de los espárragos, la frecuencia de consumo de carburo cementado aumentará significativamente.

(III) Cálculo indirecto basado en casos de aplicación

Basándose en casos de aplicación práctica, en condiciones de trituración de mineral de hierro con un coeficiente de dureza Protodyakonov f=14-16, la vida útil de la superficie del rodillo de espárragos de carburo cementado puede alcanzar las 8.000 horas; con un diseño optimizado y condiciones de funcionamiento estables, la vida útil puede aumentar hasta las 18.000 horas. Suponiendo que una planta de minería y beneficio a gran escala funcione continuamente con aproximadamente 8.000 horas de funcionamiento al año, el ciclo de sustitución del manguito del rodillo (incluidos los espárragos de carburo cementado) es de aproximadamente 1-2 años. Con el creciente uso de molinos de rodillos de alta presión en más minas y plantas de cemento, el número de componentes de equipos recién añadidos y la sustitución de los manguitos de rodillos de los equipos existentes aumentan constantemente, lo que constituye una demanda estable de carburo cementado.

(IV) Análisis de la estructura de consumo

La estructura del consumo de carburo cementado en el campo de los molinos de rodillos de alta presión incluye principalmente tres aspectos: En primer lugar, el consumo de adecuación de nuevos equipos, es decir, el consumo generado cuando se envían nuevos molinos de rodillos de alta presión, con espárragos de carburo cementado incrustados en los manguitos de los rodillos; en segundo lugar, el consumo de sustitución postventa, ya que los manguitos de los rodillos son consumibles, su ciclo de reparación es largo y normalmente deben devolverse a la fábrica para su procesamiento. Para garantizar una producción continua, las empresas necesitan reservar manguitos de rodillos de repuesto, y la sustitución de estos manguitos de rodillos de repuesto y manguitos de rodillos dañados constituye un enorme mercado de consumo postventa; en tercer lugar, el consumo de actualización tecnológica, ya que algunos equipos antiguos se actualizan de superficies de rodillos soldadas tradicionales a superficies de rodillos de espárragos de carburo cementado, lo que también trae consigo una demanda adicional de consumo de carburo cementado.

Resumen

En resumen, el carburo cementado es el material de soporte principal para lograr una vida útil ultra larga y una alta fiabilidad operativa en los molinos de rodillos de alta presión. Su consumo está profundamente ligado a la expansión del mercado de los molinos de rodillos de alta presión, y ambos muestran una tendencia de crecimiento sincronizado. A medida que las ventajas de ahorro de energía y reducción de consumo de los molinos de rodillos de alta presión se hacen más prominentes en la industria, y como los materiales de carburo cementado siguen siendo optimizados en términos de resistencia al desgaste, resistencia al impacto y resistencia a la fatiga térmica, se espera que su consumo en el campo de los molinos de rodillos de alta presión mantenga un crecimiento constante. Cabe señalar que el cálculo preciso del consumo de carburo cementado requiere la combinación de datos precisos como las ventas anuales de molinos de rodillos de alta presión, el inventario de equipos, el peso medio de los manguitos de los rodillos y la tasa de sustitución. Actualmente, este campo ha formado un mercado de consumo especializado de carburo cementado considerable y en continuo crecimiento.

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