Analyse de l'application du carbure cémenté dans les broyeurs à rouleaux à haute pression (HPGR)

Carbure cémenté est un matériau essentiel pour les principaux composants résistants à l'usure des broyeurs à rouleaux à haute pression (HPGR). Son niveau d'application et son échelle de consommation reflètent directement la maturité de la technologie HPGR et sa pénétration du marché. Cet article combine les formes d'application spécifiques, les exigences de performance de base et les dernières avancées technologiques du carbure cémenté dans les broyeurs à haute pression pour effectuer des calculs et des analyses multidimensionnels de sa consommation, fournissant ainsi une référence pour le développement de l'industrie.

I. Formes d'application du carbure cémenté dans les broyeurs à haute pression

Dans la conception structurelle des broyeurs à rouleaux à haute pression, le principal scénario d'application du carbure cémenté est la fabrication de goujons résistants à l'usure (également connus sous le nom de "goujons"). goujons en carbure de tungstène) et leur encastrement dans la surface du manchon du rouleau (surface du rouleau), formant ainsi une structure de “surface de rouleau à goujons”. Cette structure est devenue la solution la plus courante pour la technologie de surface des rouleaux des broyeurs à haute pression et est reconnue comme la voie technique la plus avancée de l'industrie.

(1) Formulaires de demande et avantages principaux

Les goujons en carbure cémenté adoptent généralement une structure cylindrique et sont incorporés dans la surface du substrat du manchon de rouleau dans une disposition dense et matricielle par des processus tels que l'ajustement serré, la fixation à chaud ou le collage. Pendant le fonctionnement de l'équipement, une fine poudre remplit sous haute pression les espaces entre les axes des galets, formant un “tampon de matériau” qui protège efficacement le substrat du manchon de galet de l'usure directe. Les axes de galets en carbure exposés, avec leur dureté élevée, résistent directement à l'extrusion, à l'impact et à l'abrasion du matériau.

Par rapport aux surfaces de rouleaux soudées traditionnelles, la durée de vie des surfaces de rouleaux en carbure est considérablement améliorée, puisqu'elle est multipliée par plus de 10. Dans les applications pratiques, les surfaces de rouleaux en carbure de Humboldt AG en Allemagne ont une durée de vie réelle d'environ 8 000 heures. Dans des applications nationales avancées, dans des conditions de broyage de minerai de fer, la durée de vie prévue de ce type de surface de rouleau a atteint 12 000 à 18 000 heures, ce qui réduit considérablement les coûts d'entretien et d'immobilisation de l'équipement.

(2) Exigences de correspondance pour le substrat du manchon du rouleau

Les performances des axes à rouleaux en carbure sont étroitement liées aux performances du matériau de support du manchon à rouleaux. Le substrat doit posséder une résistance à la compression et à l'usure suffisamment élevée pour fournir un support stable aux axes de galets tout en résistant lui-même à l'abrasion du matériau. Des recherches connexes indiquent que les manchons de rouleaux fabriqués en acier résistant à l'usure de la série Fe-C-V-Mo-Cr, produit par coulée centrifuge et traitement thermique ultérieur, présentent une résistance à l'usure 3 à 15 fois supérieure à celle de la fonte ordinaire à haute teneur en chrome. Cela répond parfaitement aux exigences de fonctionnement des goujons en carbure, garantissant qu'ils ne se détachent pas ou ne se desserrent pas. En outre, certaines recherches industrielles ont exploré l'utilisation d'un processus de moulage par insertion, en coulant directement des billes de carbure dans une matrice de fonte résistante à l'usure ou de fonte ductile bainitique pour former une structure de surface de rouleau composite, ce qui améliore encore la résistance globale à l'usure de la surface du rouleau.

II. Exigences en matière de performance des matériaux et progrès technologique des goujons en carbure

En tant que composant central des broyeurs à rouleaux à haute pression qui supporte directement l'usure, les performances des goujons en carbure déterminent directement la durée de vie de la surface des rouleaux, la stabilité du fonctionnement de l'équipement et l'efficacité économique globale. C'est pourquoi des exigences strictes sont imposées à leurs performances, et l'industrie promeut continuellement l'optimisation technologique correspondante.

(1) Composition des matériaux et défis liés à l'application

Actuellement, le matériau le plus courant pour les goujons en carbure utilisés dans les broyeurs à rouleaux à haute pression est le carbure de tungstène et de cobalt (WC-Co). Dans les applications pratiques, il existe un défi technique majeur : pour éviter la rupture prématurée des goujons sous des pressions élevées et des charges d'impact, il faut choisir des qualités ayant une teneur en cobalt plus élevée. Cependant, l'augmentation de la teneur en cobalt entraîne une diminution de la dureté du carbure cémenté, sacrifiant ainsi sa résistance à l'usure, à la corrosion et à la fatigue thermique. Du point de vue du mécanisme d'usure microscopique, l'usure des goujons se manifeste principalement par la perte par lixiviation de la phase liante du cobalt et par l'usure abrasive de la phase dure du WC par le matériau, ces deux phénomènes affectant conjointement la durée de vie des goujons.

(2) Orientations pour l'optimisation des performances et résultats pratiques

Pour relever les défis d'application susmentionnés, l'orientation principale de l'optimisation dans l'industrie se concentre sur l'ajustement de la composition et de la microstructure du carbure cémenté. En optimisant la taille des grains de WC, la teneur en WC et le type de phase du liant, on obtient un équilibre entre la dureté et la ténacité, ce qui améliore les performances globales des goujons. Les données d'essais à long terme sur le terrain montrent que les goujons fabriqués en carbure cémenté avec une taille de grain WC moyenne (1,0-2,0 μm) et une faible teneur en cobalt (5-9 vol.%) présentent une amélioration de 27% en termes de durabilité par rapport aux goujons conventionnels, avec une durée d'essai de 26 000 heures, vérifiant ainsi la faisabilité de cette solution optimisée. Parallèlement, la recherche et le développement de technologies connexes se poursuivent et se concentrent sur la mise au point de nouveaux carbures cémentés tungstène-cobalt qui combinent une dureté et une résistance élevées, une excellente résistance aux chocs, une résistance à la fatigue thermique et une résistance à la corrosion, ce qui élargit encore leurs scénarios d'application.

(3) Exploration et application de matériaux alternatifs

Outre les carbures cémentés WC-Co traditionnels, l'industrie explore également l'application de matériaux alternatifs. Parmi ces matériaux, citons, TiC-Les carbures cémentés liés à l'acier à haute teneur en manganèse à base de TiC ont été progressivement appliqués à des composants structurels résistants à l'usure tels que les manchons de broyeurs à rouleaux à haute pression. Ce type de matériau utilise le TiC comme phase dure et l'acier à haute teneur en manganèse comme phase liante. Il possède non seulement une bonne résistance à l'usure, mais aussi une excellente aptitude au traitement et un bon rapport coût-efficacité, ce qui le rend adapté à certaines conditions de charge moyenne à faible. Actuellement, la demande du marché affiche une tendance progressive à la hausse.

III. Analyse et estimation de la consommation de carbure

L'estimation de la consommation de carbure dans les broyeurs à haute pression est très complexe, car l'échelle de consommation est directement liée à de multiples facteurs, notamment la capacité installée des broyeurs à haute pression, les spécifications de l'équipement, les conditions de fonctionnement, les paramètres de conception des broches et le cycle de remplacement. Les paragraphes suivants présentent une estimation et une analyse préliminaires de sa consommation sous quatre angles : les moteurs du marché, la consommation d'une seule machine, les études de cas et la structure de la consommation.

(1) Les moteurs du marché et les fondements de l'échelle

L'adoption généralisée des broyeurs à rouleaux à haute pression dans les mines de métaux (en particulier l'extraction et le traitement du minerai de fer) et dans l'industrie du ciment est le principal moteur de la croissance de la consommation de carbure. Cet équipement présente d'importants avantages en termes d'économie d'énergie et de réduction de la consommation, permettant d'économiser 20%-35% d'électricité et de réduire la consommation d'acier de plus de 60% par rapport aux équipements de concassage traditionnels, ce qui répond aux besoins de l'industrie en matière de développement écologique et entraîne une augmentation continue de la capacité installée. Actuellement, les entreprises nationales ont réalisé des percées dans les technologies de base des broyeurs à rouleaux à haute pression, remplaçant avec succès les équipements importés. Cela signifie que l'installation de nouveaux équipements et le remplacement des manchons à rouleaux existants sur le marché national stimuleront directement la croissance de la consommation de goupilles en carbure produites dans le pays, fournissant ainsi une base de marché stable pour la consommation de carbure.

(2) Estimation de la consommation par unité

2.1. Nombre et poids des goujons en carbure : Un seul broyeur à rouleaux à haute pression est équipé de deux manchons de rouleaux, chacun nécessitant des milliers ou des dizaines de milliers de goujons en carbure à encastrer sur sa surface. Le diamètre, la hauteur et la densité des goujons doivent être personnalisés en fonction des spécifications de l'équipement et des propriétés des matériaux traités (dureté, taille des particules, etc.). Par exemple, dans certaines applications, le diamètre des billes de carbure (variantes des goujons) varie de 10 à 25 mm. Le poids d'un seul goujon varie considérablement, de plusieurs centaines de grammes à plusieurs kilogrammes ; par conséquent, la quantité totale de carbure nécessaire pour l'enrobage initial d'une seule unité peut atteindre plusieurs tonnes.

2.2. Cycle de remplacement et fréquence de consommation : Les goujons en carbure ne sont pas des articles consommables ; leur durée de vie est synchronisée avec celle du manchon à rouleaux dans son ensemble. Dans le cadre du concept de conception “sans entretien”, les goujons et le substrat du manchon à rouleaux sont ajustés par interférence pour garantir que les goujons ne tombent pas en cours de fonctionnement. L'ensemble du manchon à rouleaux (y compris tous les goujons en carbure encastrés) doit être remplacé lorsque les goujons s'usent jusqu'à une hauteur résiduelle d'environ 8 mm et que l'ensemble de l'unité tombe en panne. Cela signifie qu'au cours de la durée de vie de 8 000 à 18 000 heures du manchon à rouleaux, les goujons en carbure cémenté ne sont pas remplacés individuellement ; la consommation est basée sur “l'ensemble du manchon à rouleaux”. Si une conception permettant le remplacement individuel des goujons est adoptée, la fréquence de consommation du carbure cémenté augmentera de manière significative.

(III) Calcul indirect basé sur des cas d'application

Sur la base de cas d'application pratiques, dans des conditions de concassage de minerai de fer avec un coefficient de dureté de Protodyakonov f=14-16, la durée de vie de la surface du rouleau à goujons en carbure cimenté peut atteindre 8 000 heures ; dans une conception optimisée et des conditions d'exploitation stables, la durée de vie peut être portée à 18 000 heures. En supposant qu'une usine d'extraction et d'enrichissement à grande échelle fonctionne en continu avec environ 8 000 heures de fonctionnement par an, le cycle de remplacement du manchon du rouleau (y compris les goujons en carbure cémenté) est d'environ 1 à 2 ans. Avec l'utilisation croissante des broyeurs à rouleaux à haute pression dans un plus grand nombre de mines et de cimenteries, le nombre de nouveaux composants d'équipement et le remplacement des manchons de rouleaux des équipements existants sont en constante augmentation, ce qui constitue une demande stable pour le carbure cémenté.

(IV) Analyse de la structure de la consommation

La structure de la consommation de carbure cémenté dans le domaine des broyeurs à rouleaux à haute pression comprend principalement trois aspects : Premièrement, la consommation liée aux nouveaux équipements, c'est-à-dire la consommation générée lors de l'expédition de nouveaux broyeurs à rouleaux à haute pression, avec des goujons en carbure cémenté intégrés dans les manchons des rouleaux ; deuxièmement, la consommation liée au remplacement après-vente, car les manchons des rouleaux sont des consommables, leur cycle de réparation est long et ils doivent généralement être renvoyés à l'usine pour être transformés. Pour assurer une production continue, les entreprises doivent réserver des manchons de rouleaux de rechange, et le remplacement de ces manchons de rouleaux de rechange et des manchons de rouleaux endommagés constitue un énorme marché de consommation après-vente ; troisièmement, la consommation de mise à niveau technologique, car certains équipements plus anciens passent des surfaces de rouleaux soudées traditionnelles aux surfaces de rouleaux à goujons en carbure cémenté, ce qui entraîne également une demande supplémentaire de consommation de carbure cémenté.

Résumé

En résumé, le carbure cémenté est le matériau de base permettant d'obtenir une durée de vie extrêmement longue et une grande fiabilité opérationnelle dans les broyeurs à rouleaux à haute pression. Sa consommation est étroitement liée à l'expansion du marché des broyeurs à rouleaux à haute pression, et les deux affichent une tendance de croissance synchrone. À mesure que les avantages des broyeurs à haute pression en termes d'économie d'énergie et de réduction de la consommation gagnent en importance dans l'industrie et que les matériaux en carbure cémenté continuent d'être optimisés en termes de résistance à l'usure, de résistance aux chocs et de résistance à la fatigue thermique, sa consommation dans le domaine des broyeurs à haute pression devrait continuer à croître de manière régulière. Il convient de noter qu'un calcul précis de la consommation de carbure cémenté nécessite la combinaison de données précises telles que les ventes annuelles de broyeurs à rouleaux à haute pression, l'inventaire des équipements, le poids moyen des manchons de rouleaux et le taux de remplacement. Actuellement, ce domaine a formé un marché spécialisé de la consommation de carbure cémenté assez important et en croissance continue.

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