Analisi dell'applicazione del carburo cementato nei mulini a rulli ad alta pressione (HPGR)

Metallo duro cementato è un materiale chiave per i componenti principali resistenti all'usura dei mulini a rulli ad alta pressione (HPGR). Il suo livello di applicazione e la scala di consumo riflettono direttamente la maturità della tecnologia HPGR e la sua penetrazione nel mercato. Questo articolo combina le forme di applicazione specifiche, i requisiti di prestazione fondamentali e gli ultimi progressi tecnologici del carburo cementato negli HPGR per condurre calcoli e analisi multidimensionali del suo consumo, fornendo un riferimento per lo sviluppo del settore.

I. Forme di applicazione del nucleo del carburo cementato nei mulini a rulli ad alta pressione

Nella progettazione strutturale di mulini a rulli ad alta pressione, il principale scenario applicativo del carburo cementato è la fabbricazione di perni resistenti all'usura (noti anche come perni in carburo di tungsteno) e il loro inserimento nella superficie del manicotto del rullo (superficie del rullo), formando una struttura a “superficie del rullo perno”. Questa struttura è diventata la soluzione principale per la tecnologia della superficie dei rulli dei mulini a rulli ad alta pressione ed è riconosciuta come il percorso tecnico più avanzato del settore.

(1) Moduli di domanda e vantaggi fondamentali

I perni in carburo cementato adottano per lo più una struttura cilindrica e sono incorporati nella superficie del substrato della bussola a rulli in una disposizione densa simile a una matrice, attraverso processi quali l'accoppiamento per interferenza, l'indurimento a caldo o l'incollaggio. Durante il funzionamento dell'apparecchiatura, il materiale in polvere fine riempie gli spazi tra i perni dei rulli ad alta pressione, formando un “cuscinetto di materiale” che protegge efficacemente il substrato della bussola a rulli dall'usura diretta. I perni dei rulli in carburo esposti, con la loro elevata durezza, resistono direttamente all'estrusione, all'impatto e all'abrasione del materiale.

Rispetto alle tradizionali superfici a rulli saldate, la durata delle superfici a rulli in metallo duro è notevolmente migliorata, aumentando di oltre 10 volte. Nelle applicazioni pratiche, le superfici a rulli in carburo della Humboldt AG in Germania hanno una durata effettiva di circa 8.000 ore. Nelle applicazioni domestiche più avanzate, in condizioni di frantumazione del minerale di ferro, la durata progettata di questo tipo di superficie a rulli ha raggiunto le 12.000-18.000 ore, riducendo in modo significativo i costi di manutenzione per i tempi di fermo delle apparecchiature.

(2) Requisiti di accoppiamento per il substrato del manicotto a rulli

Le prestazioni dei perni a rulli in carburo sono strettamente correlate alle prestazioni del materiale del substrato del manicotto a rulli. Il substrato deve possedere una resistenza alla compressione e all'usura sufficientemente elevata da fornire un supporto stabile per i perni a rulli, resistendo al contempo all'abrasione del materiale stesso. Ricerche correlate indicano che i manicotti a rulli in acciaio ad alta resistenza all'usura della serie Fe-C-V-Mo-Cr, prodotti mediante colata centrifuga e successivo trattamento termico, presentano una resistenza all'usura da 3 a 15 volte superiore a quella della normale ghisa ad alto tenore di cromo. Questo soddisfa pienamente i requisiti di lavoro dei perni in metallo duro, garantendo che non cadano o si allentino. Inoltre, alcune ricerche industriali hanno esplorato l'uso di un processo di colata di inserti, che prevede la colata diretta di sfere di carburo in una matrice di ghisa resistente all'usura o di ghisa duttile bainitica per formare una struttura composita della superficie del rullo, migliorando ulteriormente la resistenza complessiva all'usura della superficie del rullo.

II. Requisiti di prestazione dei materiali e progressi tecnologici delle viti prigioniere in metallo duro

Essendo un componente fondamentale dei mulini a rulli ad alta pressione che sopporta direttamente l'usura, le prestazioni del materiale dei perni in metallo duro determinano direttamente la durata della superficie del rullo, la stabilità del funzionamento dell'apparecchiatura e l'efficienza economica complessiva. Pertanto, le loro prestazioni sono soggette a requisiti rigorosi e l'industria promuove continuamente l'ottimizzazione tecnologica.

(1) Composizione del materiale e sfide applicative

Attualmente, il materiale principale per i perni in metallo duro utilizzati nei mulini a rulli ad alta pressione è il carburo di tungsteno-cobalto (WC-Co). Nelle applicazioni pratiche, esiste una sfida tecnica fondamentale: per evitare la rottura prematura dei perni sotto pressione e carichi d'urto elevati, è necessario scegliere gradi con un contenuto di cobalto più elevato. Tuttavia, l'aumento del contenuto di cobalto porta a una diminuzione della durezza del carburo cementato, sacrificando così la sua resistenza all'usura, alla corrosione e alla fatica termica. Dal punto di vista del meccanismo di usura microscopico, l'usura del perno si manifesta principalmente come perdita di lisciviazione della fase legante del cobalto e usura abrasiva della fase dura del WC da parte del materiale, entrambe le quali influiscono congiuntamente sulla vita utile del perno.

(2) Indicazioni per l'ottimizzazione delle prestazioni e risultati pratici

Per affrontare le sfide applicative di cui sopra, la direzione principale dell'ottimizzazione nel settore si concentra sulla regolazione della composizione e della microstruttura del carburo cementato. Ottimizzando la granulometria del WC, il contenuto di WC e il tipo di fase legante, si ottiene un equilibrio tra durezza e tenacità, migliorando così le prestazioni complessive dei perni. I dati delle prove sul campo a lungo termine mostrano che i perni in carburo cementato con granulometria media del WC (1,0-2,0 μm) e basso contenuto di cobalto (5-9 vol.%) presentano un miglioramento della durata di 27% rispetto ai perni convenzionali, con una durata di prova di 26.000 ore, verificando la fattibilità di questa soluzione ottimizzata. Nel frattempo, sono in corso ricerche e sviluppi tecnologici correlati, incentrati sullo sviluppo di nuovi carburi cementati di tungsteno-cobalto che combinano elevata durezza, alta resistenza, eccellente resistenza agli urti, resistenza alla fatica termica e resistenza alla corrosione, ampliando ulteriormente i loro scenari di applicazione.

(3) Esplorazione e applicazione di materiali alternativi

Oltre ai tradizionali carburi cementati WC-Co, l'industria sta esplorando l'applicazione di materiali alternativi. Tra questi, TiC-I carburi cementati a base di acciaio ad alto tenore di manganese sono stati gradualmente applicati a componenti strutturali resistenti all'usura, come i manicotti dei mulini a rulli ad alta pressione. Questo tipo di materiale utilizza il TiC come fase dura e l'acciaio ad alto tenore di manganese come fase legante, possedendo non solo una buona resistenza all'usura, ma anche un'eccellente lavorabilità ed economicità, adatta ad alcune condizioni di carico medio-basso. Attualmente, la domanda del mercato sta mostrando una graduale tendenza alla crescita.

III. Analisi e stima del consumo di carburo

La stima del consumo di carburo nei mulini a rulli ad alta pressione è molto complessa, in quanto la sua scala di consumo è direttamente correlata a molteplici fattori, tra cui la capacità installata dei mulini a rulli ad alta pressione, le specifiche delle apparecchiature, le condizioni operative, i parametri di progettazione dei perni e il ciclo di sostituzione. Di seguito viene fornita una stima e un'analisi preliminare del suo consumo da quattro punti di vista: driver di mercato, consumo di una singola macchina, casi di studio e struttura del consumo.

(1) Driver di mercato e base di scala

L'adozione diffusa di mulini a rulli ad alta pressione nelle miniere di metalli (in particolare l'estrazione e la lavorazione del minerale di ferro) e nell'industria del cemento è la principale forza trainante della crescita del consumo di carburo. Queste apparecchiature presentano notevoli vantaggi in termini di risparmio energetico e riduzione dei consumi, con un risparmio di 20%-35% di energia elettrica e una riduzione del consumo di acciaio di oltre 60% rispetto alle apparecchiature di frantumazione tradizionali, in linea con le esigenze di sviluppo ecologico del settore e con un continuo aumento della capacità installata. Attualmente, le imprese nazionali hanno raggiunto progressi nelle tecnologie di base per i mulini a rulli ad alta pressione, sostituendo con successo le attrezzature importate. Ciò significa che l'installazione di nuove attrezzature e la sostituzione dei manicotti a rulli esistenti nel mercato nazionale guideranno direttamente la crescita del consumo di perni in carburo di produzione nazionale, fornendo una base di mercato stabile per il consumo di carburo.

(2) Stima del consumo unitario

2.1. Numero e peso delle borchie in carburo: Un singolo mulino a rulli ad alta pressione è dotato di due manicotti a rulli, ciascuno dei quali richiede l'inserimento di migliaia o decine di migliaia di chiodi in carburo sulla sua superficie. Il diametro, l'altezza e la densità di disposizione delle borchie devono essere personalizzati in base alle specifiche dell'apparecchiatura e alle proprietà dei materiali lavorati (durezza, dimensione delle particelle, ecc.). Ad esempio, in alcune applicazioni, il diametro delle sfere di carburo (varianti di chiodi) varia da 10 a 25 mm. Il peso di un singolo perno varia notevolmente, da alcune centinaia di grammi a diversi chilogrammi; pertanto, la quantità totale di carburo necessaria per l'incorporazione iniziale di una singola unità può raggiungere diverse tonnellate.

2.2. Ciclo di sostituzione e frequenza di consumo: I perni in carburo non sono elementi consumabili; la loro vita utile è sincronizzata con quella dell'intera bussola a rulli. In base al concetto di progettazione “senza manutenzione”, i perni e il substrato della bussola a rulli sono fissati con interferenza per garantire che i perni non si stacchino durante il funzionamento. L'intera bussola a rulli (compresi tutti i perni in carburo incorporati) deve essere sostituita quando i perni si consumano fino a un'altezza residua di circa 8 mm e l'intera unità si guasta. Ciò significa che, nell'arco di 8.000-18.000 ore di vita del manicotto a rulli, i perni in carburo cementato non vengono sostituiti singolarmente; il consumo si basa sul “gruppo manicotto a rulli”. Se si adotta un design che consente la sostituzione dei singoli perni, la frequenza di consumo del carburo cementato aumenterà in modo significativo.

(III) Calcolo indiretto basato su casi di applicazione

Sulla base di casi pratici, in condizioni di frantumazione del minerale di ferro con un coefficiente di durezza Protodyakonov f=14-16, la durata della superficie del rullo del perno in carburo cementato può raggiungere le 8.000 ore; in condizioni di progettazione ottimizzata e di condizioni operative stabili, la durata può essere aumentata a 18.000 ore. Supponendo che un impianto di estrazione e di beneficenza su larga scala operi ininterrottamente con circa 8.000 ore di funzionamento all'anno, il ciclo di sostituzione del manicotto del rullo (compresi i perni in carburo cementato) è di circa 1-2 anni. Con l'aumento dell'uso di mulini a rulli ad alta pressione in un maggior numero di miniere e cementifici, il numero di nuovi componenti delle attrezzature e la sostituzione dei manicotti a rulli delle attrezzature esistenti sono in costante aumento, costituendo una domanda stabile di carburo cementato.

(IV) Analisi della struttura dei consumi

La struttura del consumo di carburo cementato nel settore dei mulini a rulli ad alta pressione comprende principalmente tre aspetti: In primo luogo, il consumo per l'abbinamento di nuove attrezzature, cioè il consumo generato quando vengono spediti nuovi mulini a rulli ad alta pressione, con perni in carburo cementato incorporati nei manicotti dei rulli; in secondo luogo, il consumo per la sostituzione post-vendita, poiché i manicotti dei rulli sono materiali di consumo, il loro ciclo di riparazione è lungo e di solito devono essere restituiti alla fabbrica per la lavorazione. Per garantire una produzione continua, le imprese devono riservare manicotti a rulli di ricambio, e la sostituzione di questi manicotti a rulli di ricambio e di quelli danneggiati costituisce un enorme mercato di consumo post-vendita; terzo, il consumo di aggiornamento tecnologico, in quanto alcune vecchie apparecchiature passano dalle tradizionali superfici dei rulli saldate alle superfici dei rulli con perni in carburo cementato, il che comporta un'ulteriore domanda di consumo di carburo cementato.

Sintesi

In sintesi, il carburo cementato è il materiale di supporto fondamentale per ottenere una lunghissima durata e un'elevata affidabilità operativa nei mulini a rulli ad alta pressione. Il suo consumo è profondamente legato all'espansione del mercato dei mulini a rulli ad alta pressione ed entrambi mostrano una tendenza alla crescita sincrona. Con l'aumento dei vantaggi dei mulini a rulli ad alta pressione in termini di risparmio energetico e riduzione dei consumi e con la continua ottimizzazione dei materiali in carburo cementato in termini di resistenza all'usura, agli urti e alla fatica termica, il suo consumo nel settore dei mulini a rulli ad alta pressione dovrebbe mantenere una crescita costante. Va notato che un calcolo accurato del consumo di carburo cementato richiede la combinazione di dati precisi come le vendite annuali di mulini a rulli ad alta pressione, l'inventario delle attrezzature, il peso medio delle maniche dei rulli e il tasso di sostituzione. Attualmente, questo settore ha formato un mercato specializzato del consumo di carburo cementato considerevole e in continua crescita.

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