Analiza zastosowania węglika spiekanego w wysokociśnieniowych młynach walcowych (HPGR)

Węglik spiekany jest kluczowym materiałem dla podstawowych elementów odpornych na zużycie w wysokociśnieniowych młynach walcowych (HPGR). Poziom jego zastosowania i skala zużycia bezpośrednio odzwierciedlają dojrzałość technologii HPGR i jej penetrację rynku. Niniejszy artykuł łączy w sobie konkretne formy zastosowania, podstawowe wymagania dotyczące wydajności i najnowsze osiągnięcia technologiczne węglika spiekanego w HPGR w celu przeprowadzenia wielowymiarowych obliczeń i analiz jego zużycia, stanowiąc punkt odniesienia dla rozwoju branży.

I. Podstawowe formy zastosowania węglika spiekanego w wysokociśnieniowych młynach walcowych

W projektowaniu konstrukcyjnym wysokociśnieniowych młynów walcowych, głównym scenariuszem zastosowania węglika spiekanego jest produkcja odpornych na zużycie kołków (znanych również jako kołki rozporowe z węglika wolframu) i ich osadzenie w powierzchni tulei walca (powierzchni walca), tworząc strukturę “powierzchni walca kołkowego”. Struktura ta stała się głównym rozwiązaniem dla technologii wysokociśnieniowej powierzchni walca młyna walcowego i jest uznawana za najbardziej zaawansowaną ścieżkę techniczną w branży.

(1) Formularze zgłoszeniowe i podstawowe zalety

Kołki z węglika spiekanego mają przeważnie cylindryczną strukturę i są osadzane na powierzchni podłoża tulei rolkowej w gęstym układzie przypominającym matrycę w procesach takich jak pasowanie z wciskiem, osadzanie na gorąco lub klejenie. Podczas pracy urządzenia, drobny materiał proszkowy wypełnia szczeliny między sworzniami rolek pod wysokim ciśnieniem, tworząc “podkładkę materiałową”, która skutecznie chroni podłoże tulei rolkowej przed bezpośrednim zużyciem. Odsłonięte sworznie rolkowe z węglików spiekanych, dzięki swojej wysokiej twardości, są bezpośrednio odporne na wytłaczanie, uderzenia i ścieranie materiału.

W porównaniu z tradycyjnymi spawanymi powierzchniami rolek, żywotność powierzchni rolek z węglików spiekanych jest znacznie lepsza i wzrasta ponad 10-krotnie. W praktycznych zastosowaniach, żywotność powierzchni rolek z węglików spiekanych Humboldt AG w Niemczech wynosi około 8000 godzin. W zaawansowanych zastosowaniach krajowych, w warunkach kruszenia rudy żelaza, projektowana żywotność tego typu powierzchni walców osiągnęła 12 000 do 18 000 godzin, znacznie zmniejszając koszty konserwacji przestojów sprzętu.

(2) Wymagania dotyczące dopasowania podłoża tulei rolkowej

Wydajność sworzni rolkowych z węglików spiekanych jest ściśle związana z wydajnością materiału podłoża tulei rolkowej. Podłoże musi mieć wystarczająco wysoką wytrzymałość na ściskanie i odporność na zużycie, aby zapewnić stabilne podparcie dla sworzni rolkowych, a jednocześnie być odporne na ścieranie materiału. Powiązane badania wskazują, że tuleje wałeczkowe wykonane z wysokowytrzymałej stali trudnościeralnej serii Fe-C-V-Mo-Cr, produkowane poprzez odlewanie odśrodkowe i późniejszą obróbkę cieplną, wykazują odporność na zużycie od 3 do 15 razy większą niż zwykłe żeliwo wysokochromowe. W pełni spełnia to wymagania robocze kołków z węglików spiekanych, zapewniając, że nie odpadną ani nie poluzują się. Co więcej, niektóre badania branżowe dotyczyły zastosowania procesu odlewania wkładek, polegającego na bezpośrednim odlewaniu kulek z węglików spiekanych do odpornego na zużycie żeliwa lub bainitycznej matrycy z żeliwa sferoidalnego w celu utworzenia kompozytowej struktury powierzchni wałka, co dodatkowo zwiększa ogólną odporność powierzchni wałka na zużycie.

II. Wymagania dotyczące wydajności materiałów i postęp technologiczny w zakresie kołków z węglików spiekanych

Jako podstawowy element wysokociśnieniowych młynów walcowych, który bezpośrednio podlega zużyciu, wydajność materiałowa kołków z węglików spiekanych bezpośrednio determinuje żywotność powierzchni walca, stabilność pracy sprzętu i ogólną efektywność ekonomiczną. W związku z tym stawiane są surowe wymagania dotyczące ich wydajności, a branża stale promuje związaną z tym optymalizację technologiczną.

(1) Skład materiału i wyzwania związane z zastosowaniem

Obecnie głównym materiałem na trzpienie z węglików spiekanych stosowanym w wysokociśnieniowych młynach walcowych jest węglik wolframowo-kobaltowy (WC-Co). W praktycznych zastosowaniach istnieje podstawowe wyzwanie techniczne: aby zapobiec przedwczesnemu pękaniu kołków pod wysokim ciśnieniem i obciążeniami udarowymi, należy wybrać gatunki o wyższej zawartości kobaltu. Zwiększenie zawartości kobaltu prowadzi jednak do zmniejszenia twardości węglika spiekanego, a tym samym do pogorszenia jego odporności na zużycie, korozję i zmęczenie cieplne. Z perspektywy mikroskopijnego mechanizmu zużycia, zużycie trzpieni objawia się głównie utratą fazy wiążącej kobaltu i zużyciem ściernym twardej fazy WC przez materiał, co łącznie wpływa na żywotność trzpieni.

(2) Kierunki optymalizacji wydajności i wyniki praktyczne

Aby sprostać powyższym wyzwaniom, główny kierunek optymalizacji w branży koncentruje się na dostosowaniu składu i mikrostruktury węglika spiekanego. Optymalizując wielkość ziaren WC, zawartość WC i rodzaj fazy wiążącej, uzyskuje się równowagę między twardością a wytrzymałością, poprawiając w ten sposób ogólną wydajność kołków. Dane z długoterminowych testów terenowych pokazują, że kołki wykonane z węglika spiekanego o średniej wielkości ziarna WC (1,0-2,0 μm) i niskiej zawartości kobaltu (5-9 vol.%) wykazują poprawę trwałości o 27% w porównaniu z konwencjonalnymi kołkami, przy czasie trwania testu wynoszącym 26 000 godzin, weryfikując wykonalność tego zoptymalizowanego rozwiązania. W międzyczasie trwają powiązane badania i rozwój technologii, koncentrujące się na opracowywaniu nowych węglików spiekanych wolframowo-kobaltowych, które łączą w sobie wysoką twardość, wysoką wytrzymałość, doskonałą odporność na uderzenia, odporność na zmęczenie cieplne i odporność na korozję, co dodatkowo rozszerza ich scenariusze zastosowań.

(3) Eksploracja i zastosowanie materiałów alternatywnych

Oprócz tradycyjnych węglików spiekanych WC-Co, branża bada również zastosowanie alternatywnych materiałów. Wśród nich, TiC-Bazujące na stali wysokomanganowej węgliki spiekane były stopniowo stosowane w odpornych na zużycie elementach konstrukcyjnych, takich jak tuleje wysokociśnieniowych młynów walcowych. Ten rodzaj materiału wykorzystuje TiC jako fazę twardą i stal wysokomanganową jako fazę wiążącą, charakteryzując się nie tylko dobrą odpornością na zużycie, ale także doskonałą przetwarzalnością i opłacalnością, odpowiednią do niektórych warunków średniego i niskiego obciążenia. Obecnie popyt rynkowy wykazuje stopniową tendencję wzrostową.

III. Analiza i szacowanie zużycia węglików spiekanych

Oszacowanie zużycia węglika spiekanego w wysokociśnieniowych młynach walcowych jest bardzo złożone, ponieważ skala jego zużycia jest bezpośrednio związana z wieloma czynnikami, w tym z zainstalowaną wydajnością wysokociśnieniowych młynów walcowych, specyfikacjami sprzętu, warunkami pracy, parametrami konstrukcyjnymi sworznia i cyklem wymiany. Poniżej przedstawiono wstępne szacunki i analizę jego zużycia w czterech wymiarach: czynniki rynkowe, zużycie w pojedynczych maszynach, studia przypadków i struktura zużycia.

(1) Czynniki napędzające rynek i podstawa skali

Powszechne zastosowanie wysokociśnieniowych młynów walcowych w kopalniach metali (zwłaszcza w wydobyciu i przetwarzaniu rudy żelaza) oraz w przemyśle cementowym jest główną siłą napędową wzrostu zużycia węglików spiekanych. Sprzęt ten posiada znaczące zalety w zakresie oszczędzania energii i zmniejszania zużycia, oszczędzając 20%-35% energii elektrycznej i zmniejszając zużycie stali o ponad 60% w porównaniu z tradycyjnym sprzętem do kruszenia, dostosowując się do potrzeb ekologicznego rozwoju branży i napędzając ciągły wzrost zainstalowanej mocy. Obecnie krajowe przedsiębiorstwa osiągnęły przełom w kluczowych technologiach dla wysokociśnieniowych młynów walcowych, z powodzeniem zastępując importowany sprzęt. Oznacza to, że nowe instalacje sprzętu i wymiana istniejących tulei walcowych na rynku krajowym będą bezpośrednio napędzać wzrost konsumpcji produkowanych w kraju sworzni z węglików spiekanych, zapewniając stabilne podstawy rynkowe dla konsumpcji węglików spiekanych.

(2) Oszacowanie zużycia na jednostkę

2.1. Liczba i waga kołków z węglików spiekanych: Pojedynczy wysokociśnieniowy młyn walcowy jest wyposażony w dwie tuleje walcowe, z których każda wymaga osadzenia na jej powierzchni od tysięcy do dziesiątek tysięcy kołków z węglików spiekanych. Średnica, wysokość i gęstość rozmieszczenia kołków muszą być dostosowane do specyfikacji sprzętu i właściwości przetwarzanych materiałów (twardość, wielkość cząstek itp.). Przykładowo, w niektórych zastosowaniach średnica kulek z węglików spiekanych (warianty kołków) wynosi od 10 do 25 mm. Waga pojedynczego kołka jest bardzo różna, od kilkuset gramów do kilku kilogramów; dlatego też całkowita ilość węglika wymagana do początkowego osadzenia pojedynczej jednostki może sięgać kilku ton.

2.2. Cykl wymiany i częstotliwość zużycia: Kołki z węglików spiekanych nie są materiałami eksploatacyjnymi; ich żywotność jest zsynchronizowana z żywotnością tulei rolkowej jako całości. Zgodnie z koncepcją “bezobsługowej” konstrukcji, kołki i podłoże tulei rolkowej są dopasowane interferencyjnie, aby zapewnić, że kołki nie wypadną podczas pracy. Cała tuleja rolkowa (w tym wszystkie osadzone kołki z węglików spiekanych) musi zostać wymieniona, gdy kołki zużyją się do wysokości około 8 mm, a cała jednostka ulegnie awarii. Oznacza to, że w okresie żywotności tulei rolkowej wynoszącym od 8000 do 18 000 godzin, kołki z węglika spiekanego nie są wymieniane pojedynczo; zużycie opiera się na “zespole tulei rolkowej”. Jeśli zostanie przyjęta konstrukcja umożliwiająca wymianę pojedynczych kołków, częstotliwość zużycia węglika spiekanego znacznie wzrośnie.

(III) Pośrednie obliczenia na podstawie przypadków zastosowania

W oparciu o praktyczne przypadki zastosowań, w warunkach kruszenia rudy żelaza o współczynniku twardości Protodiakonowa f=14-16, żywotność powierzchni walca z kołkami z węglika spiekanego może osiągnąć 8000 godzin; przy zoptymalizowanym projekcie i stabilnych warunkach pracy, żywotność można wydłużyć do 18 000 godzin. Zakładając, że duży zakład wydobywczy i wzbogacania działa nieprzerwanie przez około 8000 godzin pracy rocznie, cykl wymiany tulei wałka (w tym kołków z węglika spiekanego) wynosi około 1-2 lat. Wraz z rosnącym wykorzystaniem wysokociśnieniowych młynów walcowych w coraz większej liczbie kopalń i cementowni, liczba nowo dodawanych komponentów sprzętu i wymiana istniejących tulei rolkowych sprzętu stale rośnie, stanowiąc stabilny popyt na węglik spiekany.

(IV) Analiza struktury konsumpcji

Struktura zużycia węglika spiekanego w wysokociśnieniowych młynach walcowych obejmuje głównie trzy aspekty: Po pierwsze, zużycie związane z dopasowaniem nowego sprzętu, tj. zużycie generowane, gdy wysyłane są nowe wysokociśnieniowe młyny walcowe, z kołkami z węglika spiekanego osadzonymi w tulejach walcowych; po drugie, zużycie związane z wymianą posprzedażową, ponieważ tuleje walcowe są materiałami eksploatacyjnymi, ich cykl naprawy jest długi i zwykle muszą być zwracane do fabryki w celu przetworzenia. Aby zapewnić ciągłość produkcji, przedsiębiorstwa muszą rezerwować zapasowe tuleje rolkowe, a wymiana tych zapasowych tulei rolkowych i uszkodzonych tulei rolkowych stanowi ogromny rynek konsumpcji posprzedażnej; po trzecie, zużycie modernizacji technologicznej, ponieważ niektóre starsze urządzenia są modernizowane z tradycyjnych spawanych powierzchni rolek na powierzchnie rolek z kołkami z węglika spiekanego, co również powoduje dodatkowe zapotrzebowanie na węglik spiekany.

Podsumowanie

Podsumowując, węglik spiekany jest podstawowym materiałem wspierającym osiągnięcie bardzo długiej żywotności i wysokiej niezawodności operacyjnej w wysokociśnieniowych młynach walcowych. Jego zużycie jest ściśle powiązane z ekspansją rynkową wysokociśnieniowych młynów walcowych, a obie te tendencje wykazują synchroniczny trend wzrostowy. Ponieważ zalety wysokociśnieniowych młynów walcowych w zakresie oszczędzania energii i zmniejszania zużycia stają się coraz bardziej widoczne w branży, a materiały z węglika spiekanego są nadal optymalizowane pod względem odporności na zużycie, udarności i odporności na zmęczenie cieplne, oczekuje się, że ich zużycie w dziedzinie wysokociśnieniowych młynów walcowych utrzyma stały wzrost. Należy zauważyć, że dokładne obliczenie zużycia węglika spiekanego wymaga połączenia dokładnych danych, takich jak roczna sprzedaż wysokociśnieniowych młynów walcowych, zapasy sprzętu, średnia waga tulei walcowej i wskaźnik wymiany. Obecnie dziedzina ta stworzyła spory i stale rosnący specjalistyczny rynek zużycia węglika spiekanego.

Nasza firma znajduje się w pierwszej dziesiątce w Chinach Producent kołków HPGR. W przypadku zapotrzebowania na produkty z węglika spiekanego, prosimy o skontaktuj się z nami.