Análise da aplicação de carboneto cimentado em moinhos de rolos de alta pressão (HPGR)

Carboneto cimentado é um material essencial para os principais componentes resistentes ao desgaste dos moinhos de rolos de alta pressão (HPGR). O seu nível de aplicação e escala de consumo reflectem diretamente a maturidade da tecnologia HPGR e a sua penetração no mercado. Este artigo combina as formas de aplicação específicas, os principais requisitos de desempenho e os mais recentes avanços tecnológicos do carboneto cimentado em HPGRs para efetuar cálculos e análises multidimensionais do seu consumo, fornecendo uma referência para o desenvolvimento da indústria.

I. Formas de aplicação do carboneto cimentado em moinhos de rolos de alta pressão

Na conceção estrutural dos moinhos de rolos de alta pressão, o cenário de aplicação principal do carboneto cimentado é o fabrico de pinos resistentes ao desgaste (também conhecidos como pinos de carboneto de tungsténio) e a sua incorporação na superfície da manga do rolo (superfície do rolo), formando uma estrutura de “superfície do rolo de cavilha”. Esta estrutura tornou-se a solução principal para a tecnologia de superfície de rolos de moinho de rolos de alta pressão e é reconhecida como o caminho técnico mais avançado na indústria.

(1) Formulários de candidatura e vantagens principais

Os pinos de carboneto cimentado adoptam, na sua maioria, uma estrutura cilíndrica e são incorporados na superfície do substrato da manga do rolo numa disposição densa e semelhante a uma matriz, através de processos como o ajuste por interferência, a fixação a quente ou a ligação adesiva. Durante o funcionamento do equipamento, o material em pó fino preenche os espaços entre os pinos dos rolos sob alta pressão, formando uma “almofada de material” que protege eficazmente o substrato da manga de rolos do desgaste direto. Os pinos de rolo de carboneto expostos, com a sua elevada dureza, suportam diretamente a extrusão, o impacto e a abrasão do material.

Em comparação com as superfícies de rolos soldados tradicionais, a vida útil das superfícies de rolos de carboneto é significativamente melhorada, aumentando em mais de 10 vezes. Em aplicações práticas, as superfícies de rolos de carboneto da Humboldt AG na Alemanha têm uma vida útil efectiva de aproximadamente 8.000 horas. Em aplicações domésticas avançadas, em condições de trituração de minério de ferro, a vida útil projectada deste tipo de superfície de rolos atingiu 12.000 a 18.000 horas, reduzindo significativamente os custos de manutenção do equipamento.

(2) Requisitos de correspondência para o substrato da manga do rolo

O desempenho dos pinos de rolos de metal duro está intimamente relacionado com o desempenho do material do substrato da manga de rolos. O substrato deve possuir uma resistência à compressão e ao desgaste suficientemente elevada para proporcionar um suporte estável para os pinos de rolos, resistindo simultaneamente à abrasão do material. Estudos relacionados indicam que os casquilhos de rolos fabricados com aço de alta resistência ao desgaste da série Fe-C-V-Mo-Cr, produzidos através de fundição centrífuga e subsequente tratamento térmico, apresentam uma resistência ao desgaste 3 a 15 vezes superior à do ferro fundido comum com elevado teor de crómio. Isto satisfaz plenamente os requisitos de funcionamento dos pernos de carboneto, garantindo que não caem nem se soltam. Além disso, alguma investigação industrial explorou a utilização de um processo de fundição por inserção, fundindo diretamente esferas de carboneto num ferro fundido resistente ao desgaste ou numa matriz de ferro dúctil bainítico para formar uma estrutura de superfície de rolo composta, aumentando ainda mais a resistência global ao desgaste da superfície do rolo.

II. Requisitos de desempenho do material e progresso tecnológico dos pinos de metal duro

Como componente central dos moinhos de rolos de alta pressão que suporta diretamente o desgaste, o desempenho do material dos pinos de carboneto determina diretamente a vida útil da superfície do rolo, a estabilidade do funcionamento do equipamento e a eficiência económica global. Por conseguinte, são impostos requisitos rigorosos ao seu desempenho e a indústria está continuamente a promover a otimização tecnológica relacionada.

(1) Composição do material e desafios da aplicação

Atualmente, o principal material para pinos de carboneto utilizados em moinhos de rolos de alta pressão é o carboneto de tungsténio-cobalto (WC-Co). Nas aplicações práticas, existe um desafio técnico fundamental: para evitar a rutura prematura dos pernos sob alta pressão e cargas de impacto, devem ser selecionadas classes com maior teor de cobalto. No entanto, o aumento do teor de cobalto leva a uma diminuição da dureza do carboneto cimentado, sacrificando assim a sua resistência ao desgaste, resistência à corrosão e resistência à fadiga térmica. Do ponto de vista do mecanismo de desgaste microscópico, o desgaste dos pernos manifesta-se principalmente como perda de lixiviação da fase aglutinante de cobalto e desgaste abrasivo da fase dura do WC pelo material, sendo que ambos afectam conjuntamente a vida útil dos pernos.

(2) Direcções de otimização do desempenho e resultados práticos

Para enfrentar os desafios de aplicação acima referidos, a principal direção de otimização na indústria centra-se no ajuste da composição e microestrutura do carboneto cimentado. Ao otimizar a dimensão do grão de WC, o teor de WC e o tipo de fase ligante, consegue-se um equilíbrio entre a dureza e a tenacidade, melhorando assim o desempenho geral dos pernos. Os dados de testes de campo a longo prazo mostram que os pernos feitos de carboneto cimentado com tamanho de grão de WC médio (1,0-2,0 μm) e baixo teor de cobalto (5-9 vol.%) apresentam uma melhoria de 27% na durabilidade em comparação com os pernos convencionais, com uma duração de teste de 26.000 horas, verificando a viabilidade desta solução optimizada. Entretanto, a investigação e o desenvolvimento de tecnologias relacionadas estão em curso, centrando-se no desenvolvimento de novos carbonetos cimentados de tungsténio-cobalto que combinam elevada dureza, elevada resistência, excelente resistência ao impacto, resistência à fadiga térmica e resistência à corrosão, expandindo ainda mais os seus cenários de aplicação.

(3) Exploração e aplicação de materiais alternativos

Para além dos tradicionais carbonetos cimentados WC-Co, a indústria está também a explorar a aplicação de materiais alternativos. Entre eles, TiC-Os carbonetos cimentados à base de aço com alto teor de manganês têm sido gradualmente aplicados a componentes estruturais resistentes ao desgaste, tais como mangas de moinhos de rolos de alta pressão. Este tipo de material utiliza TiC como fase dura e aço com elevado teor de manganês como fase ligante, possuindo não só uma boa resistência ao desgaste, mas também uma excelente capacidade de processamento e uma boa relação custo-eficácia, adequada para algumas condições de carga média a baixa. Atualmente, a procura do mercado apresenta uma tendência de crescimento gradual.

III. Análise e estimativa do consumo de carboneto

A estimativa do consumo de carboneto nos moinhos de rolos de alta pressão é muito complexa, uma vez que a sua escala de consumo está diretamente relacionada com múltiplos factores, incluindo a capacidade instalada dos moinhos de rolos de alta pressão, as especificações do equipamento, as condições de funcionamento, os parâmetros de conceção dos pinos e o ciclo de substituição. Apresenta-se de seguida uma estimativa preliminar e uma análise do seu consumo em quatro dimensões: factores de mercado, consumo numa única máquina, estudos de caso e estrutura de consumo.

(1) Factores impulsionadores do mercado e base de escala

A adoção generalizada de moinhos de rolos de alta pressão nas minas de metal (especialmente na extração e transformação de minério de ferro) e na indústria do cimento é a principal força motriz do crescimento do consumo de carboneto. Este equipamento apresenta vantagens significativas em termos de poupança de energia e de redução do consumo, poupando 20%-35% de eletricidade e reduzindo o consumo de aço em mais de 60%, em comparação com o equipamento de trituração tradicional, o que corresponde às necessidades de desenvolvimento ecológico da indústria e impulsiona um aumento contínuo da capacidade instalada. Atualmente, as empresas nacionais conseguiram avanços nas tecnologias de base dos moinhos de rolos de alta pressão, substituindo com êxito o equipamento importado. Isto significa que as instalações de novos equipamentos e as substituições de mangas de rolos de equipamentos existentes no mercado nacional impulsionarão diretamente o crescimento do consumo de pinos de carboneto produzidos internamente, proporcionando uma base de mercado estável para o consumo de carboneto.

(2) Estimativa do consumo por unidade

2.1. Número e peso dos pinos de carboneto: Um único moinho de rolos de alta pressão está equipado com duas mangas de rolos, cada uma exigindo milhares a dezenas de milhares de pinos de carboneto a serem embutidos na sua superfície. O diâmetro, a altura e a densidade de disposição dos pinos precisam ser personalizados de acordo com as especificações do equipamento e as propriedades dos materiais processados (dureza, tamanho das partículas, etc.). Por exemplo, nalgumas aplicações, o diâmetro das esferas de carboneto (variantes de pernos) varia entre 10 e 25 mm. O peso de um único pino varia consideravelmente, de várias centenas de gramas a vários quilogramas; por conseguinte, a quantidade total de carboneto necessária para a incorporação inicial de uma única unidade pode atingir várias toneladas.

2.2. Ciclo de substituição e frequência de consumo: Os pernos de metal duro não são consumíveis; a sua vida útil está sincronizada com a da manga de rolos no seu todo. De acordo com o conceito de conceção “sem manutenção”, os pernos e o substrato da manga de rolos são encaixados por interferência para garantir que os pernos não caem durante o funcionamento. Toda a manga de rolos (incluindo todos os pernos de carboneto incorporados) tem de ser substituída quando os pernos se desgastam até uma altura residual de aproximadamente 8 mm e toda a unidade falha. Isto significa que, no período de vida útil de 8.000-18.000 horas da manga de rolo, os pernos de carboneto cimentado não são substituídos individualmente; o consumo baseia-se no “conjunto da manga de rolo”. Se for adoptada uma conceção que permita a substituição individual dos pernos, a frequência de consumo de carboneto cimentado aumentará significativamente.

(III) Cálculo indireto baseado em casos de aplicação

Com base em casos de aplicação prática, em condições de trituração de minério de ferro com um coeficiente de dureza Protodyakonov f=14-16, a vida útil da superfície do rolo de pinos de carboneto cimentado pode atingir 8.000 horas; com um design optimizado e condições de funcionamento estáveis, a vida útil pode ser aumentada para 18.000 horas. Partindo do princípio de que uma fábrica de extração mineira e de beneficiação em grande escala funciona continuamente com cerca de 8.000 horas de funcionamento por ano, o ciclo de substituição da manga do rolo (incluindo os pernos de carboneto cimentado) é de aproximadamente 1-2 anos. Com a crescente utilização de moinhos de rolos de alta pressão em mais minas e fábricas de cimento, o número de componentes de equipamento recentemente adicionados e a substituição de mangas de rolos de equipamento existente estão a aumentar constantemente, constituindo uma procura estável de carboneto cimentado.

(IV) Análise da estrutura do consumo

A estrutura de consumo de carboneto cimentado no sector dos moinhos de rolos de alta pressão inclui principalmente três aspectos: Em primeiro lugar, o consumo de novos equipamentos, ou seja, o consumo gerado quando são enviados novos moinhos de rolos de alta pressão, com pernos de carboneto cimentado embutidos nas mangas dos rolos; em segundo lugar, o consumo de substituição pós-venda, uma vez que as mangas dos rolos são consumíveis, o seu ciclo de reparação é longo e, normalmente, têm de ser devolvidas à fábrica para serem processadas. Para garantir a continuidade da produção, as empresas têm de reservar mangas de rolos sobresselentes e a substituição destas mangas de rolos sobresselentes e das mangas de rolos danificadas constitui um enorme mercado de consumo pós-venda; em terceiro lugar, o consumo de atualização tecnológica, uma vez que alguns equipamentos mais antigos passam das tradicionais superfícies de rolos soldados para superfícies de rolos com pernos de carboneto cimentado, o que também gera uma procura adicional de consumo de carboneto cimentado.

Resumo

Em resumo, o carboneto cimentado é o principal material de apoio para alcançar uma vida útil ultra-longa e uma elevada fiabilidade operacional nos moinhos de rolos de alta pressão. O seu consumo está profundamente ligado à expansão do mercado dos moinhos de rolos de alta pressão, e ambos apresentam uma tendência de crescimento sincronizado. À medida que as vantagens de poupança de energia e redução do consumo dos moinhos de rolos de alta pressão se tornam mais proeminentes na indústria, e à medida que os materiais de carboneto cimentado continuam a ser optimizados em termos de resistência ao desgaste, resistência ao impacto e resistência à fadiga térmica, espera-se que o seu consumo no campo dos moinhos de rolos de alta pressão mantenha um crescimento constante. É de salientar que o cálculo exato do consumo de carboneto cimentado requer a combinação de dados precisos, tais como as vendas anuais de moinhos de rolos de alta pressão, o inventário do equipamento, o peso médio das mangas dos rolos e a taxa de substituição. Atualmente, este campo formou um mercado especializado de consumo de carboneto cimentado considerável e em crescimento contínuo.

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