Анализ применения цементированного карбида в валковых мельницах высокого давления (HPGR)

Цементированный карбид является ключевым материалом для основных износостойких компонентов валковых мельниц высокого давления (HPGR). Уровень его применения и масштабы потребления напрямую отражают зрелость технологии HPGR и ее проникновение на рынок. Данная статья объединяет конкретные формы применения, основные требования к характеристикам и последние технологические достижения карбида цементита в HPGRs для проведения многомерных расчетов и анализа его потребления, обеспечивая ориентир для развития отрасли.

I. Основные формы применения цементированного карбида в валковых мельницах высокого давления

В конструкциях роликовых мельниц высокого давления основной сферой применения цементированного карбида является изготовление износостойких шпилек (также известных как шпильки из карбида вольфрама) и их встраивание в поверхность втулки ролика (поверхность ролика), образуя структуру “поверхность ролика-шпильки”. Эта структура стала основным решением для технологии поверхности роликов мельниц высокого давления и признана самым передовым техническим решением в отрасли.

(1) Формы заявлений и основные преимущества

Цементированные твердосплавные шпильки в основном имеют цилиндрическую структуру и встраиваются в поверхность подложки роликовой втулки в виде матрицы с плотным расположением посредством таких процессов, как интерференционная посадка, горячая посадка или клеевое соединение. Во время работы оборудования мелкодисперсный порошковый материал под высоким давлением заполняет зазоры между роликовыми штифтами, образуя “материальную прокладку”, которая эффективно защищает подложку роликовой втулки от прямого износа. Твердосплавные роликовые штифты, обладающие высокой твердостью, непосредственно противостоят экструзии, ударам и истиранию материала.

По сравнению с традиционными сварными роликовыми поверхностями срок службы твердосплавных роликовых поверхностей значительно увеличивается, более чем в 10 раз. В практическом применении твердосплавные роликовые поверхности немецкой компании Humboldt AG имеют фактический срок службы около 8 000 часов. В передовых отечественных приложениях, в условиях дробления железной руды, расчетный срок службы такого типа роликовых поверхностей достиг 12 000-18 000 часов, что значительно сокращает затраты на обслуживание оборудования при простоях.

(2) Требования к подложке для втулки ролика

Производительность твердосплавных роликовых штифтов тесно связана с характеристиками материала подложки роликовой втулки. Подложка должна обладать достаточно высокой прочностью на сжатие и износостойкостью, чтобы обеспечить стабильную опору для роликовых штифтов и при этом противостоять истиранию материала. Соответствующие исследования показывают, что роликовые втулки из высокопрочной износостойкой стали серии Fe-C-V-Mo-Cr, изготовленные методом центробежного литья и последующей термообработки, обладают износостойкостью в 3-15 раз выше, чем обычный высокохромистый чугун. Это полностью соответствует рабочим требованиям твердосплавных шпилек, гарантируя, что они не выпадут и не ослабнут. Кроме того, в некоторых отраслевых исследованиях изучается возможность использования процесса литья со вставкой, при котором твердосплавные шарики непосредственно отливаются в матрицу из износостойкого чугуна или бейнитного ковкого чугуна для формирования композитной структуры поверхности ролика, что еще больше повышает общую износостойкость поверхности ролика.

II. Требования к характеристикам материала и технологический прогресс твердосплавных шипов

Являясь основным компонентом валковых мельниц высокого давления, который непосредственно подвергается износу, характеристики материала твердосплавных шипов напрямую определяют срок службы поверхности валков, стабильность работы оборудования и общую экономическую эффективность. Поэтому к их характеристикам предъявляются строгие требования, а промышленность постоянно продвигает технологическую оптимизацию.

(1) Состав материала и проблемы применения

В настоящее время основным материалом для твердосплавных шпилек, используемых в валковых мельницах высокого давления, является карбид вольфрама-кобальта (WC-Co). В практическом применении существует основная техническая проблема: для предотвращения преждевременного разрушения шпилек при высоком давлении и ударных нагрузках необходимо выбирать марки с более высоким содержанием кобальта. Однако увеличение содержания кобальта приводит к снижению твердости цементированного карбида, в результате чего снижается его износостойкость, коррозионная стойкость и сопротивление термической усталости. С точки зрения микроскопического механизма износа, износ шпилек проявляется в основном как потеря кобальтовой связующей фазы и абразивный износ твердой фазы WC материалом, что в совокупности влияет на срок службы шпилек.

(2) Направления оптимизации производительности и практические результаты

Для решения вышеупомянутых прикладных задач основное направление оптимизации в промышленности сосредоточено на изменении состава и микроструктуры цементированного карбида. Оптимизируя размер зерна WC, содержание WC и тип связующей фазы, достигается баланс между твердостью и вязкостью, тем самым улучшая общие характеристики шпилек. Данные долгосрочных полевых испытаний показывают, что шпильки, изготовленные из цементированного карбида со средним размером зерна WC (1,0-2,0 мкм) и низким содержанием кобальта (5-9 об.%), демонстрируют повышение долговечности на 27% по сравнению с обычными шпильками при продолжительности испытаний 26 000 часов, что подтверждает целесообразность данного оптимизированного решения. В то же время продолжаются исследования и разработки соответствующих технологий, направленные на создание новых вольфрамо-кобальтовых цементированных карбидов, сочетающих высокую твердость, высокую прочность, отличную ударную вязкость, сопротивление термической усталости и коррозионную стойкость, что еще больше расширяет сферы их применения.

(3) Исследование и применение альтернативных материалов

Помимо традиционных цементированных карбидов WC-Co, промышленность также изучает возможности применения альтернативных материалов. Среди них, TiC-Цементированные карбиды на основе высокомарганцевой стали постепенно стали применяться для изготовления износостойких конструкционных элементов, таких как втулки роликовых мельниц высокого давления. Этот тип материала использует TiC в качестве твердой фазы и высокомарганцевую сталь в качестве связующей фазы, обладая не только хорошей износостойкостью, но и отличной технологичностью и экономичностью, подходящей для некоторых условий средней и низкой нагрузки. В настоящее время спрос на рынке демонстрирует постепенную тенденцию к росту.

III. Анализ и оценка потребления карбида

Оценка потребления твердого сплава в валковых мельницах высокого давления весьма сложна, поскольку масштабы его потребления напрямую зависят от множества факторов, включая установленную мощность валковых мельниц высокого давления, технические характеристики оборудования, условия эксплуатации, конструктивные параметры штифтов и цикл замены. Ниже приводится предварительная оценка и анализ его потребления по четырем параметрам: движущие силы рынка, потребление отдельными машинами, тематические исследования и структура потребления.

(1) Движущие силы рынка и основа для масштабирования

Широкое распространение валковых мельниц высокого давления на металлургических предприятиях (особенно при добыче и переработке железной руды) и в цементной промышленности является основной движущей силой роста потребления твердого сплава. Это оборудование обладает значительными преимуществами в плане энергосбережения и снижения потребления, позволяя экономить 20%-35% электроэнергии и сокращать расход стали более чем на 60% по сравнению с традиционным дробильным оборудованием, что соответствует потребностям отрасли в экологичном развитии и стимулирует постоянный рост установленной мощности. В настоящее время отечественные предприятия достигли прорыва в основных технологиях для валковых мельниц высокого давления, успешно заменив импортное оборудование. Это означает, что установка нового оборудования и замена существующих роликовых втулок на внутреннем рынке будет напрямую стимулировать рост потребления твердосплавных штифтов отечественного производства, обеспечивая стабильную рыночную основу для потребления твердого сплава.

(2) Оценка потребления на единицу продукции

2.1. Количество и вес твердосплавных шпилек: Одна валковая мельница высокого давления оснащена двумя роликовыми втулками, каждая из которых требует установки на ее поверхности от тысяч до десятков тысяч твердосплавных шпилек. Диаметр, высота и плотность расположения шпилек должны быть подобраны в соответствии с техническими характеристиками оборудования и свойствами обрабатываемых материалов (твердость, размер частиц и т. д.). Например, в некоторых случаях диаметр твердосплавных шариков (вариантов шпилек) варьируется в пределах 10-25 мм. Вес одной шпильки значительно варьируется - от нескольких сотен граммов до нескольких килограммов, поэтому общее количество твердого сплава, необходимого для первичного внедрения одной единицы, может достигать нескольких тонн.

2.2. Цикл замены и частота потребления: Твердосплавные шпильки не являются расходным материалом; срок их службы синхронизирован со сроком службы роликовой втулки в целом. В соответствии с концепцией “необслуживаемой” конструкции, шпильки и подложка роликовой втулки устанавливаются друг на друга, чтобы исключить их выпадение во время работы. Вся роликовая втулка (включая все встроенные твердосплавные шпильки) подлежит замене, когда шпильки изнашиваются до остаточной высоты около 8 мм и весь узел выходит из строя. Это означает, что в течение срока службы роликовой втулки, составляющего 8 000-18 000 часов, цементированные твердосплавные шпильки не заменяются по отдельности; их потребление осуществляется в “роликовой втулке в сборе”. Если будет принята конструкция, предусматривающая индивидуальную замену шпилек, частота использования карбида цемента значительно возрастет.

(III) Косвенный расчет на основе примеров применения

Исходя из практических примеров, в условиях дробления железной руды с коэффициентом твердости по Протодьяконову f=14-16 срок службы поверхности ролика с цементированным твердосплавным шипом может достигать 8 000 часов; при оптимизированной конструкции и стабильных условиях эксплуатации срок службы может быть увеличен до 18 000 часов. Если предположить, что крупный горно-обогатительный комбинат работает непрерывно, примерно 8 000 часов в год, то цикл замены втулки ролика (включая твердосплавные шпильки) составляет примерно 1-2 года. С увеличением числа шахт и цементных заводов, где используются валковые мельницы высокого давления, количество новых компонентов оборудования и замена роликовых втулок существующего оборудования постоянно увеличивается, что создает стабильный спрос на карбид цемента.

(IV) Анализ структуры потребления

Структура потребления карбида цемента в области валковых мельниц высокого давления в основном включает три аспекта: Во-первых, потребление при подборе нового оборудования, т.е. потребление, возникающее при поставке новых валковых мельниц высокого давления с цементированными карбидными шпильками, встроенными в роликовые втулки; во-вторых, потребление послепродажной замены, поскольку роликовые втулки являются расходным материалом, их ремонтный цикл длителен, и они обычно должны быть возвращены на завод для переработки. Для обеспечения непрерывного производства предприятиям необходимо резервировать запасные роликовые втулки, и замена этих запасных и поврежденных роликовых втулок представляет собой огромный рынок послепродажного потребления; в-третьих, технологическое обновление, поскольку некоторые старые оборудования переходят с традиционных сварных роликовых поверхностей на роликовые поверхности с цементированными карбидными шипами, что также вызывает дополнительный спрос на карбид цемента.

Резюме

Таким образом, цементированный карбид является основным вспомогательным материалом для достижения сверхдолгого срока службы и высокой эксплуатационной надежности валковых мельниц высокого давления. Его потребление тесно связано с расширением рынка валковых мельниц высокого давления, и оба показателя имеют синхронную тенденцию роста. Поскольку энергосберегающие и снижающие потребление преимущества валковых мельниц высокого давления становятся все более заметными в промышленности, а материалы из карбида цемента продолжают оптимизироваться с точки зрения износостойкости, ударопрочности и термоусталостной прочности, ожидается, что потребление этого материала в области валковых мельниц высокого давления будет стабильно расти. Следует отметить, что для точного расчета потребления карбида цемента необходимо сочетание точных данных, таких как годовой объем продаж валковых мельниц высокого давления, инвентаризация оборудования, средний вес втулки валка и скорость замены. В настоящее время в этой области сформировался значительный и постоянно растущий специализированный рынок потребления карбида цементита.

Наша компания входит в десятку крупнейших в Китае Производитель шпилек HPGR. Если вам нужны изделия из цементированного карбида, пожалуйста связаться с нами.