Odliatky z vysoko mangánovej ocele: Sprievodca čeľusťovým a nárazovým drvičom

Odliatky z vysoko mangánovej ocele sú nosnými materiálmi v drviacom priemysle a priemysle spracovania nerastov. Tieto komponenty odliate z austenitickej mangánovej ocele s obsahom mangánu zvyčajne medzi 11 a 14 percentami poskytujú kombináciu vlastností, ktorým sa žiadna iná komerčne dostupná zliatina nevyrovná pre aplikácie s intenzívnym rázovým drvením: sú relatívne mäkké pri prvej inštalácii, ale pri opakovanom nárazovom zaťažení dramaticky stvrdnú na povrchu, jav známy ako deformácia alebo deformácia. Toto povrchové vytvrdzovanie nastáva skôr počas prevádzky ako pred inštaláciou, čo znamená, že materiál nepretržite regeneruje svoj odolný povrch počas svojej životnosti za správnych prevádzkových podmienok.

Priamy záver pre každého, kto špecifikuje oceľové odliatky s vysokým obsahom mangánu, je tento: zliatina je štandardným a správnym materiálom pre odliatky z čeľusťových drvičov s vysokým obsahom mangánu a odliatkov z rázovej ocele s vysokým obsahom mangánu, pretože podmienky rázového napätia v oboch typoch drvičov sú presne tým, čo aktivuje mechanizmus mechanického kalenia, ktorý dáva materiálu výnimočnú životnosť pri opotrebovaní. V aplikáciách s nízkym rázom a prevažne abrazívnym opotrebením môžu iné materiály prekonať oceľ s vysokým obsahom mangánu, ale v čeľusťových a nárazových drvičoch, kde každý cyklus drvenia dodáva značnú tlakovú a nárazovú silu na opotrebiteľné časti, sú odliatky z vysokomangánovej ocele z dobrého technického dôvodu zavedenou špecifikáciou. Tento článok sa zaoberá metalurgiou, výrobnými požiadavkami a aspektmi výkonu špecifických pre aplikáciu pre komponenty čeľustí a nárazových drvičov v plnej hĺbke.

Metalurgia ocele s vysokým obsahom mangánu: Prečo je dôležité pracovné kalenie

Austenitická mangánová oceľ bola prvýkrát vyvinutá Sirom Robertom Hadfieldom v roku 1882 a zostáva komerčne známa ako Hadfieldova oceľ. Jeho definujúcou charakteristikou je plne austenitická mikroštruktúra zachovaná pri izbovej teplote vďaka kombinácii vysokého obsahu uhlíka (zvyčajne 1,0 až 1,4 percenta) a vysokého obsahu mangánu (11 až 14 percent), ktoré spoločne potláčajú martenzitickú transformáciu, ktorá by sa normálne vyskytla v uhlíkovej oceli pri ochladzovaní z austenitu. Odlievaný materiál má tvrdosť približne 170 až 210 Brinell, čo je mäkšie ako mnohé nástrojové ocele a legované opotrebiteľné ocele, ale táto počiatočná mäkkosť je sprevádzaná výnimočnou húževnatosťou: materiál dokáže absorbovať veľké nárazové sily bez prasknutia, pretože austenitická matrica sa skôr plasticky deformuje ako praská.

Kritický mechanizmus mechanického kalenia: keď je oceľ s vysokým obsahom mangánu vystavená tlakovému rázovému napätiu presahujúcemu približne 300 až 500 MPa, austenit na namáhanom povrchu a v jeho blízkosti sa transformuje na martenzit fázovou transformáciou vyvolanou deformáciou, čím sa povrchová tvrdosť zvýši z približne 200 Brinell na 450 až 550 Brinell. Tento transformovaný povrch je tvrdý a odolný proti opotrebeniu, zatiaľ čo základné austenitické jadro zostáva húževnaté a odolné voči zlomeniu. Praktickým výsledkom je komponent, ktorý v prevádzke vytvára odolný povrch, pričom si zachováva rázovú húževnatosť potrebnú na to, aby prežil rázové zaťaženie pri procese drvenia bez rozbitia.

Stupne obsahu mangánu a uhlíka

Oceľové odliatky s vysokým obsahom mangánu pre drviče sa vyrábajú v niekoľkých štandardných stupňoch s rôznym obsahom mangánu a uhlíka optimalizovanými pre rôzne drviace úlohy:

• Štandardná trieda Mn13 (ASTM A128 trieda B 2): Približne 1,0 až 1,4 percenta uhlíka a 11 až 14 percent mangánu. Najpoužívanejšia trieda pre vložky čeľustí a nárazových drvičov v stredne tvrdých až tvrdých aplikáciách. Poskytuje dobrú rovnováhu medzi rýchlosťou tvrdnutia a húževnatosťou.
• Modifikovaný Mn18 (vysoký obsah mangánu): Približne 1,0 až 1,3 percenta uhlíka a 16 až 19 percent mangánu. Vyšší obsah mangánu zvyšuje stabilitu austenitu, zlepšuje húževnatosť, ale mierne znižuje rýchlosť vytvrdzovania. Uprednostňuje sa pre veľké súčiastky drvičov, kde je vyššie riziko zlomenia v dôsledku nadmerného nárazu a životnosť opotrebenia sa musí predĺžiť vďaka väčšej hĺbke opracovanej vrstvy.
• Chrómom modifikovaná mangánová oceľ: Štandardné zloženie Mn13 s prídavkom 1,5 až 2,5 percenta chrómu. Prídavok chrómu zlepšuje odolnosť proti oderu za určitú cenu vzhľadom na húževnatosť, vďaka čomu sú chrómom modifikované triedy vhodné pre drviče, ktoré zahŕňajú vysoký náraz a výrazné opotrebenie od kremičitej horniny alebo kremenca.

Čeľusťový drvič Odliatky z vysoko mangánovej ocele: Špecifikácia a výkon

Čeľusťový drvič funguje stláčaním horniny medzi pevnou čeľusťovou doskou a pohyblivou čeľusťovou doskou (otočná čeľusť), pričom dve čeľusťové dosky sa zbiehajú v spodnej časti drviacej komory a rozbiehajú sa v hornej časti. Hornina je zovretá medzi čeľuste a prasknutá tlakovou silou, keď sa výkyvná čeľusť posúva dopredu. Čeľuste sú hlavnými opotrebiteľnými komponentmi v tomto systéme a sú najdôležitejšou aplikáciou pre čeľusťové drviče s vysokým obsahom mangánu.

Úvahy o dizajne a profilu čeľuste

Čeľusťové dosky pre veľké čeľusťové drviče sa odlievajú ako jednotlivé kusy alebo vo viacerých sekciách v závislosti od veľkosti drviča a odlievacej schopnosti zlievarne. Pracovná plocha čeľuste je zvlnená hrebeňmi, ktoré sústreďujú tlakové napätie a pomáhajú pri lámaní hornín. Profil zvlnenia (výška hrebeňa, sklon a uhol) je optimalizovaný výrobcami drvičov pre špecifický typ horniny a pomer zmenšenia veľkosti aplikácie. V prípade tvrdých, kompetentných hornín (žula, čadič, rula) s pevnosťou v tlaku nad 150 MPa sa životnosť opotrebenia čeľuste pri vysokomangánovej oceli zvyčajne pohybuje od 50 000 do 200 000 ton spracovaného materiálu v závislosti od indexu abrazivity hornín, gradácie posuvu drviča a prevádzkových parametrov drviča.

Požiadavky na tepelné spracovanie čeľusťových dosiek

Odlievaná oceľ s vysokým obsahom mangánu obsahuje karbidové precipitáty na hraniciach zŕn, ktoré sú výsledkom pomalého ochladzovania cez teplotný rozsah precipitácie karbidov počas tuhnutia. Tieto karbidy krehnú materiál a musia sa pred uvedením odliatku do prevádzky rozpustiť. Proces rozpúšťacieho tepelného spracovania zahŕňa zahriatie odliatku na 1 020 až 1 100 stupňov Celzia počas dostatočnej doby na rozpustenie všetkých karbidov, potom rýchle ochladenie vo vode, aby sa zachovala plne austenitická štruktúra. Čeľusťový drvič Oceľové odliatky s vysokým obsahom mangánu, ktoré neboli riadne tepelne spracované rozpúšťadlom, zlyhajú skôr krehkým lomom než postupným opotrebovaním, často počas prvých hodín prevádzky v náročnom drviči. Overenie tepelného spracovania meraním tvrdosti podľa Brinella a mikroštrukturálnym vyšetrením je základnou kontrolou kvality tohto produktu.

Nárazový drvič Odliatky z ocele s vysokým obsahom mangánu: rôzne podmienky namáhania, rôzne priority dizajnu

Nárazový drvič láme horninu skôr nárazom pri vysokej rýchlosti než tlakovou silou. V drviči s horizontálnym nárazom hriadeľa (HSI) sa rotor vybavený vyfukovacími tyčami otáča vysokou rýchlosťou a naráža na horninu privádzanú do drviacej komory, čím ju urýchľuje na nárazové dosky (tiež nazývané závesy alebo zástery), kde sa pri kontakte zlomí. V drviči s vertikálnym hriadeľovým nárazom (VSI) sa hornina privádza do vysokorýchlostného rotora a odstredivo sa poháňa proti vonkajšej komore vystlanej horninou alebo nákovom. Podmienky namáhania pôsobiace na opotrebiteľné diely v nárazových drvičoch sa zásadne líšia od podmienok v čeľusťových drvičoch s vyššími rýchlosťami deformácie a rôznymi smermi pôsobenia sily.

Blow Bars: Najkritickejší nárazový drvič

Fúkacie tyče sú primárne opotrebiteľné komponenty v horizontálnych hriadeľových nárazových drvičoch, namontované v drážkach na rotore a narážajú na prichádzajúcu horninu pri obvodovej rýchlosti rotora (zvyčajne 25 až 45 metrov za sekundu v primárnych nárazových zariadeniach). Úderná tyč musí súčasne odolávať abrazívnemu opotrebovaniu pri kontakte s horninou a absorbovať vysokoenergetický náraz pri každej kolízii skalnej tyče bez prasknutia. Odliatky z vysoko mangánovej ocele sú štandardnou špecifikáciou pre fúkacie tyče v drvičoch s primárnym a sekundárnym nárazom, ktoré spracovávajú tvrdú horninu, pretože nárazy s vysokou rýchlosťou poskytujú podmienky napätia potrebné pre efektívne pracovné spevnenie. Životnosť fúkacej tyče pri spracovaní tvrdého vápenca je zvyčajne 200 až 600 ton horniny na kilogram hmotnosti fúkacej tyče, zatiaľ čo spracovanie tvrdšej horniny, ako je čadič alebo žula, ju môže znížiť na 50 až 200 ton na kilogram, čo odráža vyššiu abrazivitu a intenzitu nárazu tvrdších typov hornín.

Nárazové dosky a lámacie dosky

Nárazové dosky (tiež známe ako zástery alebo závesy) prijímajú horniny vymrštené z rotora a musia absorbovať opakované nárazy vysokej energie počas svojej životnosti. Tieto komponenty sa bežne dodávajú aj ako odliatky z rázovej drviče s vysokým obsahom mangánu, hoci v niektorých aplikáciách s nižším rázom môžu byť vyrobené z CrMo bieleho železa, ktoré ponúka vyššiu odolnosť proti oderu za cenu zníženej húževnatosti. Voľba medzi oceľou s vysokým obsahom mangánu a bielym železom pre nárazové dosky závisí od špecifických úrovní energie nárazu v drviči: tam, kde sú nárazy silné, je nevyhnutná vynikajúca lomová húževnatosť mangánovej ocele; tam, kde sú nárazy mierne a dominuje oder, môže biele železo ponúknuť dlhšiu životnosť.

Porovnanie odliatkov z ocele s vysokým obsahom mangánu pre čeľusťové a nárazové drviče

Kontrola kvality a úvahy o obstarávaní odliatkov z ocele s vysokým obsahom mangánu

Výkon odliatkov z ocele s vysokým obsahom mangánu v aplikáciách drvičov vo veľkej miere závisí od kvality procesu odlievania a tepelného spracovania, takže výber dodávateľa a vstupná kontrola sú kriticky dôležité. Nasledujúce kritériá kvality by mali byť špecifikované a overené pre všetky odliatky z vysoko mangánovej ocele používané v čeľusťových a nárazových drvičoch:

1. Overenie chemického zloženia. Spektrometrická analýza by mala potvrdiť, že obsah mangánu je v špecifikovanom rozsahu (11 až 14 percent pre Mn13, 16 až 19 percent pre Mn18) a že uhlík, kremík, fosfor a síra sú v rámci špecifikácie kvality. Nadmerný fosfor nad 0,07 percenta a síra nad 0,05 percenta krehnú oceľ a musia byť kontrolované.
2. Overenie tepelného spracovania skúškou tvrdosti. Tvrdosť po ochladení by mala byť v rozsahu 170 až 220 Brinell. Hodnoty výrazne nad týmto rozsahom indikujú neúplnú úpravu v roztoku (zvyškové karbidy) alebo chybu v zložení zliatiny. Hodnoty pod 160 Brinell môžu naznačovať, že teplota roztoku bola príliš vysoká, čo spôsobuje rast zŕn, ktorý znižuje húževnatosť.
3. Presnosť rozmerov a povrchová úprava. Rozmery odliatkov by sa mali overiť podľa výkresu výrobcu s príslušnými toleranciami. Čeľuste a dúchadlá musia správne zapadnúť do príslušných montážnych systémov, aby sa zabezpečilo rovnomerné rozloženie zaťaženia a zabránilo sa predčasnému zlyhaniu v dôsledku koncentrácie napätia v montážnych bodoch.
4. Bez škodlivých chýb odliatku. Poréznosť zmršťovania, praskliny a významné inklúzie na povrchu opotrebovania alebo montážnej zóne sú dôvodom na odmietnutie. Povrchové trhliny možno zistiť kontrolou magnetických častíc alebo testovaním penetrantu farbiva; vnútorné defekty vyžadujú ultrazvukové testovanie alebo rádiografickú kontrolu v kritických aplikáciách.

Odliatky z vysoko mangánovej ocele pre čeľusťové a nárazové drviče predstavujú dobre zavedené a technicky overené riešenie opotrebiteľných materiálov, ktoré slúži v lomoch, baníctve a výrobe kameniva už viac ako storočie. Jedinečný samotvrdnúci mechanizmus materiálu v podmienkach nárazu v kombinácii s jeho húževnatosťou odolnou proti lomu skutočne sťažuje zlepšenie pre špecifické podmienky zaťaženia týchto typov drvičov. Kľúč k využitiu jeho plného výkonnostného potenciálu spočíva v správnom výbere triedy zliatiny pre konkrétny typ horniny a prevádzky drviča, dodržiavanie požiadaviek na tepelné spracovanie v roztoku a prísna vstupná kontrola kvality, ktorá overuje primeranosť zloženia a tepelného spracovania pred uvedením odliatkov do prevádzky.