L'usure mécanique implique de nombreux aspects, parmi lesquels l'usure abrasive représente plus de 50 % de l'usure industrielle totale. Des pays comme l’Allemagne et le Royaume-Uni subissent des milliards de dollars de pertes chaque année en raison de l’usure abrasive, et en Australie, l’industrie minière perd chaque année 2 % de son chiffre d’affaires de produits minéraux en raison de l’usure abrasive. Une partie importante de cette usure abrasive se produit dans les revêtements des broyeurs à boulets. Il existe deux approches principales pour résoudre ce problème : premièrement, améliorer la résistance à l’usure des matériaux ; et deuxièmement, améliorer l’environnement d’usure grâce à l’optimisation des processus. Cette recherche porte essentiellement sur l'aspect matériel.
Matériau traditionnel ZGMn13 utilisé dans les broyeurs à boulets :
Le ZGMn13 est un acier à haute teneur en manganèse, inventé par Hadfield en 1882. Il est fabriqué en ajoutant environ 13 % de Mn à l'acier, en utilisant la caractéristique du Mn pour déplacer le "nez" de la courbe S-de l'acier vers la droite et abaisser les lignes Ms et Mf. Une structure entièrement austénitique est obtenue grâce à un maintien prolongé à 1000-1050 degrés suivi d'un refroidissement forcé. Cette structure entièrement austénitique présente des propriétés d'écrouissage. Son utilisation comme revêtement de broyeur à boulets vise à obtenir un écrouissage grâce à l'impact des billes de broyage et des matériaux abrasifs sur le revêtement. Cependant, lors du fonctionnement du broyeur à boulets, les billes de broyage et les matériaux abrasifs sont portés vers un point haut par la rotation du cylindre puis tombent en cascade. Les billes de broyage et les matériaux abrasifs tombant d'une hauteur n'impactent directement que les billes de broyage et les matériaux abrasifs à la base du tas de matériaux, et impactent indirectement le revêtement à travers la couche accumulée de billes de broyage et de matériaux abrasifs. Il en résulte une intensité d'impact plus faible et un écrouissage moins important. L'expérience pratique montre que dans les broyeurs à charbon des centrales électriques, la dureté d'écrouissage de l'acier austénitique à haute teneur en manganèse est comprise entre HB230 et 250, et dans les usines de traitement du minerai, elle ne dépasse pas HB300, bien en dessous de la limite d'écrouissage de HB500 pour l'acier à haute teneur en manganèse. Par conséquent, l'utilisation d'acier à haute teneur en manganèse-pour fabriquer des revêtements de broyeur à boulets est inappropriée car elle ne parvient pas à utiliser les propriétés de résistance à l'usure-de l'acier à haute teneur en manganèse.
État de développement des matériaux de revêtement
Compte tenu de l'application inappropriée du matériau ZGMn13 dans les revêtements des broyeurs à boulets, les métallurgistes du monde entier ont recherché de nouveaux matériaux de revêtement depuis les années 1960, obtenant de nombreux résultats.
(1) Nouveaux développements dans ZGMn13
Les chercheurs ont amélioré le ZGMn13 en ajoutant des éléments tels que Cr, Mo et V pour former des carbures d'alliage stables et dispersés, granulaires et en forme d'îlots-de haute-dureté, tels que (FeCr)3C et VC. Cela empêche la croissance des grains d'austénite pendant le traitement de trempe à l'eau, ce qui entraîne une structure austénitique avec des points durs en carbure dispersés, améliorant ainsi la capacité d'écrouissage et l'effet de durcissement du matériau.
Les États-Unis produisent de l'acier moulé standard à haute teneur en manganèse{{0}avec 1,5 % à 2,5 % de Cr (grade C) et de l'acier moulé standard à haute teneur en manganèse-avec 0,9 % à 1,2 % ou 1,8 % à 2,1 % de Mo (grades E-1 et E-2).
Le Japon produit de l'acier moulé standard à haute teneur en manganèse-avec 1,5 % à 2,5 % de Cr (qualité SCMnH11) et de l'acier moulé standard à haute teneur en manganèse-avec 2,0 % à 3,0 % de Cr et 0,4 % à 0,7 % de V (qualité SCMnH12). L'Institut de recherche sur le moulage et le forgeage de Mongolie intérieure a développé de l'acier à haute teneur en manganèse contenant du chrome-avec 1,5 % à 2,5 % de Cr et a traité l'acier fondu avec des éléments de terres rares. La couche superficielle (0,01 mm) de cet acier à haute teneur en manganèse-contenant du chrome-peut atteindre une dureté de HB390 après écrouissage dans un broyeur à boulets, soit 1,5 fois celle de l'acier à haute teneur en manganèse ordinaire-, et sa durée de vie est 1,5 à 2 fois plus longue que celle de l'acier à haute teneur en manganèse ordinaire-.
(2) Alliage de fonte blanche
① Fonte blanche 15Cr-3Mo et son développement. Le matériau alternatif le plus représentatif pour les revêtements en acier à haute teneur en manganèse est la fonte blanche martensitique contenant 15 % de Cr + 3 % de Mo. Ce matériau est constitué de carbures de fer eutectique discontinus -carbures de chrome (Cr, Fe)7C3 et de carbures secondaires riches en chrome- répartis dans une matrice martensitique, les carbures occupant environ 40 % à 50 % du total. volumes. Ces carbures de chrome ont une dureté très élevée, toutes supérieures à HV1200-1800, suffisante pour résister à l'usure des abrasifs courants. Cependant, la dureté de la matrice martensitique est d'environ HRC50, ce qui est plus doux que certains abrasifs et va s'user, délogeant potentiellement les carbures. La résistance exceptionnelle à l’usure des carbures n’est donc que partiellement exploitée. L'Institut de technologie de Harbin a également réalisé un travail approfondi pour améliorer les performances de la fonte blanche à haute teneur en chrome 15Cr-3Mo-. Ils ont utilisé des sels et des alliages de K, Na, Mg et Ca pour effectuer un traitement de modification par pulvérisation sur la fonte 15Cr-3Mo, éliminant la distribution initiale des carbures dans le réseau et les faisant apparaître comme des vers ou des grumeleux, tout en réduisant également la taille des carbures. Cela a considérablement amélioré la ténacité et la résistance à l'usure du matériau. Des études ont montré que le taux d'usure de la fonte blanche à haute teneur en chrome 15Cr-3Mo traitée avec différents éléments modificateurs est inférieur à celui du matériau non traité. Plus précisément, le taux d'usure moyen de la fonte blanche à haute teneur en chrome 15Cr-3Mo modifiée au potassium était 63,2 % inférieur à celui du matériau non traité, et le taux d'usure de la solution optimale était 74,4 % inférieur à celui du matériau non traité.
② Fonte blanche en alliage contenant du Cu-. Cet alliage de fonte blanche, développé avec succès par Shandong Xinwen Tool Factory, est produit en ajoutant 1,0 % de Cu et 0,9 % d'alliage de ferrosilicium de terres rares pour la modification et l'inoculation avant la coulée, suivi d'un traitement de normalisation à 950 degrés et de revenu à 600 degrés, ce qui donne des carbures dispersés, fins et uniformément répartis. Les tests sur machine ont montré que dans un broyeur à ciment de L1,83 m × 6,4 m, la résistance à l'usure relative du revêtement en fonte blanche en alliage contenant des terres rares Cu- était 2,4 fois supérieure à celle du revêtement en acier à haute teneur en -manganèse. (3) Aciers moyennement et faiblement alliés
Bien que les revêtements de broyeur à boulets en acier à haute teneur en manganèse ou en fonte blanche alliée avec des éléments d'alliage ajoutés présentent une résistance à l'usure considérablement améliorée par rapport aux revêtements en acier à haute teneur en manganèse ordinaires, ces matériaux sont plus chers en raison de l'inclusion de grandes quantités de métaux précieux tels que Cr, Ni et Mo, et sont sujets à la fissuration et même à la fracturation pendant la production et l'utilisation. Sur la base de ces raisons, les métallurgistes et fondeurs chinois, compte tenu des conditions spécifiques de mon pays, ont commencé à rechercher l'utilisation d'aciers moyennement et faiblement alliés pour les revêtements des broyeurs à boulets et ont obtenu des résultats encourageants.
① Acier Cr, Mo, Cu moyen-à faible teneur en carbone-alliage résistant à l'usure-. L'acier moyennement-à faible-alliage à faible teneur en carbone-résistant à l'usure contenant du Cr, du Mo et du Cu, et traité avec des éléments de terres rares, développé par l'Université de technologie de Shenyang, a atteint une dureté supérieure à HRC50 et une valeur d'impact de 25-60 J/cm² après trempe à l'air à 950 degrés et revenu à 250 degrés. Sa matrice est de la martensite trempée, et la microscopie électronique à balayage a révélé une structure de faisceaux de martensite en forme de latte-. En microscopie électronique à transmission à fort -grossissement, la structure montrait clairement un mélange de martensite à dislocation et une petite quantité de martensite maclée, avec un film mince discontinu-comme de l'austénite retenue distribué entre les lattes de martensite. Cette forme et cette répartition de l'austénite ont amélioré la résistance aux chocs et la résistance relative à l'usure de l'acier. La résistance à l'usure de cet acier sous différentes énergies d'impact présente un contraste saisissant avec l'acier à haute teneur en manganèse.
Avec l'augmentation de l'énergie d'impact, la résistance à l'usure par impact de l'acier à haute teneur en manganèse-s'est considérablement améliorée, tandis que la résistance à l'usure des aciers Cr, Mo et Cu nouvellement développés a diminué. Cependant, dans toutes les conditions d'énergie d'impact sélectionnées dans les tests comparatifs, la résistance à l'usure du nouvel acier était supérieure à celle de l'acier à haute teneur en manganèse. Utilisé dans un broyeur à boulets de 1,83 m × 3 m de longueur dans la mine de fer de Qian'an dans la province du Hebei, le revêtement fabriqué à partir de ce matériau avait une durée de vie de 10 à 12 mois, tandis que la durée de vie des revêtements ZGMn13 n'était que de 3 à 5 mois.
② Acier allié Cr-Mo-V-Ti moyen-carbone multi-éléments. L'acier allié à plusieurs composants -carbone moyen contenant du Cr, du Mo et des traces de V, Ti et Nb, développé par l'Institut de recherche et de conception du ciment Hefei, obtient une martensite trempée + une petite quantité de matrice de bainite inférieure avec des phases dures de carbure dispersées après un traitement aux terres rares (RE) et un traitement thermique spécifique. Les tests montrent que ce type de revêtement a une dureté élevée, une bonne résistance à l'usure abrasive, une ténacité aux chocs et une résistance à la flexion élevées, avec une durée de vie plus de trois fois supérieure à celle de l'acier ordinaire à haute teneur en manganèse. Il a été utilisé dans les broyeurs de la cimenterie de Huaihai (L4,2 m×12 m), de la cimenterie de Kunming (L3,5 m×11 m) et de la cimenterie de Sichuan Dukou (L2,2 m×13 m), avec un taux d'usure moyen de 3,16 g/t dans la première chambre et de 1,53 g/t dans la deuxième chambre ; tandis que le taux d'usure moyen des revêtements en acier à haute teneur en manganèse est de 13 g/t de ciment.
③ Acier allié à haute teneur en carbone-moyen-chrome. Un autre revêtement en acier allié à haute teneur en carbone-moyen-en alliage de chrome contenant 4,5 % à 5,5 % de Cr et 0,3 à 0,7 % de Mo, et traité avec une inoculation de RE, également développé par l'Institut de recherche et de conception du ciment Hefei, a été appliqué avec succès dans les broyeurs à boulets de ciment.
④ Cr-Ti moyen-acier au manganèse. L'acier au manganèse moyen - contenant 5,5 % ~ 8,0 % de Mn, 1,5 % ~ 2,0 % de Cr, 0,05 % ~ 0,1 % de Ti et traité avec 0,02 % ~ 0,05 % de RE, a obtenu une structure austénitique unique avec des grains plus fins que l'acier ordinaire à haute teneur en manganèse - par trempe à l'eau à 1 100 ± 30 degrés. Les revêtements fabriqués à partir de ce matériau ont obtenu de bons résultats dans les broyeurs à boulets de la mine de fer Banshigou et de la mine de cuivre de Tonghua de l'usine sidérurgique de Tonghua. Sa résistance relative à l'usure est 1,64 fois celle de l'acier à haute teneur en manganèse lors du broyage du minerai de magnétite ; et 1,48 fois celle de l'acier à haute teneur en manganèse lors du broyage du minerai de cuivre. La principale raison de l'amélioration de la résistance à l'usure de ce matériau est sa meilleure performance d'écrouissage dans les broyeurs à boulets par rapport à l'acier ordinaire à haute teneur en manganèse-.
⑤ Acier faiblement allié-multiphasé-Mo au Cr-Mo. Le revêtement en acier multiphasé faible-alliage résistant à l'usure-étudié, contenant 3 % de Cr et 0,4 % de Mo, a été soumis à un traitement thermique de trempe isotherme pour obtenir une microstructure bainite + martensite + austénite retenue. Ce matériau possède une ténacité et une dureté élevées, ce qui lui confère une excellente résistance aux chocs, à la fatigue, à la déformation et à l’usure. Les applications sur le terrain ont montré que ce revêtement a une durée de vie 1 à 2 fois plus longue que celle de l'acier ordinaire à haute teneur en manganèse-.
