Молоты с высоким содержанием хрома: использование и выбор

Функциональное применение и механизмы износа Молоты с высоким содержанием хрома

Дробление в цементной и нерудной промышленности.

Головки молотков из белого железа с высоким содержанием хрома используются в ударных дробилках для разрушения известняка, клинкера, шлака и других абразивных материалов. Высокое содержание хрома (обычно 12–28% Cr) образует твердые частицы карбида хрома (тип M7C3, твердость 1500–1800 HV) внутри мартенситной или аустенитной матрицы. Эти карбиды гораздо лучше противостоят истиранию, чем обычная марганцевая сталь (300–500 HV). Головка молотка с высоким содержанием хрома на цементном заводе, перерабатывающем 50 тонн известняка в час, может прослужить 200–400 часов, прежде чем потребуется замена, тогда как головка молотка из марганцевой стали при том же применении прослужит 60–120 часов. Головка молота ударяет по материалу со скоростью 30–60 м/с. Характер износа неравномерен: передняя кромка (где происходит удар) изнашивается быстрее всего, а задняя кромка (задняя часть молотка) практически не используется. По этой причине многие дробилки допускают вращение головки молота (поворот молота вплотную) для использования обеих кромок.

Термическая обработка и сохранение контроля аустенита.

Износостойкость молотков с высоким содержанием хрома зависит от термической обработки. После отливки головку молота аустенизируют при температуре 950–1050°С, затем охлаждают на воздухе или закаливают в масле. При этом образуется матрица мартенсита (твердость 55–62 HRC) с дисперсными карбидами хрома. Однако некоторое количество остаточного аустенита (5–25%) остается. Остаточный аустенит мягок (30–40 HRC) и под ударом превращается в мартенсит, что может вызвать растрескивание, если превращение происходит слишком быстро. В молоты, используемые при сильных ударах (например, при дроблении крупных валунов), литейщики добавляют молибден (0,5–2,0%) и медь (0,5–1,5%) для стабилизации аустенита и контроля скорости превращения. Для молотков, работающих при слабых ударах и высокой абразивности (например, тонкое дробление шлака), допустимо более высокое содержание остаточного аустенита (15–25%), поскольку энергия удара низкая. После термообработки головку молотка закаливают при температуре 200–400°С для снятия внутренних напряжений. Чрезмерный отпуск (выше 500°C) приводит к выделению вторичных карбидов, повышая твердость, но снижая ударную вязкость.

Виды отказов, выходящие за рамки нормального износа.

Головки молотков с высоким содержанием хрома хрупкие по сравнению с марганцевой сталью. Типичная ударная вязкость белого чугуна с высоким содержанием хрома составляет 4–12 Дж/см² (V-образный надрез по Шарпи, образец без надреза), тогда как марганцевая сталь превышает 100 Дж/см². Следовательно, головки молотков выходят из строя по двум дополнительным причинам: разрушение и термическая усталость. Разрушение происходит, когда в дробилку попадает посторонний металл (небьющийся предмет, например, зуб копателя или стальной стержень). Головка-молот не может деформироваться; оно трескается. Один кусок стали весом 5 кг, попадающий в дробилку производительностью 100 тонн/час, может сломать 2–4 головки молота, прежде чем дробилка остановится. Многие дробилки оснащены металлодетекторами и магнитными сепараторами для снижения этого риска. Термическая усталость возникает, когда головка молота неоднократно нагревается от трения (температура поверхности достигает 300–500°C), а затем охлаждается (до температуры окружающей среды) во время простоя. После 500–1000 таких циклов на торце молотка появляются мелкие трещины (глубиной 0,1–0,5 мм). Эти трещины растут и в конечном итоге отслаиваются (отслаиваются), вызывая быструю потерю веса. При непрерывной работе (24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году) термическая усталость не является серьезной проблемой, поскольку головка молота остается при повышенной и стабильной температуре.

Критерии выбора молоточков с высоким содержанием хрома

Абразивность измельчаемого материала – основной фактор выбора.

Содержание хрома в головке молотка должно соответствовать абразивности материала. Для слабоабразивных материалов (известняк с содержанием SiO₂ менее 5 %, глина, гипс) достаточно более низкого содержания хрома (12–15 % Cr). Карбиды в 12–15% Cr имеют твердость около 1400–1600 HV, а стоимость материала ниже. Для высокоабразивных материалов (железная руда, гранит, базальт, кварцит, шлак) требуется 20–25 % Cr. Карбиды в 20–25% Cr достигают 1700–1900 HV. Для наиболее жестких абразивов (корунд, карбид кремния, очень твердый кварц) применяют 26–28% Cr, часто с добавкой ванадия (1–3% V) для образования еще более твердых карбидов ванадия (2000–2200 HV). Однако увеличение содержания хрома также повышает хрупкость материала. Головка молотка с содержанием 12% Cr может иметь ударную вязкость 10 Дж/см²; молоток с 25% Cr может иметь только 4–6 Дж / см². Если материал содержит примеси металла или большой размер исходного материала (более 200 мм), выбирается молоток с меньшим содержанием хрома, несмотря на более высокую скорость износа, поскольку риск разрушения является основной проблемой.

Соответствие энергии удара и типа дробилки.

Молотовые головки используются в двух основных типах дробилок: молотковых дробилках (горизонтальный вал, молотки прикреплены к ротору) и ударных дробилках (с ударными стержнями). В молотковых дробилках головка молотка вращается на штифте. Когда молот ударяется о большой камень, молот откидывается назад, уменьшая пиковую силу удара. Это «подающее» действие позволяет увеличить содержание хрома (18–22%), поскольку удар смягчается. В ударных дробилках с жестко закрепленными билами бил не качается; он напрямую поглощает всю силу удара. Для этого применения требуется меньшее количество хрома (12–16%) и более высокая ударная вязкость. В некоторых ударных дробилках используются билы с высоким содержанием хрома с добавлением молибдена (1,5–2,5%) и никеля (0,5–1,0%) для повышения ударной вязкости без ущерба для слишком большой износостойкости. Необходимо соблюдать рекомендации производителя по максимальному размеру исходного сырья и прочности горных пород на сжатие (обычно 100–250 МПа для известняка и до 300–400 МПа для гранита).

Рабочая температура и термоциклирование.

Для дробилок, работающих в жарком климате (окружающая температура 40–50°С) или дробящих горячие материалы (клинкер – 80–150°С, шлак – 100–200°С), имеет значение термостойкость головки молота. Высокохромистый белый чугун сохраняет твердость до 400–500°С. Однако если температура головки молотка колеблется от 150°C до 50°C каждую смену, термические усталостные трещины развиваются быстрее. Головка молотка с меньшим содержанием остаточного аустенита (менее 10%) более устойчива к термической усталости, поскольку аустенит не претерпевает объемных изменений в процессе превращения. Для уменьшения остаточного аустенита головку молота после закалки подвергают глубокой заморозке (криогенной обработке при температуре от -70 до -196°C). Это превращает остаточный аустенит в мартенсит. Криообработанная головка молота имеет 2–5% остаточного аустенита и на 30–50% меньше термических трещин после 1000 часов работы. Для дробления горячего материала (свыше 200°С) выбирают молотки с добавлением молибдена (2–3%); молибден повышает стойкость к отпуску и снижает размягчение при высоких температурах.