Mài mòn cơ học liên quan đến nhiều khía cạnh, trong đó mài mòn do mài mòn chiếm hơn 50% tổng lượng hao mòn công nghiệp. Các quốc gia như Đức và Vương quốc Anh chịu thiệt hại hàng tỷ đô la hàng năm do mài mòn và ở Úc, ngành khai thác mỏ mất 2% doanh thu bán sản phẩm khoáng sản mỗi năm do mài mòn. Một phần đáng kể sự mài mòn này xảy ra ở các lớp lót của máy nghiền bi. Có hai cách tiếp cận chính để giải quyết vấn đề này: thứ nhất là cải thiện khả năng chống mài mòn của vật liệu; và thứ hai, cải thiện môi trường mài mòn thông qua tối ưu hóa quy trình. Nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào khía cạnh vật chất.
Vật liệu truyền thống ZGMn13 dùng trong máy nghiền bi:
ZGMn13 là một loại thép-mangan cao, được Hadfield phát minh vào năm 1882. Nó được tạo ra bằng cách thêm khoảng 13% Mn vào thép, sử dụng đặc tính của Mn để dịch chuyển "mũi" của đường cong S{4}}của thép sang phải và hạ thấp các đường Ms và Mf. Cấu trúc austenit hoàn toàn thu được thông qua việc giữ lâu ở nhiệt độ 1000-1050 độ, sau đó làm mát cưỡng bức. Cấu trúc austenit hoàn toàn này thể hiện đặc tính làm cứng. Việc sử dụng nó như một lớp lót của máy nghiền bi nhằm mục đích đạt được độ cứng của công việc thông qua tác động của các viên bi mài và vật liệu mài mòn lên lớp lót. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động của máy nghiền bi, các viên bi nghiền và vật liệu mài mòn được đưa lên điểm cao nhờ chuyển động quay của xi lanh rồi rơi thành dòng thác. Các viên bi mài và vật liệu mài rơi từ trên cao xuống chỉ tác động trực tiếp đến các viên bi mài và vật liệu mài mòn ở chân đống vật liệu, còn tác động gián tiếp đến lớp lót qua lớp tích tụ của các viên bi mài và vật liệu mài mòn. Điều này dẫn đến cường độ tác động thấp hơn và độ cứng công việc ít đáng kể hơn. Kinh nghiệm thực tế cho thấy rằng trong các nhà máy than trong các nhà máy điện, độ cứng -làm cứng của thép mangan cao austenit{18}}nằm trong khoảng từ HB230 đến 250 và trong các nhà máy chế biến quặng, nó không vượt quá HB300, thấp hơn nhiều so với giới hạn làm cứng công việc{20}}của HB500 đối với thép mangan{22}}cao. Do đó, việc sử dụng thép mangan cao để sản xuất ống lót máy nghiền bi là không phù hợp vì nó không tận dụng được đặc tính chống mài mòn của thép có hàm lượng mangan cao.
Tình trạng phát triển của vật liệu lót
Do ứng dụng không phù hợp của vật liệu ZGMn13 trong lớp lót máy nghiền bi, các nhà luyện kim trên toàn thế giới đã nghiên cứu vật liệu lớp lót mới từ những năm 1960 và đạt được nhiều kết quả.
(1) Những phát triển mới trong ZGMn13
Các nhà nghiên cứu đã cải tiến ZGMn13 bằng cách thêm các nguyên tố như Cr, Mo và V để tạo thành các cacbua hợp kim có độ cứng cao, dạng hạt phân tán và dạng hạt--có độ cứng cao-như (FeCr)3C và VC. Điều này cản trở sự phát triển của các hạt austenite trong quá trình xử lý làm nguội bằng nước, dẫn đến cấu trúc austenit với các điểm cứng cacbua phân tán, từ đó cải thiện khả năng làm cứng và hiệu quả làm cứng của vật liệu.
Hoa Kỳ sản xuất thép mangan cao-đúc tiêu chuẩn với 1,5%~2,5% Cr (cấp C) và thép đúc mangan cao-tiêu chuẩn với 0,9%~1,2% hoặc 1,8%~2,1% Mo (cấp E-1 và E-2).
Nhật Bản sản xuất thép mangan cao-đúc tiêu chuẩn với 1,5%~2,5% Cr (cấp SCMnH11) và thép đúc mangan cao-tiêu chuẩn với 2,0%~3,0% Cr và 0,4%~0,7% V (cấp SCMnH12). Viện nghiên cứu đúc và rèn Nội Mông đã phát triển thép crom-chứa hàm lượng mangan cao{12}}với 1,5%~2,5% Cr và xử lý thép nóng chảy bằng các nguyên tố đất hiếm. Lớp bề mặt (0,01mm) của thép crom-chứa mangan cao{18}}này có thể đạt độ cứng HB390 sau khi đông cứng trong máy nghiền bi, gấp 1,5 lần so với thép mangan-cao thông thường và tuổi thọ của nó dài hơn 1,5 đến 2 lần so với thép mangan{24}}cao thông thường.
(2) Gang trắng hợp kim
① 15Cr-Gang trắng 3Mo và sự phát triển của nó. Vật liệu thay thế tiêu biểu nhất cho lớp lót bằng thép mangan cao-là gang trắng martensitic chứa 15% Cr + 3% Mo. Vật liệu này bao gồm cacbua crom-sắt eutectic không liên tục (Cr, Fe)7C3 và cacbua thứ cấp giàu crom{21}}được phân bổ trong ma trận martensitic, với cacbua chiếm khoảng 40% đến 50% tổng thể tích. Các cacbua crom này có độ cứng rất cao, tất cả đều trên HV1200{25}}1800, đủ để chống mài mòn do các chất mài mòn thông thường. Tuy nhiên, độ cứng của ma trận martensitic vào khoảng HRC50, mềm hơn một số chất mài mòn và sẽ bị mòn, có khả năng đánh bật các cacbua. Do đó, khả năng chống mài mòn vượt trội của cacbua chỉ được sử dụng một phần. Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân cũng đã thực hiện nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất của gang trắng crom 15Cr-3Mo cao-. Họ đã sử dụng muối và hợp kim của K, Na, Mg và Ca để thực hiện xử lý biến đổi phun trên gang 15Cr-3Mo, loại bỏ sự phân bố mạng lưới ban đầu của cacbua và khiến chúng trông giống như con sâu hoặc dạng cục, đồng thời làm giảm kích thước của cacbua. Điều này cải thiện đáng kể độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn của vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tốc độ mài mòn của gang trắng crôm cao 15Cr-3Mo được xử lý bằng các nguyên tố biến tính khác nhau thấp hơn so với vật liệu chưa được xử lý. Cụ thể, tốc độ mài mòn trung bình của gang trắng hàm lượng crom cao 15Cr-3Mo biến tính kali thấp hơn 63,2% so với vật liệu chưa qua xử lý và tốc độ mài mòn của dung dịch tối ưu thấp hơn 74,4% so với vật liệu chưa qua xử lý.
② Cu-chứa gang trắng hợp kim. Loại gang trắng hợp kim này, được Nhà máy công cụ Shandong Xinwen phát triển thành công, được sản xuất bằng cách thêm 1,0% Cu và 0,9% hợp kim ferrosilicon đất hiếm để sửa đổi và cấy trước khi đúc, tiếp theo là xử lý chuẩn hóa 950 độ và ủ 600 độ, dẫn đến cacbua phân tán, mịn và phân bố đồng đều. Thử nghiệm máy cho thấy rằng trong máy nghiền xi măng L1,83m × 6,4m, khả năng chống mài mòn tương đối của lớp lót bằng đất hiếm Cu-có chứa hợp kim gang trắng gấp 2,4 lần so với lớp lót bằng thép mangan-cao. (3) Thép hợp kim trung bình và thấp
Mặc dù lớp lót máy nghiền bi bằng thép-mangan cao hoặc gang trắng hợp kim có thêm các thành phần hợp kim cho thấy khả năng chống mài mòn được cải thiện đáng kể so với lớp lót bằng thép mangan-cao thông thường, nhưng những vật liệu này đắt hơn do chứa một lượng lớn kim loại quý như Cr, Ni và Mo và dễ bị nứt, thậm chí gãy trong quá trình sản xuất và sử dụng. Dựa trên những lý do này, các nhà luyện kim và công nhân đúc Trung Quốc, xét đến điều kiện cụ thể của nước tôi, đã bắt đầu nghiên cứu sử dụng thép hợp kim trung bình và thấp để làm lớp lót máy nghiền bi và đã đạt được những kết quả đáng khích lệ.
① Thép hợp kim Cr, Mo, Cu trung bình-cacbon thấp{1}}chống mài mòn{2}}. Thép hợp kim trung bình-cacbon thấp-chịu mài mòn-có chứa Cr, Mo và Cu và được xử lý bằng các nguyên tố đất hiếm do Đại học Công nghệ Thẩm Dương phát triển, đã đạt được độ cứng trên HRC50 và giá trị va đập là 25-60 J/cm² sau khi làm nguội trong không khí ở 950 độ và ủ ở 250 độ . Nền của nó là martensite được tôi luyện và kính hiển vi điện tử quét cho thấy cấu trúc gồm các bó martensite hình thanh{14}}. Dưới kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phóng đại cao-, cấu trúc cho thấy rõ ràng hỗn hợp martensite lệch vị trí và một lượng nhỏ martensite song sinh, với màng mỏng không liên tục-giống như austenite được phân bổ giữa các thanh martensite. Hình dạng và sự phân bố austenite này đã cải thiện độ bền va đập và khả năng chống mài mòn tương đối của thép. Khả năng chống mài mòn của loại thép này dưới các năng lượng va đập khác nhau cho thấy sự tương phản rõ rệt với thép có hàm lượng mangan cao.
Với năng lượng va chạm ngày càng tăng, khả năng chống mài mòn do va đập của thép mangan-cao được cải thiện đáng kể, trong khi khả năng chống mài mòn của thép Cr, Mo, Cu mới phát triển lại giảm. Tuy nhiên, trong tất cả các điều kiện năng lượng va đập được chọn trong các thử nghiệm so sánh, khả năng chống mài mòn của thép mới cao hơn so với thép mangan-cao. Được sử dụng trong máy nghiền bi L1,83m × 3m tại Mỏ sắt Qian'an ở tỉnh Hà Bắc, lớp lót làm bằng vật liệu này có tuổi thọ từ 10-12 tháng, trong khi tuổi thọ của lớp lót ZGMn13 chỉ là 3-5 tháng.
② Thép hợp kim đa nguyên tố Cr-Mo-V-Ti trung bình-cacbon đa-. Thép hợp kim trung bình-cacbon-thành phần chứa Cr, Mo và một lượng nhỏ V, Ti và Nb, do Viện Nghiên cứu và Thiết kế Xi măng Hợp Phì phát triển, thu được martensite tôi luyện + một lượng nhỏ ma trận bainite thấp hơn với các pha cứng cacbua phân tán sau khi xử lý đất hiếm (RE) và xử lý nhiệt cụ thể. Các thử nghiệm cho thấy loại lớp lót này có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt, độ bền va đập và độ bền uốn cao, có tuổi thọ cao hơn ba lần so với thép mangan hàm lượng cao thông thường. Nó đã được sử dụng trong các nhà máy nghiền tại Nhà máy xi măng Hoài Hải (L4,2m×12m), Nhà máy xi măng Côn Minh (L3,5m×11m) và Nhà máy xi măng Tứ Xuyên Dukou (L2,2m×13m), với tốc độ mài mòn trung bình là 3,16 g/t ở buồng thứ nhất và 1,53 g/t ở buồng thứ hai; trong khi tốc độ mài mòn trung bình của lớp lót bằng thép{20}mangan cao là 13 g/tấn xi măng.
③ Thép hợp kim crom có hàm lượng cacbon trung bình-trung bình{1}}cao. Một lớp lót bằng thép hợp kim crom có hàm lượng cacbon-trung bình{4}}cao khác chứa 4,5%~5,5% Cr và 0,3%~0,7% Mo và được xử lý bằng chế phẩm RE, cũng do Viện Thiết kế và Nghiên cứu Xi măng Hợp Phì phát triển, đã được áp dụng thành công trong các nhà máy bi xi măng.
④ Thép mangan Cr-Ti trung bình-. Thép mangan-trung bình chứa 5,5%~8,0% Mn, 1,5%~2,0% Cr, 0,05%~0,1% Ti và được xử lý bằng 0,02%~0,05% RE, thu được cấu trúc austenite duy nhất với các hạt mịn hơn thép mangan-cao thông thường thông qua quá trình làm nguội bằng nước ở nhiệt độ 1100±30 độ . Các lớp lót làm bằng vật liệu này đã đạt được kết quả tốt trong các máy nghiền bi tại Mỏ sắt Banshigou và Mỏ đồng Tonghua của Nhà máy thép Tonghua. Khả năng chống mài mòn tương đối của nó gấp 1,64 lần so với thép mangan{18}}cao khi nghiền quặng magnetite; và gấp 1,48 lần so với thép{20}mangan cao khi nghiền quặng đồng. Lý do chính giúp khả năng chống mài mòn của vật liệu này được cải thiện là do hiệu suất làm cứng tốt hơn trong máy nghiền bi so với thép mangan{22}}cao thông thường.
⑤ Thép hợp kim Cr-Mo đa{1}}thấp{2}}pha. Lớp lót bằng thép chống mài mòn hợp kim thấp-nhiều pha-được nghiên cứu, chứa 3% Cr và 0,4% Mo, đã được xử lý bằng nhiệt làm nguội đẳng nhiệt để thu được cấu trúc vi mô bainite + martensite + austenite được giữ lại. Vật liệu này sở hữu độ dẻo dai và độ cứng cao nên có khả năng chống va đập, mỏi, biến dạng và mài mòn rất tốt. Các ứng dụng thực địa đã chỉ ra rằng lớp lót này có tuổi thọ sử dụng lâu hơn từ 1 đến 2 lần so với thép mangan cao{14}}thông thường.
