МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ УКРАНИ

ЗАПОРIЗЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

Капустін Михайло Олександрович

УДК 669.131.2.017:539.3

ДОСЛIДЖЕННЯ, РОЗРОБКА ТА ВПРОВАДЖЕННЯ

ЗНОСОСТIЙКИХ ЧАВУНIВ ДЛЯ МЕЛЮЧИХ ТIЛ

КУЛЬОВИХ МЛИНIВ

Спецiальнiсть 05.02.01 - Матерiалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацi на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

Запоржжя - 1999

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана в Запорiзькому державному технiчному унiверситетi

Мiнiстерства освiти Украни

Науковий керiвник: доктор технiчних наук, професор

ВОЛЧОК Iван Петрович,

Запорiзький державний технiчний унiверситет,

завiдуючий кафедрою технологi металiв.

Офiцiйнi опоненти: доктор технiчних наук, професор

Губенко Світлана Іванівна,

Державна металургійна академія України,

професор кафедри металознавства,

м.Дніпропетровськ.

кандидат технiчних наук,

Iвахненко Євген Iванович,

Запорiзький державний технiчний унiверситет,

доцент кафедри машины і технологія ливарного

виробництва

Провiдна установа: Фізико-механічний інститут, відділ зносостійких

покриттів, Національна академія наук України,

м.Львів.

Захист відбудеться 29 червня 1999 р. о 1330 годинi

на засiданнi спецiалiзовано вчено ради Д 17.052.01 у Запорiзькому державному технiчному унiверситетi за адресою: 330063, м.Запорiжжя, вул.Жуковського, 64.

З дисертацiєю можна ознайомитися у бiблiотецi Запорiзького державного технiчного унiверситету за адресою: м.Запорiжжя, вул.Жуковського, 64.

Автореферат розісланий 21 травня 1999р.

Вчений секретар

спецiалiзовано вчено ради

доктор технічних наук, професор I.П.Волчок

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Ефективність роботи кульових млинів, що використовуються для подрібнення руд чорних та кольорових металів, цементного клінкеру, кам’яного вугілля та інших матеріалів, у значній мірі залежить від стійкості мелючих тіл (куль). Витрати мелючих куль на подрібнення руд чорних та кольорових металів складають 3...6 кг/т або 0,3...0,6% від маси руд, що переробляються. При цьому забруднення руд міді, кобальта, свинця, нікеля та інших матеріалів шкідливим домішком - залізом знаходиться на рівні з їх вмістом у продуктах подрібнення (0,4...2,0%). Наявність заліза у вугіллі, що використовується як паливо, приводить до зміни структури полум’я та зниження коефіцієнта корисної дії теплових агрегатів.

На Україні та у країнах СНД використовувалась та використовується зараз високопродуктивна технологія одержання сталевих куль, що включає поперечно-гвинтову прокатку та подальше гартування з самовідпуском у агрегатах безперевної дії. Головним недоліком такої технології є низька твердість і, відповідно, зносостійкість куль, особливо великого діаметра. В зв’язку з цим, в промислово розвинених країнах до 30% мелючих куль виготовляється з білих чавунів методом лиття. Такі кулі мають стійкість у 3...5 разів вищу, ніж стійкість сталевих куль. На Україні об’єм виробництва чавунних мелючих тіл не перевищує 2% від загального випуску і обмежується цильпебсами (конічні мелючі тіла) та кулями малого діаметру (не більше 60мм).

Кулі великих діаметрів виготовляються за кордоном з високолегованих чавунів типу ніхард та з хромистих чавунів. На Україні такі кулі не виготовляють через наявність у їх складі дефіцитних легуючих елементів, а також через відсутність економічних та продуктивних технологій.

Необхідність у легуванні чавунів дефіцитними елементами пов’язана з тим, що нелеговані чавуни не задовольняють вимогам по ударостійкості мелючих куль. У зв’язку з цим набуває актуальності проблема оптимізації складу зносостійкого чавуну для мелючих куль з метою зниження його легованості. Технології лиття у піщані та металеві форми, що використовуються теперішнього часу, характеризуються низьким коефіцієнтом використання рідкого металу (біля 45...50%) та наявністю грубих ливарних дефектів кулі, що знижують її ударостійкість та зносостійкість. Тому проблема потребує використання способів лиття, що забезпечують направлену кристалізацію рідкого металу з мінімальним розвитком ливарних дефектів, оптимальну макро- та мікроструктуру і високі коефіцієнт використання рідкого металу та продуктивність праці.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно до програми Міністерства кольорової металургії СРСР “по преодолению дефицита и повышению качества мелющих шаров на предприятиях цветной металлургии”, 1990. - № держ. рег. 01.89.0017203, по темам “Разработка технологии, освоение производства, промышленное испытание и внедрение мелющих шаров на предприятиях цветной металлургии”, а також “Теоретические и технологические основы производства литых чугунных мелющих шаров повышенной износостойкости”, 1992. - № держ. рег. А.01000509Р.

Дослідження проводили згідно плану науково-дослідних робіт Запорізького державного технічного університету разом з Українським науково-дослідним інститутом металів (м.Харків), НВО “Востокмашзавод” (м.Усть-Каменогорськ, Казахстан), Алмаликським ГМК (м.Алмалик, Узбекістан) та Камиш-Бурунським ЗРК (м.Керч).

Мета i завдання дослiдження. Оптимізувати склад зносостійкого білого чавуну та технологію виробництва з нього литих мелючих тіл, що мають стійкість вищу, ніж стійкість серійних сталевих куль.

Для досягнення цілей, що поставлені у роботі, вирішувались наступні завдання:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Методи досліджень. У роботі використовувалися методи математичного планування експерименту, сучасні методи плавлення та термічної обробки металу, методи аналізу механічних, фізичних та експлуатаційних характеристик білих чавунів, а також спеціальні методики визначення зносостійкості та ударостійкості мелючих куль.

Наукова новизна одержаних результатiв.

-визначен критер надйност і довговчност та х величина, що забезпечують висок експлуатацйн характеристики литих мелючих куль даметром до 100мм з хромистих чавунв: твердсть HRC55, ударна вязксть КС8Дж/см2, ударостйксть Nу15 ударв при одиничнй енерг удару - 1450Дж, магнтна проникливсть 4Гн/м;

-з використанням метода активного планування експеримента одержан рвняння регресй, що описують вплив C, Cr та Mn на властивост зносостйких чавунв; встановлено, що стоп складу, мас. частина, %: 2,7...2,9С, 13,0...15,0Cr та 3,5...4,0Mn має структуру: мартенсит, карбди типу М7С3 у клькост 27...30% та аустент - до 20%, що забезпечує необхдний рвень властивостей по критерям HRC, КС та ;

-показано, що пд дєю вдцентрових сил та вбрац покращуються умови живлення куль, змнються характер х кристалзац, подрбнються мкроструктура, зменшуться обєм усадочних раковин, що, у свою чергу, пдвищує щльнсть, абразивну стйксть та ударостйксть куль;

-встановлен залежност мж обємом усадочних дефектв та ударостйкстю, мж розмром зерна металево основи карбдно фази та зносостйкстю стопу ИЧ280Х15Г4Т. Показано, що досягнуте завдяки дям вдцентрових сил та вбрац зменшення обєму усадочних дефектв з 2,85 до 1,22% приводить до пдвищення ударостйкост куль з 4 до 30 ударв; зменшення розмрв зерна металево основи з 61 до 13мкм та розмрв карбдв з 41 до 7 мкм приводить до пдвищення абразивно зносостйкост приблизно на 30%.

Практичне значення одержаних результатiв. Розроблена методика випробувань литих чавунних мелючих куль на ударостйксть, що дозволило у лабораторних умовах визначати здбнсть куль протистояти крихкому руйнуванню при робот у млинах.

Рекомендовано хмчний склад зносостйкого хромистого чавуну для литих мелючих куль даметром 80...100мм, що мають стйксть у 3,2 рази вищу за стйксть серйних сталевих куль та вдповдають умовам, які забезпечують високоефективну роботу мелючих млинів.

Розроблена високопродуктивна технологя виробництва литих мелючих куль з використанням спецально установки вдцентрового лиття.

За результатами дисертаційної роботи розроблено та передано Камиш-Бурунському ЗРК рекомендації для впровадження у промисловсть Украни технологї виробництва мелючих куль з стопу ИЧ280Х15Г4Т.

Апробаця роботи. Основн положення дисертацйно роботи доповдались обговорювалися на науково-технчнй конференц “Шляхи пдвищення якост та економчност ливарних процесв” (Одеса, травень 1993р.); науково-технчнй конференц “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах” (Запоріжжя, вересень 1994р.); міжнародному семінарі “Проблемы современного материаловедения” (Дніпропетровськ, квітень 1995р.); VI науково-технчнй конференц “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделия” (Запоріжжя, вересень 1995р.); міжнародній науково-технчнй конференц “Энерго- и ресурсосберегающие технологии в производстве стекла” (Константинівка, листопад 1995р.); IV Міжнародній науковій конференції “Материалы для строительных конструкций” (Дніпропетровськ, травень 1996р.).

Публкац. Результати дисертацйних дослджень опублкован у двох статтях у наукових журналах, двох статтях у збрниках наукових праць та в семи тезах матералах конференцй.

Структура обсяг дисертац. Дисертацйна робота складається з вступу, 5 роздлв, висновкв, списку використаних джерел та додаткв. Робота виконана в обсяз 165 сторінок комп’ютерним набором, вмщує 37 малюнкв, 22 таблиці, бблографчний список мстить 114 назв лтературних джерел.

ЗМСТ РОБОТИ

У вступ обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета та завдання досліджень, викладена наукова новизна, наведені основні положення, що виносяться на захист, приведені відомості про практичну цінність та реалізацію результатів роботи.

У першому роздл міститься огляд літератури з питань умов роботи мелючих тіл кульових млинів, а також проаналізовані можливості використання зносостійких чавунів як матеріалу мелючих куль.

На основі аналізу літературних даних встановлені фактори, що визначають експлуатаційну стійкість мелючих куль. Такими факторами є твердість, достатня в’язкість та зносостійкість. Крім того, за умовами розвантажувально-завантажувальних робіт кулі повинні мати певні магнітні властивості.

Згідно з літературними даними для куль великих діаметрів (80мм та більше) за кордоном використовують хромисті чавуни та стоп ніхард. Оскільки нікель, що є основним легуючим елементом стопу ніхард, у наших умовах є дорогим та дефіцитним матеріалом, в роботі, як базовий матеріал для литих мелючих куль було вибрано хромистий чавун. Встановлено, що основним фактором, який визначає властивості білого чавуну, є склад, кількість та морфологія карбідної фази. Тому найбільш придатний для роботи в умовах ударно-абразивного зносу вибрані чавуни леговані 12...24% хромом. Кристалізація таких чавунів проходить з утворенням карбідів типу (Cr,Fe)7C3, які служать ведучою фазою структури. Аустенітно-хромистокарбідна евтектіка має скелетну будову, при цьому матричною фазою є аустеніт, а розгалуженою фазою - карбід (зазначемо, що у звичайній ледебуритній евтектиці - навпаки). Такими особливостями будови чавуну деякі дослідники пояснюють високий рівень механічних властивостей чавунів з карбідами типу (Cr,Fe)7C3, у порівнянні з низьколегованими чавунами, що містять ледебурітну евтектику.

Аналіз літературних даних про вплив легуючих елементів на структуру та властивості хромистого чавуну дозволив вибрати основну систему Fe-C-Cr-Mn з таким вмістом елементів, мас. доля, %: 1,8...3,2С; 13,0...23,0Cr та 1,0...4,0Mn для подальших досліджень з метою оптимізації складу стопу по службовим властивостям. У огляді відзначено також позитивний вплив модифікування хромистого чавуну титаном.

Поряд з легуванням та модифікуванням вказані також інші методи керування структурою високохромистих чавунів: дією на метал, що кристалізується, фізичними та механічними факторами, а саме вібрацією, відцентровими силами, електромагнітними полями, електронами високої енергії. Механічною дією можна також досягти щільних якісних відливків, а також підвищення виходу придатного.

Проаналізовано вітчизняний досвід виробництва литих куль. До теперішнього часу на Україні литі кулі діаметром більше 60мм не виробляють.

Виконаний аналіз дозволив сформулювати завдання, які необхідно вирішити для досягнення мети роботи.

У другому роздл подані відомості про матеріали, що використовували у роботі, та методи їх досліджень.

На підставі аналізу попереднього досвіду для досліджень були обрані високохромисті чавуни. Експерименти проводили на литих зразках та литих мелючих кулях діаметром 80...100мм.

Плавки проводили у лабораторних печах місткістю 20 та 60кг. В промислових умовах використовували індукційну піч місткістю 6т. Температура у печі перед випуском металу становила 1450...14800С. Температура чавуну при заливці змінювалась від 1340 до 14200С. Відливку зразків проводили у піщані форми. Для вивчення впливу хімічного складу та термічної обробки на структуру та властивості хромистого чавуну відливали кулі діаметром 100мм у промислові піщані форми по технології, що розроблена ЗДТУ і впроваджена на НВО “Востокмашзавод”. Для вивчення впливу вібрації та відцентрових сил, кулі відливали у кокіль на модулі установки відцентрово-вібраційного лиття Камиш-Бурунського залізорудного комбінату.

Термічну обробку зразків проводили у лабораторних печах опору, литих куль - у печах СДО-28 з висувним подом. Термічна обробка включала повітряне гартування від температур 920...9500С з відпуском при температурі 430...4500С. Для запобігання утворення тріщин у відливках при нагріванні під гартування швидкість нагрівання обмежували величиною 700С/год. з витримкою протягом 2 годин при температурі 4000С. Подальше нагрівання вели з швидкістю 1500С/год.

Контроль хімічного складу, дослідження макро- та мікроструктури, розміру структурних складових та механічних властивостей проводили стандартними методами. Для дослідження ударостійкості куль було розроблено спеціальну методику з використанням копра з падаючим вантажем. Енергія одиничного удару дорівнювала 1450Дж, що в 10...15 разів перевищує реальні динамічні навантаження, які сприймають кулі при роботі у промислових млинах. Ударостійкість оцінювали по кількості ударів, що витримувала куля до руйнування.

Дослідження абразивної зносостійкості проводили по методу випробування матеріалів при терті по закріпленому абразиву на установці Фізико-механічного інституту НАН України, яка забезпечувала постійну лінійну швидкість при терті. Ударно-абразивну зносостійкість зразків досліджували у лабораторному кульовому млині.

Об’єм усадочних дефектів визначали за методикою, що розроблена кафедрою М та ТЛВ ЗДТУ. Додатково досліджували площину усадочної раковини на темплеті кулі, що виготовляли розтином кулі по площині, яка перпендикулярна роз’єму форми та проходить через живильник.

Математичну обробку експериментальних даних та оптимізацію хімічного складу чавуну здійснювали із застосуванням сучасних апаратів і засобів обчислюваної математики.

Третій роздл присвячено розробці оптимального складу хромистого чавуну для мелючих куль діаметром 80...100мм.

При виборі критеріїв експлуатаційної стійкості куль, необхідних для оптимізації складу стопу, були використані результати випробувань литих мелючих куль з хромистих чавунів різного складу, проведених раніше кафедрою технології металів ЗДТУ. Такими критеріями було обрано:

-твердість поверхні кулі не менше HRC 55 з максимально можливою рівномірностю по перетину кулі;

-ударна в’язкість КС матеріалу кулі не менше 8,0 Дж/см2;

-ударостійкість куль Nу не менше 15 ударів;

-магнітна проникливість не менше 4,0 Гн/м;

-достатня щільність та якість відливків.

Вплив основних легуючих елементів (C, Cr та Mn) вивчали з використанням математичного методу активного планування експерименту 23 (ортогональний план другого порядку). Згідно з аналізом літературних даних вміст хімічних елементів змінювали у наступних межах, мас. доля,%: 1,8...3,2С; 13,0...23,0Cr, 1,0...4,0Mn. Крім того, стопи вміщували 0,8...1,0%Ni, не більше 1,0%Si. Функцією відклику було обрано твердість HRC, ударна в’язкість КС, магнітна проникливість , абразивний та ударно-абразивний зноси, як фактори, що відображають експлуатаційні якості мелючих куль.

Математична обробка результатів експерименту дозволила одержати залежності властивостей зносостійкого чавуну від його хімічного складу (у досліджених межах), що описуються рівняннями регресій:

КС = 55,6-16,25С-2,0Cr-2,1Mn+0,7СMn+2,2С2+0,05Cr2, Дж/см2;

HRC = 27+5,6С+0,3Cr+8,9Mn-1,7Mn2;

= 2,8-1,7С+0,1Cr+2,8Mn-0,1ССr-0,2СMn+0,8С2-0,4Mn2, Гн/м;

IА = 441-53С-1,6Cr-70Mn+13Mn2, г/(м2ч);

IУА = 95,8-38,1С-3,75Cr-3,9Mn+0,6ССr+5,25С2+0,06Сr2+

+0,8Mn2, г/(м2ч);

Стопи вивченого хімічного складу мають структуру доевтектичного білого чавуну. Евтектика представлена хромистим карбідом типу (Cr,Fe)7C3 розеточної будови в аустенітній матриці. Кількість карбідів змінювалась від 15 до 35%. Термічним травленням встановили, що при будь-якому співвідношенню Cr/C у досліджених межах (5...11) при кристалізації стопів створюється тільки карбід тригонального типу (безбарвні карбіди). Карбіди цементитного типу (Fe,Cr)3C (цегельного кольору) виділяються вже у процесі охолодження відливку. Переконливим підтвердженням результатів термічного травлення служать дослідження мікротвердості. Безбарвні карбіди мали мікротвердість Н50=1410...1680МПа, що відповідає карбіду типу (Cr,Fe)7C3. Одержані результати свідчать про недоцільність збільшення вмісту хрому з метою зміни морфологічної будови карбідної фази та евтектики в цілому. Вже при 13,0%Cr усі досліджені сплави кристалізувалися з евтектикою розеточної будови. Вторинні карбіди цементитного типу виділяються у середині металічної основи стопу, мають невеликі розміри і на первинну структуру високохромистих чавунів впливу не чинять. Металева основа досліджених чавунів після термічної обробки має структуру мартенситу з мікротвердістю Н50=710...830МПа. Невеликі розміри вивчених зразків (біля 30мм) не дозволили встановити різниці у структурі по перетину шліфа.

Зміни ступеня легування чавунів не привело до помітної зміни металевої матриці стопів, але значно змінило кількість карбідної фази. Цей факт пояснює зниження ударної в’язкості та підвищення твердості із збільшенням вмісту вуглецю та хрому як основних карбідостворюючих елементів. Вплив марганцю за умов невеликих зразків встановити складно. Власних карбідів марганець не утворює (в досліджених стопах), а лише легує карбіди хрому та металеву основу. Розчинюючись у залізі, марганець розширює -область, та збільшує кількість вуглецю в аустеніті, тим самим стабілізує аустеніт в області перлітного перетворення та підвищує здатність до гартування, а також зменшує загальну кількість карбідів.

Встановити зв’язок між співвідношенням Cr/C та ударно-абразивною зносостійкістю не вдалося. Але оптимальною структурою незалежно від вмісту вуглецю та хрому є мартенситна матриця з 25...28% карбіду типу М7С3. Певно, така структура оптимально поєднує твердість як фактор, що перешкоджає проникненню абразивної частки у тіло кулі, та достатню в’язкість як показник, що сприяє зниженню викришування карбідів у процесі зносу, та підвищенню ударостійкості куль.

Одержані залежності дозволили провести з врахуванням вимог до матеріалу мелючих куль комплексну оптимізацію хімічного складу зносостійкого чавуну з використанням графо-аналітичного методу. Визначено базовий склад чавуну, мас. доля, %: 2,7...2,9С; 13,0...15,0Cr; 4,0%Mn. Такий склад чавуну забезпечує необхідний рівень властивостей при мінімально можливому вмісті хрому. Цей чавун також має ступінь евтектичності 0,8, що забезпечує покращення ливарних властивостей.

Вивчення впливу марганцю, нікелю, кремнію та титану на експлуатаційні властивості стопу ИЧ280Х15 проводили безпосередньо на кулях діаметром 100мм, що відливали у піщані форми.

Марганець вводили до стопу з метою забезпечення високої твердості не тільки на поверхні кулі, але й по всьому її перетину. При всіх вивчених вмістах марганцю стоп задовольняє умовам по ударостійкості. Твердість поверхні куль при вмісті від 1,0 до 4,0%Mn практично не змінюється, але у центрі кулі максимальне значення твердості має місце при 3,6...4,1%Mn. При такому вмісті марганцю металева основа як на поверхні, так і у центрі кулі представлена мартенситом. Вміст марганцю вище 4,1% знижує точку мартенситного перетворення настільки, що робить практично неможливим одержання структур гартування при кімнатній температурі. Кількість немагнітної складової структури - аустеніту збільшується до межі, коли кулі перестають задовольняти встановленим вимогам по магнітній проникливості, а також по твердості. Вміст марганцю нижче 3,3% приводить до збільшення кількості продуктів розпаду аустеніту у центральній частині кулі, що негативно відзначається на твердості та стійкості мелючих куль.

Кремній є розкислюючим та легуючим елементом і вноситься у чавун з шихтовими матеріалами. Кремній звужує -область та значно знижує концентрацію вуглецю у аустеніті. У хромомарганцевих чавунах з високою стабільністю аустеніту кремній у визначеному діапазоні вмісту можна розглядати як корисний елемент, що підвищує температуру мартенситного перетворення та полегшує тим самим утворення мартенситу. Але підвищений вміст кремнію приводить до зниження твердості чавуну, оскільки ефект від збільшеня кількості продуктів перлітного розпаду з малою твердістю перекриває ефект від збільшення кількості мартенситу. Встановлено, що вміст кремнію у чавуні ИЧ280Х15Г4 не повинен перевищувати 1,0%.

Використання дорогого нікелю для легування маловідповідальних деталей повинно підтверджуватися його значимістю та необхідністю. Виключення нікелю із складу зносостійкого хромистого чавуну знижує ударостійкість литих куль нижче критичного рівня (Nу15 ударів). За іншими параметрами стоп повністю відповідає встановленим критеріям. У зв’язку з цим виникла необхідність підвищення ударостійкості матеріалу за рахунок інших факторів. Найбільш перспективним у цьому плані виявилося модифікування стопу титаном.

Добавки титану у кількості до 0,3% приводять до подрібнення структури стопу за рахунок ефекту модифікування другого роду. Наслідком змін у структурі стопу є підвищення ударостійкості куль до необхідного рівня. Але при подальшому збільшенню вмісту титану у стопі має місце збільшення розміру зерна.

У результаті проведених досліджень для виробництва мелючих куль методом лиття запропоновано чавун марки ИЧ280Х15Г4Т, що містить, мас. доля, %: 2,7...2,9С; 13,0...15,0Cr; 3,5...4,0Mn; не більше 1,0Si; 0,1...0,3Ti.

Проведено оптимізацію режиму термічної обробки мелючих куль з розробленого стопу за температурами повітряного гартування та відпуску. Встановлено, що підвищення температури повітряного гартування веде до зниження твердості та підвищення ударостійкості куль за рахунок збільшення кількості залишкового аустеніту у структурі стопу. Температура відпуску впливає аналогічно з різким збільшенням зростання при температурі вище 6500С, що обумовлено переходом точки перетворення А1 (7500С). Впливу термічної обробки на первинні карбіди не встановлено. Оптимальним режимом термічної обробки мелючих куль із стопу ИЧ280Х15Г4Т є повітряне гартування з 950200С та наступним відпуском при 450200С.

Четвертий роздл присвячено розробці технології лиття мелючих куль на розробленому разом з Камиш-Бурунським залізорудним комбінатом модулі відцентрово-вібраційного лиття (ВВЛ), що забезпечив одержання відливків високої якості за рахунок направленої кристалізації та сумісної дії відцентрових сил та вібрації.

Розроблено дві модифікації кокілів для лиття мелючих куль:

-кокіль першої модифікації дозволяє одночасно відливати кулі діаметром 100, 80, 60, 40 та 20мм з живленням “відливку через відливок”, що забезпечує направлену кристалізацію;

-кокіль другої модифікації розроблено для куль невеликого діаметру (до 60мм), що забезпечує нормальне заповнення форми під дією відцентрових сил з раціональним використанням розмірів кокіля.

З використанням модуля ВВЛ та кокіля першої модифікації провели дослідження впливу вібрації та відцентрових сил на структуру та властивості литих куль з чавуну ИЧ280Х15Г4Т.

Встановлено, що зміни режиму роботи модуля ВВЛ практично не вплинули на кількісне співвідношення складових структури стопу, але значно вплинули на їх розміри та у деякий мірі на морфологію. Зі збільшенням частоти коливань та швидкості обертання кокіля зменьшується середній розмір зерна структури та часток карбідів. Цей факт, певно, пов’язаний зі збільшенням кількості центрів кристалізації, переохолодженням розплаву та з підвищенням однорідності стопу внаслідок його перемішування під дією вібрації.

Макроструктура куль у зломах щільна, чиста, за виключенням раковин усадочного характеру діаметром 12...15мм, що розміщуються поблизу живильника на відстані 9...20мм від поверхні кулі. У більшості випадків макроструктура темплетів куль однорідна, дрібнозерниста без видимих включень та тріщин.

Щільність матеріалу куль не залежить від режиму роботи модуля ВВЛ і становить 7,7062 г/мм3. Разом з цим, щільність відливків куль зі збільшенням частоти вібрації та швидкості обертання кокілю підвищується, а об’єм усадочної раковини зменшується (табл. 1). Це обумовлено підвищенням рідкотекучості, а також накладенням ефекту лиття під тиском за рахунок центрифугування при обертанні кокілю. Підвищення частоти коливань кокіля сприяє зниженню газонасиченості відливку та виведенню усадочних дефектів через ливникову систему у стояк.

Результатом подрібнення структури чавуну та збільшення щільності відливку стало підвищення службових властивостей мелючих куль. Встановлено, що необхідна ударостійкість литих куль діаметром 80...100мм забезпечується, якщо сумарний об’єм усадочних дефектів не перевищує 1,20...1,25%, а об’єм концентрованої раковини - 0,40...0,45%. Основним результатом роботи стало значне підвищення ударостійкості куль (з 4 до 30 ударів) при збереженні високої твердості (HRC 58...60). |

Таблиця 1 - Вплив режиму роботи модулю ВВЛ на щільність

відливку мелючих куль з чавуну ИЧ280Х15Г4Т

Режим роботи | Діаметр кулі 40мм | Діаметр кулі 60мм | Діаметр кулі 80мм

модулю ВВЛ

Частота | Швидкість | Щіль- | Сумарний | Щіль- | Сумарний | Щіль- | Сумарний

вібра- | обертання | ність | об’єм усадочних | ність | об’єм усадочних | ність | об’єм усадочних

ції | кулі, | дефектів, V | кулі, | дефектів, V | кулі, | дефектів, V

Гц | об/хв. | г/см3 | см3 | % | г/см3 | см3 | % | г/см3 | см3 | %

0 | 500 | 7,623 | 0,35 | 1,09 | 7,583 | 1,82 | 1,6 | 7,693 | 7,22 | 2,85

17 | 125 | 7,628 | 0,32 | 1,01 | 7,604 | 1,52 | 1,33 | 7,601 | 6,78 | 2,64

17 | 500 | 7,663 | 0,16 | 0,52 | 7,658 | 0,74 | 0,64 | 7,593 | 4,93 | 1,53

34 | 125 | 7,656 | 0,2 | 0,65 | 7,65 | 0,83 | 0,72 | 7,564 | 5,47 | 2,16

34 | 500 | 7,676 | 0,12 | 0,38 | 7,673 | 0,48 | 0,42 | 7,624 | 3,42 | 1,34

48 | 125 | 7,679 | 0,11 | 0,36 | 7,677 | 0,43 | 0,38 | 7,618 | 3,35 | 1,52

48 | 500 | 7,685 | 0,09 | 0,28 | 7,668 | 0,56 | 0,5 | 7,695 | 3,06 | 1,22

В роботі не виявлено зв’язку ударостійкості куль від параметрів мікроструктури матеріалу. Певно, що на кулях із значним об’ємом усадочних дефектів їх вплив на ударостійкість більш значний, ніж вплив розмірів мікроструктури. Можливо, що на більш щільних кулях вплив розмірів зерна та карбідів на ударостійкість буде значнішим.

Розподіл твердості по перетину кулі не залежить від режиму роботи модуля ВВЛ, але зносостійкість матеріалу підвищується при збільшенні частоти коливань кокіля та швидкості обертання модуля. Виявлено зв’язок між втратою маси зразка при абразивному зносі з розміром параметрів структури. Вірогідно, що більш дрібнодисперсні та рівномірно розподілені карбіди міцніше утримуються металевою матрицею і у меншій мірі викришуються.

Дослідженнями встановлено, що високоякісні відливки чавунних куль забезпечує такий режим роботи модулю ВВЛ:

-амплітуда вібрації 0,5мм;

-частота вібрації 48Гц;

-частота обертання 500 об/хв;

-час обробки рідкого металу вібрацією та відцентровими силами 1,0...1,2хв;

-мінімальна температура рідкого металу при заливці 1360...13800С.

У пятому роздл приведені результати виробництва дослідно-промислової партії мелючих куль з чавуну ИЧ280Х15Г4Т, що відливали на модулі ВВЛ за розробленою технологією.

Мелючі кулі, що були відлиті згідно з вимогами заданої технології, відповідали ГОСТ 7524-89 по якості поверхні та розмірам. Поверхня куль була чиста, форма відливка відповідала формі кулі, зміщень по роз’єму форми не було. Вихід придатного литва становив 72...75%.

Макроструктура литих куль щільна, без видимих дефектів (пустот, тріщин), а також помітних лікваційних зон. У кулі діаметром 80мм на відстані 10...15мм від поверхні в місці прилягання ливника до відливка малась рихлість та компактна усадочна раковина неправильної форми площиною біля 20мм2. У кулях меншого діаметру усадочні дефекти займали значно меншу площину.

Мікроструктура досліджених куль мала осередочну будову і представлена мартенситною матрицею та аустенітно-хромистокарбідною евтектикою з карбідами (Cr,Fe)7C3 у кількості 25...30%.

Службові властивості куль повністю відповідали розробленим критеріям: твердість поверхні становила HRC57...60, у центрі кулі - HRC50...54; ударостійкість - 25 ударів; магнітні властивості куль повністю задовольняли вимогам завантажувально-розвантажувальних робіт.

Порівняльні випробування стійкості у млині литих мелючих куль з чавуну ИЧ280Х15Г4Т та катаних із сталі 35Г показали відносне збільшення експлуатаційної стійкості чавунних куль у 3,2 рази. Крім того, використання більш твердих чавунних куль, в порівнянні зі сталевими, додатково дозволило зменшити витрати електроенергії при подрібненні у млині на 15% та підвищити ефективність процесу подрібнення руди.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Аналіз світового досвіду показав, що у промислово розвинених країнах частка зносостійкого чавуну що більше як у три рази перевищує зносостійкість конструкційних сталей, у виробництві куль складає 30%, тоді як на Україні ця частка не перевищує 2% внаслідок дефіциту легуючих елементів (Ni, V, Mo, Cu та інш.) та відсутності оптимальної технології виробництва куль діаметром більше 60мм.

2. Розроблено граничні умови фізичних, механічних та експлуатаційних властивостей, що забезпечують високоефективну роботу млинів та стійкість чавунних куль:

-твердість поверхні кулі не менше як HRC 55;

-ударна в’язкість КС не менше 8 Дж/см2;

-ударостійкість куль Nу не менше 15 ударів;

-магнітна проникливість не менше 4 Гн/м;

-ливарні властивості повинні забезпечити мінімальну кількість усадочних дефектів.

3. З використанням математичного методу активного планування експерименту одержані кореляційні залежності, що описують вплив вуглецю, хрому та марганцю на механічні властивості, магнітну проникливість та абразивне і ударно-абразивне зношування чавуну;

4. На підставі розроблених критеріїв роботоздатності з використанням одержаних залежностей оптимізовано хімічний склад чавуну ИЧ280Х15Г4Т для мелючих куль, що відрізняється від раніше відомого економією дефіцитних хрому (біля 2%) та нікелю (біля 1%).

5. Для підвищення зносостійкості, ударостійкості та одержання рівномірного розподілу властивостей по перетину куль запропоновано модифікувати чавун титаном у кількості 0,1...0,3%.

6. Установлено залежності щільності відливку та кількості дефектів усадочного походження від режимів роботи відцентрово-вібраційної установки, а також залежність ударостійкості куль від сумарного об’єму усадочних дефектів. Накладення вібрації та відцентрових сил дозволяє одержувати щільні кулі з мінімальною кількістю усадочних дефектів та з однорідною і дрібнозернистою структурою. Оптимальним режимом работи модуля установки ВВЛ є:

-ампітуда вібрації 0,5мм;

-частота вібрації 48Гц;

-частота обертання 500 об/хв;

-час обробки рідкого металу у формі 1,0...1,2 хв;

-температура рідкого металу при заливці 1360...13800С.

7. Оптимізовано режим термічної обробки мелючих куль з чавуну розробленого складу за температурами повітряного гартування та відпуску. Установлено, що підвищення температури гартування знижує твердість та підвищує ударостійкість за рахунок збільшення кількості залишкового аустеніту у структурі стопу. Температура відпуску (250-6500С) впливає аналогічно температурі гартування. Оптимальним режимом термічної обробки мелючих куль з чавуну ИЧ280Х15Г4Т є повітряне гартування від 950200С з відпуском при 450200С.

8. Промислове випробування показало, що кулі, виготовлені за новою технологією, відповідають усім критеріям роботоздатності та мають стійкість, що перевищує у 3,2 рази стійкість серійних куль із сталі 35Г.

9. На підставі проведених досліджень розроблено та передано для впровадження у промисловість України рекомендації щодо використання нової технології виробництва мелючих куль з чавуну ИЧ280Х15Г4Т за допомогою відцентрово-вібраційної установки лиття. Розроблена технологія дозволяє збільшити вихід придатного лиття до 73,2% проти 45...50% при литті у піщані форми, а також повністю механізувати та автоматизувати процеси лиття.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Анотація

Капустін М.О. Дослідження, розробка та впровадження зносостійких чавунів для мелючих тіл кульових млинів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.02.01 - “Матеріалознавство”. - Запорізький державний технічний університет, Запоріжжя, 1999.

Дисертація присвячена розробці зносостійкого хромистого чавуну та технології виробництва з нього литих мелючих куль діаметром 80...100мм підвищеної стійкості.

Розроблено критерії експлуатаційної стійкості для литих мелючих куль. Вивчено вплив основних легуючих елементів C, Cr та Mn на властивості зносостійкого чавуну, а також Mn, Si, Ni та Ti на структуру та властивості мелючих куль з чавуну ИЧ280Х15. З врахуванням вимог, що пред’являються, та з використанням встановленних залежностей розроблено чавун марки ИЧ280Х15Г4Т для литих мелючих куль діаметром 80...100мм, а також режим їх термічної обробки.

Для одержання щільних якісних відливків, підвищення виходу придатного литва, механізації та автоматизації процесу розроблена спеціальна технологія лиття мелючих куль у металевих формах з накладанням на метал, що кристалізується, вібрації та відцентрових сил.

Результати роботи пройшли промислове випробування і рекомендовані до впровадження у промисловість України.

Ключові слова: мелючі кулі, зносостійкий хромистий чавун, карбіди, твердість, ударна в’язкість, магнітна проникливість, зносостійкість, ударостійкість, кокіль, вібрація, відцентрове лиття.

Аннотация

Капустин М.А. Исследование, разработка и внедрение износостойких чугунов для мелющих тел шаровых мельниц. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - “Материаловедение”. - Запорожский государственный технический университет, Запорожье, 1999.

Диссертация посвящена разработке износостойкого хромистого чугуна и технологии производства из него литых мелющих шаров диаметром 80...100мм повышенной стойкости.

Разработана методика испытания литых чугунных мелющих шаров на ударостойкость, что позволило в лабораторных условиях определять способность шаров противостоять хрупкому разрушению их при работе в мельнице.

Разработаны критерии эксплуатационной стойкости для литых мелющих шаров, основными из которых являются твердость поверхности и по сечению шара, ударная вязкость и ударостойкость материала шаров, магнитные свойства.

Изучено влияние основных легирующих элементов C, Cr и Mn на свойства износостойкого чугуна, а также Mn, Si, Ni и Ti на структуру и свойства мелющих шаров из чугуна ИЧ280Х15. С использованием метода активного планирования эксперимента получены уравнения зависимостей. которые описывают влияние указанных элементов на эксплуатационные свойства износостойких чугунов. Установлено, что необходимый уровень свойств шаров по выбранным критериям обеспечивает чугун ИЧ280Х15Г4Т со структурой, основой которой является мартенсит с остаточным аустенитом в количестве до 20% и карбидами типа (Cr,Fe)7C3 в количестве 25...30%.

Полученные в работе результаты позволили разработать и рекомендовать химический состав износостойкого хромистого чугуна для литых мелющих шаров диаметром 80...100мм. Для шаров из разработанного состава опробованы различные температурные режимы термической обработки. На основе полученных результатов рекомендованы температуры воздушной закалки с 950200С и отпуска при 450200С.

Исследовано влияние вибрации и центробежных сил на процесс кристаллизации чугуна в металлических формах. Показано, что воздействие вибрации и центробежных сил улучшают условия питания отливки, изменяют характер кристаллизации и приводят к измельчению микроструктуры, уменьшению суммарного объема усадочных дефектов, что, в свою очередь, увеличивает плотность отливки, абразивную износостойкость и ударостойкость мелющих шаров.

Разработана высопроизводительная технология изготовления литых мелющих шаров с использованием специальной установки центробежно-вибрационного литья. Такая технология позволяет увеличить выход годного литья до 70...75% против 45...50% при литье в песчаные формы, а также полностью механизировать и автоматизировать процесс литья.

Шары, полученные по разработанной технологии из сплава ИЧ280Х15Г4Т, характеризуются эксплуатационной стойкостью, которая в 3,2 раза превышают стойкость серийных катаных шаров из стали 35Г. Кроме того, использование более твердых чугунных шаров в сравнении со стальными дополнительно обеспечивают уменьшение затрат электроэнергии при помоле руд в мельнице и повышают эффективность процесса измельчения.

Результаты работы прошли промышленное опробование и предложены для внедрения в промышленности Украины.

Ключевые слова: мелющие шары, износостойкий хромистый чугун, карбиды, твердость, ударная вязкость, магнитная проницаемость, износостойкость, ударостойкость, кокиль, вибрация, центробежное литье.

Summary

Kapustin M.A. Investigation, development and reduction to practice of cast irons for grinding bodies of boll mills. - Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences on speciality 05.02.01 - “Material science” - Zaporozhye State Technical University, Zaporozhye, 1999.

Dissertation is dedicated to development of wear-resistant chromium cast iron and technology of production of highly resistant cast grinding bolls having 80...100mm in diameter made of this cast iron.

Criteria of exploitation resistance for cast grinding bolls were developed. Influence of basic alloying elements: C, Cr and Mn on properties of wear-resistant cast iron and Mn, Si, Ni and Ti on structure and properties of grinding bolls made of cast iron ИЧ280Х15 was studied. Taking into account the service demands and using dependences, cast iron of grade ИЧ280Х15Г4Т for cast grinding bolls having 80...100mm in diameter was developed, as well as regime of thermal treatment of the bolls.

For getting high quality of castings,