Испытания шаров для шаровых мельниц на износостойкость

С.Ф.Шинкоренко, д.т.н., гл. научный сотрудник ГИГХС

При достаточности производимых в России объемов и сортамента помольных шаров актуальным остается вопрос повышения их качества, определяющим показателем которого является износостойкость. Требование увеличения износостойкости исходит от потребителей в связи с высоким расходом шаров, достигающим при измельчении твердых пород типа железистых кварцитов 2-2.5 кг на тонну исходной руды. Доля затрат на шары в себестоимости передела 1 т железорудного концентрата достигает 10% и выше.

Производство шаров в России, превышающее 100 тыс. шт. в год, осуществляется на ряде металлургических заводов по различным технологиям, чему сопутствует значительный разбег показателей износостойкости. В последние годы существенно возросла доля чугунных шаров, потребляемых горнообогатительными комбинатами в стадиях тонкого помола. Характеризуя шаропрокатное и литейное производство, следует отметить, что идеологией его является изготовление шаров из дешевого сырья, что позволяет обеспечить минимальную себестоимость металлургического передела, но отрицательно сказывается на показателях измельчения руды. Технология литья легированных добавками хрома, марганца, никеля высококачественных шаров, применяемая за рубежом, в России не используется. Фирма «Магатто» (Бельгия), например, производит чугунные шары с высоким содержанием хрома (до 18%). Твердость их после термической обработки достигает 64-66 ед. по Роквеллу, а износостойкость на порядок выше, чем обычных шаров с низким содержанием хрома. Преимущества таких шаров подтверждены практикой их применения.

Использование металлургическими заводами низкокачественного, колеблющегося по составу металлургического сырья приводит к колебаниям структуры литья и соответственно твердости шаров на поверхности и внутри.

Существующая методология контроля качества шаров при их производстве и потреблении не отслеживает их фактическую износостойкость и, следовательно, не обеспечивает возможности отбраковки низкокачественной продукции. Систематически замеряется лишь твердость поверхностного слоя шаров, которая не характеризует в необходимой степени изменяющуюся твердость внутри шара (рис. 1), зависящую от химсостава и многообразия кристаллических структур литья, образующихся при его охлаждении.

Опыт показывает, что прямая связь между поверхностной твердостью и твердостью внутренних слоев и тем более износостойкостью, зависящей от внутренних дефектов шара, отсутствует, а твердость и износостойкость могут резко изменяться по мере износа шара.

Наиболее эффективным способом объективной оценки качества шаров является прямое опытное определение их износостойкости с помощью непосредственного контролируемого износа не только поверхностного, но и внутренних слоев шара. Такой контроль необходим как на заводах-производителях, так и на горно-обогатительных комбинатах при поступлениях новых партий шаров.

Решение данной задачи связано с разработкой устройств, позволяющих оперативно производить глубокий абразивный износ шаров. Известные способы абразивного износа шаров в лабораторных условиях позволяют снять с поверхности шара лишь тонкий слой [1, 2].

Автором настоящей статьи разработаны два устройства для определения износостойкости с проникновением в глубокие слои шара. Они основаны на использовании жестких абразивов, позволяющих интенсифицировать процесс истирания шара. В опытах осуществляется параллельный, в идентичных условиях износ двух шаров, один из которых служит эталоном, второй - испытываемый.

Схема устройства, производящего абразивный износ незакрепленных вращающихся в процессе износа шаров, приведена на рис. 2. Устройство в виде станка для определения относительной износостойкости шаров (СОИШ-1) состоит из абразивного круга 1, приводимого во вращательное движение двигателем 2, двух диаметрально расположенных над кругом патрубков (шаро держателей) 3, в которые помещаются испытываемый 4 и контрольный (эталон) 5 шары, двух металлических стержней 6, прижимающих шары к абразивному кругу, поперечных пластин 7, к которым болтами 8 крепятся шародержатели. Пластины позволяют перемещать шародержатели вдоль радиусов абразивного круга и по высоте рамы 9. Для каждого размера шара предусмотрен свой патрубок. Оценка износостойкости шара производится путем проведения сравнительных опытов одновременного истирания абразивным кругом опытного и контрольного шаров. За характерный показатель износостойкости принята относительная масса порошка, истираемого абразивом с поверхности шара в единицу времени.

В качестве контрольного шара принимается образец, равного с опытным диаметра, из числа шаров, износостойкость которых известна по данным их износа в промышленной мельнице.

Опыты износа осуществляются следующим образом. В один из патрубков станка загружается опытный шар, в другой - контрольный. Сверху на шары опускаются стержни. Патрубки устанавливаются на равном расстоянии от центра круга и с равным зазором от его поверхности. Оба шара должны находиться при вращении круга в одной бороздке. Опытный и контрольный шары взвешиваются перед началом опыта и по его окончании с точностью до десятых долей грамма.

По произведенным замерам рассчитываются: 1. Относительный износ шара Aq и средняя скорость относительного износа jOT

где qH - масса исходного шара, г

qK - масса шара после изнашивания наждачным кругом, г

t - время вращения наждачного круга, мин.

2. Относительная износостойкость опытного шара за данный промежуток времени совместного с контрольным истирания на наждачном круге

где - относительные скорости износа соответственно контрольного и опытного шаров.

3. Ожидаемый удельный расход шаров, представленных опытным шаром

где - удельный расход контрольных шаров по данным их применения в промышленной мельнице, кг/т. При выборе параметров вращения абразивного круга были учтены закономерности износа металлических поверхностей трением. Как показали исследования [1,2] до определенных пределов скорости и давления имеют место линейные зависимости между: - интенсивностью изнашивания I и давлением p

скоростью изнашивания j, давлением p и скоростью движения абразива v

где k - коэффициент, характеризующий износостойкость материала и условия работы данной пары.

Результаты исследований трения и износа твердых тел при высоких скоростях скольжения показывают, что в зоне контакта происходит интенсивное тепловыделение с большим температурным градиентом. В этом случае соотношение коэффициентов трения для разных металлов изменяется с увеличением скорости скольжения и давления. Такие явления наблюдаются при скорости скольжения свыше 50 м/с.

Определены пределы давления и скоростей движения абразива, при которых зависимости скоростей износа от указанных параметров для сравниваемых опытных и контрольных шаров идентичны. Допустимая линейная скорость абразивного круга равна 20 м/с, что соответствует 103 об/мин наждачного круга диаметром 400 мм. Масса каждого из образцов не должна превышать 8 кг.

Устройство предназначено для испытаний стальных шаров всех применяемых в мельницах диаметров, чугунных -диаметром 40 и 60 мм, используемых во второй и третьей стадиях измельчения. Это разграничение обусловлено тем, что характер износа стальных шаров во всех стадиях измельчения изменяется мало, тогда как износ крупных чугунных шаров при ударах в мельницах первой стадии приобретает в связи с хрупкостью чугуна форму чешуйчатого скалывания. Скорость износа резко возрастает. Такой вид износа на абразивном круге не моделируется.

Опыты на станке четко фиксируют изменение величин твердости изнашиваемых шаров. Проведенные опыты кратковременного износа поверхностного слоя шаров показали линейную зависимость между твердостью и относительным износом шара (рис. 3), подтверждая известное положение о существовании такой связи [3].

Характер изменения показателей глубинного износа чугунных шаров диаметром 40 мм показан на рис. 4.

 

Опыты проведены на Подмосковном чугунолитейном заводе. Твердость на поверхности контрольного шара равнялась 58 ед. по Роквеллу, опытного 54 ед.

Относительный дискретный износ шаров возрастает соответственно тому, как уменьшается твердость внутренних слоев шара. В тоже время пропорции между соотношением поверхностных твердостей и изменением скоростей износа не соблюдаются. Суммарная относительная скорость износа сначала увеличивается, затем снижается в связи с уменьшением массы и размера шара при росте относительного дискретного износа.

В зависимости от характера изменения скорости глубинного износа шаров изменяется величина относительной износостойкости опытного шара - уменьшается или увеличивается. В данном случае она уменьшается с 0.875 до 0.849 ед. Поэтому, чтобы приблизиться к промышленным условиям, износ шаров в опытах на станке должен быть максимальным. Практически за 35 -45 минут работы наждачного круга изнашивается 45-55% первоначальной массы шара, при этом шар приобретает форму эллипсоида.

С уменьшением радиуса установки шародержателей над кругом время проведения опытов увеличивается в обратной пропорции.

Во второй модели износоиспытательного станка СОИШ2 за счет крепления шаров увеличена скорость углубления абразива во внутренние слои шара (рис. 5).

Станок состоит из абразивного круга 1, к которому посредством рычагов 2, подвешенных на шарнирах 3 и пружины 4 прижимаются с противоположных сторон два шара, один из которых контрольный (эталон) 5, второй -опытный 6. Шары закрепляются в ячейках 7 рычагов посредством болтов 8. Пружина 4 прижимает шары к абразиву с одинаковой силой, обеспечивая тем самым равные условия для их износа. Реверсивный двигатель позволяет изменять при проведении опытов направление истирающего действия абразива на шары.

Так как шары давят на абразив с равной силой, то характеристиками износостойкости шаров в данном случае служат величины:

- абсолютного износа сравниваемых шаров

- абсолютной скорости износа

- относительной износостойкости

На станках изучалось влияние на износостойкость шаров из чугуна относительно небольших добавок такого легирующего элемента как хром. Низколегированные шары получают применение на горно-обогатительных комбинатах, т.к. хром даже в малых количествах улучшает структуру шаров, повышает их микротвердость и износостойкость. Результаты определения относительной износостойкости низколегированных хромом шаров, приведенные в таблице, показывают, что увеличение содержания хрома в металле от 0.1 до 1% повышает износостойкость шаров в 1.3-1.5 раза. В настоящее время производятся шары с содержанием хрома 0.4-0.6%. Исходя из полученных результатов повышение содержания хрома в них до 1% является вполне оправданным.

При существующей технологии производства шаров для горнообогатительных предприятий необходимо осуществлять текущий контроль их износостойкости.

Определение относительной износостойкости шаров может производиться путем абразивного их износа на станках СОИШ.

ЛИТЕРАТУРА:

1.    Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Машиностроение, 1978

2.    М.М. Хрущов, МА. Бабичев Абразивное изнашивание. М. Наука, 1970

3.    Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы. М. Недра, 1982

4.    И.К. Кульбовский и др. Структура и свойства литых мелющих тел. Литейное производство, 1996 №10

Журнал "Горная Промышленность" №5 2006