Мелющая среда из высокоуглеродистой стали или литейного чугуна, а также способ ее изготовления

Мелющая среда из высокоуглеродистой стали или литейного чугуна, а также способ ее изготовления

Реферат

Настоящее изобретение относится к литой стальной дроби с относительно высоким содержанием углерода, которую подвергают центробежному распылению путем центрифугирования, что делает ее пригодной для осуществления мелкого и чрезвычайно мелкого размола в горнодобывающей или минеральной промышленности.

В горнодобывающей промышленности существует необходимость отделения ценных элементов от скальных пород, в которые они включены. Одним из средств их отделения является измельчение (дробление, помол), состоящее из последовательного измельчения скальной породы вплоть до достижения размеров выделения, допускающих отделение ценных элементов от пустой породы. В зависимости от этих размеров известны грубый, мелкий и чрезвычайно мелкий помол.

Операции помола, в особенности в том случае, когда дело касается мелкого помола, могут определяться не только размерами выделения, но и ограничениями, связанными с последующими операциями или последующим использованием обработанной таким образом продукции вне зависимости от того, происходит ли оно в горнодобывающей промышленности (например, при производстве железорудных окатышей, когда крупность железорудного концентрата перед окомкованием должна составлять около 60 мкм) или в минеральной промышленности (например, в цементной промышленности).

Известно использование в мельницах для мелкого помола руды металлической мелющей среды с целью уменьшения крупности предварительно раздробленных частиц железной руды. Существуют различные типы мельниц с использованием мелющей среды, но все они основываются на принципе приведения мелющей среды в движение на предназначенной для размалывания продукции, причем движение должно способствовать среди всех возможных режимов измельчения (ударное действие, истирание) такому режиму, который обеспечивает достижение наибольшей возможной эффективности измельчения. Ударное действие будет заключаться во вбрасывании или сбрасывании мелющей среды на предназначенный для размалывания продукт с целью добиться разрушения, а истирание будет заключаться в трении мелющей среды о предназначенный для размалывания продукт с целью добиться обдирания поверхностного слоя.

Крупная мелющая среда может предпочтительно использоваться для ударного воздействия, так что она должна обладать большим удельным весом. Мелкая мелющая среда будет предпочтительно использоваться для истирания с тем, чтобы иметь большую поверхность контакта с продукцией, предназначенной для измельчения.

Известно, что при измельчении продукции до крупности, меньшей определенной граничной величины, эту продукцию невозможно далее эффективно измельчать ударным действием. Дефекты, присутствующие в крупных частицах продукции (трещины, отверстия), становятся при измельчении частиц менее многочисленными, и измельчение ударным действием становится менее эффективным. В этом случае предпочтение следует отдать истиранию.

Общепризнанным является наличие взаимосвязи между искомыми размерами выделения и размерами применяемой мелющей среды: чем меньше размеры мелющей среды, тем больше поверхность контакта с предназначенной для размола продукцией и тем выше эффективность размалывания истиранием.

Наряду с самой эффективностью размалывания, которая может относиться просто к количеству энергии, израсходованной для достижения требующейся крупности помола или к достигнутой скорости измельчения, определенную важность при выполнении операции размалывания с использованием мелющей среды имеет и другой элемент, а именно: износ этой среды.

Обычно мелющая среда имеет форму шаров, усеченных конусов или цилиндров. В качестве материалов для изготовления мелющей среды используют недорогие марки стали с низкой прочностью, или высоколегированный дорогостоящий литейный чугун, или же низколегированный литейный чугун с низкой износостойкостью.

Эти материалы можно классифицировать следующим образом:

- низколегированная мартенситная сталь (0,7-1% углерода, менее 1% легирующих), изготовленная из проката или поковок путем термообработки с достижением твердости поверхности по шкале Роквелла С, равной приблизительно 60-65;

- легированный хромом литейный чугун с мартенситной структурой (1,7-3,5% углерода, 9-30% хрома), изготовленный путем литья и термообработки с достижением твердости на всех участках по шкале Роквелла С, равной приблизительно 60-68;

- низколегированный белый чугун с перлитной структурой (3-4,2% углерода, менее 2% легирующих), не подвергавшийся термообработке и обладающий твердостью по шкале Роквелла С, равной 45-55 и полученной при литье.

В документе FR 2405749 описана мелющая среда, полученная путем ковки легированного хромом чугуна, структура которого образована твердым мартенситным или аустенитным раствором, который содержит вторичные карбиды хрома или/и первичные эвтектические карбиды хрома типа М7С3, тонкоизмельченные и равномерно распределенные в основе. Мелющая среда содержит от 1 до 3 мас.% углерода, от 5 до 15 мас.% карбидов хрома типа М7С3, т.е. от 2 до 8 мас.% хрома, от 0 до 2 мас.% молибдена, от 0,5 до 1,5% кремния, от 0,1 до 2% марганца, от 0 до 5% ванадия, от 0 до 1% меди. Можно добавить другие элементы, такие как вольфрам, никель, бор, ниобий, тантал и цирконий. Процесс изготовления этой мелющей среды состоит из нагрева заготовки из белого чугуна до первой температуры от приблизительно 900 до 1000^оС, что позволяет выполнять горячую резку в пластичном состоянии или резку заготовки на несколько кусков, повторного нагрева кусков до второй температуры, составляющей от приблизительно 1000 до 1150^оС и вызывающей вторичную аустенизацию и полную термообработку на твердый раствор в аустенитной области, ковки кусков металла при второй температуре и контролируемого охлаждения кусков металла до температуры в пределах от 600 до 800^оС. Таким образом получаются кованые части с перлитной структурой, подвергнутые отжигу с целью подготовки их структуры к условиям применения.

В документе WO 95/28506 упоминается процесс производства мелющей среды из высокоуглеродистой стали (с содержанием С от 1,1 до 2%), которая дополнительно содержит марганец (от 0,5 до 3,5% Mn), хром (от 1 до 4% Cr) и кремний (от 0,6 до 1,2% Si) с целью получения мелкозернистой перлитной структуры с твердостью по шкале Роквелла порядка 47-54. Эту мелющую среду плавят с получением шаров диаметром от 70 до 100 мм, а перлитную структуру получают путем извлечения части из литейной формы в то время, когда она остается еще нагретой.

Одним из недостатков упомянутых выше процессов производства материала, вне зависимости от того, относятся ли они к ковке, прокатке или литью, является значительное увеличение издержек при уменьшении размеров требующейся мелющей среды.

Очень редко удается получить с помощью перечисленных процессов мелющую среду размерами менее 12 мм, применяемую в настоящее время в горнодобывающей или минеральной промышленности.

Однако, как указано выше, эффективность размалывания, в особенности в области мелкого и очень мелкого помола, будет в значительной степени зависеть от размеров применяемой мелющей среды.

Заявитель уже изготавливает для нужд размалывания дробь, размеры которой находятся в пределах от приблизительно 3,5 до 6,5 мм. Применяемый производственный процесс заключается в распылении расплавленной стали в воде с целью получения, по существу, сферических шариков.

Сформированная таким образом дробь имеет очень широкий гранулометрический разброс (от 0,3 до более чем 8 мм), но при размерах более 3 мм частицы демонстрируют заметные дефекты плотности, в частности полости, дефекты, создающие серьезные помехи при использовании частиц для размола - они не только могут вызвать усиление износа, но они могут также препятствовать использованию этой дроби в мельницах, в которых поток продукции, предназначенной для размола, настолько велик, что может захватывать дробь и выносить ее вместе с собой при прохождении через мельницу.

Кажущаяся плотность дроби крупностью более 3 мм, полученной путем распыления в воде и рассортированной таким образом, чтобы сохранить только по существу сферические сферы, не превышает 4,3 г/см³, причем измерения выполнены путем взвешивания широкого брикета объемом не менее 1 литра.

Центробежное распыление в настоящее время используют для производства мелкой стальной дроби крупностью менее 1,5 мм. Заявитель таким образом предлагает использовать этот способ распыления для производства дроби, предназначенной для применения при размоле, позволяя, в частности, достичь кажущейся плотности более 4,3 г/см³ для частиц крупностью более 3 мм.

Первой целью изобретения является получение мелкой мелющей среды на основе дроби из высокоуглеродистой стали, обладающей высокой износостойкостью и высокой плотностью.

Частицы или шарики из стали или литейного чугуна, являющиеся предметом настоящего изобретения, формируются путем распыления на центрифуге таким образом, чтобы достичь кажущейся плотности более 4,3 г/см³ для частиц крупностью более 3 мм.

Гранулометрический состав частиц предпочтительно составляет от 3 до 12 мм. Частицы из стали или литейного чугуна содержат от 0,6 до 3,5% углерода и могут быть легированы хромом до его содержания от 1 до 30%, а также другими элементами, в частности марганцем, кремнием, вольфрамом или молибденом, которые в сумме могут содержаться в количестве менее 10%.

Второй целью изобретения является разработка процесса производства частиц из стали или литейного чугуна, пригодных для использования в качестве мелющей среды, причем указанные частицы получаются путем распыления стального или чугунного литья, поступающего из плавильной печи.

Процесс отличается наличием следующих операций:

- распыление частиц выполняется центробежным путем посредством вращающегося стола, который вращается со скоростью от 250 до 1500 об/мин с целью получения гранулометрического состава частиц в пределах от 0,5 до 15 мм при кажущейся плотности более 4,3 г/см³;

- частицы падают под воздействием силы тяжести в бак, заполненный водой;

- частицы извлекают и затем выполняют термообработку с целью закалки сердцевины, нацеленной на создание однородной структуры и достижение заданной твердости.

Согласно одному из признаков изобретения твердость частиц после термообработки составляет около 64 по Рокуэллу.

Согласно другому признаку изобретения гранулометрический состав частиц обратно пропорционален частоте вращения и диаметру стола. Минимальная скорость охлаждения массы частицы превышает 10^оС/сек и зависит, главным образом, от размеров частиц, высоты падения и глубины бака.

Другие преимущества и признаки станут более очевидны благодаря следующему описанию варианта реализации изобретения, приведенного только в качестве не ограничивающего рамки изобретения примера и представленного на прилагаемом чертеже, который иллюстрирует схематическое изображение устройства для осуществления процесса распыления согласно настоящему изобретению.

На чертеже показано устройство центробежного распыления 10 путем центрифугирования с использованием вращающегося стола 12, над которым размещается желоб 14, соединенный с плавильной печью 16 для плавки стали или чугуна. Вращающийся стол 12 выполнен из огнеупорного материала, и температура плавления металла, находящегося в печи 16, составляет приблизительно 1500-1650^оС. Печь 16 относится к числу электрических индукционных или дуговых печей.

Под вращающимся столом 12 располагается бак 18, в который под воздействием силы тяжести падают частицы, проходящие в нем закалку. Бак 18 заполнен водой для охлаждения частиц, а насос 20 регулярно осуществляет перемешивание воды в баке 18.

Частицы из стали или чугуна с высоким содержанием углерода (от 0,6 до 3,5%), распыленные центробежным путем, могут быть легированы, в частности, хромом (1-30% Cr) и другими элементами, такими как марганец, кремний, вольфрам и молибден при их суммарном содержании менее 10%.

Обнаружено, что гранулометрический состав, плотность и форма частиц, полученных путем центрифугирования, зависят от вязкости и расхода жидкого металла, а также от скорости вращения стола 12. Определенное влияние оказывают и другие параметры, в частности, диаметр вращающегося стола 12, высота падения h1 между столом 12 и поверхностью воды, температура охлаждающей воды и глубина h2 бака 18.

Гранулометрический состав мелющей среды находится в пределах от 0,5 до 15 мм, предпочтительно от 3 до 12 мм. Этот гранулометрический состав обратно пропорционален скорости вращения стола 12 и диаметру стола 12.

Мелющая среда представлена частицами, имеющими по существу сферическую форму размерами 6 мм и менее и имеющими форму шаров при более крупных размерах. Техника центробежного распыления путем центрифугирования позволяет получить кажущуюся плотность более 4,3 г/см³ в случае частиц крупнее 3 мм, т.е. превышающую плотность, достижимую при распылении в воде. Скорость вращения стола 12 можно выбрать в пределах от 200 до 1500 об/мин в зависимости от требующихся размеров.

Минимальная скорость охлаждения в объеме шара предпочтительно превышает 10^оС/сек. Эта величина зависит, в частности, от высоты падения h1 и от характера окружающей среды.

После фазы распыления и охлаждения частицы извлекают из бака 18 и выполняют следующие операции:

- сушка частиц;

- подбор формы и сортировка по размерам;

- термообработка с целью закалки сердцевины для получения однородной структуры и заданной твердости порядка 64 по Рокуэллу.

Согласно одному из вариантов реализации используется сталь с содержанием углерода 1%, легированная 0,8% Mn, 0,1% Al и 1% Si. Диаметр стола 12 равен 300 мм при частоте вращения 1000 об/мин. Температура разливки расплавленной стали в конце распыления находится в диапазоне от 1600 до 1460^оС. Высота падения h1 равна 500 мм, а глубина h2 бака 18 равна 4 метрам. Интенсивность разливки устанавливают на уровне 340 кг/мин с разделением на три струи, расположенные под углом 120^о друг к другу.

Дробь, подвергнутая центробежному распылению центрифугированием, разделяется по размерам на следующие три группы:

- 36% приходится на долю шариков диаметром от 4 мм до 8 мм;

- 31% приходится на долю гранул диаметром свыше 8 мм;

- 33% приходится на долю шариков диаметром менее 4 мм.

Кажущаяся плотность по всему гранулометрическому составу равна 4,6 г/см³.

Процесс центробежного распыления центрифугированием позволяет получать стальные или чугунные шарики с высоким содержанием углерода, с размерами от 0,5 до 15 мм и при кажущейся плотности более 4,3 г/см³ для частиц размерами более 3 мм, что обеспечивает эффективный размол и высокую износостойкость.

1. Мелющая среда из стальных или чугунных частиц, отличающаяся тем, что стальные или чугунные частицы сформированы путем центробежного распыления и имеют гранулометрический состав от 0,5 до 15 мм, причем получаемая кажущаяся плотность превышает 4,3 г/см³.

2. Мелющая среда по п.1, отличающаяся тем, что гранулометрический состав частиц лежит в интервале от 3 до 12 мм.

3. Мелющая среда по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержание углерода в стальных или чугунных частицах составляет от 0,6 до 3,5%.

4. Мелющая среда по п.3, отличающаяся тем, что частицы могут быть легированы хромом до его содержания в пределах от 1 до 30%.

5. Мелющая среда по п.4, отличающаяся тем, что частицы могут быть легированы другими элементами, в частности, марганцем, кремнием, вольфрамом или молибденом при их суммарном содержании менее 10%.

6. Способ производства стальных или чугунных частиц, пригодных для использования в качестве мелющей среды, причем указанные частицы получаются путем распыления стального или чугунного расплава, поступающего из плавильной печи (16), характеризующийся следующими операциями: распыление частиц выполняют путем центрифугирования посредством вращающегося стола (12), который вращается со скоростью от 250 до 1500 об/мин с целью получения гранулометрического состава частиц в пределах от 0,5 до 15 мм при кажущейся плотности более 4,3 г/см³ для частиц размером более 3 мм, частицы падают со стола (12) под воздействием силы тяжести в бак (18), заполненный водой, частицы извлекают и затем выполняют их термообработку с целью закалки сердцевины, нацеленную на создание однородной структуры и достижение заданной твердости.

7. Способ производства по п.6, отличающийся тем, что твердость частиц после термообработки составляет около 64 по Рокуэллу.

8. Способ производства по п.6 или 7, отличающийся тем, что частицы, извлеченные из бака (18), сначала высушивают, а затем сортируют по размерам и форме.

9. Способ производства по п.6 или 7, отличающийся тем, что гранулометрический состав обратно пропорционален скорости вращения стола и диаметру стола (12).

10. Способ производства по п.9, отличающийся тем, что минимальная скорость охлаждения в объеме шара превышает 10°С/с и зависит от высоты его падения (h1) и от характера окружающей среды.

11. Способ производства по п.9, отличающийся тем, что размер перехода от шара к грануле зависит от характера окружающей среды и глубины бака (h2).