Выбор литых шаров для измельчения руды: абразивный износ, ударная нагрузка и химический состав пульпы

Лучшие литые шары для измельчения руды — не обязательно те, у которых максимальная твердость или содержание хрома. Это шары, устойчивые к преобладающему механизму износа в конкретной мельнице и не вызывающие недопустимого разрушения, снижения эффективности измельчения или нежелательных металлургических эффектов. Шар с высокой твердостью и большим количеством карбидов может хорошо работать в условиях абразивного износа, но разрушаться, если интенсивность ударных нагрузок превышает его структурную прочность.

Поэтому выбор начинается с трех взаимосвязанных вопросов: каким образом руда изнашивает металл, насколько сильным нагрузкам мельница подвергает шары и как пульпа воздействует на их поверхность. Твердость и закупочная цена имеют смысл только после определения этих условий эксплуатации.

Определите, что приводит к расходованию имеющейся загрузки

Расход мелющих тел обусловлен абразивным и коррозионным износом, а также механическими повреждениями. Эти механизмы взаимодействуют: абразивный износ может удалять защитные поверхностные пленки, коррозия — ослаблять окружающую металлическую матрицу, а повторные удары — высвобождать незащищенные карбиды или распространять трещины. Если считать, что каждый килограмм потерянных мелющих тел — результат абразивного износа, можно выбрать неправильный сплав.

Извлеченные из мельницы шары дают полезную информацию, хотя по одному лишь внешнему виду нельзя установить причину износа:

• Относительно равномерное уменьшение диаметра и неглубокие борозды указывают на значительный абразивный износ, особенно если руда содержит твердые минералы с острыми гранями.
• Питтинг и преимущественное разрушение матрицы — основание изучить химию пульпы и электрохимические взаимодействия, а не просто повышать твердость.
• Выкрашивание, крупные фрагменты или расколотые шары требуют проверки ударных нагрузок, целостности отливки, термообработки и накопленных усталостных повреждений.
• Сплющивание или чрезмерная деформация указывают на недостаточную стойкость к действующим нагрузкам, однако для установления причины необходимы профили твердости и металлографический анализ.

Отбирайте образцы шаров разных размеров и за разные периоды работы. Сильно изношенные мелкие шары отражают иные условия, чем недавно загруженные. Изменение характера разрушения после замены футеровки или изменения питания может указывать на эксплуатационную проблему, а не на ухудшение качества мелющих тел.

Оценивайте твердость с учетом сплава и микроструктуры

Термин «литой шар» обозначает способ изготовления, а не конкретный материал. Литая сталь и легированный хромом чугун имеют разную структуру и различные характеристики разрушения. Прежде чем сравнивать твердость, химический состав или результаты испытаний на удар, запросите у поставщиков указание группы материала.

В высокохромистом белом чугуне твердые карбиды, обогащенные хромом, обеспечивают абразивную износостойкость, а окружающая их матрица служит опорой. Рабочие характеристики зависят от количества, размера, распределения и непрерывности карбидов, а не только от общего содержания хрома. Структура, устойчивая к царапанию, все же может быстро терять материал, если матрица подвергается коррозии или карбиды растрескиваются и отделяются.

Термообработка в значительной степени определяет поведение матрицы. Стабилизирующий отжиг, закалка и отпуск могут влиять на выделение вторичных карбидов, образование мартенсита, содержание остаточного аустенита и остаточные напряжения. Оптимальный баланс зависит от диаметра шара и условий эксплуатации; максимальное содержание мартенсита или минимальное содержание остаточного аустенита не являются универсальными критериями приемки.

Значение твердости HRC на поверхности не позволяет определить, достигнут ли необходимый баланс. Запросите профили твердости от поверхности до сердцевины, репрезентативные микрофотографии и результаты проверки на усадочные дефекты, пористость и трещины. Измерения должны охватывать фактически закупаемые диаметры, поскольку скорость охлаждения и реакция на термообработку меняются с размером сечения. Успешная квалификация небольшой выборки не подтверждает характеристики самых крупных шаров серийного производства.

Установите требования к ударной стойкости, прежде чем повышать абразивную износостойкость

Интенсивность ударных нагрузок зависит от размера шаров, диаметра мельницы, частоты вращения, геометрии футеровки, степени заполнения загрузки и амортизирующего воздействия руды и пульпы. Имеют значение и нарушения нормального режима. Недостаточная подача, неподходящие условия загрузки или изменение геометрии подъемников могут привести к более сильным соударениям мелющих тел, чем при установившейся работе.

Поэтому требования к крупным шарам для грубого измельчения отличаются от требований к мелким шарам, работающим в контролируемых условиях вторичного измельчения. Более высокое содержание карбидов может повысить абразивную износостойкость, но снизить стойкость к сильным ударам — в зависимости от полученной структуры. Если основной причиной расхода является разрушение шаров, дополнительное повышение твердости может не дать существенной пользы.

Результаты испытаний на удар можно сравнивать только при одинаковых геометрии образца, состоянии надреза, температуре испытания и единицах измерения. Результат испытания образца на ударную энергию не позволяет напрямую прогнозировать сохранность полноразмерного шара. Повторные испытания сбрасыванием дают дополнительные данные, но для них также необходимо указать размер шара, высоту сбрасывания, поверхность удара и критерий разрушения.

Альтернатива из деформируемой стали может помочь определить, превышают ли условия эксплуатации практическую ударную стойкость литого сплава. Например, горячекатаные стальные шары служат вариантом для сравнения, если главным требованием является вязкость. Сам по себе способ изготовления не гарантирует лучших эксплуатационных характеристик; в ходе испытаний необходимо сравнивать износ, разрушение и результаты измельчения для шаров одинакового диаметра и при одинаковых условиях.

Учитывайте химию пульпы как фактор выбора

При мокром измельчении возникает электрохимическая среда. Уровень pH пульпы, содержание растворенного кислорода, температура, концентрация хлоридов, добавляемые реагенты и электропроводность минералов могут изменять соотношение коррозионного и механического износа. Поэтому в испытаниях следует использовать оборотную технологическую воду, а не автоматически заменять ее свежей лабораторной водой.

Сульфидные минералы вносят дополнительный фактор. Электропроводящие частицы минералов и мелющие тела могут образовывать гальванические пары, влияя на коррозию мелющих тел и химическое состояние поверхности минералов. Продукты коррозии, содержащие железо, могут воздействовать на последующую флотацию, поэтому минимальная потеря массы мелющих тел не обязательно означает наилучший общий результат процесса.

Повышенное содержание хрома может улучшить коррозионную стойкость при подходящих условиях, но не делает шар химически инертным. Часть хрома в сплаве связана в карбидах; коррозионное поведение также зависит от химического состава матрицы и устойчивости защитных пленок при повторном абразивном воздействии. Хлориды, кислотность среды и удаление пленок могут свести предполагаемое преимущество на нет.

Фиксируйте химический состав в диапазоне рабочих условий, а не по одному отдельному измерению pH. Учитывайте изменение источника воды, дозирование реагентов и контакт с кислородом, если это имеет значение. Лабораторные электрохимические измерения помогают объяснить механизмы, однако для оценки их взаимодействия с абразивным износом необходимы динамические испытания в условиях измельчения.

Постройте сравнение, учитывающее изменчивость работы предприятия

Эффективная программа квалификационных испытаний связывает характеристику материала с контролируемым сравнительным испытанием в процессе измельчения. Лабораторные испытания на абразивный износ подходят для предварительного отбора кандидатов, однако сухие испытания или испытания с нерепрезентативным абразивом не следует считать прямым прогнозом расхода мелющих тел в мокрой мельнице.

По возможности используйте представительную руду, технологическую воду, размеры шаров и условия пульпы. Сравнивайте кандидатов с имеющимися мелющими телами, а не с несвязанными с условиями эксплуатации контрольными показателями другого поставщика. Отдельно фиксируйте потерю массы и разрушение шаров: учет только потери массы целых шаров может не отражать затраты на фрагменты, удаляемые через систему разгрузки.

Испытания с маркированными шарами позволяют проверить кандидатов в одной и той же среде мельницы, однако маркировка не должна повреждать шары или существенно менять их износ. При смешанной загрузке также требуется осторожность: взаимодействие мелющих тел из разных сплавов может влиять на коррозию. Такие испытания полезны для предварительного отбора, но не всегда дают окончательное подтверждение характеристик полной загрузки.

Для оценки полной загрузки необходимо выделить достаточно времени, чтобы прежняя загрузка была вытеснена, а распределение шаров по размерам стабилизировалось. В ходе сравнения отслеживайте производительность, характеристики питания, крупность продукта, потребляемую мощность, состояние футеровки и расход мелющих тел. Если эти параметры существенно меняются, простое сравнение расхода до и после испытаний не позволяет отделить влияние мелющих тел.

Утверждайте по стоимости на тонну при одинаковых результатах измельчения

В качестве исходного показателя можно использовать цену поставленных мелющих тел за килограмм, умноженную на расход в килограммах на тонну руды. Используйте одинаковые показатели производительности по сухой руде и учитывайте изменения запаса загрузки: одни только объемы пополнения могут искажать оценку расхода при увеличении или уменьшении загрузки.

Этот расчет имеет смысл только при сопоставимых результатах измельчения. Снижение затрат на мелющие тела не является экономией, если в результате получается более крупный продукт, падает производительность, растет энергопотребление или снижается извлечение. Если доказано влияние на последующие металлургические процессы, учитывайте его измеренный экономический эффект, а не считайте его незначительным без подтверждения.

В итоговой спецификации необходимо зафиксировать условия, при которых испытания дали положительный результат: допустимые пределы состава сплава, допуски по диаметру, профили твердости, требования к микроструктуре, критерии приемки дефектов, согласованные испытания на удар и прослеживаемость партий. Критерии приемки должны соответствовать подтвержденным требованиям эксплуатации, а не максимальным значениям из каталога. Обоснованный выбор — это мелющие тела, обеспечивающие требуемый результат измельчения при минимальных подтвержденных эксплуатационных затратах и допустимом уровне разрушения и металлургических эффектов.