CC BY
80
УДК 669.14: 621.787+621.926.3
В.С.БОЧКОВ, студент, [email protected] В.И.БОЛОБОВ, д-р техн. наук, профессор, Boloboff@mail. ru А.П.БАТАЛОВ, канд. техн. наук, доцент, 328-86-32 Ю.П.БОЙЦОВ, канд. техн. наук, доцент, 328-86-32 Санкт-Петербургский государственный горный университет
V.S.BOCHKOV, student, [email protected] V.I.BOLOBOV, Dr. in eng. sc., professor, Boloboff@mail. ru A.P.BATALOV, PhD in eng. sc., associate professor, 328-86-32 Yu.P.BOYTSOV, PhD in eng. sc., associate professor, 328-86-32 Saint Petersburg State Mining University
О ВОЗМОЖНОСТИ ЭФФЕКТИВНОГО НАКЛЕПА СТАЛИ ГАДФИЛЬДА В УСЛОВИЯХ РАБОТЫ БРОНИ ШАРОВЫХ
МЕЛЬНИЦ
На примере углеразмольной шаровой мельницы ШБМ 400/800 показано, что при работе мельницы без породы бомбардировка мелющими телами непосредственно брони из стали 110Г13Л способна повысить ее твердость с 200 до 320 НВ при глубине наклепанного слоя до 6,7 мм, что увеличит ее стойкость к истиранию примерно в 2 раза. Время, необходимое для осуществления эффективной бомбардировки, составляет ~ 11 мин, период между упрочняющими наклепами ~ 25 суток.
Ключевые слова: броня шаровой мельницы, сталь Гадфильда, наклеп, твердость, износостойкость.
CONCERNING THE POSSIBILITY OF AN EFFECTIVE HADFIELD'S STEEL COLD-WORK HARDENING IN THE WORKING CONDITIONS OF THE LINING OF SPHERICAL MILLS
Taking a grinding of coal ball mill (type: BTM 400/800) operating without rocks as an example it is shown that a bombardment of the armour by grinding bodies made of steel 110G13L directly is capable to raise its hardness from 200 to 320HB at the depth of the cold-hardened layer up to 6,7 mm that will approximately 2 times increase its firmness to an abrasion. The time needed for the realization of an effective bombardment is 11 minutes, the period between strengthening cold - work hardenings is 25 days.
Key words: lining of a ball mill, Hadfield's steel, cold hardening, hardness, wear resistance.
Высокомарганцевая сталь 110Г13Л, известная по имени автора как сталь Гадфильда, широко используется в качестве конструкционного материала деталей горнорудного оборудования, работающих в условиях интенсивного абразивного износа («броня» шаровых мельниц, «щеки» дробилок, «зубья» ковшей экскаваторов). Вместе с тем известно, что эта сталь обладает высокой эрозионной стойкостью только при ин-226 _
тенсивном наклепе, имеющем место при работе детали в условиях значительных напряжений и динамических нагрузок. Так, при изготовлении из стали Гадфильда нижнего и верхнего днищ центробежных дробилок, днища выдерживают размол до 2000-4000 т твердого гранита, а щеки щековых дробилок при работе по таким же твердым породам, наклепываются до твердости 500 НВ. При их отсутствии каким-либо заметным преиму-
V,
\
Рис. 1. Траектория движения шаров в мельнице для наиболее эффективного наклепа брони
ществом в эрозионной стойкости (по сравнению с обычной среднеуглеродистой сталью) сталь Гадфильда не обладает [3]. Например, била для размола извести и скрепки установки для помола песка из этой стали очень недолговечны [8]. Не происходит заметного наклепа футеровочных плит из стали 110Г13Л и при работе шаровых мельниц, когда мелющие тела воздействуют на броню только через слой породы [4].
Нами рассмотрена возможность эффективного наклепа брони из стали 110Г13Л в случае работы шаровой мельницы без породы и бомбардировки мелющими телами непосредственно футеровочной плиты. Устанавливаются рациональные параметры работы мельницы для осуществления эффективного наклепа.
Расчет производился на примере угле-размольной шаровой барабанной мельницы ШБМ 400/800 с диаметрами корпуса Dм (4,0 м) и мелющих шаров D (0,04 м) при обычно используемой степени заполнения мельницы данного типа шарами ф = 28 % [2]. Барабан мельницы изнутри футерован броневыми плитами толщиной ^ = 75,6 мм из стали Гадфильда с исходной твердостью 200 НВ [8].
Формулы, связывающие диаметр (й) и глубину (И) сферической вмятины, образующейся на пластине в результате ударного воздействия шарообразного предмета, с параметрами шара (диаметром - D, плотностью мате-
риала - р, скоростью в момент удара - V) и пластины (Нд) имеют вид [9, 11]:
й = 2D4
h = DV
р V2
6 н
У
р 1
6 н
(1)
(2)
где
И = Р/ (п й 2/4)
(3)
- динамическая твердость материала пластины (коэффициент пропорциональности между усилием Р, с которым по пластине наносится удар, и диаметром й получаемого отпечатка), не зависящая от величины энергии удара и диаметра шара.
В литературе не удалось обнаружить экспериментальных данных по динамической твердости стали Гадфильда. Поэтому значение Нд устанавливали расчетным путем, исходя из твердости этого материала при статическом вдавливании шарика.
В соответствии с законом Майера, справедливого при вдавливании как для статических, так и для динамических испытаний [9, 11],
тИ
Р = а0й
А
п-2
(4)
где а0, п - постоянные, характеризующие материал пластины.
Поскольку для динамических условий п = 2 [6], с учетом (3,4)
И д =
4а,
0 дин
(5)
Исходя из условий проведения замеров твердости материалов по методу Бринелля (Р = 30 кН, Аш = 10 мм), определяли (4) значения постоянной а0 для стали Гадфильда с твердостью 200 НВ, соответствующей диаметру отпечатка й = 4,26 мм [11], для статических условий (п = 2,2) [7] а0 = 1960 МПа.
Для перехода от статических к динамическим условиям воспользовались табличными данными [11] о соотношении а0 дин и а0 для сталей, в соответствии с которыми значение а0 дин стали Гадфильда составило 2800 МПа, а величина Нд, рассчитанная по уравнению (5), равна 3567 МПа.
_ 227
п
Рис.2. Зависимость твердости стали 110Г13Л от относительной деформации s пластины при сжатии
Далее устанавливали траекторию движения шара, при которой его удар о броню будет наноситься нормально к поверхности, т. е. будет наиболее эффективным. В соответствии с [1] такая траектория имеет место при водопадном режиме движения шаров в мельнице при скорости вращения барабана Уб = 0,75, Уб крит = 3,3 м/с V крит -скорость вращения, соответствующая переходу параболической траектории движения шаров к круговой); при этом угол а отрыва шаров от корпуса барабана равен 55°44'. Скорость V шара в момент удара о броню рассчитывали из уравнения свободного падения шара, брошенного под углом к горизонту от наиболее высокой точки Н траектории до места его соприкосновения с пластиной брони (рис.1):
H = 2,25Dwsm2 a cos a = 3,5 м, (6) V = 72gH = 8,3 м/с. (7)
После подстановки установленных значений Нд и V в уравнения (1), (2) рассчитанные диаметр и глубина сферической вмятины на пластине из стали Гадфильда, полученной от единичного удара мелющего шара, составили d = 5,7 мм, h = 0,2 мм.
Поскольку при последующих ударах диаметр лунки увеличивается (как показывают опыты [7] до 15-20 ударов), влияние многократного удара учитывалось по формуле (7) из [7]
du = d(1,54-HB1 О"3) = 7,6 мм. 228 _
Потери веса, г
Рис.3. Зависимость потери веса стали от твердости при истирании отливок
Соответственно глубина наклепанного слоя с учетом малой кривизны мелющих шаров (= 1^м/ш, где ш = 1 + 0,0175.0 [7]) оказалась равной 6,7 мм.
Таким образом, при 20-кратном ударе мелющих шаров по стальной бронировке мельниц на броне способен образовываться наклепанный слой глубиной 6,7 мм с диаметром кратеров на поверхности « 7,6 мм.
Исходя из величины относительной деформации (в = О = 7,6/40 = 0,19), полученной в результате ударного сжимающего воздействия, твердость, приобретенная наклепанным слоем (рис.2) [8], составила в 320 НВ.
Такое увеличение (рис.3) [8] твердости (с 200 до 320 НВ) должно повысить стойкость стали к истиранию (Дш200НВ / Дш320щ) примерно в 1,9 раза.
При расчете времени, необходимого для 20-кратной бомбардировки всей поверхности брони барабана, предполагали, что эффективные удары наносят лишь шары внешнего слоя, поскольку шары внутренних слоев соударяются с уже лежащими шарами. Количество шаров N во внешнем слое в поперечном сечении барабана мельницы
N = L / О,
где Ь - длина дуги окружности барабана, на которой находятся шары внешнего слоя в статическом положении.
Значение L, рассчитанное для степени заполнения барабана ф = 28 %, оказалась равным 5 м, а количество шаров N = 125 штук.
Тогда количество ударов по броне в поперечном сечении барабана в единицу времени
Nд = N / и,
где - время между ударами по броне одного и того же шара.
При этом значение рассчитывали как сумму времен движения шара по круговой и параболической траекториям по формуле
и =
Ам ( п(360 - 4 а)
360
+ 2sinаcosа
Согласно расчетам, и = 2,6 с и N = 3125 ударов / мин.
Поскольку места ударов шаров распределены по длине окружности барабана равномерно и по каждой точке окружности для эффективного наклепа необходимо нанести 20 ударов, необходимое время бомбардировки
Ъ =
п Ам20
йм Nуд
: 11 мин .
При расчете допустимого времени эксплуатации мельницы между упрочняющими наклепами использовали экспериментальные данные [6] о скорости износа брони из стали Гадфильда с твердостью 200 НВ в условиях работы шаровых мельниц: У,зн 200НВ = = 0,0054 мм/ч, что с учетом упрочняющей обработки составляет Уизн 320НВ = У™ 200НВ / 1,9 = = 0,0028 мм/ч.
Учитывая, что максимальная твердость наклепанного слоя распространяется примерно на четверть его глубины [10], в качестве допустимой толщины наклепанного слоя, который может быть подвергнут истиранию, была принята величина
hДoп = 0,25h н.с = 1,7 мм.
Отсюда время, в течение которого броня мельницы может изнашиваться на допустимую величину ^оп, совпадающее с периодом между проведениями упрочняющего наклепа, составляет
(м.у.н = -Йдоп / V изн 320НВ = 607 ч ~ 25 сут.
Таким образом, для повышения срока службы броневых плит из стали Гадфильда (в 1,9 раза) требуется проведение периодических (« 11 мин) упрочняющих обработок брони шарами с периодом между упрочняющими обработками ~ 25 сут.
Поскольку броню мельницы ШБМ 400/800 меняют при ее износе до толщины 15-20 мм [2], срок службы плиты составит 827 сут, а количество упрочняющих обработок ^пр « 33.
Необходимо отметить, что предлагаемая работа мельницы без загрузки породы не противоречит нормативным документам по эксплуатации шаровых мельниц: при пуске мельниц после капитального или текущего ремонта ее проверяют на работоспособность без породы при загрузке шарами полной загрузочной массы в течение 20 мин [2, 5].
Выводы
1. На примере углеразмольной шаровой барабанной мельницы ШБМ 400/800 с броневой футеровкой из стали Гадфильда при степени заполнения мельницы шарами ф = 28 % показано, что при работе мельницы без породы бомбардировка мелющими телами непосредственно брони способна вызвать ее эффективный наклеп с повышением твердости с 200 до 320 НВ при глубине наклепанного слоя до 6,7 мм.
2. Для обеспечения эффективного наклепа шары должны циркулировать в водопадном режиме с направлением удара по броне нормально к поверхности, что обеспечивается при скорости вращения барабана мельницы Уб = 0,75 м/с, Уб крит = 3,3 м/с.
3. Указанное упрочнение стали способствует увеличению ее стойкости к истиранию мягкими породами примерно в 2 раза (с 0,0054 до 0,0028 мм/ч).
4. Для использованной степени заполнения шарами время, необходимое для осуществления эффективной бомбардировки, составляет « 11 мин, период между упрочняющими наклепами « 25 сут.
5. Количество упрочняющих обработок в течение срока службы « 33.
_ 229
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев С.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых / С.Е.Андреев, В.В.Зверевич, В.А.Перов. М., 1966. 396 с.
2. Горбачевский В.В. Эксплуатация и ремонт шаровых барабанных мельниц. Киев, 1967. 40 с.
3. ГуляевА.П. Металловедение. М., 1986. 544 с.
4. Давыдов Н.Г. Высокомарганцевая сталь. М., 1979. 176 с.
5. Егерман У.Ф. Инструкция по ремонту углераз-мольных шаровых барабанных мельниц. М., 1963. 32 с.
6. КрюковД.К. Футеровки шаровых мельниц. М., 1965. 184 с.
7. Кудрявцев И.В. Влияние кривизны соприкасающихся поверхностей на глубину пластической деформации при упрочнении деталей поверхностным наклепом / И.В.Кудрявцев, Г.Е.Петушков // Повышение прочности деталей машин поверхностным деформированием: Материалы 2-й Научно-технической конференции. Пермский политехнический институт. Пермь, 1967. С 40-52.
8. Марганцовистая сталь: Пер. с англ. Б.А.Белоуса / Под ред. М.Е.Блантера. М., 1959. 94 с.
9. Саверин М.М. Дробеструйный наклеп. М., 1955. 312 с.
10. Ткачев В.Н. Методы повышения долговечности деталей машин / В.Н.Ткачев, Б.М.Фиштейн, В.Д.Власенко, В.А. Уланов. М., 1971. 272 с.
11. Шапошников Н.А. Механические испытания металлов. М.-Л., 1954. 443 с.
REFERENCES
1. Andreev S.E. Crushing, grinding and screening of mineral / S.E.Andreev, V.V.Zverevich, V.A.Perov. Publisher. Moscow: 1966. 396 p.
2. Gorbachevskiy V.V. Operation and maintenance of ball mill drum. Kiev, 1967. 40 p.
3. Gulyaev A.P. Metal science. Publisher. Moscow, 1986. 544 p.
4. Davydov N.G. High-manganese steel. Publisher. Moscow, 1979. 176 p.
5. Egerman U.F. Instructions for repair Coal rolling ball mill drum. Publisher. Moscow, 1963. 32 p.
6. Kryukov D.K. Linings of ball mills. Publisher. Moscow, 1965. 184 p.
7. Kudryavtsev I. V. The effect of curvature of surfaces come into contact at a depth of plastic deformation during hardening of surface hardening / I. V.Kudryavtsev, G.E.Petushkov // Increase the strength of machine parts by surface deformation: Materials II scientific conference. Perm, 1967. P.40-52.
8. Manganese steel: Translated from English B.A.Belous / Edited by M.E.Blanter. Moscow, 1959. 94 p.
9. Saverin M.M. Blaster work hardening. Publisher. Moscow, 1955. 312 p.
10. Tkachev V.N. Methods of increasing durability of machine parts / V.N.Tkachev, B.M.Fishteyn, V.D.Vlasenko, V.A.Ulanov. Publisher: «Engineering», Moscow, 1971. 272 p.
11. Shaposhnikov N.A. Mechanical testing of metals. Publisher. Moscow-Leningrad, 1954. 443 p.
