Повышение срока службы футеровки шаровой барабанной мельницы в условиях ее эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Повышение срока службы футеровки шаровой барабанной мельницы в условиях ее эксплуатации

Содержание

Введение

1.Барабанные (шаровые) мельницы

1.1 Принцип действия

1.2 Конструкции шаровых мельниц

1.3 Скоростные режимы работы мельницы

2.Общие сведения о наклепе стали

3.Сталь Гадфильда и ее физические свойства

4.Обзор возможных способов упрочнения футеровок шаровых мельниц

5.Разработка способа упрочнения футеровки шаровой мельницы в условиях эксплуатации

5.1 Определение максимально возможных диаметра d и глубины h сферической вмятины на футеровке, образовавшейся в результате ударного воздействия шара

5.2 Определение твердости и износостойкости стали после упрочняющей обработки

5.3 Расчет времени предлагаемой упрочняющей обработки

5.4Определение допустимого времени эксплуатации шаровой мельницы между упрочняющими наклепами

5.5 Оценка увеличения срока эксплуатации футеровочных плит в результате упрочняющей обработки

Выводы

Список использованной литературы

Введение

Шаровые мельницы широко применяются на горно-обогатительных предприятиях для измельчения полезных ископаемых. Процесс измельчения один из наиболее энергоемких процессов на обогатительных предприятиях, поэтому совершенствование технологии работы шаровых мельниц имеет важное практическое значение.

Во время эксплуатации шаровых мельниц футеровка, контактирующая с породой, подвергается значительному износу, вследствие чего она быстро выходит из строя. В настоящей работе рассмотрена возможность эффективного наклепа футеровки из стали 110Г13Л в случае работы шаровой мельницы МШЦ 4500Ч6000 (КР.060955.01) без породы и бомбардировки мелющими телами непосредственно футеровочных плит. Рассчитаны режимы работы мельницы, при котором наклеп будет происходить наиболее эффективно: найдены необходимые скорость вращения барабана мельницы, коэффициент загрузки шарами, время упрочняющей обработки, время эксплуатации мельницы между упрочняющими обработками.

Наклеп футеровки в предлагаемых режимах работы мельницы приведет к существенному увеличению её износостойкости, и, соответственно, к увеличению срока службы футеровки.

1. Барабанные (шаровые) мельницы

1.1 Принцип действия

Наибольшее распространение для измельчения полезных ископаемых получили барабанные (шаровые и стержневые) мельницы. В последние десятилетия на фабриках большой производительности применяют барабанные мельницы самоизмельчения (бесшарового измельчения) или полусамоизмельчения (с небольшой добавкой шаров).

Барабанная мельница (рис. 1) представляет собой пустотелый барабан 3, закрытый торцовыми крышками 2 и 4, в центре которых имеются полые цапфы 1 и 5. Цапфы опираются на подшипники, и барабан вращается вокруг горизонтальной оси. Барабан заполняется примерно на половину объема дробящей средой (дробящими телами 6). При вращении барабана дробящие тела благодаря трению увлекаются его внутренней поверхностью, поднимаются на некоторую высоту и свободно или перекатываясь падают вниз. Через одну полую цапфу внутрь барабана непрерывно подается измельчаемый материал, который проходит вдоль него и, подвергаясь воздействию дробящих тел, измельчается ударом, истиранием и раздавливанием. Измельченный продукт непрерывно разгружается через другую полую цапфу. При вращении барабана материал движется вдоль его оси вследствие перепада уровней загрузки и разгрузки и напора непрерывно подаваемого материала. При мокром измельчении материал увлекается сливным потоком воды, при сухом - воздушным потоком, возникающим при отсасывании воздуха из барабана.



Рис. 1. Схема и принцип действия барабанной (шаровой) мельницы

а - общий вид; б - схема движения материала

По режиму работы мельницы делят на машины периодического и непрерывного действия; с вращающимся барабаном, вибрационные, центробежные и башенные.

В зависимости от формы барабана различают мельницы цилиндроконические и цилиндрические. Последние, в свою очередь, бывают трех типов - короткие, длинные и трубные. У коротких мельниц длина меньше диаметра или близка к нему; у длинных - она достигает трех диаметров, а у трубных - длина барабана больше диаметра не менее чем в 3 раза. Трубные мельницы применяют в цементной промышленности.

В зависимости от вида дробящей среды различают мельницы шаровые, стержневые, галечные, рудно-галечные и самоизмельчения. У шаровых мельниц дробящая среда представлена стальными или чугунными шарами; у стержневых - стальными стержнями, у галечных - окатанной кремневой галькой или рудой; у мельниц самоизмельчения - крупными кусками измельчаемой руды.

В зависимости от способа разгрузки измельченного продукта различают мельницы с центральной разгрузкой и разгрузкой через решетку. У мельниц с центральной разгрузкой измельченный продукт удаляется свободным сливом через пустотелую разгрузочную цапфу. Для этого необходимо, чтобы уровень пульты в барабане был выше уровня нижней образующей разгрузочной цапфы. Поэтому мельницы с центральной разгрузкой называют иногда мельницами сливного типа или мельницами с высоким уровнем пульпы. У мельниц с разгрузкой через решетку имеется подъемное устройство, принудительно разгружающее измельченный продукт. Поэтому в мельницах такого типа уровень пульпы может быть ниже уровня разгрузочной цапфы. Мельницы с разгрузкой через решетку иногда называют мельницами с принудительной разгрузкой или мельницами с низким уровнем пульпы.

Мельницы характеризуются внутренним диаметром барабана (при снятой футеровке) и его рабочей длиной.

Цилиндрические шаровые и стержневые мельницы широко применяются на обогатительных фабриках для измельчения руд. Стержневые мельницы могут быть использованы как аппараты мелкого дробления перед шаровыми мельницами и для измельчения мелковкрапленных руд перед гравитационным или электромагнитным обогащением. Галечные мельницы применяют в тех случаях, когда нельзя допустить даже ничтожных примесей железа в измельчаемом материале. Мельницы самоизмельчения в последние десятилетия внедряются в практику измельчения руд. Самоизмельчение успешно конкурирует с измельчением стальной средой и в некоторых случаях не только удешевляет процесс рудоподготовки, но и улучшает технологические показатели переработки руд [1].

1.2 Конструкции шаровых мельниц

Шаровая мельница с центральной разгрузкой МШЦ 4500Ч6000 (см. приложение КР.060955.01) состоит из цилиндрического барабана 1 с торцовыми крышками 2 и 3, имеющими пустотелые цапфы 4 и 5, посредством которых барабан опирается на коренные подшипники 6 и 7. Барабан и крышки футеруют изнутри стальными плитами 8. В барабан загружают стальные или чугунные шары разного диаметра (от 40 до 120 мм). Вращение барабану передается от электродвигателя посредством малой шестерни, насаженной на приводном валу, и зубчатого венца 9 на барабане.

Исходный материал загружается в мельницу через левую загрузочную цапфу 10. Измельченный материал разгружается через правую разгрузочную цапфу 11.

Барабан изготовляется сварным или клепаным из толстой листовой стали. На оба конца барабана приклепывают или приваривают стальные обработанные фланцы для прикрепления торцовых крышек. Иногда барабан изготовляют литым из стали и чугуна или стали с фланцами на концах.

В мельницах малых размеров, где диаметр разгрузочной цапфы недостаточен для введения футеровки внутрь мельницы, на барабане устраивается один или два диаметрально расположенных люка 12 и 13. Торцовые крышки с пустотелыми цапфами отливают из чугуна или стали в зависимости от размеров мельницы. Торцовые крышки к фланцам барабана мельницы крепят болтами. Для уплотнения соединения болтами и уменьшения нагрузки на них предусмотрен кольцевой выступ. Разгрузочная цапфа устраивается несколько большего диаметра, чем загрузочная, для создания уклона пульпы в мельнице. Снаружи на ней устраивается кольцевой выступ для предотвращения попадания пульпы в подшипник. Коренные подшипники делаются с большой опорной поверхностью. Часто применяют самоустанавливающиеся подшипники с баббитовыми вкладышами, имеющими шаровую опору в корпусе подшипника.

У мельниц малого размера приводной вал вращается от электродвигателя через ременную или клиноременную передачу. У мельниц большого размера, если применяется электродвигатель с большой частотой вращения (750-1000 мин-1), устанавливают редуктор, а при применении тихоходного электродвигателя вал последнего соединяют с приводным валом мельницы через муфту.

Преимущественное распространение получили низкоскоростные синхронные электродвигатели с диапазоном частоты вращения 150-250 мин-1. Для крупных шаровых мельниц с двигателем 2500-3000 кВт экономически целесообразным считается применение двойных приводов, т.е. на зубчатый венец приходятся две ведущие шестерни. Приводной вал с малой шестерней изготовляется из кованой стали. Подшипники приводного вала располагают на фундаментной плите, являющейся опорой для одного коренного подшипника. Крупнотоннажные мельницы имеют цапфенные подшипники (гидростатические и гидродинамические) с несколькими колодками или с поддержкой корпуса.

Для предохранения обечайки мельницы от износа используют футеровочные плиты, которые также предназначены для уменьшения скольжения между обечайкой и измельчающей средой. По мере износа футеровка подлежит замене, для чего мельницу останавливают на ремонт. Футеровки различаются в зависимости от материала, профиля и метода монтажа. шаровой мельница упрочнение футеровка

Футеровочные плиты барабана должны легко устанавливаться и заменяться. Обычно плиты изготовляют из чугуна или марганцовистой и хромистой стали, а также резины и (редко) керамики. Литую марганцовистую сталь применяют при значительных нагрузках шаров большого диаметра. Толщина футеровочных плит колеблется от 50 мм для малых мельниц до 130-150 мм для больших.

Профили футеровочных плит показаны на рис. 2. Для грубого измельчения применяют ребристые футеровки 5, 6, 8, 10, 12-15, а для тонкого - гладкие 11 или волнистые 1-4, 7, 9. Резиновую футеровку 16 применяют в шаровых мельницах в основном для тонкого измельчения (мельницы второй и третьей стадий). Ставят их иногда на мельницы с решеткой. Для первичных мельниц самоизмельчения толщина футеровки принимается равной 140-160 мм.



Рис. 2. Типы футеровок цилиндрической части барабана мельниц

1-15 - стальные футеровки; 16 - резиновая футеровка с лифтером; 17-18 - футеровка мельниц самоизмельчения; 4 и 15 - с безболтовым креплением; остальные - с болтовым креплением к барабану

Заметное влияние на работу мельницы оказывает форма футеровки ее барабана.

Футеровка барабанов шаровых мельниц, работающих на крупном исходном материале, имеет ребра. Для мельниц, работающих на мелком материале, применяют футеровку с мелкими ребрами или совсем гладкую. Высота, взаимное расположение и форма ребер определяют силу сцепления дробящей среды с барабаном, а значит, и результаты работы мельницы. Поэтому важно, чтобы при изнашивании футеровки характер ее поверхности резко не изменялся [1].

1.3 Скоростные режимы работы мельницы

Режим работы шаровой мельницы, в зависимости от скорости вращения её барабана, может быть каскадным или водопадным.

При низкой скорости вращения мельницы вся шаровая нагрузка делает поворот в сторону вращения на некоторый угол и при постоянной скорости вращения остаётся в таком положении (рис. 3). Шары непрерывно циркулируют, поднимаясь по концентрическим круговым траекториям и скатываясь параллельными слоями, каскадом вниз. Такой режим работы мельницы называется каскадным. Измельчение материала при каскадном режиме происходит главным образом его раздавливанием и истиранием перекатывающимися шарами [2].

Рис. 3. Каскадный режим работы шаровой мельницы

Каскадный режим работы мельницы характеризуется тонким измельчением с увеличением выходов шламов и повышенным износом футеровки [1].

По мере повышения скорости вращения мельницы угол поворота шаровой нагрузки увеличивается, шары по круговым траекториям поднимаются всё выше, но режим работы может оставаться еще каскадным. Когда, наконец, шары поднимутся до известной, ещё большей высоты, определяемой скоростью вращения мельницы, они сходят с круговых траекторий и, как тела, брошенные под углом к горизонту, по параболическим траекториям падают водопадом обратно на круговые траектории. Такой режим работы мельницы называется водопадным (рис. 4). Измельчение материала при водопадном режиме происходит главным образом ударом падающих шаров и отчасти истиранием.



Рис. 4. Водопадный режим работы шаровой мельницы

При водопадном режиме вся траектория движения шара в каком-либо слое делится на два участка (рис. 5). При подъёме шара от точки падения А1 до точки отрыва А; шар движется по круговой траектории A1A5 и от точки отрыва A5 до точки падения А] -- падает по параболической кривой А5А1.

Рис. 5. Траектория движения шара при водопадном режиме работы мельницы и силы, действующие на шар

Положение шара на круговой траектории определяется углом отрыва а, образуемым радиусом барабана мельницы, проходящим через центр шара, с вертикальным диаметром барабана.

В любой точке круговой траектории радиуса R шар находится под действием силы тяжести G и центробежной силы , где v - линейная скорость шара на круговой траектории. Силу тяжести G можно разложить на составляющие: радиальную N = G·cosб и тангенциальную Т = G·sinб [1].

При постоянной угловой скорости вращения барабана центробежная сила С сохраняет постоянную величину на всех участках круговой траектории и постоянное направление от оси мельницы к периферии. Величина же и направление радиальной силы N меняются и зависят от положения шара на круговой траектории.

Шаровая нагрузка увлекается в движение по круговым траекториям силами трения, возникающими между футеровкой барабана и прилегающим к ней внешним слоем шаров, и вследствие трения между смежными слоями шаров стремится вращаться как сплошное тело вместе с барабаном. Величина сил трения зависит от коэффициента трения и нормального давления на внутреннюю поверхность барабана, оказываемого радиальными составляющими силы тяжести N и центробежными силами С. Тангенциальные составляющие силы тяжести Т стремятся повернуть шаровую нагрузку против направления вращения. Для того чтобы нагрузка не скользила по футеровке, момент сил трения относительно оси мельницы должен уравновешивать момент тангенциальных составляющих сил тяжести относительно той же оси.

Наибольшее давление на поверхность барабана шары оказывают в нижних квадрантах, где радиальные силы N и С действуют в одну сторону. Здесь и возникает наибольшее трение, создающее «подпор», обеспечивающий вращение шаровой нагрузки. В верхнем квадранте радиальная сила N, действуя в противоположную сторону, уменьшает давление, оказываемое центробежной силой С, уменьшая тем самым и силу трения.

Шар какого-либо слоя движется по круговой траектории и переходит из нижнего квадранта в верхний не как единичный изолированный шар, в силу индивидуально вызываемого им трения, а за счёт трения всей шаровой нагрузки, как её составная часть, увлекаемый в движение всей вращающейся массой шаров и «подпираемый» последующим рядом шаров того же слоя. Условия перехода шаров из нижнего квадранта в верхний нельзя основывать на уравнении равновесия единичного шара на круговой траектории, не приходя при этом к противоречивым выводам. В мельнице с гладкой футеровкой барабана, но при наличии трения, единичный шар остается всё время в нижней точке барабана, совершая небольшие колебания около среднего положения.

Коэффициент трения зависит от свойств измельчаемого материала, характера поверхности барабана (футеровки) и консистенции пульпы (отношения Ж : Т). При низком коэффициенте трения, при небольших шаровых нагрузках (менее 30% объёма мельницы) и при малой скорости вращения давление шаров может оказаться недостаточным и наблюдается скольжение внешнего слоя шаров по поверхности барабана и одного слоя шаров по другому, при этом происходит вращение шаров вокруг их геометрической оси. При заполнении объёма мельницы шаровой нагрузкой на 40--50% скольжение шаров практически отсутствует.

Резкого перехода от чисто каскадного режима к чисто водопадному не наблюдается. Переход происходит постепенно, и при промежуточных скоростях вращения мельница работает при смешанном, каскадно-водопадном режиме. При таком режиме внешние слои шаров будут падать по параболическим траекториям, но не на свои круговые, а на внутренние слои, скатывающиеся по склону вниз согласно каскадному режиму (рис. 6).

Рис. 6. Траектория движения шаров при смешанном каскадно-водопадном режиме

Можно также выделить ещё один режим работы шаровой мельницы - полное центрифугирование шаров. Он возникает при достижении сверхкритической скорости вращения мельницы, определяемой по формуле [2]

,

где DМ - внутренний диаметр барабана шаровой мельницы.

2. Общие сведения о наклепе стали

Пластическое деформирование, выполняемое без использования внешней теплоты для обеспечения нужного комплекса свойств поверхностного слоя, называют наклепом, а слой металла, в котором проявляются эти свойства, соответственно - наклепанным. В результате наклепа повышаются все характеристики сопротивления металла деформации, понижается его пластичность и увеличивается твердость. Упрочнение незакаленной стали происходит в результате изменения структурных несовершенств (плотности, качества и взаимодействия дислокаций, количества вакансий и др.), дроблением блоков и созданием микронапряжений. При упрочнении закаленных сталей, помимо этого, происходит частичное превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидных частиц. Поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов и упругому искажению кристаллической решетки, изменению формы и размеров зерен [3].

При деформации металлов зерна меняют свою форму и ориентировку, образуя волокнистую структуру с преимущественной ориентировкой кристаллов. Происходит разворот беспорядочно ориентированных зерен осями наибольшей прочности вдоль направления деформации. Зерна деформируются и сплющиваются, вытягиваясь в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рис. 7). Преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен вдоль направления деформации называется текстурой металла. Чем больше степень деформации, тем большая часть зерен получает преимущественную ориентировку. Образование текстуры способствует появлению анизотропии свойств вдоль и поперек направления волокон.



Рис. 7. Схема формы зерен до (а) и после (б) деформации

После снятия нагрузки, превышающей предел текучести, в образце останется остаточная деформация. При повторном нагружении возрастает предел текучести металла и уменьшаются относительные сужение при разрушении, т. е. происходит упрочнение металла. Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом.

С ростом степени предварительной деформации (е = (F0- Fk) / F0 *100, где F0 и Fk -- площадь сечения до и после деформации) механические свойства (уВ, уТ, HB), характеризующие сопротивление деформации, повышаются, происходит деформационное упрочнение, а способность к пластической деформации (д, ш) падает (рис. 8). Предел текучести растет более интенсивно, чем временное сопротивление и по мере увеличения степени пластической деформации значения обеих характеристик сближаются.

Рис. 8. Влияние степени пластической деформации е на механические свойства (д, ш, уВ, уТ) низкоуглеродистой стали

В результате наклепа механические свойства меняются весьма существенно: например, при степени деформации е = 70% временное сопротивление уВ среднеуглеродистой стали увеличивается примерно в два раза, а относительное удлинение д уменьшается с 30 до 2%. Стальная проволока, полученная холодным волочением при степени деформации 80 -- 90%, приобретает значение уВ = 4000 МПа, что не может быть достигнуто легированием и термической обработкой.

Упрочнение при наклепе объясняется существенным повышением плотности дислокаций, характерным для процесса пластической деформации. Плотность дислокаций после холодной деформации увеличивается на несколько порядков по сравнению с плотностью дислокаций отожженного металла, достигая величины 1011-1012см-2. Одновременно в процессе пластической деформации увеличивается количество точечных несовершенств - вакансий и дислоцированных атомов. С ростом плотности дислокаций и несовершенств кристаллического строения затрудняется свободное перемещение дислокаций. Дополнительные барьеры для дислокаций создаются за счет деформации зерен и дробления блоков. Все эти факторы способствуют упрочнению металла при наклепе [4].

3. Сталь Гадфильда и ее физические свойства

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). Отличительной особенностью стали 110Г13Л является чрезвычайно выраженная способность к упрочнению (наклепу) при холодной деформации (твердость этой стали может повысится со 180-225 HB до 550 HB [5]). Способность высокомарганцевой стали упрочняться при наклепе делает ее одной из самых износостойких [6]. Поэтому эта сталь обладает высокой эрозионной стойкостью только при интенсивном 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 преимуществом в эрозионной стойкости (по сравнению с обычной среднеуглеродистой сталью) сталь Гадфильда не обладает [7]. Например, била для размола извести и скрепки установки для помола песка из этой стали очень недолговечны [5]. Не происходит заметного наклепа футеровочных плит из стали 110Г13Л и при работе шаровых мельниц, когда мелющие тела воздействуют на броню только через слой породы [5].

4. Обзор возможных способов упрочнения футеровок шаровых мельниц

Существует множество способов повышения механических характеристик сталей, для упрочнения футеровок шаровых мельниц, наиболее предпочтительны следующие технологические операции: наклеп футеровочных плит взрывом, изменение геометрической формы поверхности футеровки и упрочнение футеровок в процессе эксплуатации (бомбардировка мелющими телами непосредственно футеровочных плит).

Наклеп футеровочных плит взрывом (см. приложение: КР.060955.02, рис.1)

Энергия взрыва повышает износостойкость поверхностей изделий при истирании, их твердость, пределы прочности и текучести, статическую прочность (сварных соединений в результате сквозного наклепа сварного шва и зоны термического влияния), циклическую прочность (из-за повышения пределов прочности и текучести материала). Упрочнение при импульсных нагрузках взрывом существенно отличается от упрочнения в обычных условиях. При ударе с большой скоростью, свойственной взрыву, эффект упрочнения возрастает по мере увеличения скорости удара. В металле могут возникнуть высокие локальные температуры, вызывающие фазовые превращения в локальных участках. Одновременно действуют процессы, присущие упрочнению при обычных скоростях деформирования, такие, как двойниковые, сдвиги и фрагментация [3].

Преимущества упрочнения взрывом:

· подходит для деталей большого сечения;

· позволяет получить большую относительную деформацию металла, а соответственно и поверхностную твердость, за счет воздействия ударных волн от взрыва;

· относительная дешевизна процесса.

Недостатки:

· операция является опасной, так как связана с взрывчатыми веществами, соответственно для ее проведения требуется квалифицированные специалисты и специализированные места хранения;

· после истирания упрочненного слоя, полученного в результате воздействия взрывной волны на поверхность футеровки, наблюдается повышенный износ футеровки.

Изменение геометрической формы футеровки шаровой мельницы

Для шаровых мельниц первой стадии измельчения, работающих на относительно крупной руде и шарах больших размеров, в настоящее время в качестве футеровки цилиндрической части барабана применяют броневые плиты с разнообразными профилями поперечного сечения: волновой, Крюкова, каскадный, балочный, ребристый, норильский, ступенчатый и другие. Это ведет к увеличению номенклатуры выпускаемых литейными цехами деталей и затруднению унификации ремонтных комплектов. Большое количество типов футеровочных плит испытанных на обогатительных предприятиях, можно разделить на три группы по геометрическим признакам поперечного сечения (см. приложение КР.060955.02, рис.2): первая группа -- броневые плиты с углом подъема л. рабочих поверхностей больше 45°; вторая группа -- броневые плиты с углом подъема л рабочих поверхностей меньше 45°; третья группа -- самофутерующиеся броневые плиты. Углом подъема рабочих поверхностей л будем называть угол между касательной к рабочей поверхности футеровки и касательной к окружности радиусом R.

Анализ справочного материала показывает, что износостойкость футеровочных плит с профилями отнесенными к первой группе при прочих равных условиях, оказалась выше износостойкости футеровочных плит второй группы. Это объясняется тем, что плиты отнесенные к первой группе способны остановить загрузку сразу же после контакта и не допустить проскальзывания по футеровке. По футеровочным плитам второй группы имеет место проскальзывание загрузки, о чем говорит образование на их поверхности радиальных канавок -- выработок в процессе эксплуатации.

При небольших углах атаки д, приведенных к гладкой футеровке, истинные углы атаки ди шаровой загрузки по футеровочным плитам, отнесенным к первой группе, близки к 90°. При этом осуществляется надежный захват шаров без проскальзывания, что обеспечивает повышение производительности мельницы.

Зависимость между углами атаки, приведенными к гладкой футеровке и истинными углами атаки выражается уравнением.

. (1)

Для футеровочных плит с повышенным расходом материала футеровки на тонну измельчаемого сырья характерным является понижение производительности мельницы и увеличение удельного расхода электроэнергии.

Футеровочные плиты, отнесенные к третьей группе профилей, имеют повышенную износостойкость за счет эффекта заклинивания шаров в пазах. В данном случае после заклинивания изнашивается не футеровка, а заклиненные шары. Кроме того повышенной износостойкости этого типа футеровок способствует лучшая прокаливаемость в процессе термической обработки, отсутствие рыхлости и микропор в металле. К недостаткам футеровок третьей группы можно отнести повышенный расход шаров. Также изменение конструкции футеровки требует изменения технологической оснастки при ее производстве (замена литейных форм или штампов) [9].

Проанализировав представленные выше способы упрочнения футеровок шаровых мельниц, были выявлены их существенные недостатки, поэтому целесообразно разработать новый способ упрочнения, который позволит исключить данные недостатки. Таким способом может служить способ упрочнения футеровок в процессе эксплуатации шаровых мельниц.

5. Разработка способа упрочнения футеровки шаровой мельницы в условиях эксплуатации

Разработка способа производилась на примере мельницы шаровой с центральной разгрузкой МШЦ-4500Ч6000 с диаметрами корпуса Dм (4,43 м) и мелющих шаров D (0,04 м) при степени заполнения мельницы шарами ц = 30 %. Предложенная для расчета мельница широко используется на обогатительной фабрике ОАО «Карельский окатыш». Барабан мельницы изнутри футерован плитами, которые в разрезе имеют форму «волны». Максимальная толщина футеровочных плит составляет hБ = 128 мм, они изготовлены из стали Гадфильда с исходной твердостью 200 НВ [5].

5.1 Определение максимально возможных диаметра d и глубины h сферической вмятины на футеровке, образовавшейся в результате ударного воздействия шара

Известны [10,11] формулы (1,2), связывающие диаметр (d) и глубину (h) сферической вмятины, образующейся на пластине в результате ударного воздействия шарообразного предмета, с параметрами шара (диаметром - D, плотностью материала - с, скоростью в момент удара - V) и пластины (Нд):

, (1)

, (2)

где

(3)

- динамическая твердость материала пластины (коэффициент пропорциональности между усилием Р, с которым по пластине наносится удар, и диаметром d 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 [10,11]

, (4)

где а0, n - постоянные, характеризующие материал пластины.

Поскольку для динамических условий n = 2 [11] с учетом (3,4)

(5)

Исходя из условий проведения замеров твердости материалов по методу Бринелля (Р = 30 кН, Dш = 10 мм), определяли (4) значения постоянной а0 для стали Гадфильда с твердостью 200 НВ, соответствующей диаметру отпечатка d = 4,26 мм [11], для статических условий, принимая n = 2,2 [10], которая оказалась равной 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 было оценено в 2800 МПа, а величина Нд, рассчитанная по уравнению (5), оказалась равной 3567 МПа.

Далее, устанавливали траекторию движения шара, при которой его удар о футеровку будет наноситься нормально к поверхности, т. е. будет наиболее эффективным. В соответствии с [2] такая траектория имеет место при водопадном режиме движения шаров в мельнице при скорости вращения барабана Vб = 0,75·Vб крит = 3,5 м/с (Vб крит - скорость вращения, соответствующая переходу параболической траектории движения шаров к круговой); при этом угол б отрыва шаров от корпуса барабана равен 55044'. Скорость V шара в момент удара о футеровку рассчитывали из уравнения свободного падения шара, брошенного под углом к горизонту от наиболее высокой точки Н траектории до места его соприкосновения с сегментом футеровки (см. приложение КР.060955.03)

(6)

(7)

После подстановки установленных значений Нд и V в уравнения (1,2) рассчитанные диаметр и глубина сферической вмятины на сегменте из стали Гадфильда, полученной от единичного удара мелющего шара, оказались равными d = 5,8 мм, h = 0,2 мм.

Поскольку при последующих ударах диаметр лунки увеличивается (как показывают опыты [12] до 15 - 20 ударов), влияние многократного удара учитывалось по формуле (7) из [12]

 (7)

Соответственно, глубина наклепанного слоя hн.с с учетом малой кривизны мелющих шаров (, где [12]) оказалась равной ~ 7 мм.

Таким образом, при 20 кратном ударе мелющих шаров по стальной футеровке мельниц на футеровке способен образовываться наклепанный слой глубиной 7 мм с диаметром кратеров на поверхности ~ 7,8 мм.

5.2 Определение твердости и износостойкости стали после упрочняющей обработки

Исходя из величины относительной деформации (), полученной материалом в результате ударного сжимающего воздействия, твердость, приобретенная наклепанным слоем, в соответствии с [5] (см. приложение КР.060955.04, рис. 1) была оценена в 325 НВ.

Как можно заключить из графика [5] (см. приложение КР.060955.04, рис. 2), такое увеличение твердости (с 200 до 325 НВ) должно повысить стойкость стали к истиранию (?m200HB / ?m325HB) примерно в 1,9 раза.

5.3 Расчет времени предлагаемой упрочняющей обработки

При расчете времени, необходимого для 20 кратной бомбардировки всей поверхности футеровки 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 рассчитывали по формуле

N = L / D, (8)

где L - длина дуги окружности барабана, на которой находятся шары внешнего слоя в статическом положении.

Значение L, рассчитанное для степени заполнения барабана ц = 30 %, оказалась равным 5,5 м, а количество шаров N = 138 штук.

Тогда, количество ударов по футеровке Nуд в поперечном сечении барабана в единицу времени равно

Nуд = N / ti, (9)

где ti - время между ударами по футеровке одного и того же шара.

При этом значение ti рассчитывали как сумму времен движения шара по круговой и параболической траекториям по формуле

(10)

В соответствии с расчетом значения ti и N оказались равными 2,7 с и 3067 ударов / мин соответственно.

В предположении, что места ударов шаров распределены по длине окружности барабана равномерно и по каждой точке окружности для эффективного наклепа необходимо нанести 20 ударов необходимое время бомбардировки tУ составляет

(11)

Определение допустимого времени эксплуатации шаровой мельницы между упрочняющими наклепами

Расчет допустимого времени эксплуатации мельницы между упрочняющими наклепами проводили с использованием экспериментальных данных [13] о скорости износа футеровки из стали Гадфильда с твердостью 200 HB в условиях работы шаровых мельниц: Vизн 200HB = 0,0054 мм/ч (данная экспериментальная скорость износа оказалась сопоставима с эксплуатационной скоростью износа шаровой мельницы МШЦ-4500Ч6000), что с учетом упрочняющей обработки составляет Vизн 325HB = Vизн 200HB / 1,9 = 0,0028 мм/ч.

Исходя из того, что максимальная твердость наклепанного слоя распространяется примерно на четверть его глубины [14], в качестве допустимой толщины наклепанного слоя, который может быть подвергнут истиранию, была принята величина

hдоп = 0,25•h н.с = 1,8 мм (12)

Отсюда заключаем, что время в течение которого футеровка мельницы может изнашиваться на допустимую величину hдоп, совпадающее с периодом между проведениями упрочняющего наклепа, составляет

tм.у.н.= hдоп / V изн 325HB = 643 ч ? 27 суток (13)

Таким образом, для повышения срока службы футеровочных плит из стали Гадфильда (в 1,9 раза) требуется проведение периодических (в течении ~ 12 минут) упрочняющих обработок футеровки шарами с периодом между упрочняющими обработками ? 27 суток.

Оценка увеличения срока эксплуатации футеровочных плит в результате упрочняющей обработки

Исходя из того, что футеровку мельницы МШЦ-4500Ч6000 меняют при полном износе гребня «волны» (т.е. когда поверхность футеровки становится абсолютно гладкой) до толщины в 81-87 мм, срок службы плиты составит порядка 700 суток, а количество упрочняющих обработок Nупр ~ 28.

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 минут [15, 16].

Выводы

1. На примере мельницы шаровой с центральной разгрузкой МШЦ-4500Ч6000 с футеровкой из стали Гадфильда при степени заполнения мельницы шарами ц = 30 % показано, что при работе мельницы без породы бомбардировка мелющими телами непосредственно футеровки способна вызвать ее эффективный наклеп с повышением твердости с 200 до 325 НВ при глубине наклепанного слоя до 7 мм.

2. Для обеспечения эффективного наклепа шары должны циркулировать в водопадном режиме с направлением удара по футеровке нормально к поверхности, что обеспечивается при скорости вращения барабана мельницы VБ = 0,75 Vб крит = 3,5 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 ц шарами время, необходимое для осуществления эффективной бомбардировки, составляет ~ 12 минут, период между упрочняющими наклепами ~ 27 суток.

5. Количество упрочняющих обработок в течении срока службы футеровки составляет ~ 28.

Список использованной литературы

1. Андреев Е.Е. Дробление, измельчение и подготовка сырья к обогащению: Учебник / Е.Е. Андреев, О.Н. Тихонов. СПГГИ (ТУ). СПб, 2007. 439 с.

2. Андреев С.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых / C.Е.Андреев, В.В.Зверевич, В.А.Перов. М.: Недра, 1966. 396 с.

3. Евдокимов В.Д. Технология упрочнения машиностроительных материалов: Учебное пособие-справочник / В.Д. Евдокимов, Л.П. Клименко, А.Н. Евдокимова. Одесса Николаев: Изд-во НГГУ им. Петра Могилы, 2005. 352 с.

4. Болобов В.И. Материаловедение. Строение, свойства и диаграммы состояния углеродистых сталей и чугунов: Учеб. пособие / В.И. Болобов, С.Ю. Кувшинкин, Э.А. Кремчеев, С.Л. Иванов. СПГГИ (ТУ). СПб, 2009. 108 с.

5. Марганцовистая сталь. Пер. с англ. Б.А.Белоуса под ред. М.Е.Блантера. М.: Металлургиздат, 1959. 94 с.

6. Крагельский Н.В. Трение и износ. М., Машиздат, 1962.

7. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

8. Давыдов Н.Г. Высокомарганцевая сталь. М.: «Металлургия», 1979. 176 с.

9. Маляров П.В. Основы интенсификации процессов рудоподготовки: Монография. - Ростов-на-Дону: ООО «Ростиздат», 2004. 320 с.

10. Саверин М.М. Дробеструйный наклеп. М.: Машгиз, 1955. 312 с.

11. Шапошников Н.А. Механические испытания металлов. М.-Л.: Машгиз, 1954. 443 с.

12. Кудрявцев И.В. Влияние кривизны соприкосающихся поверхностей на глубину пластической деформации при упрочнении деталей поверхностным наклепом / И.В.Кудрявцев, Г.Е.Петушков // Повышение прочности деталей машин поверхностным деформированием: материалы II научно-технической конференции. Пермский политехнический институт. Пермь, 1967. С 40-52.

13. Крюков Д.К. Футеровки шаровых мельниц. М.: Машиностроение, 1965. 184 с.

14. Ткачев В.Н. Методы повышения долговечности деталей машин. / В.Н.Ткачев, Б.М.Фиштейн, В.Д.Власенко, В.А.Уланов. М.: Машиностроение, 1971. 272 с.

15. Горбачевский В.В. Эксплуатация и ремонт шаровых барабанных мельниц.- Киев, 1967. 40 c.

16. Егерман У.Ф. Инструкция по ремонту углеразмольных шаровых барабанных мельниц. М., «Госэнергоиздат», 1963. 32 с.

Размещено на Allbest.ru