Литые чугунные шары для помола материалов

Основными потребителями мелющих шаров, являются горно-металлургическая, цементная и энергетическая отрасли.  Объем мирового рынка мелющих тел составляет 3 млн. т в год. Согласно оценкам компании Hatch Beddows, в США и Канаде используется свыше 600 тыс.т, в СНГ— 475 тыс.т (15,8%), Австралии— 370 тыс.т, Китае— 325 тыс.т .

Диаграмма потребления шаров в России может быть представлена  так -43% мелющих тел  для твердых и относительно бедных железных руд, 22% — медные и никелевые руды, 10% — приходится на цемент.

Диаграмма потребления мелющих шаров по отраслям России

В соответствии  с Программой развития промышленности России и документа « Стратегия развития металлургической промышленности России на период до 2020 г.» ожидается существенный рост потребления мелющих шаров.

Это связано с увеличением объёмов добычи угля, руд чёрных и цветных металлов, развитием энергетической отрасли и  ростом объёмов промышленного и гражданского строительства. Например, если в 2011 году производство цемента в России составило 55,9 млн.т, то к 2015 году предполагается увеличение производства цемента на 35 млн.т.  Следует учесть, что из-за постепенного истощения сырьевой базы для извлечения полезного компонента приходится перерабатывать сопутствующую породы все в больших объемах и измельчать руду все тщательнее (зачастую фракция полезного компонента не превышает 20 мкм).

Мелющий шар практически полностью изнашивается  при эксплуатации  (износ до 0,5-2 кг/т) и, расходы на их приобретение составляют, по разным оценкам, от 15 до 35% от общих технологических затрат соответствующих  производств. В связи с этим повышение долговечности шара на протяжении последних десятилетий не теряет своей актуальности в мировой практике.

Использующиеся сегодня в мире мелющие шары делятся на стальные катаные и чугунные литые. Катаные стальные шары в основном получают пластической деформацией на станах поперечно-винтовой прокатки, а также  методом штамповки и ковки.

Литые чугунные шары производят методами  литья в кокиль, по датской технологии безопочного литья в песок ( DISAMATIC), методом центробежного литья или на наклонно-поворотных разливочных  машинах.

Стальные шары  можно разделить на два класса.

Первый — это высококачественные стальные катаные изделия с твердостью не ниже 62 — 65HRC на поверхности  и не менее  60HRC в центре шара на диаметрах от 15 до 150 мм.  Они изготавливаются из низколегированной углеродистой стали с содержанием хрома около 1%. Твердость достигается специальной системой полной закалки. Такая твердость уже давно отличает стальные шары, выпускаемые ведущими западными фирмами  «AGS», «Gerdau Ameristeel», «Vitkovice» и др. Лидером в данном классе является южноафриканская компания  Scow Metals. На принадлежащих ей десяти заводах выпускается около 600 тыс.т шаров под общим брендом Moly-Cop. Стоимость данной продукции превышает 800$ за тонну на условиях EXW.

Второй — стальные катаные шары, выпускаемые в России по ГОСТ 7524-89 « Шары стальные мелющие для шаровых мельниц» имеют более  низкий уровень качества. Твердость на поверхности шаров 35-45 НRC.Основная причина этого в том, что в большинстве случаем производство шаров рассматривалось как  способ утилизации отходов, в частности использование отбраковки рельсовой заготовки. Твердость мелющих шаров  согласно этому стандарту, контролируется практически только на поверхности.

 Шары по твёрдости подразделяют на 4 группы прочности:

1 – нормальной твердости общего назначения;

2 – повышенной твердости общего назначения;

3 – высокой твердости для измельчения руд черных металлов;

4 – особо высокой твёрдости для измельчения руд цветных металлов, цемента и огнеупоров.

Основные производители шаров в СНГ:

Нижнетагильский МК – 33 %, Новокузнецкий МК – 19 %, Гурьевский МЗ – 23 %, а также ЗАО «Кронтиф», который производит 7 % (литых чугунных)  шаров. Остальные 18 % производимых в СНГ шаров приходятся на 12 металлургических предприятий.

Для шаров, выпускаемых на предприятиях стран России и СНГ, актуальным является повышение поверхностной твердости при увеличении глубины залегания упрочненного слоя.  Для первичного грубого помола  руд необходимо использование крупных шаров диаметром 110-120 мм. Из таблицы 1 наглядно видно, что, качество их не соответствует требованиям производства. На этих диаметрах  4 группа твердости на поверхности и, тем более в середине шара не достигается. Качество катаного шара  по  ГОСТ 7524-89 отстаёт от мирового уровня по показателю поверхностной и объёмной твердости, но  не менее важным является его способность не раскалываться от соударений. Если имеются внутренние дефекты и не выдержан режим термического упрочнения, то шар быстро раскалывается и затем изнашивается.

По принятой на заводах СНГ технологии производства стальных катаных шаров, непосредственно после прокатки изделия подвергаются неполной закалке в воду с последующим самоотпуском.  При этом невозможно достигнуть сквозной прокаливаемости, толщина закаленного слоя (мартенситной скорлупы) не превышает 12-15мм, и твердость шара значительно снижается к центру. Кроме того, данная технология требует строгого температурного контроля — перекаленный продукт в мельнице может расколоться.

Стальные шары производятся на металлургических предприятиях Украины и России поперечно-винтовой прокаткой. На диаметрах 40-60 мм в твердость на поверхности в лучшем случае 55-62 HRC при глубине закалки 10-15 мм, а подавляющее количество крупных шаров (диаметром 100, 120 мм) имеют твердость не выше 40 HRC. С введением в действие барабанных закалочных устройств на комбинатах «Азовсталь» и НТМК появилась возможность изготавливать  катаные шары большого диаметра (80-120 мм) с твердостью на поверхности 50-57 HRC при глубине закалки 5-10 мм.

В настоящее время на Гурьевском металлургическом заводе освоен выпуск продукции из низколегированной хромистой стали, подвергаемой двухстадийной закалке. Закалка шаров происходит в два этапа в двух закалочных барабанах с промежуточной выдержкой на воздухе и последующим 8-часовым вылеживанием в специальных бункерах-термосах. В результате промежуточной выдержки на воздухе снижается градиент температур по сечению шара, уменьшаются закалочные напряжения. Легирование стали хромом повышает устойчивость переохлажденного аустенита, что существенно улучшает прокаливаемость. Сегодня ГМЗ стал практически единственным в СНГ производителем шаров 30—100 мм с регламентируемой твердостью по сечению изделия (4-й группы твердости), но на шарах диаметром 120 мм такого качества  не достигли.  На некоторых машиностроительных заводах шары изготавливаются ковкой и штамповкой. На Херсонском заводе карданных валов выпускают штампованные шары из стали 65Г различных типоразмеров, при этом шары диаметром 50-80 мм имеют на поверхности 60-63 HRC, а диаметром 90-100 мм  58-62 HRC. Технология малопроизводительная и дорогая.

Повышение поверхностной и объемной твердости стальных шаров производства Украины и России достигается за счет применения сталей с более высоким (по сравнению с обычно применяемыми сталями 45, 60, 65Г, М76 и др.) уровнем прокаливаемости, а также за счет перехода от термоупрочнения с самоотпуском к закалке с отдельного нагрева и низкотемпературному печному отпуску. Дальнейшая перспектива в повышении износостойкости стальных мелющих шаров заключается в разработке и применении шаровых заэвтектоидных сталей. В шарах из таких сталей возможно достижение двух микроструктурных состояний, обеспечивающих более высокую износостойкость по сравнению с мартенситом отпуска:

1) металлическая матрица отпущенного мартенсита с равномерно распределенными зернистыми включениями вторичного цементита;

2) аустенитно-мартенситная без карбидная  или содержащая малое количество карбидов структура, в которой аустенит обладает регулируемой склонностью к мартенситному превращению при изнашивании. Этот тип микроструктуры более предпочтителен, поскольку обеспечивает шарам повышенное сопротивление растрескиванию при закалке и расколам при эксплуатации за счет присутствия вязкого аустенита.

Однако, достичь уровня качества стальных шаров Moly-Cop пока не удаётся.  На относительно небольших объёмах  производства затраты на  специальное микролегирование для повышения прокаливаемости   и,  на специальное технологическое оборудование для термообработки и получение объёмно закалённых шаров особо высокой прочности  становятся не рентабельными.

Эта проблема может быть решена за счет применения новейших литейных технологий и оборудования  для  производства  литых чугунных шаров. Примером такой технологии может являться наклонно-поворотная машина конструкции  БелНИИЛИТ.

Литые чугунные шары можно также  разделить на два класса.

 Первый  — высококачественные шары   с содержанием хрома 13—23% и со сквозной твердостью 62—64 HRC. Само по себе большое содержание хрома не гарантирует указанной твердости. Для ее достижения необходимо использование высокотехнологичных процессов. Мировой лидер в данном классе, бельгийская компания Magotteaux, выпускает около 320 тыс.т таких шаров в год на 16 заводах... Стоимость этих  шаров сегодня превышает 1,1 тыс. евро за тонну на условиях EXW.

Второй —  шары из рядового чугуна,  привычные российскому потребителю. Твердость таких изделий при должном контроле качества может достигать на поверхности 50—52 HRC, но ударостойкость сравнительно низкая. Их основное конкурентное преимущество — дешевизна. Простота технологии производства  делает их весьма распространенными во многих развивающихся странах.

До последнего времени внутренний рынок России  оставался нетребовательным к качеству шаров. Но по мере развития интеграционных процессов с Западом, переход на использование высококачественных дорогих изделий с лучшими эксплуатационными свойствами видится неизбежным. Без улучшения качества отечественных шаров со временем их место займет импорт, и Россия попадет в зависимость от поставок этого стратегически важного ресурса.

По общему мнению, чугунные мелющие шары в связи с присутствием в структуре значительного количества карбидов обладают более высокой эксплуатационной стойкостью по сравнению со стальными шарами. Наиболее убедительно это показано на примере использования чугунных шаров в цементной промышленности, где эффект снижения удельного расхода по сравнению с коваными стальными шарами достигает 3-5 раз. Помимо меньшей потери массы, в чугунных шарах реализуется так называемый «зубчатый» эффект: направленное расположение кристаллов карбидов перпендикулярно к поверхности тела и их чередование с более мягкими прослойками матричной фазы, что создает специфическую шероховатость поверхности и улучшает измельчающий эффект за счет уменьшения проскальзывания между шарами и зернами размалываемого материалом. Чугунные шары отечественного производства, как правило, имеют относительно небольшие размеры. Это связано с трудностями получения массивных тел (шаров) без внутренних литейных дефектов, которые бы не раскалывались при ударах в мельницах первой стадии переработки. В то же время фирмы Западной Европы («Sosiedad Santa ana de Boluetta», «Bradlay and Foster», «Bragonzi» и другие) выпускают качественные мелющие чугунные шары диаметром до 100-125 мм включительно.

Таким образом, производство чугунных шаров в СНГ неизбежно будет развиваться по пути создания и применения технологий, обеспечивающих получение тел большого диаметра (100-120 мм) с плотной макроструктурой, обеспечивающей им высокую стойкость к расколом. Ударостойкость литых шаров может быть повышена введением в жидкий чугун дисперсных порошков тугоплавких соединений, частично или полностью устраняющим транскристаллитную структуру.  Обработка расплава комплексными модификаторами позволяет создавать в шарах структуру половинчатого чугуна с присутствием в центре отливки включений шаровидного графита, демпфирующих ударные нагрузки.  Широкое внедрение технологий производства  литых шаров повышенного качества в производство и использование этой продукции у потребителей обусловлено действием ряда экономических предпосылок.

В последние годы производство стальных шаров на металлургических предприятиях-гигантах утратило свою утилизационную направленность как в связи с уменьшением объемов отбракованного металла, так и по причине экономической привлекательности и рентабельности выпуска  шаров европейского  качества.  Также немаловажным аргументом в пользу применения более современных технологий производства мелющих шаров  является повышение  тарифов на электроэнергию и обеднение имеющихся руд. Более высокое качество шаров существенно снижает затраты на электроэнергию, до 20% и повышает качество размола сырья.

Потребитель, применяя более качественные мелющих шаров, преследуют, прежде всего, цель снижения себестоимости своего основного производства. Эта цель достигается разными путями. Во-первых, за счет повышения эксплуатационной долговечности мелющих шаров  обеспечивается снижение их удельного расхода на тонну готового продукта; что автоматически снижает расходы, связанные как с приобретением новых шаров, так и с их транспортировкой, складированием и загрузкой в мельницы. Так, про­веденные на Центральном ГОКе (г.Кривой Рог) испытания азовстальских шаров диаметром 120 мм 3-й группы твердости (477-520 НВ) в мельнице 1-й стадии измельчения показали снижение их удельного расхода на тонну готового концентрата на 11,4 % по сравнению с шарами 2-й группы твердости (365-388 НВ). Аналогичные испытания на ЮГОКе и ГОКе «Миттал Стил» зафиксировали снижение удельного расхода шаров на 9,5 % и 5,7 % соответственно. Прямое снижение расходов наблюдается и в том случае, когда при одинаковой стойкости стальных и чугунных шаров  затраты на приобретение последних оказываются ниже вследствие меньшей себестоимости и цены литых шаров.Непрямые выгоды для потребителей от применения более качественных шаров  заключаются в увеличении производительности помола (росте процента выхода фракции определенного класса). Например, вышеназванные испытания шаров диаметром 120 мм 3-й группы ДСТУ 3499 в условиях ЦГОК показали, что выход класса минус 0,074 мм возрос на 1,8 %, а производительность мельницы по вновь образованному классу минус 0,074 мм увеличилась на 13,3 %. Параллельно снижается удельный вес энергозатрат в себестоимости операции измельчения. При увеличениии твердости мелющих шаров диаметром 120 мм с 25-30 HRC до 50-60 HRC в условиях Алмалыкского ГМК зафиксировано уменьшение удельного потребления электроэнергии на 0,41 кВтч на тонну пере­работанной медной руды. Дополнительным фактором, стимулирующим горно-обогатительные предприятия к использованию высококачественных МТ, является рост извлекаемости полезного компонента из руды. Это происходит за счет лучшей раскрываемости сростков минералов, содержащих как полезный компонент, так и пустую породу. В цементной промышленности применение более долговечных литых чугунных шаров  позволяет переходить на выпуск цемента повышенного класса прочности в связи со снижением содержания железосодержащих частиц износа в продуктах помола цементных мельниц.

 Каждое рудное месторождение имеет свои индивидуальные особенности материала (прочность, измельчаемость, абразивность, состав пульпы и прочее), что необходимо учитывать при его переработке. Тенденция возрастающих трудностей в добыче полезных ископаемых и все большего вовлечения в переработку бедных мелковкрапленных руд будет диктовать потребителям необходимость использования более качественных мелющих шаров и, соответственно, экономически стимулировать производителей к внедрению современных технологий получения данной продукции.  В этих условиях производство и использование литых чугунных шаров в сравнении с катаными становится более выгодным, как по рентабельности производства, так и по эффекту использования у потребителя, что отражается на конкурентоспособности и рыночной цене этих изделий.

В заключении следует отметить, что в настоящее время в СНГ идет проработка нескольких проектов создания предприятий по выпуску мелющих шаров. Объём производства планируется от 15 до 70 тыс. тонн в год при номенклатуре по диаметрам от 20 до 120 мм. Использование традиционного подхода получения катаных стальных шаров в таком диапазоне вызывает необходимость разливки непрерывнолитой заготовки сечением не менее 200×220мм (для шаров диаметром 100-120 мм), прокатку заготовки на реверсивном стане  с диаметром валков не ниже 850 мм и далее на сортовом стане для получения  проката диаметром 25- 124 мм. Далее, требуется установка трех  клетей поперечно-винтовой прокатки катающих шары в диапазоне  диаметров 20-60 мм, 40-100 мм и 80 -125мм конструкции АКХ «ВНИИМЕТМАШ».

В одном из проектов строительства мини-завода для производства 30 тыс. тонн мелющих шаров диаметром 20-120мм нами было принято решение ограничиться разливкой заготовки на МНЛЗ на сечение 150×150мм, установить стан горячей прокатки для получения подката для шаров диаметром от 22 до 124 мм.   Шары диаметром от 20 до 90 мм катать на одном универсальном стане поперечно-винтовой прокатки, а шары диаметром 100-120 мм отливать из чугуна на наклонно-поворотной машине. Это проектное решение позволяет снизить расчетные капитальные затраты на оборудование: по  МНЛЗ на 22%, по прокатным станам на 41%. Затраты на сквозной передел при производстве шаров диаметром в диапазоне 20-120 мм при использовании вышеописанной технологии снижается не менее чем  20%.

Стеблов А.Б., Березов С.Н., Козлов А.А.) // Литье и Металлургия, № 3, 2012, с. 45-50

По материалам сайта http://steblov.ru

Posted in НОВОСТИ.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *