El desgaste mecánico involucra muchos aspectos, entre los cuales el desgaste abrasivo representa más del 50% de todo el desgaste industrial. Países como Alemania y el Reino Unido sufren miles de millones de dólares en pérdidas anualmente debido al desgaste abrasivo, y en Australia, la industria minera pierde el 2% de sus ingresos por ventas de productos minerales cada año debido al desgaste abrasivo. Una parte importante de este desgaste abrasivo se produce en los revestimientos de los molinos de bolas. Hay dos enfoques principales para abordar este problema: en primer lugar, mejorar la resistencia al desgaste de los materiales; y en segundo lugar, mejorar el entorno de desgaste mediante la optimización de procesos. Esta investigación se centra principalmente en el aspecto material.
Material tradicional ZGMn13 utilizado en molinos de bolas:
ZGMn13 es un acero con alto contenido de manganeso-, inventado por Hadfield en 1882. Se fabrica agregando aproximadamente un 13 % de Mn al acero, utilizando la característica del Mn para desplazar la "punta" de la curva S-del acero hacia la derecha y bajar las líneas Ms y Mf. Se obtiene una estructura completamente austenítica manteniéndola prolongadamente a 1000-1050 grados seguida de un enfriamiento forzado. Esta estructura totalmente austenítica exhibe propiedades de endurecimiento por trabajo. Su uso como revestimiento de molino de bolas tiene como objetivo lograr el endurecimiento por trabajo mediante el impacto de bolas de molienda y materiales abrasivos sobre el revestimiento. Sin embargo, durante el funcionamiento del molino de bolas, las bolas de molienda y los materiales abrasivos son llevados a un punto alto por la rotación del cilindro y luego caen en cascada. Las bolas de molienda y los materiales abrasivos que caen desde una altura solo impactan directamente las bolas de molienda y los materiales abrasivos en la base de la pila de material, e indirectamente impactan el revestimiento a través de la capa acumulada de bolas de molienda y materiales abrasivos. Esto da como resultado una menor intensidad de impacto y un endurecimiento por trabajo menos significativo. La experiencia práctica muestra que en los molinos de carbón de las centrales eléctricas, la dureza-endurecida por trabajo del acero austenítico con alto-manganeso está entre HB230 y 250, y en los molinos de procesamiento de minerales, no excede la HB300, muy por debajo del límite-de endurecimiento por trabajo de HB500 para el acero con alto-manganeso. Por lo tanto, utilizar acero con alto contenido de manganeso-para fabricar revestimientos de molinos de bolas no es apropiado porque no aprovecha las propiedades de resistencia al desgaste-del acero con alto contenido de manganeso.
Estado de desarrollo de los materiales de revestimiento
Dada la aplicación inadecuada del material ZGMn13 en revestimientos de molinos de bolas, los metalúrgicos de todo el mundo han estado investigando nuevos materiales para revestimientos desde la década de 1960, logrando muchos resultados.
(1) Nuevos Desarrollos en ZGMn13
Los investigadores han mejorado ZGMn13 agregando elementos como Cr, Mo y V para formar carburos de aleación de alta dureza-en forma de isla, granulares dispersos y estables-como (FeCr)3C y VC. Esto dificulta el crecimiento de los granos de austenita durante el tratamiento de enfriamiento con agua, lo que da como resultado una estructura austenítica con puntos duros de carburo dispersos, mejorando así la capacidad de endurecimiento por trabajo y el efecto de endurecimiento del material.
Estados Unidos produce acero fundido estándar con alto-manganeso con 1,5%~2,5% Cr (grado C) y acero fundido estándar con alto-manganeso con 0,9%~1,2% o 1,8%~2,1% Mo (grados E-1 y E-2).
Japón produce acero fundido estándar con alto-manganeso con 1,5%~2,5% Cr (grado SCMnH11) y acero fundido estándar con alto-manganeso con 2,0%~3,0% Cr y 0,4%~0,7% V (grado SCMnH12). El Instituto de Investigación de Forja y Fundición de Mongolia Interior ha desarrollado acero con alto contenido de cromo-manganeso con entre 1,5 % y 2,5 % de Cr y ha tratado el acero fundido con elementos de tierras raras. La capa superficial (0,01 mm) de este acero con alto contenido de manganeso-que contiene cromo puede alcanzar una dureza de HB390 después del endurecimiento por trabajo en un molino de bolas, que es 1,5 veces mayor que la del acero con alto-manganeso ordinario, y su vida útil es de 1,5 a 2 veces más larga que la del acero con alto-manganeso ordinario.
(2) Aleación de hierro fundido blanco
① Hierro fundido blanco 15Cr-3Mo y su desarrollo. El material alternativo más representativo para revestimientos de acero con alto contenido de manganeso es el hierro fundido blanco martensítico que contiene 15% Cr + 3% Mo. Este material consiste en carburos eutécticos discontinuos de hierro-cromo (Cr, Fe)7C3 y carburos secundarios ricos en cromo-distribuidos en una matriz martensítica, donde los carburos ocupan aproximadamente del 40% al 50% del volumen total. Estos carburos de cromo tienen una dureza muy alta, todas superiores a HV1200-1800, suficiente para resistir el desgaste de los abrasivos comunes. Sin embargo, la dureza de la matriz martensítica es de alrededor de HRC50, que es más blanda que algunos abrasivos y se desgastará, lo que podría desalojar los carburos. Por lo tanto, la excelente resistencia al desgaste de los carburos sólo se aprovecha parcialmente. El Instituto de Tecnología de Harbin también ha realizado un amplio trabajo para mejorar el rendimiento del hierro fundido blanco con alto contenido de cromo 15Cr-3Mo-. Utilizaron sales y aleaciones de K, Na, Mg y Ca para realizar un tratamiento de modificación por pulverización en hierro fundido 15Cr-3Mo, eliminando la distribución de red original de los carburos y haciéndolos parecer gusanos o grumosos, al tiempo que redujeron el tamaño de los carburos. Esto mejoró significativamente la tenacidad y la resistencia al desgaste del material. Los estudios han demostrado que la tasa de desgaste del hierro fundido blanco con alto contenido de cromo 15Cr-3Mo tratado con diferentes elementos modificadores es menor que la del material no tratado. Específicamente, la tasa de desgaste promedio del hierro fundido blanco con alto contenido de cromo 15Cr-3Mo modificado con potasio fue un 63,2% menor que la del material sin tratar, y la tasa de desgaste de la solución óptima fue un 74,4% menor que la del material sin tratar.
② Hierro fundido blanco que contiene aleación de Cu-. Esta aleación de hierro fundido blanco, desarrollada con éxito por Shandong Xinwen Tool Factory, se produce añadiendo 1,0 % de Cu y 0,9 % de aleación de ferrosilicio de tierras raras para su modificación e inoculación antes de la fundición, seguido de un tratamiento de normalización de 950 grados y de templado de 600 grados, lo que da como resultado carburos dispersos, finos y uniformemente distribuidos. Las pruebas de la máquina mostraron que en un molino de cemento de L1,83m × 6,4m, la resistencia relativa al desgaste del revestimiento de hierro fundido blanco que contiene aleación de tierras raras Cu-fue 2,4 veces mayor que la del revestimiento de acero con alto contenido de-manganeso. (3) Aceros de media y baja aleación
Aunque los revestimientos de molinos de bolas de acero con alto-manganeso o hierro fundido blanco aleado con elementos de aleación añadidos muestran una resistencia al desgaste significativamente mejorada en comparación con los revestimientos de acero con alto-manganeso ordinarios, estos materiales son más caros debido a la inclusión de grandes cantidades de metales preciosos como Cr, Ni y Mo, y son propensos a agrietarse e incluso fracturarse durante la producción y el uso. Por estas razones, los metalúrgicos y trabajadores de fundición chinos, considerando las condiciones específicas de mi país, comenzaron a investigar el uso de aceros de aleación media y baja para revestimientos de molinos de bolas y lograron resultados alentadores.
① Acero Cr, Mo, Cu de aleación media-baja-de carbono-resistente al desgaste. El acero de media-aleación baja-de carbono-resistente al desgaste que contiene Cr, Mo y Cu, y tratado con elementos de tierras raras, desarrollado por la Universidad Tecnológica de Shenyang, logró una dureza superior a HRC50 y un valor de impacto de 25-60 J/cm² después de un enfriamiento al aire a 950 grados y un revenido a 250 grados. Su matriz es martensita templada y la microscopía electrónica de barrido reveló una estructura de haces de martensita en forma de listón. Bajo microscopía electrónica de transmisión con gran aumento-, la estructura mostró claramente una mezcla de martensita dislocada y una pequeña cantidad de martensita maclada, con una película delgada discontinua-austenita retenida distribuida entre los listones de martensita. Esta forma y distribución de la austenita mejoró la tenacidad al impacto y la resistencia relativa al desgaste del acero. La resistencia al desgaste de este acero bajo diferentes energías de impacto mostró un marcado contraste con la del acero con alto contenido de manganeso.
Con el aumento de la energía de impacto, la resistencia al desgaste por impacto del acero con alto-manganeso mejoró significativamente, mientras que la resistencia al desgaste del acero Cr, Mo y Cu recientemente desarrollado disminuyó. Sin embargo, bajo todas las condiciones de energía de impacto seleccionadas en las pruebas comparativas, la resistencia al desgaste del nuevo acero fue mayor que la del acero con alto-manganeso. Utilizado en un molino de bolas de L1,83m × 3m en la mina de hierro Qian'an en la provincia de Hebei, el revestimiento hecho de este material tenía una vida útil de 10 a 12 meses, mientras que la vida útil de los revestimientos ZGMn13 era de solo 3 a 5 meses.
② Acero de aleación multielemento-de carbono medio-Mo-V-Ti. El acero de aleación de múltiples componentes -de carbono medio- que contiene Cr, Mo y trazas de V, Ti y Nb, desarrollado por el Instituto de Investigación y Diseño de Cemento de Hefei, obtiene una martensita templada + una pequeña cantidad de matriz de bainita inferior con fases duras de carburo dispersas después de un tratamiento con tierras raras (RE) y un tratamiento térmico específico. Las pruebas muestran que este tipo de revestimiento tiene alta dureza, buena resistencia al desgaste abrasivo y alta tenacidad al impacto y resistencia a la flexión, con una vida útil más de tres veces mayor que la del acero ordinario con alto contenido de manganeso. Se ha utilizado en molinos de molienda en la planta de cemento de Huaihai (4,2 m × 12 m de largo), la planta de cemento de Kunming (3,5 m × 11 m de largo) y la planta de cemento Dukou de Sichuan (2,2 m × 13 m de largo), con una tasa de desgaste promedio de 3,16 g/t en la primera cámara y 1,53 g/t en la segunda cámara; mientras que la tasa de desgaste promedio de los revestimientos de acero con alto-manganeso es de 13 g/t de cemento.
③ Acero de aleación de alto-carbono medio-cromo. Otro revestimiento de acero de aleación de alto-carbono medio-cromo que contiene 4,5%~5,5% Cr y 0,3%~0,7% Mo, y tratado con inoculación RE, también desarrollado por el Instituto de Investigación y Diseño de Cemento de Hefei, se ha aplicado con éxito en molinos de bolas de cemento.
④ Acero Cr-Ti medio-manganeso. El acero con medio-manganeso que contiene 5,5%~8,0% Mn, 1,5%~2,0% Cr, 0,05%~0,1% Ti y tratado con 0,02%~0,05% RE, obtuvo una estructura de austenita única con granos más finos que el acero ordinario con alto contenido de manganeso- mediante enfriamiento con agua a 1100±30 grados. Los revestimientos fabricados con este material han logrado buenos resultados en los molinos de bolas de la mina de hierro Banshigou y la mina de cobre Tonghua de la planta de acero Tonghua. Su resistencia relativa al desgaste es 1,64 veces mayor que la del acero con alto contenido de manganeso cuando se muele mineral de magnetita; y 1,48 veces la del acero con alto contenido de manganeso al moler mineral de cobre. La razón principal de la resistencia al desgaste mejorada de este material es su mejor rendimiento de endurecimiento por trabajo en molinos de bolas en comparación con el acero ordinario con alto contenido de manganeso.
⑤ Acero de aleación baja-multifásico Cr-Mo. El revestimiento de acero multifásico de baja-aleación-resistente al desgaste estudiado, que contiene 3% Cr y 0,4% Mo, se sometió a un tratamiento térmico de enfriamiento isotérmico para obtener una microestructura de bainita + martensita + austenita retenida. Este material posee alta tenacidad y alta dureza, lo que resulta en una excelente resistencia al impacto, fatiga, deformación y desgaste. Las aplicaciones de campo han demostrado que este revestimiento tiene una vida útil de 1 a 2 veces más larga que la del acero ordinario con alto contenido de manganeso.
