O desgaste mecânico envolve muitos aspectos, entre os quais o desgaste abrasivo é responsável por mais de 50% de todo o desgaste industrial. Países como a Alemanha e o Reino Unido sofrem anualmente perdas de milhares de milhões de dólares devido ao desgaste abrasivo e, na Austrália, a indústria mineira perde 2% da sua receita de vendas de produtos minerais todos os anos devido ao desgaste abrasivo. Uma parcela significativa deste desgaste abrasivo ocorre em revestimentos de moinhos de bolas. Existem duas abordagens principais para resolver este problema: em primeiro lugar, melhorar a resistência ao desgaste dos materiais; e em segundo lugar, melhorar o ambiente de desgaste através da otimização do processo. Esta pesquisa se concentra principalmente no aspecto material.
Material tradicional ZGMn13 usado em moinhos de bolas:
ZGMn13 é um aço com alto-manganês, inventado por Hadfield em 1882. Ele é feito adicionando aproximadamente 13% de Mn ao aço, utilizando a característica do Mn para deslocar o "nariz" da curva S-do aço para a direita e diminuir as linhas Ms e Mf. Uma estrutura totalmente austenítica é obtida através de manutenção prolongada a 1.000-1.050 graus seguida de resfriamento forçado. Esta estrutura totalmente austenítica exibe propriedades de endurecimento por trabalho. Seu uso como revestimento de moinho de bolas visa obter o endurecimento por meio do impacto de esferas de moagem e materiais abrasivos sobre o revestimento. Porém, durante a operação do moinho de bolas, as bolas de moagem e os materiais abrasivos são levados a um ponto alto pela rotação do cilindro e depois caem em cascata. As bolas de moagem e os materiais abrasivos que caem de altura impactam apenas diretamente as bolas de moagem e os materiais abrasivos na base da pilha de material e impactam indiretamente o revestimento através da camada acumulada de bolas de moagem e materiais abrasivos. Isto resulta numa menor intensidade de impacto e num endurecimento por trabalho menos significativo. A experiência prática mostra que em usinas de carvão em usinas de energia, a dureza-endurecida do aço austenítico com alto-manganês está entre HB230 e 250, e em usinas de processamento de minério, não excede HB300, muito abaixo do limite de-endurecimento de HB500 para aço com alto-manganês. Portanto, usar aço com alto-manganês para fabricar revestimentos de moinhos de bolas é inadequado porque não utiliza as propriedades-de resistência ao desgaste do aço com alto teor de manganês.
Status de desenvolvimento de materiais de revestimento
Dada a aplicação inadequada do material ZGMn13 em revestimentos de moinhos de bolas, metalúrgicos em todo o mundo têm pesquisado novos materiais de revestimento desde a década de 1960, obtendo muitos resultados.
(1) Novos Desenvolvimentos em ZGMn13
Os pesquisadores melhoraram o ZGMn13 adicionando elementos como Cr, Mo e V para formar carbonetos de liga de alta dureza, estáveis, dispersos, granulares e em formato de ilha, como (FeCr)3C e VC. Isso impede o crescimento de grãos de austenita durante o tratamento de têmpera em água, resultando em uma estrutura austenítica com pontas duras de metal duro dispersas, melhorando assim a capacidade de endurecimento por trabalho do material e o efeito de endurecimento.
Os Estados Unidos produzem aço fundido padrão com alto-manganês com 1,5%~2,5% Cr (grau C) e aço fundido padrão com alto-manganês com 0,9%~1,2% ou 1,8%~2,1% Mo (graus E-1 e E-2).
O Japão produz aço fundido padrão com alto-manganês com 1,5%~2,5% Cr (grau SCMnH11) e aço fundido padrão com alto-manganês com 2,0%~3,0% Cr e 0,4%~0,7% V (grau SCMnH12). O Instituto de Pesquisa de Fundição e Forjamento da Mongólia Interior desenvolveu aço-contendo alto-manganês com 1,5% a 2,5% Cr e tratou o aço fundido com elementos de terras raras. A camada superficial (0,01 mm) deste aço-contendo alto-manganês pode atingir uma dureza de HB390 após o endurecimento por trabalho em um moinho de bolas, que é 1,5 vezes maior que a do aço comum com alto-manganês, e sua vida útil é 1,5 a 2 vezes maior do que a do aço comum com alto-manganês.
(2) Liga de ferro fundido branco
① Ferro fundido branco 15Cr-3Mo e seu desenvolvimento. O material alternativo mais representativo para revestimentos de aço com alto-manganês é o ferro fundido branco martensítico contendo 15% Cr + 3% Mo. Este material consiste em carbonetos eutéticos descontínuos de ferro-cromo (Cr, Fe)7C3 e carbonetos secundários ricos em cromo- distribuídos em uma matriz martensítica, com os carbonetos ocupando aproximadamente 40% a 50% do volume total. Esses carbonetos de cromo possuem dureza muito alta, todas acima de HV1200-1800, suficiente para resistir ao desgaste causado por abrasivos comuns. No entanto, a dureza da matriz martensítica está em torno de HRC50, que é mais macia do que alguns abrasivos e se desgastará, potencialmente desalojando os carbonetos. Portanto, a excelente resistência ao desgaste dos carbonetos é apenas parcialmente utilizada. O Harbin Institute of Technology também realizou um extenso trabalho para melhorar o desempenho do ferro fundido branco com cromo 15Cr-3Mo de alto-cromo. Eles usaram sais e ligas de K, Na, Mg e Ca para realizar o tratamento de modificação de spray em ferro fundido 15Cr-3Mo, eliminando a distribuição original da rede de carbonetos e fazendo com que parecessem vermes ou irregulares, ao mesmo tempo que reduziam o tamanho dos carbonetos. Isso melhorou significativamente a tenacidade e a resistência ao desgaste do material. Estudos demonstraram que a taxa de desgaste do ferro fundido branco com alto teor de cromo 15Cr-3Mo tratado com diferentes elementos modificadores é menor do que a do material não tratado. Especificamente, a taxa média de desgaste do ferro fundido branco com alto teor de cromo 15Cr-3Mo modificado com potássio foi 63,2% menor que a do material não tratado, e a taxa de desgaste da solução ideal foi 74,4% menor que a do material não tratado.
② Cu-contendo liga de ferro fundido branco. Esta liga de ferro fundido branco, desenvolvida com sucesso pela Shandong Xinwen Tool Factory, é produzida adicionando 1,0% Cu e 0,9% de liga de ferrossilício de terras raras para modificação e inoculação antes da fundição, seguida por normalização de 950 graus e tratamento de têmpera de 600 graus, resultando em carbonetos dispersos, finos e uniformemente distribuídos. Testes de máquina mostraram que em um moinho de cimento de L1,83m × 6,4m, a resistência relativa ao desgaste do revestimento de ferro fundido branco de liga de terras raras Cu-contendo era 2,4 vezes maior que a do revestimento de aço com alto-manganês. (3) Aços de média e baixa liga
Embora os revestimentos de moinhos de bolas de aço com alto-manganês ou ferro fundido branco ligado com elementos de liga adicionados apresentem resistência ao desgaste significativamente melhorada em comparação com os revestimentos de aço com alto-manganês comuns, esses materiais são mais caros devido à inclusão de grandes quantidades de metais preciosos, como Cr, Ni e Mo, e são propensos a rachaduras e até mesmo fraturas durante a produção e o uso. Com base nessas razões, os metalúrgicos e trabalhadores de fundição chineses, considerando as condições específicas do meu país, começaram a pesquisar o uso de aços de média e baixa liga para revestimentos de moinhos de bolas e alcançaram resultados encorajadores.
① Cr, Mo, Cu, aço resistente ao desgaste-de médio{0}}carbono e baixa{1}}liga. O aço resistente ao desgaste-de liga de médio-baixo carbono-contendo Cr, Mo e Cu e tratado com elementos de terras raras, desenvolvido pela Universidade de Tecnologia de Shenyang, alcançou uma dureza superior a HRC50 e um valor de impacto de 25-60 J/cm² após têmpera ao ar a 950 graus e revenimento a 250 graus . Sua matriz é martensita temperada, e a microscopia eletrônica de varredura revelou uma estrutura de feixes de martensita em forma de ripa. Sob microscopia eletrônica de transmissão de alta-ampliação, a estrutura mostrou claramente uma mistura de martensita de deslocamento e uma pequena quantidade de martensita geminada, com filme fino descontínuo-como austenita retida distribuída entre as ripas de martensita. Esta forma e distribuição da austenita melhoraram a tenacidade ao impacto e a resistência relativa ao desgaste do aço. A resistência ao desgaste deste aço sob diferentes energias de impacto mostrou um contraste marcante com o aço com alto teor de manganês.
Com o aumento da energia de impacto, a resistência ao desgaste por impacto do aço com alto-manganês melhorou significativamente, enquanto a resistência ao desgaste do recém-desenvolvido aço Cr, Mo e Cu diminuiu. No entanto, sob todas as condições de energia de impacto selecionadas nos testes comparativos, a resistência ao desgaste do novo aço foi maior do que a do aço com alto teor de-manganês. Usado em um moinho de bolas de L1,83m × 3m na Mina de Ferro Qian'an, na província de Hebei, o revestimento feito desse material tinha uma vida útil de 10 a 12 meses, enquanto a vida útil dos revestimentos ZGMn13 era de apenas 3 a 5 meses.
② Aço de liga Cr-Mo-V-Ti médio-carbono multi{4}}elemento. O aço-liga multicomponente de médio-carbono-contendo Cr, Mo e vestígios de V, Ti e Nb, desenvolvido pelo Hefei Cement Research and Design Institute, obtém uma martensita revenida + uma pequena quantidade de matriz de bainita inferior com fases duras de carboneto dispersas após tratamento com terras raras (RE) e tratamento térmico específico. Testes mostram que esse tipo de revestimento tem alta dureza, boa resistência ao desgaste abrasivo e alta tenacidade ao impacto e à flexão, com uma vida útil mais de três vezes maior que a do aço comum com alto-manganês. Tem sido usado em moinhos na fábrica de cimento Huaihai (L4,2m×12m), na fábrica de cimento Kunming (L3,5m×11m) e na fábrica de cimento Sichuan Dukou (L2,2m×13m), com uma taxa média de desgaste de 3,16 g/t na primeira câmara e 1,53 g/t na segunda câmara; enquanto a taxa média de desgaste de revestimentos de aço com alto-manganês é de 13 g/t de cimento.
③ Aço de liga de alto-carbono médio-cromo. Outro revestimento de liga de aço com alto-carbono médio-cromo contendo 4,5%~5,5% Cr e 0,3%~0,7% Mo, e tratado com inoculação RE, também desenvolvido pelo Hefei Cement Research and Design Institute, foi aplicado com sucesso em moinhos de bolas de cimento.
④ Aço Cr-Ti médio-manganês. O aço médio-de manganês contendo 5,5%~8,0% Mn, 1,5%~2,0% Cr, 0,05%~0,1% Ti e tratado com 0,02%~0,05% RE, obteve uma estrutura de austenita única com grãos mais finos do que o aço comum com alto-manganês por meio de têmpera em água a 1100±30 graus. Os revestimentos feitos deste material obtiveram bons resultados em moinhos de bolas na mina de ferro Banshigou e na mina de cobre Tonghua da Tonghua Steel Plant. Sua resistência relativa ao desgaste é 1,64 vezes maior que a do aço com alto-manganês na moagem de minério de magnetita; e 1,48 vezes maior que o aço com alto-manganês na moagem de minério de cobre. A principal razão para a maior resistência ao desgaste deste material é seu melhor desempenho de endurecimento em moinhos de bolas em comparação com o aço comum com alto teor de manganês.
⑤ Aço Cr-Mo multi-de baixa{2}liga fase. O revestimento multifásico de aço de baixa{4}}liga-resistente ao desgaste estudado, contendo 3% Cr e 0,4% Mo, foi submetido a tratamento térmico de têmpera isotérmica para obtenção de uma microestrutura bainita + martensita + austenita retida. Este material possui alta tenacidade e alta dureza, resultando em excelente resistência ao impacto, fadiga, deformação e desgaste. Aplicações em campo mostraram que esse revestimento tem uma vida útil 1 a 2 vezes maior que a do aço comum com alto-manganês.
