автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка научных основ и технологии промышленного производства мелющих шаров из чугуна с высокой эксплуатационной стойкостью

ДО «СУКРЕМЛЬСКИИ ЧУГУНОЛИТЕЙНЫЙ ЗАВОД»

ЗХ) (I 32*,'".

■ -На правах рукописи

'.ту.

л.

•ПОДДУБНЫЙ.

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА МЕЛЮЩИХ ШАРОВ ИЗ ЧУГУНА С ВЫСОКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Акционерном обществе «Сукремльский чугунолитейный завод» и Государственном научном центре НПО ЦНИИТМАШ.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

- доктор технических наук, профессор Бех Н.И.;

- доктор технических наук, профессор Вертман A.A.;

- доктор технических наук, профессор Дибров И.А.;

Ведущее предприятие - ЦНИИЧЕРМет им.Бардина

Защита диссертации состоится « ¿?.0у> t> ¿+¿1 Уу 1998 годе : часов

на заседании диссертационного Совета Д 145.' 'М в Государств, ом ночном

ул.Шарикоподшипниковая, д.4, тел. 275-87-,'

С диссертацией можно ознакомиться - .уь* . i ,.„лой библиотеке

центре НПО ЦНИИТМАШ по

п

Москва,

ГНЦ НПО ЦНИИТМАШ

Диссертация в виде научного доклада разослана «¿3>ü_<

года

й

Ученый секретарь ~ -

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

И.В. Валисовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Перспективы экономического роста России неразрывно связаны с развитием отраслей промышленности, добывающих и перерабатывающих минеральные виды сырья и топлива.

Прежде, чем попасть в сферу промышленного производства, большая часть материалов (руда, стройматериалы, уголь и др.) подвергается тщательному измельчению в шаровых мельницах. До последнего времени в нашей стране в качестве мелющих тел использовали преимущественно шары из различных средне- и высокоуглеродистых марок стали, которые из-за относительно низкой твердости (около 40 НИС) и малого содержания в структуре карбидов обладают недостаточной износостойкостью. Быстрый износ стальных шаров приводит к вынужденным простоям мельничного оборудования, ухудшению качества подготовки сырья и значительным потерям металла. Так, расход стальных шаров при измельчении тонны железной руды может достигать одного килограмма, что при больших объемах переработки исчисляемых миллионами тонн в год составляет огромные потери металла. В зарубежной и отечественной практике наряду со стальными применяют литые шары из белого чугуна, которые благодаря высокой износостойкости пользуются спросом особенно там, где предъявляют высокие требования к чистоте продуктов измельчения по содержанию железа (цемент, минеральные удобрения и др.). Однако применяемые технологические процессы получения чугунных шаров литьем в разовые формы не в состоянии обеспечить потребности массового производства. Они недостаточно экономически эффективны и экологически безопасны. Кроме того, из-за относительно медленного теплоотвода в форме не удается получить структуру, позволяющую в полной мере реализовать высокий уровень эксплуатационных характеристик мелющих тел из чугунов. Поэтому создание новых технологических процессов, обеспечивающих организацию промышленного производства чугунных шаров для размола различных видов минерального сырья является важным этапом повышения качества и конкурентной способности ппплукции, производимой целым рядом отраслей промышленности России. ,;-лъ! работы: разработка научных основ и технологических процессов и ""^г>уаования для изготовления мелющих тел из чугунов с высокой эксплу-.щой стойкостью, организация их промышленного производства. Для яия поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

-о'"=-ч ' зоретический анализ и исследования основных механизмов износа ''''..ения мелющих тел в шаровых мельницах, создание на этой основе ^ ментальных методов испытаний готовой продукции, воспроизводящих

условия максимально приближенные к реальным, определение критериев оценки эксплуатационной стойкости шаров и контроля их качества в процессе серийного производства;

- закономерности формирования структуры и свойств различных типов чугунов при литье шаров в кокиль и получении непрерывнолитых заготовок;

- выявление принципиальных возможностей производства мелющих тел методами пластической деформации из белых износостойких и высокопрочных чугунов. Разработка новой комплексной технологии производства шаров и цильпебсов;

- влияние технологических факторов плавки, подготовки металлических расплавов к кристаллизации и температурных условий заливки на качество шаров, их механические и эксплуатационные свойства;

- определение режимов термической обработки, обеспечивающих оптимальное сочетание ударостойкости и износостойкости мелющих шаров, а также проведение пластической деформации непрерывнолитых заготовок из различных типов чугуна;

- анализ условий эксплуатации кокилей (возникающих температурных полей, термических напряжений и деформаций), выявление факторов определяющих стойкость литейной оснастки, и разработка оптимальных составов сплавов для ее изготовления.

Научная новизна работы состоит в решении научно-технической проблемы, заключающейся в установлении закономерностей формирования структуры и свойств мелющих тел из различных типов чугуна при изготовлении их литьем в металлические формы и методами пластической деформации, экологически чистого и высокоэффективного технологического процесса, а так же оборудования для автоматизированного серийного производства.

Основные научные результаты работы следующие:

- разработаны основы теории и технологии производства высококачественных мелющих тел различного диаметра из обычного, высокопрочного и легированных чугунов методом литья в кокиль;

- изучены особенности кристаллизации и структурообразования чугуна при литье в кокиль. На этой основе разработаны эффективные способы воздействия на эти процессы, обеспечивающие получение требуемой для мелющих шаров структуры и свойств чугуна;

- сформулирована новая концепция оценки качества мелющих шаров и разработаны методы определения возникающих в них при соударении в мельницах уровней динамических напряжений, учитывающих значения меха-

нических свойств, микроструктуры и макростроения;

- разработаны физико-химические основы и технология синтеза высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с повышенной пластичностью для последующего изготовления из него мелющих тел методом поперечно-винтовой прокатки;

- изучены особенности процесса модифицирования чугуна смесевыми модификаторами, содержащими элементы, обеспечивающие сферолитную кристаллизацию графита и оказывающих позитивное влияние на характер формирования границ зерен металлической матрицы чугуна;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена взаимосвязь между структурным состоянием чугуна и его термостойкостью;

- установлены закономерности и характер распределения легирующих элементов и примесей между различными структурными составляющими белых и высокопрочных чугунов, определяющие морфологические особенности роста основных фаз и включений в условиях ускоренного охлаждения;

- выполнены экспериментально - теоретические исследования по пластической деформации непрерывно-литых заготовок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом;

- исследованы развивающиеся в кокилях при их эксплуатации уровни термических напряжений и деформации, а так же их влияние на стойкость кокилей;

- на основе опытно-экспериментальных работ и расчетных методов разработаны оптимальные литниковые системы и условия заливки чугуна в кокиль, обеспечивающие высокое качество шаров;

- разработаны новые классы чугуна, технологические процессы, оборудование и оснастка для получения шаров из чугуна литьем в кокиль и методами пластической деформации, методы и оборудование для испытания качества шаров в процессе серийного производства, защищенные шестью патентами РФ.

Практическая значимость и реализация результатов в промышленности

- разработаны и внедрены новые составы белого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и принципиально новые способы получения из них мелющих шаров с высокой эксплуатационной стойкостью, которые позволяют при размоле различных материалов снижать стоимость продукции и повышать ее конкурентоспособность;

- разработаны и внедрены в производство на АООТ "Сукремльский чугунолитейный завод" технологические процессы, оборудование и оснастка серийного автоматизированного производства в больших объемах мелющих шаров из белого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом литьем в кокиль на автоматизированных кокильных линиях и линиях непрерывной

разливки и прокатки;

- разработаны и реализованы методы оперативного управления формированием заданных параметров свойств и структуры шаров из чугуна в процессе их серийного производства;

- разработаны критерии оценки эксплуатационной стойкости шаров в шаровых мельницах, методы и оборудование для оперативного контроля их качества в процессе серийного производства;

- разработаны и внедрены в практику производства кокилей феррит-ные чугуны с вермикулярной формой графита, существенно превосходящие по термостойкости аналогичные чугуны с пластинчатой формой графита. Кокили, отлитые из этого чугуна, по эксплуатационной стойкости в два раза превосходят кокили из серого чугуна;

- на АООТ "Сукремльский чугунолитейный завод" за последние годы изготовлено по новой технологии и поставлено на ГОКи РФ, СНГ и зарубежных стран более 100 тыс.т мелющих шаров из чугуна, которые успешно используются вместо стальных в шаровых мельницах при размоле руд, обеспечивая при этом повышение технико - экономических показателей их работы на 10-12%.

В настоящее время ведутся активные работы по широкому применению шаров и цильпебсов из чугуна в промышленности стройматериалов, главным образом, при производстве высококачественных марок цемента, в теплоэнергетике при размоле угля на тепловых электростанциях, на горно - химических комбинатах при размоле удобрений и других материалов.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на II Всероссийском съезде литейщиков (г.Ульяновск, май 1995г.), на III Всероссийском съезде литейщиков (г.Владимир, май 1997г.), Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (г.Москва, МГАТУ им. К. Э. Циолковского, ноябрь 1995г.), международной научно-технической конференции "Новые технологии и маркетинг в литейном производстве" (г.Киев, октябрь 1995 г.), международной научно-технической конференции "Износостойкость машин" (г.Брянск, май 1994г.), российской научно-технической конференции "Управление процессом формирования структуры и свойств литейных сплавов в отливках" (г.С-Петер-бург, март 1996г.), международной научно-технической конференции "Проблемы повышения качества машин" (г.Брянск, сентябрь 1996г.), межвузовской научно-технической конференции "Материаловедческие проблемы в машиностроении" (г.Брянск, март 1997г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Брянского государственного технического университета в 1993-97г. г., технических советах

НПО "ЦНИИТМаш", АООТ "Сукремльский чугунолитейный завод".

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 39 печатных работ, получено 6 патентов РФ на изобретения.

Личный вклад автора. В представленной работе обобщены результаты теоретических, экспериментальных, расчетных и опытно-конструкторских работ, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками АО "Сукремльский чугунолитейный завод", НПО ЦНИИТМаш, ВНИИМЕТ-МАШ, ИМЕТ, БГТУ в качестве научного руководителя и исполнителя НИОКР.

При этом автору принадлежат: постановка проблемы в целом и задач НИР и ОКР; разработка основных методик проведения НИР и ОКР; непосредственное участие в выполнении, интерпритации и обработке результатов исследований и ОКР; написание статей; участие в подготовке и подаче заявок на изобретение; решение основных задач по выбору вариантов технологии получения мелющих шаров из чугуна и организации их серийного производства на АООТ "Сукремльский чугунолитейный завод", а также при широком их промышленном внедрении на ГОКах при размоле руды в шаровых мельницах.

На защиту выносятся следующие вопросы:

а) разработанные составы чугуна, комплексные теоретические процессы и оборудование для получения мелющих шаров из различных типов чугуна литьем в кокиль и методом пластической деформации, новые методы оценки их качества в процессе серийного производства;

б) результаты экспериментально - теоретических исследований:

- установленные закономерности формирования микроструктуры, макростроения и свойств мелющих шаров из белого чугуна и чугуна с шаровидным графитом при литье их в кокиль и непрерывном литье прутков;

- найденные математические зависимости значений 21-го параметра свойств, микроструктуры и макростроения получаемых литьем в кокиль шаров из белого чугуна от химического состава и скорости охлаждения и разработанные на их основе компьютерные и графические методы определения оптимальных их значений, обеспечивающих заранее заданные значения свойств шаров;

- разработанные физико-химические основы и технологические методы производства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с повышенной пластичностью на основе использования смесевых модификаторов;

- найденные параметры проведения пластической деформации высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и белого чугуна;

- результаты опытно-промышленных работ по изготовлению мелющих шаров из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и белого чугуна

методом поперечно-винтовой прокатки получаемых непрерывным литьем прутков;

- разработанные оптимальные режимы термической обработки получаемых литьем и прокаткой шаров и непрерывным литьем прутков, обеспечивающие заданные их микроструктуру и свойства;

- разработанные методы определения и установленные на их основе величины термических напряжений и деформации кокилей в процессе их эксплуатации и разработанные на этой базе составы термостойких чугу-нов, обеспечивающие высокую их стойкость;

- разработанные оптимальные типы литниково-питающих систем для литья шаров в кокиль, обеспечивающие высокое их качество;

- разработанные методы и оборудование для испытания шаров на эксплуатационную стойкость в процессе их серийного производства с учетом их микроструктуры, макростроения и свойств и условий работы в шаровых мельницах;

- новизна работы защищена 6-ю патентами РФ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ В ПРОЦЕССЕ ИХ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

Определение критериев эксплуатационной стойкости мелющих шаров.

Исследовали работу шаров в большегрузных высокопроизводительных шаровых мельницах, которые являются основным размольным оборудованием горнообогатительных комбинатов, тепловых электростанций, цементных заводов и других промышленных предприятий. Измельчение в них происходит за счет вращения барабана, в котором находится материал и мелющие шары, подвергающиеся в процессе работы ударным нагрузкам и абразивному износу. Чем больше диаметр барабана мельницы, скорость его вращения, вес шара и куска материала, тем интенсивнее происходят эти процессы. Современные большегрузные шаровые мельницы имеют диаметр барабана до 6м, скорость вращения около 17об/мин. Общая загрузка в них шаров диаметром 30 - 100мм составляет около 220т, размеры исходных кусков материала - до 50мм, частиц окончательного размола - менее 50мкм. Исследования показали, что при размоле в таких мельницах твердой железной руды износ по объему мелющих шаров с твердостью до 45 НЕС составляет за 3 суток около 10%, при этом они сохраняют правильную шаровидную форму и не раскалываются, что обеспечивает нормальную работу мельницы. За 7 суток работы шары изнашиваются до 30%, часть из них теряет шаровидную

форму и раскалывается, а за 30 суток изнашиваются полностью. Поэтому для поддержания нормальной работы мельниц в них часто догружают шары. Шары в мельницах изнашиваются в основном вследствие абразивного истирания. Наиболее полно этот процесс характеризуется испытанием металлов на износостойкость по закрепленному абразиву, которое принято в мировой практике в качестве критерия их абразивной износостойкости. Характеристикой абразивной износостойкости металлов служит их твердость. Поэтому в качестве критерия оценки износостойкости шаров в мельницах приняли их твердость ШС. Критерием ударостойкости шаров в мельницах является количество выдерживаемых ими до разрушения ударов. Шар за сутки в мель