ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МОЛОТКОВ ДРОБИЛКИ ЗА СЧЁТ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА И ТЕХНОЛОГИИ НАПЛАВКИ

Молотковые дробилки — один из самых распространенных типов измельчительного оборудования. Они применяются в горнорудной промышленности, производстве строительных материалов, сельском хозяйстве и переработке отходов. Агрегаты эффективно измельчают минеральное сырье, бетонный бой, шлаки и зерновые культуры [1].

Главный рабочий орган машины — ротор. На нем шарнирно закреплены молотки (била). В процессе вращения ротора молотки передают кинетическую энергию материалу. Происходит разрушение кусков за счет удара. Молотки — наиболее нагруженный узел дробилки. Это быстроизнашиваемые детали с малым ресурсом.

Проблема низкой стойкости молотков имеет критическое экономическое значение. Интенсивный износ рабочей кромки изменяет геометрию удара. Снижается производительность агрегата. Растет удельный расход электроэнергии на тонну готового продукта. Нарушается гранулометрический состав (качество) помола.

Главное последствие — необходимость частых остановок технологической линии. Замена комплекта молотков (от 30 до 100 штук и более) требует значительного времени и трудозатрат. Простои оборудования напрямую увеличивают себестоимость продукции. Покупка новых комплектов бил составляет существенную статью эксплуатационных расходов предприятия.

Цель работы — обосновать выбор материала и конкретной технологии восстановительной наплавки для увеличения рабочего ресурса молотков дробилки в 1,5–2 раза по сравнению с базовым вариантом.

Условия эксплуатации молотков характеризуются экстремальным ударно-абразивным воздействием. Линейная скорость била в момент удара достигает 40–70 м/с. Имеет место жёсткий динамический контакт металла и твердых частиц перерабатываемого материала.

Доминирующий механизм разрушения — абразивное истирание. Твердые минеральные частицы (кварц, гранит, шлак) действуют как микрорезцы. Они внедряются в поверхность металла. При движении частицы происходит срез микростружки или пластическое оттеснение материала с образованием царапин и борозд.

Второй механизм — усталостное выкрашивание. Многократные циклические удары вызывают наклеп поверхностного слоя. Исчерпание запаса пластичности приводит к зарождению и развитию микротрещин. Происходит отделение частиц металла с поверхности.

Третий фактор — макропластическая деформация. При попадании недробимого тела кромка молотка сминается или скалывается.

Совокупность этих процессов ведет к быстрой потере массы и изменению профиля молотка [4]. Критический износ наступает при потере 20–30% первоначальной массы. Эксплуатация таких бил недопустима из-за нарушения балансировки ротора и роста вибрационных нагрузок на подшипники.

В промышленности применяются различные подходы к повышению стойкости бил. Проведен сравнительный анализ наиболее распространенных методов (Таблица 1).

Таблица 1. 

Сравнительный анализ материалов для изготовления молотков

Данные таблицы показывают, что идеального универсального материала не существует. Сталь Гадфильда не работает при измельчении мягких материалов (нет наклепа). Хромистые чугуны хрупки. Биметаллы дороги.

Оптимальным решением является применение износостойкой наплавки на основу из конструкционной стали. Это позволяет сочетать вязкую сердцевину, стойкую к ударным нагрузкам, с твердым поверхностным слоем, сопротивляющимся истиранию.

Объектом исследования выбрана молотковая дробилка типа ДМ-22 (Рис.1.) [1]. Базовый материал молотков — рессорно-пружинная сталь 65Г, подвергнутая закалке и отпуску.

Рис.1.Молотковая дробилка ДМ-22

Предлагается технология упрочнения рабочей поверхности методом ручной дуговой наплавки. В качестве наплавочного материала выбраны электроды марки Т-590. Они относятся к типу Э-320Х25С2ГР по ГОСТ 10051-75 [3].

Выбор обусловлен химическим составом наплавленного металла. Это высокоуглеродистый сплав, легированный хромом (22–27%), кремнием (2–2,5%), марганцем (1–1,5%) и бором [2]. Микроструктура сплава представляет собой мартенситно-аустенитную матрицу с большим количеством первичных карбидов хрома (Cr,Fe)₇C₃. Карбиды обладают экстремально высокой микротвердостью и служат барьером для абразивных частиц.

Технологический процесс наплавки требует строгого соблюдения режимов [5]:

1. Подготовка. Зачистка наплавляемой поверхности до металлического блеска.

2. Прокалка электродов. Обязательная операция перед сваркой. Режим: 180–200 °C в течение 2 часов. Это исключает попадание влаги и образование пор в шве.

3. Режим сварки. Род тока — постоянный, полярность — обратная (плюс на электроде). Сила тока выбирается в диапазоне 200–220 А для электрода диаметром 4,0 мм. Сварка ведется короткой дугой.

4. Особенности наложения швов. Наплавка производится только в один слой. Толщина слоя не должна превышать 3–4 мм. Наложение второго слоя электродами Т-590 недопустимо из-за высокого риска отслоения и выкрашивания. Наплавляются только рабочие торцевые поверхности и прилегающие участки боковых граней на ширину 15–20 мм.

5. Термообработка. После наплавки рекомендуется медленное охлаждение деталей в песке или под слоем теплоизолирующего материала для снижения остаточных термических напряжений. Механическая обработка наплавленного слоя не производится из-за его высокой твердости.

Для теоретического обоснования эффективности решения используется критерий относительной износостойкости.

Базовая твердость молотка из стали 65Г после термообработки составляет HRCисх = 45–50. Твердость наплавленного слоя электродами Т-590 (без термообработки после сварки) составляет HRCнапл = 58–64 [2].

Простейшая оценка коэффициента повышения износостойкости по соотношению твердостей дает следующий результат:

Kтв =   ≈   ≈ 1,26.

Однако этот расчет не учитывает структурный фактор и природу абразивного износа. Прямая зависимость между твердостью по Роквеллу и износостойкостью наблюдается не всегда.

Более точный прогноз дает анализ соотношения твердости абразива (Hа) и твердости изнашиваемого металла (Hм). Согласно теории абразивного изнашивания, переход от режима интенсивного микрорезания к режиму поверхностного пластического деформирования (что резко снижает темп износа) происходит при условии  > 0,6–0,7. Или, иначе, твердость металла должна составлять не менее 60–70% от твердости абразива.

В случае дробления материала, содержащего кварцевый песок (один из самых распространенных абразивов). Микротвердость кварца составляет HVа ≈ 1100–1200 кгс/мм².

Переведем твердость материалов в единую шкалу Виккерса (HV) для корректного сравнения:

1. Твердость стали 65Г (48 HRC) соответствует примерно HV65Г ≈ 470 кгс/мм².

2. Твердость наплавки Т-590 (62 HRC) соответствует матрице HVматр ≈ 750 кгс/мм², а твердость карбидов хрома достигает Hvкарб ≈ 1500–1800 кгс/мм². Интегральная твердость слоя — около HVТ590 ≈ 850 кгс/мм².

Рассчитаем критерий для базового варианта (сталь 65Г):

K65Г =   =  ≈ 0,43.

Значение 0,43 существенно ниже критического порога 0,6. Это означает, что сталь 65Г находится в зоне интенсивного абразивного изнашивания. Частицы кварца легко прорезают металл.

Рассчитаем критерий для наплавленного варианта (Т-590):

KТ590 =  =    ≈ 0,77.

Значение 0,77 превышает критический порог 0,6–0,7. Наплавленный слой выходит из зоны интенсивного микрорезания. Карбиды хрома, имеющие твердость выше, чем у кварца (1500 > 1100), принимают на себя основную нагрузку и защищают матрицу.

Данный расчет теоретически подтверждает, что фактический ресурс вырастет значительно больше, чем просто на 26% (как следовало из соотношения HRC). Практический опыт [7] и данные независимых исследований [6, 8] показывают, что при переходе через этот порог твердости ресурс увеличивается в 1,5–3 раза.

Принимается консервативная оценка увеличения ресурса Kрес = 1,5–2,0.

Экономическая оценка также подтверждает целесообразность решения. Стоимость материалов (электродов) и трудозатрат на наплавку одного молотка ДМ-22 составляет 35–50% от стоимости новой детали. При двухкратном увеличении срока службы достигается прямая экономия средств на закупку запчастей.

Результаты проведенной работы по модернизации молотков дробилки ДМ-22 сведены в итоговую таблицу (Таблица 2).

Таблица 2. Сравнение параметров молотков до и после модернизации

На основании проведённого анализа и расчетов делаются следующие выводы:

1. Применение износостойкой наплавки электродами Т-590 является эффективным способом повышения долговечности молотков дробилок.

2. Предложенная технология обеспечивает повышение интегральной твердости рабочей поверхности до 58–64 HRC. Наличие в структуре карбидов хрома позволяет эффективно противостоять абразивному воздействию частиц с твердостью до 1100 HV (кварц).

3. Расчет критерия соотношения твердостей подтверждает переход детали из режима интенсивного микрорезания в режим повышенной износостойкости.

4. Ожидаемый экономический эффект достигается за счет увеличения межремонтного ресурса бил в 1,5–2 раза и соответствующего сокращения простоев технологического оборудования