Cosa sono i getti ad alto contenuto di cromo e come massimizzarne la durata?

Cos'è la ghisa ad alto contenuto di cromo e perché resiste all'usura?

Ghisa ad alto contenuto di cromo è una lega ferrosa contenente dall'11 al 30% di cromo e dal 2,0 al 3,5% di carbonio, con il cromo e il carbonio che si combinano durante la solidificazione per formare carburi di cromo del tipo M7C3. Questi carburi hanno una durezza Vickers compresa tra 1.400 e 1.800 HV, il che li rende tra le fasi più dure presenti in qualsiasi materiale tecnico, ad eccezione della ceramica per utensili. La matrice metallica circostante, tipicamente martensitica dopo adeguato trattamento termico, fornisce tenacità che previene la frattura fragile che distruggerebbe un materiale ceramico nelle stesse condizioni di impatto.

La durezza apparente di una fusione di ghisa bianca ad alto contenuto di cromo trattata termicamente è tipicamente compresa tra 58 e 66 HRC (scala Rockwell C), rispetto a 35-45 HRC per l'acciaio per utensili trattato termicamente e 180-220 HB per la ghisa grigia standard utilizzata nelle fusioni di ingegneria generale. Questo vantaggio sostanziale in termini di durezza si traduce direttamente in resistenza all'usura abrasiva: nel test di abrasione del numero di Miller e nel test sulle ruote in gomma con sabbia secca ASTM G65, i ferri bianchi ad alto contenuto di cromo mostrano costantemente una perdita di volume da 3 a 10 volte inferiore rispetto alla ghisa grigia standard e una perdita di volume da 2 a 5 volte inferiore rispetto all'acciaio temprato nelle stesse condizioni di test.

Il ruolo del contenuto di cromo nelle prestazioni di usura

Il contenuto di cromo della lega determina il tipo, la frazione volumetrica e la distribuzione dei carburi che si formano durante la solidificazione, oltre a determinare la resistenza alla corrosione della matrice metallica. Nelle leghe con una percentuale di cromo compresa tra l'11 e il 14%, la frazione volumetrica di carburo è relativamente bassa (dal 15 al 20%) e la matrice è più suscettibile alla corrosione in ambienti con fanghi acidi. Quando il contenuto di cromo aumenta verso il 25-30%, la frazione volumetrica di carburo aumenta al 25-35% e il contenuto di cromo della matrice aumenta fino a un livello che fornisce una significativa resistenza alla corrosione in ambienti moderatamente aggressivi.

I gradi di cromo dal 25 al 28%, spesso designati come Cr26 o conformi alla specifica ASTM A532 Classe III Tipo A, sono i più utilizzati per servizi combinati severi di abrasione e corrosione nelle applicazioni con liquami minerari, mentre i gradi di cromo dal 15 al 18% (Cr15, ASTM A532 Classe II Tipo E) offrono un buon equilibrio tra durezza, tenacità e costi per il servizio di abrasione a secco in frantoi e mulini. La selezione del grado di cromo appropriato per l'applicazione specifica è la prima decisione ingegneristica nella specifica getti ad alto contenuto di cromo e ha un effetto maggiore sulla durata di servizio rispetto a qualsiasi successivo trattamento termico o parametro operativo.

Aggiunte di leghe che modificano le prestazioni

Oltre al cromo e al carbonio, le composizioni di ghisa ad alto contenuto di cromo vengono modificate da diversi elementi di lega aggiuntivi che affinano la microstruttura, migliorano la temprabilità o migliorano proprietà specifiche:

• Molibdeno (dallo 0,5 al 3,0%): Migliora la temprabilità, garantendo che la trasformazione martensitica sia completa in tutte le sezioni spesse durante il trattamento termico con raffreddamento ad aria o olio. Senza molibdeno, i getti a sezione trasversale spessa possono trattenere l'austenite nel nucleo, riducendo la durezza nelle regioni che subiscono l'usura più profonda nel tempo man mano che la superficie si consuma. Il molibdeno è un'aggiunta standard nelle fusioni per applicazioni che richiedono una durezza costante in tutte le sezioni superiori a 50 millimetri.
• Manganese (dallo 0,5 all'1,5%): Aumenta la stabilità dell'austenite, che può essere utile per controllare il livello di austenite trattenuto nella condizione grezza prima del trattamento termico, ma un eccesso di manganese destabilizza la formazione di martensite durante il trattamento termico e deve essere mantenuto entro l'intervallo specificato per il grado target.
• Nichel (dallo 0,5 all'1,5%): Utilizzato in combinazione con molibdeno per migliorare la temprabilità nelle qualità in cui il solo molibdeno non è sufficiente per sezioni molto spesse o dove il costo del molibdeno viene controllato. Il nichel ha un effetto minore sulla temprabilità per unità aggiunta rispetto al molibdeno, ma è meno costoso, rendendo la combinazione economicamente ottimale per molte leghe da colata commerciali.
• Rame (dallo 0,5 all'1,2%): Promuove la soppressione della perlite e migliora la durezza della matrice in alcuni gradi di cromo inferiori. Le aggiunte di rame sono più comuni nelle leghe Cr15 dove la temprabilità del solo cromo può essere al limite per la tempra in aria di spessori di sezione medi.

Vantaggi della ghisa ad alto contenuto di cromo rispetto alle fusioni standard

I vantaggi prestazionali della ghisa ad alto contenuto di cromo rispetto ai getti standard di ghisa grigia, ghisa duttile e acciaio al carbonio utilizzati in applicazioni di ingegneria generale sono dimostrati più chiaramente confrontando i dati specifici sul tasso di usura provenienti da prove di servizio e test di laboratorio standardizzati nelle stesse condizioni applicative. Il seguente confronto affronta le principali categorie di vantaggi che guidano la specifica dei getti ad alto contenuto di cromo nelle applicazioni industriali antiusura.

Confronto della durata dell'usura abrasiva

Nel servizio di abrasione ad alta sollecitazione con particelle abrasive dure e grossolane (granito, quarzite, minerale di ferro e abrasivi simili di rocce dure con durezza Mohs superiore a 6), i getti di ghisa bianca ad alto contenuto di cromo raggiungono normalmente da 3 a 8 volte la durata di servizio di componenti equivalenti realizzati in ghisa grigia standard. Rispetto all'acciaio al carbonio medio temprato (da 350 a 400 HB), il vantaggio è tipicamente da 2 a 4 volte, a seconda della durezza delle particelle abrasive e delle condizioni di stress. Nell'abrasione a bassa sollecitazione con particelle abrasive fini e morbide, il vantaggio in termini di resistenza all'usura è più modesto, nell'intervallo da 1,5 a 2,5 volte, poiché le particelle più fini sono meno efficaci nel penetrare la superficie del carburo duro e il vantaggio della microstruttura del carburo rispetto a una matrice di martensite dura è minore.

In una prova di servizio pubblicata in un'applicazione di frantumazione del calcare, i martelli in ferro ad alto contenuto di cromo Cr26 in un frantoio a urto ad albero orizzontale hanno ottenuto 850 tonnellate metriche di calcare per chilogrammo di usura dei martelli, rispetto a 210 tonnellate metriche per chilogrammo per i martelli in acciaio temprato di geometria equivalente nello stesso frantoio che lavora la stessa alimentazione. Ciò rappresenta un vantaggio di 4 volte sulla resistenza all'usura che, tenendo conto del costo unitario più elevato dei getti ad alto contenuto di cromo, ha prodotto una riduzione del 60% del costo per tonnellata di prodotto frantumato solo dal budget relativo all'usura dei martelli.

Resistenza combinata all'abrasione e alla corrosione

Nelle applicazioni di lavorazione a umido in cui il liquame abrasivo entra in contatto con la superficie soggetta a usura, l'effetto sinergico dell'abrasione e della corrosione simultanee accelera l'usura a una velocità maggiore della somma dei due meccanismi che agiscono indipendentemente. Lo strato passivo di ossido di cromo che si forma sulla superficie della ghisa ad alto contenuto di cromo (in particolare i gradi Cr26 con un contenuto di cromo nella matrice superiore al 13%) fornisce una protezione significativa dalla corrosione che ritarda questa accelerazione sinergica, rendendo il vantaggio combinato della durata di esercizio della corrosione-abrasione del ferro ad alto contenuto di cromo rispetto all'acciaio al carbonio non protetto significativamente maggiore del vantaggio della sola abrasione a secco.

Nelle applicazioni con liquami minerali acidi con valori di pH compresi tra 4 e 6, dove la corrosione è un meccanismo di usura significativo, le giranti e i rivestimenti delle pompe in ferro ad alto contenuto di cromo Cr26 hanno dimostrato una durata di servizio da 5 a 10 volte superiore rispetto agli equivalenti in acciaio al carbonio, rispetto al vantaggio da 2 a 4 volte osservato nelle applicazioni di abrasione a secco con durezza delle particelle e condizioni di impatto simili.

Tabella comparativa dell'usura: gradi dei materiali nel servizio abrasivo

Frantoio ad alto contenuto di cromo : Applicazioni del frantoio a urto

I frantoi a urto, compresi i dispositivi di simulazione ad albero orizzontale (HSI) e quelli ad albero verticale (VSI), sottopongono i loro componenti soggetti a usura a una combinazione particolarmente impegnativa di impatto ad alta velocità e scorrimento abrasivo. I principali componenti soggetti ad usura nei frantoi ad urto ad albero orizzontale sono i martelli, i rivestimenti del grembiule (chiamati anche piastre di impatto o piastre demolitrici) e i rivestimenti laterali. Negli impattatori ad albero verticale, i principali componenti soggetti a usura sono i pattini del rotore, le incudini e i rivestimenti del tubo di alimentazione. La ghisa ad alto contenuto di cromo è la specifica del materiale standard per tutti questi componenti nelle applicazioni di frantumazione di rocce medie e dure.

Martelli per frantoi ad urto ad albero orizzontale

Il martello è l'elemento di frantumazione principale in un dispositivo di simulazione ad albero orizzontale, ruota con il rotore a velocità massime comprese tra 25 e 45 metri al secondo e colpisce ripetutamente la roccia di alimentazione ad alta velocità. Il martello deve resistere sia all'impatto ad alta energia dell'impatto iniziale della roccia sia al successivo scorrimento abrasivo dei frammenti di roccia frantumata lungo la superficie di lavoro della barra mentre il materiale viene accelerato attraverso la camera di frantumazione. Questa combinazione di impatto e abrasione richiede un materiale che offra sia un'adeguata tenacità per sopravvivere ai carichi d'impatto senza fratture fragili, sia un'elevata durezza per resistere all'usura abrasiva da scorrimento.

Il materiale ottimale dei martelli per calcare, arenaria e materiali simili di media durezza è tipicamente ferro ad alto contenuto di cromo Cr26 o Cr20 con una durezza trattata termicamente da 60 a 65 HRC, che fornisce la migliore combinazione di durata all'usura e resistenza alla frattura in questo servizio. Per materiali di alimentazione più duri e abrasivi come granito, quarzite e minerale di ferro, il contenuto di cromo può essere aumentato dal 28 al 30% e viene utilizzato ulteriore molibdeno (dall'1,5 al 2,5%) per garantire la completa trasformazione della martensite in tutta la sezione del martello con spessore tipicamente compreso tra 80 e 150 millimetri.

Per materiali di alimentazione altamente abrasivi con un contenuto di silice superiore al 60% (come quarzite e sabbia silicea), vengono utilizzati martelli compositi con un inserto di ferro ad alto contenuto di cromo colato in un corpo di supporto in ghisa duttile o acciaio per combinare la resistenza all'usura del ferro ad alto contenuto di cromo sulla faccia di lavoro con la tenacità della ghisa duttile o dell'acciaio nei punti di attacco, dove la frattura fragile di una sezione di ferro completamente ad alto contenuto di cromo potrebbe causare una perdita catastrofica della barra.

Fodere per grembiule e fodere laterali

I rivestimenti del grembiule in un dispositivo di simulazione ad albero orizzontale formano le superfici di impatto secondarie che la roccia colpisce dopo essere stata lanciata dal rotore. Questi rivestimenti subiscono impatti a velocità inferiore rispetto ai martelli, ma richiedono comunque un'elevata durezza per resistere all'usura abrasiva derivante dallo scivolamento della roccia lungo le loro superfici tra gli impatti. I rivestimenti in ferro ad alto contenuto di cromo di grado Cr15 o Cr20 sono standard per applicazioni su calcare e rocce medio-dure; per la roccia più dura è possibile selezionare la qualità Cr26. I rivestimenti laterali, che contengono materiale all'interno della camera di frantumazione e guidano il prodotto frantumato verso l'apertura di scarico, sono soggetti principalmente a usura da scorrimento abrasivo con minore impatto e la qualità Cr15 è adeguata per la maggior parte delle applicazioni dei rivestimenti laterali, indipendentemente dalla durezza della roccia.

Componenti del rotore VSI

Gli impattatori ad albero verticale funzionano accelerando il materiale di alimentazione attraverso un rotore a velocità comprese tra 45 e 75 metri al secondo prima che colpisca un anello circostante di incudini o una piattaforma rocciosa. I pattini del rotore (i componenti che accelerano il materiale attraverso il rotore) e le incudini (i bersagli di impatto fissi) subiscono impatti combinati e abrasioni estremamente aggressivi. Le ganasce del rotore VSI nelle applicazioni su roccia dura sono generalmente di grado Cr26 o Cr28 con una durezza compresa tra 63 e 66 HRC e vengono sostituite a intervalli compresi tra 100 e 400 ore a seconda della durezza della roccia e dell'indice di abrasività. L'elevata frequenza di sostituzione delle parti soggette ad usura VSI rende gli aspetti economici della selezione dei materiali estremamente sensibili al costo unitario per ora di servizio, e il rapporto qualità-prezzo dei diversi gradi di ferro ad alto contenuto di cromo e dei materiali della concorrenza viene valutato sul costo per tonnellata di prodotto lavorato piuttosto che sul solo prezzo unitario.

Mulino di macinazione verticale Getti ad alto contenuto di cromo

I mulini a macinazione verticale (chiamati anche mulini a rulli verticali o VRM) macinano materie prime, clinker, scorie e carbone pressando e facendo rotolare il materiale di alimentazione tra rulli di macinazione rotanti e una tavola di macinazione fissa o rotante. Le pressioni di contatto tra rullo e tavola superano i 200 megapascal nei moderni design VRM ad alta efficienza e la combinazione di stress normale elevato, scorrimento abrasivo nella zona di contatto tra rullo e tavola e effetti termici della rettifica ad alta velocità genera tra le condizioni di usura più severe incontrate da qualsiasi fusione industriale.

Pneumatici per rulli di macinazione e segmenti della tavola

Il pneumatico del rullo di macinazione (il guscio esterno sostituibile del rullo di macinazione) e i segmenti del tavolo di macinazione (i segmenti di rivestimento resistenti all'usura imbullonati al tavolo di macinazione) sono i principali componenti soggetti ad usura in un mulino di macinazione verticale. Entrambi i componenti sono generalmente fusi in ferro ad alto contenuto di cromo, con il grado specifico selezionato in base al materiale da macinare e ai parametri operativi specifici del design VRM.

Per la macinazione di materie prime di cemento e clinker, dove l'alimentazione di durezza moderata (Mohs da 3 a 5) viene lavorata a velocità di produzione elevate, il ferro ad alto contenuto di cromo di grado da Cr15 a Cr20 è standard sia per i pneumatici dei rulli che per i segmenti della tavola, garantendo durate di servizio da 8.000 a 15.000 ore di funzionamento prima che sia necessaria la sostituzione. Per la macinazione delle scorie, dove le scorie granulate d'altoforno sono significativamente più dure e più abrasive del clinker di cemento (durezza Mohs da 6 a 7 per alcuni tipi di scorie), è preferibile la qualità Cr26 e durate di servizio da 6.000 a 10.000 ore sono tipiche a seconda delle caratteristiche della scoria.

La dimensione dei pneumatici dei rulli VRM e dei segmenti della tavola crea notevoli sfide di colata perché le sezioni di spessore compreso tra 100 e 250 millimetri devono raggiungere una durezza uniforme per prevenire l'usura accelerata che si verifica quando un nucleo più morbido viene esposto mentre lo strato superficiale duro iniziale si consuma. Ciò richiede un'attenta progettazione della lega con un'adeguata temprabilità (ottenuta attraverso aggiunte di molibdeno e nichel come descritto sopra) e procedure di trattamento termico controllate che raggiungano la velocità di raffreddamento richiesta attraverso l'intero spessore della sezione.

Elementi di macinazione del mulino a carbone

I polverizzatori di carbone utilizzati negli impianti di produzione di energia macinano il carbone in una polvere fine prima dell'iniezione nei forni delle caldaie. Gli elementi di macinazione (rivestimenti della vasca, gusci dei rulli e segmenti della tavola) nei polverizzatori di carbone operano in un ambiente di abrasione simultanea da inclusioni di carbone e minerali, cicli termici derivanti dall'aria calda utilizzata per essiccare il carbone durante la macinazione e potenziale rischio di accensione esplosiva derivante dall'accumulo di polvere di carbone. La ghisa ad alto contenuto di cromo è il materiale di macinazione standard per tutti i principali modelli di mulini a tazze e mulini a rulli utilizzati nella produzione di energia, con il grado Cr15 più comune e il grado Cr26 utilizzato per carboni altamente abrasivi con elevato contenuto di sostanze minerali (contenuto di ceneri superiore al 20%).

Riepilogo dell'applicazione VRM per materiale macinato

Come migliorare la resistenza all'usura dei getti ad alto contenuto di cromo

La resistenza all'usura nei getti ad alto contenuto di cromo non è una proprietà fissa determinata solo dalla chimica. È il risultato dell'intero processo produttivo, dalla progettazione della lega alla fusione, solidificazione e trattamento termico, e può essere sostanzialmente migliorato attraverso interventi mirati in ogni fase. Comprendere quali variabili hanno il maggiore effetto sulle prestazioni di usura consente alle fonderie e agli utenti finali di apportare miglioramenti ben mirati piuttosto che applicare miglioramenti generali della qualità che potrebbero non affrontare il fattore limitante specifico nella loro applicazione.

Trattamento termico: la variabile più influente

Il trattamento termico dei getti di ghisa bianca ad alto contenuto di cromo è la singola fase di produzione con il maggiore effetto sulla resistenza all'usura finale del getto. Lo scopo del trattamento termico è trasformare la matrice metallica dalla sua condizione come colata (una miscela di austenite, carburi e spesso un po' di perlite o martensite a seconda della lega e della velocità di raffreddamento) ad una condizione completamente martensitica che fornisce sia la massima durezza che la tenacità necessarie per resistere alla frattura sotto carico d'urto.

Il ciclo standard di trattamento termico del ferro bianco ad alto contenuto di cromo è costituito da due fasi:

1. Trattamento di destabilizzazione (austenitizzazione): La fusione viene riscaldata a una temperatura compresa tra 950 e 1.060 gradi Celsius (la temperatura precisa dipende dal tipo di lega e dall'obiettivo di dissoluzione del carburo) e mantenuta a questa temperatura per un periodo da 2 a 6 ore a seconda dello spessore della sezione. Durante questa permanenza, i carburi secondari precipitati durante la solidificazione vengono parzialmente disciolti nella matrice austenitica, arricchendo la matrice in cromo e carbonio e garantendo una condizione di partenza uniforme per la successiva fase di indurimento. La temperatura di destabilizzazione deve essere controllata con precisione entro più o meno 10 gradi Celsius per evitare una dissoluzione insufficiente dei carburi secondari (che lascia la matrice troppo magra per la completa temprabilità) o una dissoluzione eccessiva dei carburi primari (che rende grossolana la struttura del carburo e riduce la resistenza all'usura).
2. Tempra con aria o olio: Dopo la sosta di destabilizzazione, il getto viene trasferito rapidamente nel mezzo di raffreddamento. Il raffreddamento ad aria (raffreddamento ad aria forzata) è sufficiente per la maggior parte delle leghe con adeguate aggiunte di temprabilità (molibdeno superiore all'1,5% per sezioni fino a 100 millimetri); il raffreddamento in olio viene utilizzato per leghe con minore temprabilità o per sezioni molto spesse dove il raffreddamento dell'aria è troppo lento per sopprimere la formazione di perlite. L'obiettivo è quello di raffreddare attraverso la temperatura del naso della perlite (circa 550-650 gradi Celsius) abbastanza rapidamente da sopprimere la trasformazione perlitica e ottenere una matrice completamente martensitica, mentre si raffredda abbastanza lentamente alla temperatura di finitura della martensite (sotto i 200 gradi Celsius) per evitare crepe dovute allo stress termico.

Dopo il trattamento di tempra, viene applicato un rinvenimento di distensione a 200-260 gradi Celsius per 2-4 ore per ridurre le tensioni interne sviluppate durante il raffreddamento rapido, migliorando la resistenza alla frattura senza ridurre significativamente la durezza della matrice.

Raffinazione della microstruttura durante la solidificazione

La dimensione e la distribuzione del carburo ottenute durante la solidificazione stabiliscono il limite superiore della resistenza all'usura che nemmeno un trattamento termico perfetto può superare. I carburi grossolani e scarsamente distribuiti forniscono una barriera meno efficace all'usura abrasiva rispetto ai carburi fini e distribuiti uniformemente della stessa frazione di volume totale, poiché i carburi grossolani consentono alle particelle abrasive più grandi di trovare materiale di matrice tra i carburi da tagliare, mentre i carburi fini presentano una superficie dura effettivamente uniforme all'abrasivo.

L'affinamento del carburo può essere ottenuto attraverso:

• Temperatura di colata controllata: Il versamento alla temperatura più bassa accettabile per il riempimento completo dello stampo (tipicamente da 1.350 a 1.420 gradi Celsius per ferro ad alto contenuto di cromo) aumenta il sottoraffreddamento durante la solidificazione, che favorisce una nucleazione più fine del carburo e una dimensione finale del carburo più fine. Una temperatura di colata eccessiva rende grossolana la microstruttura di solidificazione e produce carburi primari più grandi.
• Inoculazione: Piccole aggiunte di titanio (dallo 0,05 allo 0,1%), vanadio (dallo 0,1 allo 0,3%) o altri elementi che formano carburo forniscono ulteriori siti di nucleazione per la formazione del carburo durante la solidificazione, producendo una distribuzione del carburo più fine e uniforme. Il miglioramento nella resistenza all'usura derivante dal solo inoculo (senza altri cambiamenti) è stato quantificato dal 10 al 20% nei test di usura di laboratorio confrontando i materiali inoculati e non inoculati della stessa composizione nominale.
• Velocità di solidificazione controllata: Una solidificazione più rapida produce carburi più fini. Per le fusioni di piccole e medie dimensioni, l'utilizzo di raffreddatori di metallo nelle posizioni della superficie di lavoro nello stampo aumenta la velocità di raffreddamento su tali superfici, producendo carburi più fini nelle aree soggette a maggiore usura in servizio.

Gestione dell'austenite mantenuta

Dopo il trattamento termico standard, la maggior parte dei getti di ghisa bianca ad alto contenuto di cromo contengono dal 5 al 20% di austenite trattenuta nella matrice, a seconda della composizione della lega e dei parametri del trattamento termico. L'austenite trattenuta è una fase più morbida (da 300 a 400 HV circa) rispetto alla martensite (da 800 a 1.000 HV) e livelli elevati di austenite trattenuta riducono la durezza della matrice e la resistenza all'usura abrasiva del getto. Nelle applicazioni in cui è richiesta la massima resistenza all'usura abrasiva e il carico d'urto è modesto, il contenuto di austenite trattenuto dovrebbe essere ridotto al minimo al di sotto del 10% attraverso uno dei seguenti approcci: trattamento criogenico a temperature comprese tra meno 70 e meno 196 gradi Celsius dopo il normale trattamento termico, sottoraffreddamento a temperature inferiori alla temperatura di finitura della martensite o aggiustamento della composizione per abbassare la temperatura iniziale della martensite.

Nelle applicazioni con carico d'impatto significativo, un certo livello di austenite trattenuta (dal 10 al 20%) è vantaggioso perché fornisce tenacità di arresto delle cricche che impedisce alle microfessure innescate dall'impatto di propagarsi attraverso il getto. Il livello ottimale di austenite trattenuta è quindi specifico dell’applicazione e rappresenta un compromesso tra resistenza all’usura e tenacità che deve essere risolto in base alla modalità di rottura dominante nello specifico ambiente di servizio.

Come mantenere i getti ad alto contenuto di cromo per una lunga durata

La manutenzione di getti ad alto contenuto di cromo nelle applicazioni di frantoi e mulini di macinazione comprende sia le pratiche operative che preservano l'integrità delle parti soggette ad usura installate, sia le pratiche di monitoraggio e pianificazione della sostituzione che massimizzano la vita utile totale di ciascuna parte senza incorrere in perdite di produzione e danni meccanici che si verificano quando le parti vengono usurate oltre il limite di utilizzo prima della sostituzione. Il seguente quadro di manutenzione affronta entrambe le dimensioni.

Pratiche operative che preservano l'integrità del casting

Il modo in cui viene utilizzato un frantoio o un mulino di macinazione ha un effetto diretto sul tasso di usura e sull'incidenza delle fratture dei getti ad alto contenuto di cromo, e la disciplina operativa relativa alle seguenti pratiche produce miglioramenti misurabili nella durata di servizio dei getti:

• Controllare il metallo indesiderato e il materiale non frantumabile nell'alimentazione: La barra di rinforzo in acciaio, i denti dell'escavatore e altri metalli estranei nell'alimentazione del frantoio creano eventi di impatto estremi che possono fratturare martelli in ferro ad alto contenuto di cromo, rivestimenti del grembiule e pattini VSI anche se il normale livello di impatto operativo rientra nell'intervallo di tenacità del materiale. Installare e mantenere un efficace sistema di rilevamento dei metalli estranei (tipicamente rilevatori di metalli e sistemi magnetici adeguati al tipo di materiale) a monte di tutti i frantoi a urto che lavorano flussi di alimentazione misti o derivati ​​dalla demolizione.
• Controllare la dimensione e la velocità di avanzamento: L'alimentazione sovradimensionata in un frantoio a urto crea eventi di impatto superiori a quelli previsti che accelerano l'usura e aumentano il rischio di frattura. Mantenere i vagli di calibratura e scorticatura del prefrantumatore in buone condizioni operative per garantire che l'alimentazione del frantoio sia conforme alle specifiche della dimensione nominale di alimentazione per le quali sono stati progettati i martelli e le camicie. I picchi di velocità di avanzamento che fanno sì che il rotore colpisca massicci accumuli di materiale anziché singole particelle aumentano similmente i carichi di picco d'impatto; utilizzare sistemi di alimentazione controllati (alimentatore a nastro con controllo della velocità anziché tramogge con scarico incontrollato) per mantenere una velocità di alimentazione costante.
• Mantenere le impostazioni corrette di velocità del rotore e distanza: Nei frantoi a urto, la velocità del rotore determina l'energia cinetica di ciascun martello rispetto all'impatto con la roccia ed è la variabile operativa principale che influenza sia il tasso di produzione che il tasso di usura. Il funzionamento alla velocità minima del rotore che consente di raggiungere le specifiche relative alle dimensioni del prodotto richieste riduce al minimo il tasso di usura per tonnellata; il funzionamento a velocità più elevata del necessario aumenta il consumo di energia e accelera l'usura senza migliorare la qualità del prodotto. Verificare che le impostazioni dello spazio sul grembiule siano conformi alle specifiche; Spazi eccessivamente stretti aumentano la probabilità che grossi frammenti si incastrino tra il rotore e il grembiule, creando eventi di impatto che possono fratturare simultaneamente sia i martelli che i grembiuli.
• Ruotare i martelli agli intervalli corretti: I frantoi ad urto ad albero orizzontale sono progettati in modo che i martelli possano essere ruotati di 180 gradi o riposizionati dall'orientamento del bordo anteriore a quello del bordo posteriore quando un lato si è usurato fino al limite di rotazione. La rotazione nel punto corretto equalizza l'usura tra le due superfici di lavoro di ciascun martello, raddoppiando di fatto il volume di usura totale estratto da ciascuna barra rispetto al funzionamento per completare l'usura su una faccia prima della rotazione. La rotazione ritardata determina un'usura irregolare che riduce il volume di usura utilizzabile e può creare uno squilibrio del rotore che aumenta i carichi sui cuscinetti e le vibrazioni.

Programma di ispezione e misurazione dell'usura

La misurazione sistematica della profondità di usura del getto a intervalli regolari è la base per un'efficace pianificazione della sostituzione. Senza dati quantitativi sull'usura, le decisioni di sostituzione si basano esclusivamente sulla valutazione visiva, che tende a comportare la sostituzione prematura delle parti con vita utile residua (incorrendo in costi inutili) o la sostituzione ritardata delle parti usurate al di sotto del limite operativo sicuro (rischiando danni meccanici all'apparecchiatura host).

Stabilire una routine di misurazione dell'usura utilizzando calibri o spessimetri a ultrasuoni che misurano la profondità dell'usura in punti di riferimento definiti su ciascuna fusione a intervalli di ispezione regolari (tipicamente ogni 250-500 ore di funzionamento per le parti soggette ad usura del frantoio pesantemente caricate e ogni 500-1.000 ore per gli elementi di macinazione VRM). Registra queste misurazioni in un foglio di calcolo e traccia il grafico dell'usura cumulativa rispetto alle ore di funzionamento. La curva del tasso di usura risultante consente di prevedere la vita utile rimanente in qualsiasi punto di ispezione, consentendo di programmare la sostituzione pianificata durante una finestra di manutenzione conveniente anziché rispondere a un guasto di emergenza causato da una parte usurata.

Riparazione di saldatura di getti ad alto contenuto di cromo

Il ferro bianco ad alto contenuto di cromo è difficile da saldare con metodi convenzionali a causa della sua fragilità e dell'alto contenuto di carbonio equivalente, che favoriscono la fessurazione sia nel deposito di saldatura che nella zona interessata dal calore adiacente alla saldatura. Tuttavia, è possibile utilizzare un rivestimento di saldatura con riporto utilizzando elettrodi di rivestimento duro appropriati o filo animato per ripristinare le superfici usurate di pezzi fusi a sezione spessa in situ, prolungando la durata di servizio senza il costo della sostituzione completa delle parti. I requisiti chiave per un riporto di successo di getti di ghisa ad alto contenuto di cromo sono:

• Preriscaldare a 400-500 gradi Celsius prima della saldatura per ridurre il gradiente termico tra il bagno di fusione e il materiale di colata a freddo circostante, che è il principale fattore di rottura delle zone alterate dal calore nei ferri ad alto contenuto di carbonio e alto contenuto di cromo.
• Utilizzare materiali di consumo per riporti duri in carburo di cromo (elettrodi non di uso generale o di acciaio inossidabile austenitico) che producono un deposito con proprietà di usura paragonabili al materiale di fusione di base. Un deposito proveniente da un elettrodo non adatto che è più morbido del materiale di base circostante si usurerà preferibilmente, vanificando lo scopo della riparazione.
• Controllare la temperatura di interpass e consentire un raffreddamento lento e controllato dopo la saldatura avvolgendo la parte in coperte isolanti, per ridurre al minimo le sollecitazioni termiche durante il raffreddamento che causano fessurazioni ritardate nei getti a sezione spessa.

Le fusioni ad alto contenuto di cromo rappresentano una soluzione tecnicamente matura ed economicamente comprovata alla sfida dell'usura nelle applicazioni industriali più esigenti. La combinazione tra la selezione del grado di cromo appropriato per le specifiche condizioni di abrasione e impatto, la specifica dei corretti parametri di trattamento termico per massimizzare la durezza e la tenacità della matrice, l'applicazione della disciplina operativa delle migliori pratiche per preservare l'integrità della fusione in servizio e l'implementazione sistematica della misurazione dell'usura e della pianificazione della sostituzione produce il più basso costo totale di proprietà delle parti soggette ad usura ad alto contenuto di cromo per tutta la vita utile delle apparecchiature di frantumazione e macinazione.

Controllo di qualità nella produzione di getti ad alto contenuto di cromo

La costanza delle prestazioni dei getti ad alto contenuto di cromo in servizio dipende dal rigore del controllo di qualità applicato durante tutta la loro produzione. A differenza dei prodotti in acciaio di base in cui la composizione e le gamme di proprietà meccaniche sono strettamente regolate da standard ampiamente adottati, i getti di ghisa bianca ad alto contenuto di cromo sono spesso prodotti secondo specifiche proprietarie o specifiche per l'applicazione dove i controlli di qualità della produzione applicati dalla fonderia sono la principale garanzia di prestazioni costanti. Comprendere quali controlli di qualità dovrebbero essere specificati e verificati quando si acquistano pezzi fusi ad alto contenuto di cromo consente agli acquirenti di distinguere le fonti affidabili da quelle che producono prodotti incoerenti.

Verifica della composizione chimica

Ogni calore di ferro ad alto contenuto di cromo deve essere analizzato prima del versamento mediante spettrometria di emissione ottica (OES) su un campione prelevato dalla siviera o dal forno. L'analisi deve confermare che tutti gli elementi leganti specificati (cromo, carbonio, molibdeno, nichel e silicio) rientrino nell'intervallo di composizione target prima che il calore venga versato negli stampi. I riscaldamenti fuori specifica devono essere corretti mediante aggiunte di lega prima della colata; versare calore fuori specifica nell'aspettativa che sia accettabile rappresenta un rischio significativo per la qualità poiché le conseguenze di una composizione errata sulle prestazioni di usura e sulla risposta al trattamento termico potrebbero non essere evidenti finché le parti non vengono installate in servizio.

Gli acquirenti dovrebbero richiedere certificati di test di fabbrica (MTC) che mostrino l'effettiva analisi della siviera per ciascun lotto di produzione, piuttosto che accettare certificati di qualità generici che confermano la conformità con una specifica standard senza riportare l'effettiva composizione delle parti specifiche fornite. Il confronto dei dati MTC su più ordini consente di identificare le tendenze nella variazione della composizione prima che influenzino le prestazioni del servizio e fornisce i dati necessari per correlare le variazioni della composizione con le differenze osservate nella durata di servizio tra i lotti.

Test di durezza dopo il trattamento termico

Ogni ferro ad alto contenuto di cromo casting deve essere sottoposto a prova di durezza Rockwell dopo il trattamento termico per verificare che la durezza richiesta sia stata raggiunta in tutta la zona di misurazione prevista. Per la maggior parte delle parti soggette ad usura di frantoi e mulini di macinazione, l'intervallo di durezza specificato è compreso tra 58 e 66 HRC a seconda del tipo di lega e dell'applicazione. Il test di durezza deve essere eseguito in almeno tre punti per getto: due posizioni opposte della superficie di lavoro e una posizione del bordo. Un getto che mostra una durezza accettabile sulla superficie di lavoro ma una durezza significativamente inferiore nelle posizioni dei bordi indica una trasformazione incompleta della martensite nelle regioni con velocità di raffreddamento inferiore durante la tempra, che può produrre un'usura preferenziale in quelle posizioni in servizio.

Per getti di grandi dimensioni in cui la variazione dello spessore della sezione può influenzare la distribuzione della durezza dello spessore, il test distruttivo trasversale di durezza su campioni tagliati da posizioni rappresentative del prototipo o dei getti del primo articolo stabilisce il gradiente di durezza attraverso la sezione e verifica che il trattamento termico raggiunga la durezza minima richiesta a tutte le profondità che saranno esposte durante l'intera vita utile della parte. Questo test è particolarmente importante per i pneumatici dei rulli di rettifica VRM e i segmenti della tavola con sezioni superiori a 100 millimetri, dove la durezza del nucleo dopo il trattamento termico è fondamentale per le prestazioni poiché la superficie si usura e il materiale più profondo diventa la superficie di lavoro nel tempo.

Controllo dimensionale e qualità della superficie

La conformità dimensionale al disegno specificato viene verificata misurando tutte le dimensioni critiche utilizzando calibri e modelli calibrati. Per i pezzi fusi lavorati a macchina dopo il trattamento termico (come giranti di pompe, segmenti di anelli di macinazione e piastre antiusura di precisione), la misurazione dimensionale dopo la lavorazione finale conferma che la lavorazione ha raggiunto la precisione dimensionale e la finitura superficiale richieste. Per i pezzi fusi utilizzati come tali o come terra, i controlli dimensionali si concentrano sulle superfici di montaggio e accoppiamento che determinano il corretto adattamento e allineamento nell'apparecchiatura ospite.

L'ispezione della qualità superficiale copre sia l'aspetto visivo della superficie della fusione che i test non distruttivi per i difetti del sottosuolo nelle applicazioni critiche. L'ispezione visiva identifica porosità da ritiro superficiale, chiusure fredde, rotture calde e rugosità superficiale significativa che indicano problemi di qualità della fusione. Per applicazioni ad alte conseguenze come pattini rotorici VSI di grandi dimensioni, elementi di macinazione VRM e componenti di macchinari di processo critici, i test con liquidi penetranti o i test con particelle magnetiche delle superfici accessibili forniscono ulteriore certezza che non siano presenti cricche superficiali prima che le parti vengano installate in servizio. Le crepe nei getti di ghisa ad alto contenuto di cromo non si arrestano automaticamente come potrebbero nei materiali duttili; una crepa superficiale su una parte soggetta a usura di un frantoio a urto fortemente caricata può propagarsi rapidamente fino a una frattura catastrofica sotto carichi operativi, rendendo il rilevamento delle crepe prima della manutenzione un investimento significativo sia in termini di sicurezza che di affidabilità della produzione.