بخشی از مقاله
مقایسه خواص سایشی گلوله های فولادی 70Cr2 و چدنی داکتیل استمپر مورد استفاده در اسیاب های گلوله ای مجتمع مس سرچشمه
چکیده:
برای نرم کنی کانی های معدنی از آسیابهای گلوله ای استفاده می شود در این آسیاب ها به سبب بر خورد گلوله های فلزی با مواد معدنی عملیات سایش و نرم کنی انجام می شود. در این فرآیند هزینه عمده مصرف گلوله ها می باشد. در کارخانه مس سرچشمه روزانه 40 تن گلوله مصرف می گردد. عمده گلوله های مصرفی در این کارخانه گلوله های فولادی فورج 70Cr2 و چدنی داکتیل استمپر شده می باشد. در این تحقیق به بررسی اثر ریزساختار، سختی و سرعت سایش بر مقدار کاهش جرم در این دو آلیاژ پرداختیم. برای این کار ابتدا گلولدها با روش استاندارد متالوگرافی شدند و سپس با میکرو سختی سنجی روند تغییر سختی از سطح به طرف مرکز گلوله ها بررسی شدند. برای بررسی مقاومت سایشی از تست سایش pin on disc استفاده شد. روند تغییر سختی متناسب با تغییر میکرو ساختار است مقاومت نمونه های فولادی فورج بیشتر از چدن داکتیل است. مقاومت سایشی سطح نمونه ها از مرکز آنها بیشتر است برای هر دو آناز با کاهش سرعت چرخش دیسک مقدار سایت کاهش می یابد.
کلمات کلیدی: چدن داکل آفرینی ، فولا:70Cr2 ، میکرو سختی سایش، پین روی دیسک
مقدمه
با افزایش مصرف مواد معدنی در دنیا نیاز بیشتری به بهینه کردن فرآیندهای تولید احساس می شود. بخش نرم کنی کارخانه بر معیار کنی مجتمع مس سر چشمه از مهمترین و پرهزینه ترین قسمتهای خط تولید این مجتمع است. این بخش نقش گلوگاهی و محدود کنندهای در خط تولید دارد، لذا کاهش مصرف در این قسمت بر راندمان کلی خط تولید موثر است. آسیابهای گلوله ای یکی از مهمترین اجزاء این بخش هستند. کیفیت مناسب گلوله های مصرفی می تواند نفتی مؤثری در کاهش مصرف انرژی و افزایش راندمان تولید داشته باشد. در آسیاب های گلولهای انرژی الکتریکی به گشتاور مکانیکی تبدیل می شود و همین سیب چرخش آن می شود. با چرخش استوانه حول محور افقی و برخورد گلوله ها با مواد معدنی اندازه مواد معدنی از تقریبا cm ۱ - ۲ به حدود مي رد این آسیاب ها دارای شکل استوانه ای با قطر 502.92 سانتی متر و طول 822.96 سانتی متر هستند و با سرعت ۱۳0۷ دور در دقیقه حول محور افقی خود می چرخند[1] گلوله های مصرفی در این میاب ما دو نوع گلوله چدنی گرافیت کروی استمپر شده و قولاتی آهنگری شده 70Cr2 است. در این تحقیق به بررسی روند تغییرات میکروساختار و سختی آنها از سطح گلوله ها به مرکز آنها و اثر ریزساختار، سختی و سرعت سایت بر مقدار کاهش جرم در این حو آلیاژ پرداختیم. گلوله های چدنی گرافیت کروی آتمپر شده (ADI ابتدا ریخته گری شده و سپس عملیات حرارتی می شوند. روش رایج تولید چدن (ADI) ریخته گری همراه با عملیات حرارتی استمپرینگ است. برای تولید چدن (ADI) انتخاب دما و زمان مناسب برای عملن حرانتی تأثیر زیادی بر ساختار و در نتیجه بر خواصر مکانیکی آن می گذارد [2] بهترین خواص سایشی برای ساختاری است که اولا اطرافه گرافیتها را فریت بینینی احاطه کرده باشد و ثانيا مارتنزیت به صورت یکنواخت در ساختار توزیع شده باشد و بالا کاریدهای ریختگی وجود نداشته باشند. افزودن بیش از ۵/ نيكل باعث حذف کاربید های ریختگی می شود که سبب افزایش خواص سایشی گلوله های چدنی می شود[3] جدایش در ناحیه بین سلولی وقتی فاصله بین گرافیت۔ ها زیاد باشد شدیدتر است. بطوریکه می تواند سببه تشکیل کاربید بین سلولی شود. این کاریدها به همراه ريز حفرات مجاور آنها شديدا خواص مکانیکی را کاهش می دهند [4].گلوله های فولادی با روش رول فورج تولید می شوند در این قطعات نکته حائز اهمیت این است که دچار پدیده نوازی تان نشوند البته در تمام فولادهای هیپویوتکتونید این نوارهای مارتنزیتی بینایی را بعد از اینکه تحت تغییر شکل زیاد قرار گرفتند و به طور آهسته از دمای استبه برد شدند مشاهده میشود[5] در سالهای گذشته تحقیقاتی در مورد تأثیر نوع و ابعاد گلوله بر کارایی آسیاب های اولیه مس سرچشمه و نیز در مورد نحوه توزیع اندازه این گلوله ها در آسیاب های اولیه با همکاری دانشگاه شهید باهنر کرمان و امور تحقیقات مجتمع مس سرچشمه انجام شد[6] .
مواد و روش تحنيت گلوله های مورد استفاده از جنس چدن داکتيل استمپر (ADI) و فولادی رول فورج شده 70Cr2 میباشند که در جدول(1) ترکیب شیمیایی این گلوله ها آورده شده است. گلوله های چدنی از نمونه هایی برداشته شده است که در فرآیند تولید ابتدا در قالب فلزی ریخته گری شدند و سپس عملیات حرارتی استمپرینگ روی آنها انجام شد گلوله های فولادی نیز به صورت شمش ریخته گری شده اند و آنگاه تحت عمليات نوره به صورت میلگرد به قطر ۸ سانتیمتر درآمده اند و مپ در کارگاه گلوله زنی عملیات رولفورج بر روی آنها انجام شده است. گلوله های حاصله در کوره تونلی عملیات حرارتی شده و سپس در آب کونچ می شوند در نهایت تمپر می شوند. برای تهیه نمونه ها، از گلوله های مصرفی که به طریق بالا تولید شده اند نمونه برداری انجام شد. گلوله ها به صورت دیسک به شعاع تقریبی cm 4 و ضخامت cm 2 برش داده شده است. پس از آماده سازی و اج کردن نمونه ها با محلول نیتال ۲ به مدت 4-5 ثانیه. نمونه ما با میکروسکوپ نوری و تحلیلگر تصویری از سطح به طرف مرکز مورد مطالعه متالوگرافی قرار گرفتند. سپس تست میکرو سختی ويكون بر روی آنها انجام شد. این تست با دستگاه
(Struers Duramin) و تحت نیروی 19.614 N انجام شد. برای این کار از ۲-۳ میلی متری سطح شروع به سختی سنجی کردیم و در هر ده میلی متر به طرف مرکز این کار تکرار شد. گلوله ها به صورت املهایی به ابعاد Cm 4*1*1 ها برش داده شدند. نمونه ها با دستگاه نت بن ربی دیسک در محیط قلیایی (اب هک) با pH 11 / 5 مثابه شرایط أسباب تر مورد تست مایش قرار گرفتند. نمونه ها تحت بار9.5 N، بر روی صفحه ساینده از جنس SiC با دو سرعت خطی ۱.۱ و m / s 1.75که نزدیک به سرعت متوسط گردش مواد در آسياب است ( سرعت متوسط گردش مواد معدنی در أسبابهای گلوله ای مجتمع مس سرچشمه m / s 1.7 است) قرار گرفته بعد ملی مسافتهای 1و3 کیلومتر با ترازوی دقیق با دقت مدم میلی گرم توزین شدند.
يافته ها: ساختار متالوگرافی نمونه های چدنی همانطور که در شکل می بینید، دارای گرافیت های کروی و فریت بینتی در اطراف آنها و استنيت باقيمانده پر کرین و مقداری آستنیت باقیمانده راکتی نداده و فازهای کار بدی و مارتنزیتی در متلی بن سلولی است. در نمودار شکلا نحوه تغير تعداد کره ای گرانیت که به وسیله تحلیلگر تصویری در سه ناحیه در راستای شعاع گلوله از سطح به مرکز مشاهده می شود که نشان دهنده کاهش تعداد گره های گرافیت با نزدیک شدن به مرکز گلوله می باشد و در واقع هر چه به مرکز نزدیک می شویم گره های گرافیت بزرگتر شد ولی تعداد آنها کاهش می یابد شكل ۳. نه شکل روند تغيرات سختی نمونه های چدن داکتیل را با میکرو سختی سنجي (HV) را نشان می دهد. همانطور که می بینید از سطح به طرق مرکز گلوله سختی گلوله ما كاهش مي يابد. ساختار مرکز گلوله های فولادی امنگیری شد تغییرات قابل توجهی نسبت به سطح گلوله می کند در سطح نمونه های فولادی ساختار مارتنزیت تمپر شده است و در عمق حدود cm1 شاهد ساختار ثواری هستیم شکل ه. در نمودار شکل روند تغییر سختی نمونه های فولادی آهنگری شده را با میکرو سختی سنجی 7 مشاهده می شود. در نمودار مربوط به میکرو سختی سنجی به وضوح مشاهده می شود که بعد از حدود cm فاصله از سطح سختی کاهش قابل ملاحظه ای پیدا می کند. در شکلهای ۷ و ۸ سطح سایشی نمونه های فولادی و چدنی را مشاهده می کنید. همانطور که می بینید شاهد سایش خراسان در سطح نمونه ها هستیم. در نمودار شکل و مقدار کاهش جرم نمونه فولادی برحب مسافت طی شده را مشاهده می کنید. همانگونه که دیده می شود مقدار کاهش وزن در مرکز نمونه ها بیشتر از سطح آنهاست. در شکل ۱۰ نمودار کاهش جرم گلوله های چدنی بر حسب مسافت طی شده را مشاهده می کنید. این نمونه ها نیز مانند نمونه های فولادی دارای مقاومت سایشی کمتری در مرکز هستند. در شکل ۱۱ نمودار کاهش چرم بر به سرعت خطی نمونه بر زوی دیک درار نشان داده شده است. با افزایش سرعت مقدار کاهش جرم افزایش می یابد تر شكل ۱۲ نمودار مقدار کاهش جرم میانگین که تمام آزمایشات در آن لحاظ شده است برای دو نوع آلیاز مورد بررسی نسیم شده است. با توجه به شکل در حالت کلی می توان گفت فولاد آهنگری شده 70Cr2 دارای مقاومت سایشی بهتری نسبت به چدن داکتيل استمپر شده استه
ساختار متالوگرافی نمونه های چدنی همانطور که در شکل می بینید دارای مقداری آستنیت باقیمانده واکنش نداده است. آستنیت باقیمانده واکنش نداده از پایداری حرارتی و معانی کی کمی برخوردار بوده و در اثر سرد شدن و با اعمال کار مکانیکی می تواند به مارتنزیت استحاله یابد که این موضوع باعث کاهش قابلیت انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه می شود [8] آستین باقی مانده در اثر ایجاد ترک می توند سبب کاهش مقاومت سایشی شود [9] با توجه به نمودار شكل ۲ مهمترین نتیجه ای که می توان گرفت این است که فرایند تولید گلوله ها با اینکه از یک محل تهیه شده است. یکنواخت نبوده است و همین سببه پراکندگی زیادی در داده ها شده است. این تعداد گره های گرانیت و میزان کروی بودن آنها بر روی خول مکانیکی چدن داکتیل تأثیر زیادی دارد مقاومت سایشی ارتباط مستقيم با تعداد کردهای گرانیت در ساختار دارد. نرخ سایش تنها به سختی بستگی ندارد بلکه به شکل و تعداد کره های گرافیت نیز بستگی دارد[11 ,10] . همانطور که در شکل می بینید از سطح به طرف مرکز گلوله سختی گلوله ها کاهش می یابد. تغيير اندازه و شکل ذراته گرافیت یکی از عوامل مهم در تغيير سختی می باشد. ساختار مرکز گلوله های فولادی آهنگری شده تغییرات قابل توجهی نسبت به سطح گلوله می کند که منجر به نا همگی ساختار و کاهش خواص مکانیکی آن می گردد. با توجه به شکل ه ساختار مرکز گلوله های فولادی آهنگری شده ساختار تواری می باشد. این نوع نوارها بدلیل قرار گرفتن ناخالصی ها در جهت تغيير شكل فولاد به وجود می آیند. به عبارت دیگر این خطوط در اثر توزیع غیر یکنواخت رسوبات و جلاش آنها در جهت فرآیند تغير شكل ظاهر می شوند. با بررسی های انجام شده با (SEM) مشخص شد که مناطق غیره در ساختار نوازی مناطتي با عناصر البازی و ناخالصی های بیشتری هستند. در نمودار شکل به وضوح مشاهده می شود که بعد از حدود 1cm فاصله از سطح، سخنی کاهش قابل ملاحظه ای پیدا می کند. که همان در اثر تغییر ویز ساختار از مارتنزیت تمپر شده به ساختار توار است. همانطور که در نمودار ها می بینید. در گلوله های چدنی تغییرات سختی کمتر از نمونه های فولادی است، چراکه تفاوت میکرو ساختاری خیلی زیادی ندارند و تنها اندازه فاز ها تغییر می کند ولی در گلوله های فولادی این تغير سختی بیشتر است. چرا که نوع فازهای آن از مارتنزیت تمپر شده به ساختار نوازی تغییر می کند. نرم تر بودن مرکز گلوله ها می تواند در مقاومت ضربه ای این گلوله ها موثر باشد. چرا که با توجه به ارتفاع 5 متری این آسیابها مقاومت ضربه ای نیز برای این گلوله ها حائز اهمیت است. همانطور که در شکلهای ۷ و ۸ میبینید خطوط موازی موجود بر سطح حکایت از ریز برش های سطحی دارند، که در واقع شاهد سایش خراسان در سطح ه م شن نمودار شکل و مقدار کاهش وزن در مرکز نمونه ها بیشتر از سطح آنهاست. این می تواند به علت سختی کمتر مرکز گلوله هانت به سطح آنها باشد. در حین أسباب شدن به علت فریات مکرر، این ناحیه کار سخت می شود و احتمالا به سختی مناسب خواهد رسید. با توجه به نمودار شکل می توان گفت گلوله های چدنی دارای مقاومت سایشی کمتری در مرکز هستند که می تواند در اثر سختی کمتر آنها در مرکز و اثر انداز کره های گرانیت باشد چراکه در مرکز گلوله ها اندازه کر های گرانیت افزایش و تعداد آنها کاهش می یابد. که همانگونه که در زیر ساختان دیده شده است این موضوع سبب ناله گرفتن کوره های گرافیتی از هم و در نتیجه افزایش امنیت باقی مانده در مناطقی بین سلولی می گردد، از آنجا که فاز امنیت سختی کمتری دارد. در نتیجه مقاومت سایشی کمتری نیز دارد در شکل ۱۱ با افزایش سرعت مقدار کاهش جرم افزایش می یابد که می توان گفت با افزایش سرعت چرخش تمرکز حرارتی بیشتری در سطح سایت خواهیم داشت و در نتیجه مکانیزم هایی مانند اکبد شدن و کنده شدن سطحی نرم شدن موضعی فعال می گردند. این مکانیزم ها سبب افزایش کاهش جرم در سرعت های بالا می گردند. با توجه به شکل کادر حالت کلی می توان گفت فولاد آهنگری شده 70r2 دارای مقاومت سایشی بهتری نسبت به چدن داکل اسیر شده است. که این موضوع ارتباط مستقیم با ریزساختار آنها دارد. در واقع باید گفت نمونه فولادی با نیز ساختار مارتنزیت تمپر شده همراه با مقداری بینت مقاومت سایشی بهتری نسبت به نمونه چدن داکتیل با ریزساختار استپر شده همراه با گرافیت کروی دارد
نتیجه گیری
میکروساختار گلوله های چدنی، گرافیت کروی در ساختار أسفریت می باشد که همراه با فازهای غیر مطلوب کاربید های ریختگی و مارتتريث و أستنیت باقی مانده است. میکرو ساختار گلوله های فولادی در سطح مارتنزیت تمپر شده و در عمق ساختار نوازی فریت و پایت می باشد. میکروساختار در هر دو گلوله از سطح به مرکز تغییر می کند ولی تغییرات سختی و مقدار تغییرات میکرو ساختار آنها با هم فرق می کند. در گلوله های چدنی تغییرات سختی کمتر از نمونه های فولادی است. مقاومت سایشی سطحی هر دو نوع گلوله بیشتر از مرکز آنها بود.
با افزایش سرعت سایش مقاومت سایشی تر هر دو نمونه کاهش می یابد. مقاومت سایشی میانگین برای نمونه های فولادی بیشتر از نمونه های چدنی داکتیل است
