بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

مقایسه خواص سایشی گلوله های فولادی کوئنچ - تمپر و چدنی داکتیل آستمپر شده مورد استفاده در آسیاب های گلولهای مجتمع مس سرچشمه

چکیده
برای آسیاب کردن سنگ معدن مس و در نهایت تغلیظ آن از آسیابهای گلوله ای استفاده می شود. ترکیب شیمیایی و نوع عملیات حرارتی که روی گلوله ها انجام می شود بر خواص سایشی آنها تأثیر فراوان دارد. در این تحقیق، به مقایسه مقاومت سایشی دو نوع گلوله که عملیات حرارتی متفاوتی روی آنها انجام شده است پرداختیم. گلوله ها از جنس فولادی فورج و چدن داکتیل آسفریتی، با قطر ٫۸۰mm مورد استفاده در آسیابهای گلوله ای مجتمع مس سرچشمه میباشند. بر روی گلوله های فولادی عملیات حرارتی کوئنچ - تمپرینگ و بر روی گلوله های چدنی عملیات حرارتی آستمپرینگ انجام شده است. بعد از متالوگرافی نمونه ها، فازهای آنها با میکروسکوپ نوری و پراش اشعه X مورد بررسی قرار گرفتند. آنگاه از درون گلوله ها (از سطح به طرف مرکز گلوله) نمونه مناسب برای تست سایش بریده شد. مقاومت سایشی آنها با روش تست pin On disc در محیط با = pH 12مطابق با محیط آسیاب اندازه گیری شد. گلوله های فولادی در سطح دارای ساختار مارتنزیت تمپر شده و کاربید و در مرکز دارای ساختار دو فازی هستند. ساختار گلوله های چدنی دارای زمینه آسفریت به همراه گرافیت کروی و مقدار کمی کاربید و مارتنزیت است، که از سطح به طرف مرکز اندازه کره های گرافیت افزایش می یابد. در نهایت گلوله های فولادی فورج مقاومت سایشی بهتری نسبت به گلوله های چدنی داکتیل از خود نشان دادند.
واژه های کلیدی: مارتنزیت تمپر شده، آسفریت، تست سایش، تحلیلگر تصویری

مقدمه در واحدهای فرآوری مواد معدنی اولین عملیات خردایش سنگ معدن می باشد. عملیات خردایش شامل دو مرحله سنگ شکنی (crushing) و نرم کنی (grinding) می باشد. نرم کردن مواد معدنی آخرین مرحله خردایش می باشد. در عملیات نرم کنی مکانیزم های کاهش ابعاد ذرات، ضربه و سایش است. این عملیات در آسیابهای آستوانه ای شکل فولادی بنام آسیاب های گلوله ای انجام می شود شکل (۱). در آسیابها از گلوله های فلزی جهت نرم کنی مواد معدنی استفاده می شود {۱}. گلوله های از جنس چدن پر کروم دارای مقاومت سایشی خوبی هستند، ولی هزینه تولید بالایی دارند و مقاومت خوبی در محیط تر ندارند. فولادهای فورج نیز هزینه تولید بالایی دارند. حل این مشکل با بررسی مواد مقاوم به سایش مانند چدن داکتیل آستمپر شده امکان پذیر است. چرا که دارای مقاومت سایشی و ضربه ای خوب،
به همراه هزینه تولید پایین هستند [۲].
در معدن مس سرچشمه روزانه ۴۰ هزار تن سنگ معدن تا اندازه حدود ۷۰ میکرون خرد می شوند. در این عملیات آسیاب های گلوله ای نقش زیادی دارند ||۳}. در این آسیابها ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ (گرم بر تن خاک تولید شده) گلوله مصرف می شود. در این آسیابها از گلوله های فلزی به قطر ۸۰ و ۶۰ میلیمتر استفاده می شود. عمده گلوله های مصرفی در این نوع آسیابها از جنس فولادی (کوئنج - تمپر شده ( و چدنی (داکتیل آستمپر شده) است[۴].
آستمپرینگ فرآیند بخصوصی از عملیات حرارتی به منظور ایجاد ساختار بینایتی می باشد. هدف از این عملیات افزودن خواص مکانیکی مانند استحکام و مقاومت در برابر سایش می باشد. از ویژگیهای آستمپرینگ این است که استحکام و مقاومت در برابر سایش به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد [۵}.
عملیات حرارتی آستمپرینگ یک استحاله همدماست که شامل حرارت دادن آلیاژ تا منطقه آستنیت در حدود
c ۸۵۰-۱۰۰۰ و کوئنچ کردن در حمام نمک با دمای C ۱۷۵-۴۲۵ و نگهداری آن برای زمان معین و سپس سرد کردن قطعه تا دمای اتاق می باشد شکل (۲) [۶].
استحاله همدمای بینایت را می توان به دو مرحله تقسیم کرد (شکل (۲)): ۱)
مرحله اول: آستنیت اولیه به دو فاز فریت بینایتی و آستنیت غنی از کربن تجزيه می شود.

2-) مرحله دوم: اگر مدت زمان بیشتری در این دما نگهداشته شود مرحله دوم استحاله که تبدیل آستنیت
غنی از کربن به فریت و کاربید (Carbide) می باشد، اتفاق می افتد.


در پایان مرحله اول استحاله، ساختار حاوی فریت یا فریت و آستنیت غنی از کربن می باشد. در صورتی که زمان نگهداری در درجه حرارت آستمپرینگ کافی نباشد، آستنیت بطور کامل از کربن غنی نشده و به واسطه سرد کردن بعدی بطور کلی یا جزیی به مارتنزیت تبدیل می شود. در زمان های طولانی نیز آستنیت غنی از کربن به دو فاز پایدارتر فریت و کاربید تجزیه شده و به عنوان مرحله دوم استحاله شناخته می شود. به دلیل کاهش شدید انعطاف پذیری و چقرمگی (در اثر ایجاد کاربید در ساختار)، از انجام مرحله دوم استحاله خودداری می گردد [۷۸].
مقاومت سایشی چدن های ADI نزدیک به مقاومت سایشی فولادهای کوئنچ و تمپر شده است [۹]. خواص سایشی چدنهای ADI در زمانهای کوتاه آستمپرینگ مطلوب نمی باشد. از آنجایی که کنده شدن گرافیت ها از سطح سایش محل مناسبی جهت پیشروی جبهه سایش به داخل زمینه می باشد، لذا استحکام فازی که در اطراف گرافیتها قرار دارد در میزان مقاومت به سایش بسیار مهم می باشد. مقاومت سایش ADI بستگی زیادی به ریزساختار آن دارد. در تست سایش معمولا ترکها از مرز بین زمینه و گرافیت ها شروع شده و گسترش می یابند و در نهایت سبب پوسته پوسته شدن سطح می شوند |۱۰|
مقاومت سایشی ارتباط مستقیم با تعداد کره های گرافیت در ساختار دارد. هرچه تعداد کره های گرافیت افزایش یابد مقدار سایش نیز افزایش می یابد [۱۱]. نرخ سایش تنها به سختی بستگی ندارد بلکه به شکل کره های گرافیت نیز بستگی دارد[۱۲]. در این تحقیق به مقایسه خواص سایشی گلوله های مصرفی در این آسیاب ها می پردازیم. گلوله های فولادی به روش رول فورج تولید می شوند و نیز هزینه تولید بالایی دارند. در سالهای اخیر برای حل این مشکل به بررسی مواد مقاوم به سایش مانند چدن داکتیل آستمپر شده، پرداخته شده است. چراکه دارای مقاومت سایشی و ضربه ای خوب به همراه هزینه تولید پایین هستند{۲}. روش رایج تولید گلوله های چدنی ADI، ریخته گری همراه با عملیات حرارتی آستمپرینگ است. برای تولید چدن (ADI) انتخاب دما و زمان مناسب برای عملیات حرارتی تأثیر زیادی بر ساختار و در نتیجه بر خواص مکانیکی آن می گذارد [۱۳]. بهترین خواص سایشی برای ساختاری است که اولا اطراف گرافیتها را فریت بینیتی احاطه کرده باشد و ثانیاً مارتنزیت به صورت یکنواخت در ساختار توزیع شده باشد و ثالثاً کاربیدهای ریختگی وجود نداشته باشند. افزودن بیش از ۰/۵٪ نیکل باعث حذف کاربید های ریختگی می شود که سبب افزایش خواص سایشی گلوله های چدنی می شود۱۴-
در سالهای گذشته تحقیقاتی در مورد تاثیر نوع و ابعاد گلوله بر کارآیی آسیاب های اولیه مسی 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 [۳٫۴-


.روش تحقیق
جنس و روش تولید گلوله ها
همانطور که قبلاً اشاره شد گلوله های مورد استفاده در مجتمع مس سرچشمه از نوع فولادی آهنگری شده و چدنی داکتیل آستمپر شالـه (ADI) میباشد، که دارای ترکیب شیمیایی که در جدول ۱آورده شده می باشند.
فولاد یک فولاد بهینه سازی شده در ایران میباشد. فولاد هیویوتکتوئیدی و جزء فولادهای کم آلیاژ کربن متوسط می باشد. چدن داکتیل آستمپر شده همانطور که مشاهده می کنید دارای مقدار کمی عناصر آلیاژی مانند منگنز و سیلیسیم است. سیلیسیم در چدن داکتیل آستمپر شده در مرحله اول واکنش مانع ایجاد کاربید در ساختار می شود. منگنز در ساختار سبب افزایش استحکام بینایت می شود.
کلوله های مورد استفاده در این تحقیق دو نوع فولادی فورج و چدنی داکتیل آستمپر می باشند.

روش تولید گلوله های فولادی آهنگری شده
برای تولید گلوله های فولادی ابتدا شمش مورد نظر با فرآیند نورد به میلگرد به قطر ۸ سانتی متر تبدیل می شود. سپس این میلگردها در کارگاه گلوله زنی با عملیات رول فورجینگ به گلوله تبدیل می شوند. برای این منظور ابتدا میلگردها در کوره تونلی تا دمای ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد به مدت ۳۰-۴۵ دقیقه پیشگرم شده و سپس وارد قالبهای رول فورج می شوند که در شکل (۳) مشاهده می کنید. سپس برای دستیابی به ساختار متالورژیکی مناسب، عملیات حرارتی کوئنچ - تمپرینگ روی گلوله ها انجام می شود. به همین منظور ابتدا در کوره عملیات حرارتی تونلی تاC"۸۵۰ به مدت ۹۰-۱۰۵ دقیقه گرم شده و سپس کوئنچ می شوند. سپس در کوره تونلی در دمای ۲۰۰-۳۰۰ درجه سانتیگراد به مدت
۳-۲ ساعت تمپر می شوند. سپس در هوا سرد می شوند [۴]

روش تولید گلوله های چدنی داکتیل آستمپر شده
ابتدا مذاب با ترکیب و دمای مناسب تهیه می شود. آنگاه عملیات کروی سازی قبل از تخلیه مذاب، با افزودن فرو سیلیسی منیزیم با روش تلقیح در پاتیل انجام می شود. سپس در قالبهای فلزی آبگرد ریختهگری انجام می شود. برای بهبود ساختار متالورژیکی گلوله ها تحت عملیات حرارتی آستمپرینگ قرار می گیرند. به این صورت که ابتدا در کوره تا دمای ۹۰۰-۹۵۰ درجه سانتی گراد آستنیته می شوند، سپس در دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد نگهداری می شوند، در نهایت گلوله ها در هوا سرد می شوند [۴].

بررسیهای میکروسکوپی ریزساختار
برای تهیه نمونه ها، از گلوله های مصرفی که به طریق بالا تولید شده اند نمونه برداری انجام شد. گلوله ها را با اسپارک و دستگاه برش معمولی، به صورت دیسک به شعاع تقریبی ۴ سانتیمتر و ضخامت ۲ سانتیمتر برش داده شدند. گلوله های چدنی ریختهگری شده را برای بررسی بیشتر از سه جهت عمود بر خط جدایش، موازی با خط جدایش و با زاویه ۴۵ درجه نسبت به خط جدایش برش داده شدند.

متالوگرافی
نمونه ها با روش استاندارد متالوگرافی شدند. سپس با میکروسکوپ نوری مورد مطالعه قرار گرفتند.
نمونه های چدنی به همین صورت، بدون اج کردن برای بررسی مورفولوژی و توزیع گرافیتها با میکروسکوپ نوری مجهز به نرم افزار تحلیلگر تصویری مورد مطالعه قرار گرفتند.

پراش سنجی با اشعه XRD) X )
ابتدا نمونه ها به ابعاد ۱*۱* ۰.۵ بریده شدند. بعد از آماده سازی سطحی و پولیش و اج، برای اطمینان از وجود فازهای آستنیت و مارتنزیت در نمونه ها، از دستگاه پیشرفته سنجش پراشD8 Bruiker (Advance (XRD) مجهز به نرم افزار EVA استفاده گردید. برای اینکار نمونه ها با زاویه بین ۲۰ تا ۱۴۰ درجه و با سرعت ۰/۰۵ درجه بر ثانیه تحت تابش اشعه X قرار گرفتند.
تست سایش
نمونه ها با سطح مقطع cm ۱×۱ و به طول ۴cm در امتداد شعاع گلوله برش داده شدند، با دستگاه تست پین روی دیسک (شکل (۴)) در محیط قلیایی (آب آهک) با11.5 (pH) مشابه شرایط آسیاب تر، مورد تست سایش قرار گرفتند. نمونه تحت بار N ۹.۵ در فاصله ۷۰ میلیمتری از مرکز صفحه ساینده از جنس SiC با سرعت خطی ۱٫۱ متر بر ثانیه و سرعت دورانی Rpm ۱۵۰ قرار گرفت. سطح مقطع دو طرف نمونه ها مورد سایش قرار گرفت و بعد از طی مسافتهای ۱۰۰۰ و ۳۰۰۰ متر با ترازوی دقیق با دقت صدم میلی گرم توزین شدند.
نتایج و بحث
متالوگرافی
ساختار متالوگرافی نمونه های چدنی داکتیل آستمپر، همانطور که در شکل (۵) مشاهده می شود، دارای گرافیت های کروی و فریت بینیتی در اطراف آنها و آستنیت باقیمانده و فازهای کاربیدی و مارتنزیتی در مناطق بین سلولی است. آستنیت باقیمانده موجود در ساختار در اثر سایش می تواند تبدیل به مارتنزیت شود و در اثر تغییر حجم ناشی از این استحاله، احتمال ایجاد ترک افزایش می یابد. در نتیجه ساختاری مناسب تر است که آستنیت باقی مانده آن کمتر باشد.
در نمودارهای زیر نحوه تغییر درصد کروی بودن که به وسیله تحلیلگر تصویری (Image Analyzer) در سه ناحیه در راستای شعاع گلوله (از سطح به مرکز) مشاهده می شود. در نمودار شکل (۶) درصد کروی بودن گرافیت ها را در سه ناحیه مشاهده می شود. از آنجا که گرافیتهای مرکز گلوله فرصت کافی داشته اند، درشت هستند. میزان کروی بودن کره های گرافیت بر روی خواص مکانیکی چدن داکتیل تاثیر زیادی دارد. متفاوت بودن خواص مکانیکی این چدن ها نیز بدلیل همین مورفولوژی خاص کره های گرافیت در این چدن هاست. ولی همانطور که مشاهده می شود درصد کرویت به میزان مناسبی نیست. که این موضوع روی خواص سایشی این گلوله ها تأثیر بسزایی دارد. نمونه ها در سه راستای عمد برخط جدایش و موازی با خط جدایش و در زاویه ۴۵ درجه نسبت به خط جدایش نیز بررسی شدند که تفوت چندانی با هم نداشتند. ساختار نمونه های فولادی آهنگری شده از سطح به طرف مرکز تغییرات قابل توجهی می کند.
در
سطح نمونه های فولادی ساختار مارتنزیت تمیر شده است و در عمق حدود cm ۱ شاهد دو فازی شدن ساختار هستیم. در بعضی نمونه ها شاهد ساختار تواری و در بعضی ساختار پراکنده شامل بینیت و مارتنزیت تمپر شده همراه با کاربید های مرز دانه ای و آستنیت باقیمانده هستیم، و هر چه به مرکز

نزدیکتر می شویم مقدار بینیت در ساختار افزایش می یابد. شکل (۷) این ساختار منجر به ناهمگنی ساختار و کاهش خواص مکانیکی آن می گردد. در ساختار نواری، این نوع نوارها بدلیل قرار گرفتن ناخالصی ها در جهت تغییر شکل فولاد به وجود می آیند. به عبارت دیگر این خطوط در اثر توزیع غیر یکنواخت رسوبات و جدایش آنها در جهت فرآیند تغییر شکل ظاهر می شوند. با آنیل ایزوترم و با دادن دما و زمان مناسب می توان ترکیب شیمیایی را یکنواخت کرد و ساختار ی عاری از نوار ایجاد کرد [۱۶]. با بررسی های انجام شده با ( SEM) مشخص شد که مناطق تیره مناطقی با عناصر آلیاژی و ناخالصی های بیشتری هستند.

بررسی ساختار با اشعه X بررسی ساختار با اشعه X، نشان می دهد که در ساختار چدن داکتیل آستمپر شده فازهای فریت بینایتی ، مارتنزیت (M)، آستنیت باقی مانده و گرافیت (G) وجود دارد. مقدار هر کدام از این فازها به اندازه ای است که با XRD قابل بررسی می باشد. در نمونه های چدنی تفاوت چندانی بین سطح و مرکز نمونه ها دیده نشد و تنها شدت پیک ها مقداری تغییر کرد (شکل (۸)). نمودار مربوط به سطح و مرکز نمونه های فولادی را در شکل (۹) مشاهده می کنید. در این نمونه ها فازهای مارتنزیت (M) و آستنیت باقی مانده در سطح و در مرکز گلوله تنها فاز مارتنزیت مشاهده شده است. با تکرار آزمایش نیز همین نتیجه حاصل شد که علت آن قابل توجیه نیست.
مهمترین نقشی که برای آستنیت باقی مانده می توان برشمرد این است که در حین سایش به مارتنزیت استحاله یافته و سبب ایجاد ترک در ساختار شده و مقاومت سایشی را کاهش می دهند.

سایش
همانطور که در شکل (۱۰) می بینید مقدار سایش نمونه های چدنی در طی یک مسافت ثابت و بار اعمالی معین بیشتر از نمونه های فولادی بوده است، که این نشاندهنده کمتر بودن مقاومت سایشی نمونه های چدنی نسبت به فولادی می باشد. در مجموع میانگین از دست دادن وزن نمونه های چدنی1.47 برابر نمونه های فولادی می باشد. در گلوله های چدنی حین سایش با تخلیه گرافیت، محل آنها تبدیل به منشاء ایجاد ترکها میگردد (شکل (۱۱)). هر چه تعداد کره های گرافیت بیشتر باشد نرخ سایش بیشتر است چراکه کره های گرافیت مانند حفره عمل می کنند [۱۱ ).

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید