Литые чугунные шары для помола материалов (Стеблов А.Б., Березов С.Н., Козлов А.А.) // Литье и Металлургия, № 3, 2012, с. 45-50

Основными потребителями мелющих шаров, являются горно-металлургическая, цементная и энергетическая отрасли.  Объем мирового рынка мелющих тел составляет 3 млн. т в год [1]. Согласно оценкам компании Hatch Beddows, в США и Канаде используется свыше 600 тыс.т, в СНГ— 475 тыс.т (15,8%), Австралии— 370 тыс.т, Китае— 325 тыс.т .

Диаграмма потребления шаров в России может быть представлена  так -43% мелющих тел  для твердых и относительно бедных железных руд, 22% - медные и никелевые руды, 10% - приходится на цемент.

 

Рисунок 1.Диаграмма потребления мелющих шаров по отраслям России

В соответствии  с Программой развития промышленности России и документа « Стратегия развития металлургической промышленности России на период до 2020 г.» ожидается существенный рост потребления мелющих шаров.

Это связано с увеличением объёмов добычи угля, руд чёрных и цветных металлов, развитием энергетической отрасли и  ростом объёмов промышленного и гражданского строительства. Например, если в 2011 году производство цемента в России составило 55,9 млн.т, то к 2015 году предполагается увеличение производства цемента на 35 млн.т.  Следует учесть, что из-за постепенного истощения сырьевой базы для извлечения полезного компонента приходится перерабатывать сопутствующую породы все в больших объемах и измельчать руду все тщательнее (зачастую фракция полезного компонента не превышает 20 мкм).

Мелющий шар практически полностью изнашивается  при эксплуатации  (износ до 0,5-2 кг/т) и, расходы на их приобретение составляют, по разным оценкам, от 15 до 35% от общих технологических затрат соответствующих  производств. В связи с этим повышение долговечности шара на протяжении последних десятилетий не теряет своей актуальности в мировой практике [2].

Условный диаметр шара, мм	Твердость  HRC ( HB), не менее, для групп
	1	2	3	4
	На поверхности шара				На глубине 1/2 радиуса шара
15 - 70	43 (401)	49 (461)	55 (534)	55 (534)	45 (415)
80 - 100	40 (352)	42 (375)	52 (495)	-	-
110 - 120	35 (302)	38 (331)	50 (477)
Примечание. Шары группы  4  предназначены для измельчения руд цветных металлов, цемента и огнеупоров

 

Основные производители шаров в СНГ:

Нижнетагильский МК – 33 %, Новокузнецкий МК – 19 %, Гурьевский МЗ – 23 %, а также ЗАО «Кронтиф», который производит 7 % (литых чугунных)  шаров. Остальные 18 % производимых в СНГ шаров приходятся на 12 металлургических предприятий.

 

Рисунок 2. Структура производителей мелющих шаров в СНГ

 

Для шаров, выпускаемых на предприятиях стран России и СНГ, актуальным является повышение поверхностной твердости при увеличении глубины залегания упрочненного слоя.  Для первичного грубого помола  руд необходимо использование крупных шаров диаметром 110-120 мм. Из таблицы 1 наглядно видно, что, качество их не соответствует требованиям производства. На этих диаметрах  4 группа твердости на поверхности и, тем более в середине шара не достигается. Качество катаного шара  по  ГОСТ 7524-89 отстаёт от мирового уровня по показателю поверхностной и объёмной твердости, но  не менее важным является его способность не раскалываться от соударений. Если имеются внутренние дефекты и не выдержан режим термического упрочнения, то шар быстро раскалывается и затем изнашивается.

По принятой на заводах СНГ технологии производства стальных катаных шаров, непосредственно после прокатки изделия подвергаются неполной закалке в воду с последующим самоотпуском.  При этом невозможно достигнуть сквозной прокаливаемости, толщина закаленного слоя (мартенситной скорлупы) не превышает 12-15мм, и твердость шара значительно снижается к центру. Кроме того, данная технология требует строгого температурного контроля - перекаленный продукт в мельнице может расколоться.

Стальные шары производятся на металлургических предприятиях Украины и России поперечно-винтовой прокаткой. На диаметрах 40-60 мм в твердость на поверхности в лучшем случае 55-62 HRC при глубине закалки 10-15 мм, а подавляющее количество крупных шаров (диаметром 100, 120 мм) имеют твердость не выше 40 HRC. С введением в действие барабанных закалочных устройств на комбинатах «Азовсталь» и НТМК появилась возможность изготавливать  катаные шары большого диаметра (80-120 мм) с твердостью на поверхности 50-57 HRC при глубине закалки 5-10 мм [3].

В настоящее время на Гурьевском металлургическом заводе освоен выпуск продукции из низколегированной хромистой стали, подвергаемой двухстадийной закалке. Закалка шаров происходит в два этапа в двух закалочных барабанах с промежуточной выдержкой на воздухе и последующим 8-часовым вылеживанием в специальных бункерах-термосах. В результате промежуточной выдержки на воздухе снижается градиент температур по сечению шара, уменьшаются закалочные напряжения. Легирование стали хромом повышает устойчивость переохлажденного аустенита, что существенно улучшает прокаливаемость. Сегодня ГМЗ стал практически единственным в СНГ производителем шаров 30—100 мм с регламентируемой твердостью по сечению изделия (4-й группы твердости), но на шарах диаметром 120 мм такого качества  не достигли.  На некоторых машиностроительных заводах шары изготавливаются ковкой и штамповкой. На Херсонском заводе карданных валов выпускают штампованные шары из стали 65Г различных типоразмеров, при этом шары диаметром 50-80 мм имеют на поверхности 60-63 HRC, а диаметром 90-100 мм  58-62 HRC [4]. Технология малопроизводительная и дорогая.

Повышение поверхностной и объемной твердости стальных шаров производства Украины и России достигается за счет применения сталей с более высоким (по сравнению с обычно применяемыми сталями 45, 60, 65Г, М76 и др.) уровнем прокаливаемости, а также за счет перехода от термоупрочнения с самоотпуском к закалке с отдельного нагрева и низкотемпературному печному отпуску. Состав таких сталей для шаров различного диаметра с разной глубиной закалки приведен в [5]. Дальнейшая перспектива в повышении износостойкости стальных мелющих шаров заключается в разработке и применении шаровых заэвтектоидных сталей. В шарах из таких сталей возможно достижение двух микроструктурных состояний, обеспечивающих более высокую износостойкость по сравнению с мартенситом отпуска:

1) металлическая матрица отпущенного мартенсита с равномерно распределенными зернистыми включениями вторичного цементита;

2) аустенитно-мартенситная без карбидная  или содержащая малое количество карбидов структура, в которой аустенит обладает регулируемой склонностью к мартенситному превращению при изнашивании. Этот тип микроструктуры более предпочтителен, поскольку обеспечивает шарам повышенное сопротивление растрескиванию при закалке и расколам при эксплуатации за счет присутствия вязкого аустенита.

Однако, достичь уровня качества стальных шаров Moly-Cop пока не удаётся.  На относительно небольших объёмах  производства затраты на  специальное микролегирование для повышения прокаливаемости   и,  на специальное технологическое оборудование для термообработки и получение объёмно закалённых шаров особо высокой прочности  становятся не рентабельными.

Эта проблема может быть решена за счет применения новейших литейных технологий и оборудования  для  производства  литых чугунных шаров. Примером такой технологии может являться наклонно-поворотная машина конструкции  БелНИИЛИТ.

Литые чугунные шары можно также  разделить на два класса.

 Первый  - высококачественные шары   с содержанием хрома 13—23% и со сквозной твердостью 62—64 HRC. Само по себе большое содержание хрома не гарантирует указанной твердости. Для ее достижения необходимо использование высокотехнологичных процессов. Мировой лидер в данном классе, бельгийская компания Magotteaux, выпускает около 320 тыс.т таких шаров в год на 16 заводах.. Стоимость этих  шаров сегодня превышает 1,1 тыс. евро за тонну на условиях EXW.

Второй -  шары из рядового чугуна,  привычные российскому потребителю. Твердость таких изделий при должном контроле качества может достигать на поверхности 50—52 HRC, но ударостойкость сравнительно низкая. Их основное конкурентное преимущество - дешевизна. Простота технологии производства  делает их весьма распространенными во многих развивающихся странах.

До последнего времени внутренний рынок России  оставался нетребовательным к качеству шаров. Но по мере развития интеграционных процессов с Западом, переход на использование высококачественных дорогих изделий с лучшими эксплуатационными свойствами видится неизбежным. Без улучшения качества отечественных шаров со временем их место займет импорт, и Россия попадет в зависимость от поставок этого стратегически важного ресурса.

По общему мнению, чугунные мелющие шары в связи с присутствием в структуре значительного количества карбидов обладают более высокой эксплуатационной стойкостью по сравнению со стальными шарами. Наиболее убедительно это показано на примере использования чугунных шаров в цементной промышленности, где эффект снижения удельного расхода по сравнению с коваными стальными шарами достигает 3-5 раз [6, 7]. Помимо меньшей потери массы, в чугунных шарах реализуется так называемый «зубчатый» эффект: направленное расположение кристаллов карбидов перпендикулярно к поверхности тела и их чередование с более мягкими прослойками матричной фазы, что создает специфическую шероховатость поверхности и улучшает измельчающий эффект за счет уменьшения проскальзывания между шарами и зернами размалываемого материалом. Чугунные шары отечественного производства, как правило, имеют относительно небольшие размеры. Это связано с трудностями получения массивных тел (шаров) без внутренних литейных дефектов, которые бы не раскалывались при ударах в мельницах первой стадии переработки. В то же время фирмы Западной Европы («Sosiedad Santa ana de Boluetta», «Bradlay and Foster», «Bragonzi» и другие) выпускают качественные мелющие чугунные шары диаметром до 100-125 мм включительно [8].

Таким образом, производство чугунных шаров в СНГ неизбежно будет развиваться по пути создания и применения технологий, обеспечивающих получение тел большого диаметра (100-120 мм) с плотной макроструктурой, обеспечивающей им высокую стойкость к расколом. Ударостойкость литых шаров может быть повышена введением в жидкий чугун дисперсных порошков тугоплавких соединений, частично или полностью устраняющим транскристаллитную структуру [9].  Обработка расплава комплексными модификаторами позволяет создавать в шарах структуру половинчатого чугуна с присутствием в центре отливки включений шаровидного графита, демпфирующих ударные нагрузки.  Широкое внедрение технологий производства  литых шаров повышенного качества в производство и использование этой продукции у потребителей обусловлено действием ряда экономических предпосылок.

В последние годы производство стальных шаров на металлургических предприятиях-гигантах утратило свою утилизационную направленность как в связи с уменьшением объемов отбракованного металла, так и по причине экономической привлекательности и рентабельности выпуска  шаров европейского  качества.  Также немаловажным аргументом в пользу применения более современных технологий производства мелющих шаров  является повышение  тарифов на электроэнергию и обеднение имеющихся руд. Более высокое качество шаров существенно снижает затраты на электроэнергию, до 20% и повышает качество размола сырья.

Потребитель, применяя более качественные мелющих шаров, преследуют, прежде всего, цель снижения себестоимости своего основного производства. Эта цель достигается разными путями. Во-первых, за счет повышения эксплуатационной долговечности мелющих шаров  обеспечивается снижение их удельного расхода на тонну готового продукта; что автоматически снижает расходы, связанные как с приобретением новых шаров, так и с их транспортировкой, складированием и загрузкой в мельницы. Так, про­веденные на Центральном ГОКе (г.Кривой Рог) испытания азовстальских шаров диаметром 120 мм 3-й группы твердости (477-520 НВ) в мельнице 1-й стадии измельчения показали снижение их удельного расхода на тонну готового концентрата на 11,4 % по сравнению с шарами 2-й группы твердости (365-388 НВ) [3]. Аналогичные испытания на ЮГОКе и ГОКе «Миттал Стил» зафиксировали снижение удельного расхода шаров на 9,5 % и 5,7 % соответственно. Прямое снижение расходов наблюдается и в том случае, когда при одинаковой стойкости стальных и чугунных шаров  затраты на приобретение последних оказываются ниже вследствие меньшей себестоимости и цены литых шаров [10].Непрямые выгоды для потребителей от применения более качественных шаров  заключаются в увеличении производительности помола (росте процента выхода фракции определенного класса). Например, вышеназванные испытания шаров диаметром 120 мм 3-й группы ДСТУ 3499 в условиях ЦГОК показали, что выход класса минус 0,074 мм возрос на 1,8 %, а производительность мельницы по вновь образованному классу минус 0,074 мм увеличилась на 13,3 %. Параллельно снижается удельный вес энергозатрат в себестоимости операции измельчения. При увеличениии твердости мелющих шаров диаметром 120 мм с 25-30 HRC до 50-60 HRC в условиях Алмалыкского ГМК зафиксировано уменьшение удельного потребления электроэнергии на 0,41 кВтч на тонну пере­работанной медной руды [11].Дополнительным фактором, стимулирующим горно-обогатительные предприятия к использованию высококачественных МТ, является рост извлекаемости полезного компонента из руды. Это происходит за счет лучшей раскрываемости сростков минералов, содержащих как полезный компонент, так и пустую породу. В цементной промышленности применение более долговечных литых чугунных шаров  позволяет переходить на выпуск цемента повышенного класса прочности в связи со снижением содержания железосодержащих частиц износа в продуктах помола цементных мельниц.

 Каждое рудное месторождение имеет свои индивидуальные особенности материала (прочность, измельчаемость, абразивность, состав пульпы и прочее), что необходимо учитывать при его переработке. Тенденция возрастающих трудностей в добыче полезных ископаемых и все большего вовлечения в переработку бедных мелковкрапленных руд будет диктовать потребителям необходимость использования более качественных мелющих шаров и, соответственно, экономически стимулировать производителей к внедрению современных технологий получения данной продукции.  В этих условиях производство и использование литых чугунных шаров в сравнении с катаными становится более выгодным, как по рентабельности производства, так и по эффекту использования у потребителя, что отражается на конкурентоспособности и рыночной цене этих изделий.

В заключении следует отметить, что в настоящее время в СНГ идет проработка нескольких проектов создания предприятий по выпуску мелющих шаров. Объём производства планируется от 15 до 70 тыс. тонн в год при номенклатуре по диаметрам от 20 до 120 мм. Использование традиционного подхода получения катаных стальных шаров в таком диапазоне вызывает необходимость разливки непрерывнолитой заготовки сечением не менее 200х220мм (для шаров диаметром 100-120 мм), прокатку заготовки на реверсивном стане  с диаметром валков не ниже 850 мм и далее на сортовом стане для получения  проката диаметром 25- 124 мм. Далее, требуется установка трех  клетей поперечно-винтовой прокатки катающих шары в диапазоне  диаметров 20-60 мм, 40-100 мм и 80 -125мм конструкции АКХ «ВНИИМЕТМАШ».

В одном из проектов строительства мини-завода для производства 30 тыс. тонн мелющих шаров диаметром 20-120мм нами было принято решение ограничиться разливкой заготовки на МНЛЗ на сечение 150х150мм, установить стан горячей прокатки для получения подката для шаров диаметром от 22 до 124 мм.   Шары диаметром от 20 до 90 мм катать на одном универсальном стане поперечно-винтовой прокатки, а шары диаметром 100-120 мм отливать из чугуна на наклонно-поворотной машине. Это проектное решение позволяет снизить расчетные капитальные затраты на оборудование: по  МНЛЗ на 22%, по прокатным станам на 41%. Затраты на сквозной передел при производстве шаров диаметром в диапазоне 20-120 мм при использовании вышеописанной технологии снижается не менее чем  20%.

 

Список литературы

1.Краеугольный шар экономики /Зутлер И. А. //Металлоснабжение и сбыт. -2006, - №5,- C 50-55

2.Экономические предпосылки использования мелющих тел повышенного качества и технологические аспекты их производства. /Ефременко В.Г., Ткаченко Ф.К., Вознюк А. В., Танчак Е.С. //Восточно-Европейский журнал передовых технологий.- 2007,-1/1 (25), - С.22-26.

3.Опыт освоения комбинатами « Азовсталь» технологии производства катаных мелющих шаров диаметром 120мм с твердостью по 3-й группе прочности ДСТУ 3499/ В. Г. Ефременко, И. В. Ганошенко, Ф. К. Ткаченко и др. // Металлургические процессы и оборудование, 2006 г. - № 3. - С. 25- 28.

4. Освоение  производства штампованных мелющих шаров диаметром 100 мм повышенной твердости / В. Н. Агафонов, В. Г. Ефременко, Ю. А. Смолиенко и др. / / Металл и литье Украины. - 2005. - № 1-2.-С. 43-44.

5.Управление качеством продукции шаропрокатного производства и расширение ее сортамента на ОАО МК «Азовсталь» / И. В. Ганошенко, В. Г. Ефременко, С. И. Дегтярев и др. / Металл и литье Украины. - 2003. - № 7-8. - с. 50-55.

6.Цыпин И. И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. - М.: Металлургия, 1983. - 176 с.

7.Владимирова А. А., Удовиков В. И., Косогонова Э. А. Применение высокохромистых чугунов для изготовления мелющих шаров // Литейное производство. - 1991. - № 8. - С. 31-32.

8.Производство литых мелющих тел за рубежом / Д. К. Нестеров, А. Н. Клименко, В. И. Удовиков и др. // БНТИ «Черная металлургия». - 1986. - № 10. - С. 22-23.

9. Турина Т. В., Шкарупа И. Л., Лезник И. Д. Модифицирование чугунных мелющих шаров тонкодисперсными порошками оксидов алюминия // Сталь. - 2003. - № 5. - С. 76-78.

10.Исследование качественных характеристик чугунных мелющих тел, производимых на Макеевском литейном заводе / А. А. Троянский, А. В. Мельник, А. И. Ярмоленко и др. // Теория и практика металлургии. - 2003. - № 4. - С. 3-8.

11.Эффективность применения стальных мелющих шаров повышенной твердости при измельчении медных порфировых руд / Н. В. Бессонникова, В. М. Вайсберг, А. В. Кирюшин и др. // Обогащение руд. -1990. - № 1.- С. 7-9.