CC BY
32И.Э. Лановенко, В.Ю. Рубцов, К.Н. Шведов, И.К. Галимьянов
АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»
СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЯ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ НА УДАРНУЮ СТОЙКОСТЬ
Аннотация. Представлены три способа испытания мелющих шаров на ударную стойкость: испытание мелющего шара падающим на него грузом, испытание 2-х соударяющихся между собой мелющих шаров, с использованием установки ударного молота, испытание с многократным падением мелющего шара на стационарно установленные шары. Определены качественные характеристики по суммарной энергии при испытании каждого шара. Анализ показал, что каждый из описанных методов будет приемлем для определенных целей: наиболее производительным из представленных способов является испытание на ударном молоте с соударением между собой двух шаров, где за минимальное время испытания можно получить максимальную энергию удара, а наиболее приближенным к реальному процессу работы мелющего шара является метод испытания со свободным падением шара, однако время проведения такого способа испытания может составлять более суток.
Ключевые слова: мелющий шар, копер ударного типа, установка для испытания, ударная стойкость, энергия удара, разрушение шаров.
Введение. Постановка целей и задач
За последние годы с увеличением добычи руд, как черных, так и цветных металлов существенно расширился российский рынок потребления мелющих шаров, предназначенных для измельчения породы в шаровых мельницах. В зависимости от типа руды, характера измельчения применяются различные типы шаровых мельниц [1, 2]. При этом есть два основных варианта вращения барабана: с быстрой скоростью - водопадный способ; с низкой скоростью - каскадный способ. Для каскадного способа характерно разрушение, происходящее истиранием, возникающее вследствие возникновения трения между мелющими телами и материалом [3]. При водопадном способе мелющие шары падают с высоты, тем самым раздавливая и измельчая материал. Соответственно качество мелющих шаров, кроме группы твердости, которая регламентирована государственным стандартом [4], для первого случая будут характеризоваться устойчивостью к истиранию, во втором случае устойчивостью к разрушению. Для первого типа в большей мере твердость будет характеризовать абразивную стойкость, в качестве детального анализа иногда применяются методики изготовления образцов и испытания их на установках абразивного износа. Для второго случая используют копровые испытания. При определении ударной вязкости из шара вырезают образец (рис. 1) и на маятниковом копре производят испытания согласно ГОСТ 9454-78 [5].
Рис. 1. Схема вырезки образцов из шара 0120 мм Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2021. Выпуск 19-
Но так как ГОСТ 7524-2015 [4], не регламентирует обязательное проведение испытаний на ударную вязкость, то наиболее рационально признано проводить испытания на ударную стойкость шаров целиком, без предварительной подготовки образцов, по методикам, разработанным предприятиями изготовителями мелющих шаров.
В данной статье будут рассмотрены основные способы испытания на ударную стойкость мелющих шаров и оборудование, применяемое для этого.
Методики исследований мелющих шаров на ударную стойкость
Общепринято, что ударная стойкость мелющих шаров характеризуется циклом испытаний, воспринимаемых допустимую суммарную энергию удара. В связи с этим для каждого диаметра шара определяется допустимая энергия удара, которую он должен воспринять без разрушения, для подтверждения своих дальнейших эксплуатационных свойств.
Один из существующих на сегодняшний день методов основан на воздействии на шар свободно падающим грузом (бабой с бойком) определенной массы и высоты [6]. Установка для испытания падающем грузом, используемая на АО «ЕВРАЗ-НТМК» в условиях шаро-прокатного участка крупносортного цеха, изображена на рис. 2.
Рис. 2. Копер для испытания мелющих шаров падающим грузом
Для проведения испытаний на данной установке от партии отбирается по пять шаров из различных мест партии. Каждый шар устанавливается в обойму соответствующего диаметра и глубины нижнего бойка шабота и испытывается падающим бойком. Вертикально падающий груз поднимается на заданную высоту и сбрасывается на шар. Высота подъема груза и количество ударов устанавливаются в зависимости от диаметра шара. Количество ударов задаётся контроллером. Суммарная энергия при испытании каждого шара зависит от высоты подъема груза и количества ударов и должна соответствовать требуемой энергии удара.
Энергия одного удара свободно падающим грузом определяется по формуле:
Еед = , (1)
где т - масса бойка с падающей бабой, кг; g = 9,806 м / с2 (ускорение свободного падения); к - высота подъема груза, м.
Суммарная энергия удара определяется по формуле:
(2)
Е = Еед
П ,
где п - количество ударов, осуществляемых при испытании.
К примеру, при массе груза (бойка с бабой) равном 60 кг и падении его с высоты 2,5 м, которые применяются при испытании шара 0120 мм, для достижения суммарной энергии удара 23,5 кДж, производится 16 ударов. К достоинствам проведения испытаний можно отнести относительно быстрый цикл проведения комплекса испытаний. Проведение испытаний на такой установке для пяти шаров от партии занимает не более двух часов, для наиболее нагруженного шара 0120 мм.
В процессе испытаний возможный раскол даже одного из пяти шаров, являются признаком несоответствия, после чего партия шаров назначается на повторное испытание. При повторном получения разрушения или образования видимых трещин на шарах после повторного испытания партия бракуется, несмотря на то, что раскол не является браковочным признаком согласно ГОСТ 7524-2015 [4].
После запуска в 2018 году на АО «ЕВРАЗ-НТМК» шаропрокатного стана 60-120 [7], для производства объемно-закаленных мелющих шаров, характеризуемых пятой группой твердости и объемной прокаливаемостью, к данным шарам стали предъявляться повышенные требования к отсутствию раскола, т.к. мартенситная структура по всему объему шара должна удовлетворять механическим и эксплуатационным свойствам [8]. В связи с этим появилась необходимость в разработке установки, где суммарная энергия удара будет достигать значений 1 МДж энергии. Разработана испытательная установка, в основе которой был использован гидравлический молот. Метод направлен на комплексное испытание двух шаров, многократно соударяющихся между собой на протяжении всего времени испытания. В процессе испытания один шар находится в гнезде нижнего стационарного удерживающего устройства, а второй шар находится в гнезде верхнего подвижного удерживающего устройства, которое приводится в движение непосредственно гидравлическим плунжером (рис. 3).
Рис. 3. Молот для комплексного испытания двух мелющих шаров
Подвижное устройство с закрепленным в нем шаром поднимается на заданную высоту и затем опускается, происходит соударение верхнего и нижнего шаров. Цикл процесса в данной установке повторяется с частотой от 60 до 450 ударов в минуту [9].
В данном методе испытаний отбирают четыре шара из разных мест партии. И попарно соударяют по два шара [10].
Для данного метода суммарная энергия за одну минуту работы молота определяется по формуле:
где t - время проведения испытаний, мин.
Например, продолжительность испытания двух взаимно соударяющихся шаров 0120 мм для получения 1176 кДж суммарной энергии удара занимает 25 минут, что для партии шаров составит не более часа.
В отличие от первого способа, при испытании падающим грузом, использование данного метода позволило не только получить имитацию соударения шаров, при работе в шаровых мельницах при измельчении руд и прочих материалов, при помощи многократного взаимного соударения пары шаров, но и получить максимальную скорость проведения испытания, при большей воспринимаемой суммарной энергии удара.
Также существует способ испытания шаров предполагающий падение самого шара с высоты на термообработанную пластину, либо на стационарно зафиксированные в установке шары. Данный способ максимально приближен к реальным условиям, как это происходит в шаровых мельницах. Установка представляет собой транспортер поднимающий шар на заданную высоту, а затем свободно падающий и после соударения, скатывающийся по желобу обратно на транспортер (рис. 4).
ЕХмин = Еуд п ,
где Еуд - энергия одного удара, Дж; п - число ударов в минуту. Суммарная энергия удара определяется по формуле:
Е = ЕТмин 1,
(3)
(4)
Рис. 4. Установка для испытания падающим шаром [11]
При таком испытании суммарная энергия будет рассчитываться по формулам (1, 2), где массой груза будет являться масса самого шара [11].
Для примера на установке М^ек (ЮАР) [11], при испытании шаров производится 2000 падений с высоты 3,4 м. При таком испытании шара 0120 мм, суммарная энергия удара составит 593 кДж, однако время испытания составляет более 24 часов. Время испытания большего числа образцов из партии займет несколько суток.
Выводы
1. В статье представлены три методики испытания мелющих шаров на ударную стойкость, которые характерны для мелющих шаров, используемых на мельницах с водопадным способом работы, где шары испытывают ударную нагрузку: испытание мелющего шара падающим на него грузом; испытание двух соударяющихся между собой мелющих шаров, с использованием установки ударного молота; испытание мелющего шара при многократном свободном падении на стационарно установленные шары.
2. Наиболее производительным из представленных способов является установка на ударном молоте с соударением между собой двух шаров, где за минимальное время испытания можно получить максимальную энергию удара.
3. Наиболее приближенным к реальному процессу работы мелющего шара является метод испытания со свободным падением шара, однако время проведения такого способа испытания может составлять более суток.
4. Дальнейшей областью исследований является создание такой системы или комплекса методик испытаний, которые помогут производить испытания мелющих шаров на ударную стойкость как максимально приближенно к реальным условиям, так и эффективно, например, с возможностью испытания одновременно нескольких шаров из партии.
Библиографический список
1. Михеев Д.Ю., Шестаков Ю.Г., Шапошников Д.А. Шаровые барабанные мельницы // В сборнике: XII Международный молодежный форум «Образование. Наука. Производство». Белгород, 2020. С. 1356-1361.
2. Дэвис Э.В. Тонкое измельчение в шаровых мельницах // Сб. ин-та «Механобр». Теория и практика дробления и тонкого измельчения. М.: ГОСтехиздат, 1932. С. 194-234.
3. Борщев В.Я. Оборудование, для измельчения материалов: дробилки и мельницы. Учебное пособие. Тамбов: Издательство Тамбовского Технического Университета, 2004. 75 с.
4. ГОСТ 7524-2015 Шары мелющие стальные для шаровых мельниц. М.: Стандартин-форм, 2016. 8 с.
5. ГОСТ 9454-78 Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. М.: Издательство стандартов, 1994. 9 с.
6. МИ 102-142-266-2020 Методика испытаний. Шары стальные мелющие. Определение ударной стойкости (д.с.п.). Нижний Тагил: АО «ЕВРАЗ НТМК», 2020. 5 с.
7. Новый шаропрокатный стан ЕВРАЗ НТМК - новые возможности для потребителей / К.А. Улегин [и др.] // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации, 2020. Т. 76. №6. С. 602-608.
8. Шведов К.Н., Галимьянов И.К., Казаковцев М.А. Получение мелющих шаров с высокой поверхностной и нормированной объемной твердостью // Металлург, 2020. №6. С. 15-21.
9. Способ испытания мелющих шаров на ударную стойкость: пат 2759709 Рос. Федерация: МПК51 G01M 7/08; G01N 3/34 / П.А. Зажигаев [и др.]; заявитель и патентообладатель Акционерное общество Нижнетагильский металлургический комбинат (АО ЕВРАЗ НТМК), №2020142166; заявл. 20.12.2020; опубл. 17.11.2021, Бюл. №32. 11 с.
10. МИ 102-142-355-2019 Методика испытаний. Шары стальные мелющие. Определение ударной стойкости на участке ШПС РБЦ (д.с.п.). Нижний Тагил: АО «ЕВРАЗ НТМК», 2019. 5 с.
11. Moema J.S., Papo M.J., Slabbert G.A., Zimba J. Grinding media quality assurance for the comminution of gold ores // World Gold Conference 2009, The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2009. P. 27-34.
•- INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•
I.J. Lanovenko, V.Yu. Rubtsov, K.N. Shvedov, I.K. Galimyanov
EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant
METHODS TESTING OF GRINDING BALLS FOR IMPACT RESISTANCE
Abstract. Three methods of testing grinding balls for impact resistance are presented: testing a grinding ball with a load falling on it, testing 2 grinding balls colliding with each other, using an impact hammer installation, testing with multiple falling of a grinding ball on stationary balls. The qualitative characteristics of the total energy during the testing of each ball are determined. The analysis showed that each of the described methods will be acceptable for certain purposes. The most productive of the presented methods is test on hammer with collision between two balls, where the maximum impact energy can be obtained in the minimum test time. The test method with free fall of ball is the closest to real process of grinding ball, however, time of such test method can be more than day.
Keywords: grinding ball, impact pile driver, test rig, impact resistance, impact energy, fracture of balls.
