기계적 마모는 다양한 측면과 관련이 있으며, 그중 연마 마모는 전체 산업 마모의 50% 이상을 차지합니다. 독일과 영국과 같은 국가에서는 연마 마모로 인해 매년 수십억 달러의 손실을 겪고 있으며, 호주에서는 광산 업계가 연마 마모로 인해 매년 광물 제품 판매 수익의 2%를 손실하고 있습니다. 이러한 연마 마모의 상당 부분은 볼밀 라이너에서 발생합니다. 이 문제를 해결하는 데는 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다. 첫째, 재료의 내마모성을 향상시키는 것입니다. 둘째, 공정 최적화를 통해 마모 환경을 개선합니다. 본 연구는 주로 물질적 측면에 초점을 맞추고 있다.
볼밀에 사용되는 전통적인 재료 ZGMn13:
ZGMn13은 1882년 Hadfield가 발명한 고-망간강입니다. 이는 강철에 Mn을 약 13% 첨가하여 만들어지며, Mn의 특성을 활용하여 강철 S-곡선의 "노즈"를 오른쪽으로 이동시키고 Ms 및 Mf 선을 낮춥니다. 완전 오스테나이트 구조는 1000{13}}1050도에서 장기간 유지한 후 강제 냉각을 통해 얻어집니다. 이 완전 오스테나이트 구조는 가공 경화 특성을 나타냅니다. 볼밀 라이너로 사용하는 목적은 연삭 볼과 연마재가 라이너에 미치는 영향을 통해 가공 경화를 달성하는 것입니다. 그러나 볼밀의 작동 중에 연삭볼과 연마재는 실린더의 회전에 의해 높은 지점으로 운반된 후 캐스케이드로 낙하하게 됩니다. 높은 곳에서 떨어지는 연삭 볼과 연마재는 재료 더미 바닥에 있는 연삭 볼과 연마재에 직접적으로 영향을 미칠 뿐이고, 연삭 볼과 연마재가 쌓인 층을 통해 라이너에 간접적으로 영향을 미칩니다. 이로 인해 충격 강도가 낮아지고 가공 경화가 덜 심각해집니다. 실제 경험에 따르면 발전소 석탄 공장에서 오스테나이트계 고-망간강의 가공 경화 경도는 HB230~250이고, 광석 가공 공장에서는 고망간강의 가공 경화 한계인 HB500보다 훨씬 낮은 HB300을 초과하지 않습니다.- 따라서 볼밀 라이너 제조에 고{23}}망간강을 사용하는 것은 고망간강의 내마모 특성을 활용하지 못하기 때문에 부적절합니다.
라이너 소재 개발 현황
볼밀 라이너에 ZGMn13 소재를 부적절하게 적용한 점을 고려하여 전 세계 야금학자들은 1960년대부터 새로운 라이너 소재를 연구해 왔으며 많은 결과를 얻었습니다.
(1) ZGMn13의 새로운 발전
연구원들은 (FeCr)3C 및 VC와 같은 안정적이고 분산된 입상 및 섬-모양의 고-경도 합금 탄화물을 형성하기 위해 Cr, Mo 및 V와 같은 원소를 추가하여 ZGMn13을 개선했습니다. 이는 물 담금질 처리 시 오스테나이트 결정립의 성장을 방해하여 탄화물 경점이 분산된 오스테나이트 조직을 형성함으로써 소재의 가공 경화 능력 및 경화 효과를 향상시킵니다.
미국은 Cr 함량이 1.5%~2.5%인 표준 주조 고{0}}망간강(C 등급)과 Mo 함량이 0.9%~1.2% 또는 1.8%~2.1%인 표준 주조 고{3}}망간강(E-1 및 E-2 등급)을 생산합니다.
일본은 1.5%~2.5% Cr의 표준 주조 고{0}}망간강(등급 SCMnH11)과 2.0%~3.0% Cr 및 0.4%~0.7% V의 표준 주조 고{4}}망간강(등급 SCMnH12)을 생산합니다. 내몽골 주조단조연구소에서는 Cr이 1.5%~2.5%인 고-망간강을 함유한 크롬-을 개발하고, 용강을 희토류 원소로 처리했습니다. 고-망간강을 함유한 크롬-의 표면층(0.01mm)은 볼밀에서 가공 경화 후 HB390의 경도에 도달할 수 있습니다. 이는 일반 고{21}}망간강의 1.5배이며, 수명은 일반 고{24}}망간강보다 1.5~2배 더 깁니다.
(2) 합금 백주철
① 15Cr-3Mo 백주철 및 그 개발. 고-망간강 라이너의 가장 대표적인 대체 재료는 15% Cr + 3% Mo를 함유한 마르텐사이트 백주철입니다. 이 재료는 불연속 공융철-크롬 탄화물(Cr, Fe)7C3과 크롬{21}}이 풍부한 2차 탄화물이 마르텐사이트 매트릭스에 분포되어 있으며, 탄화물은 전체 부피의 약 40%~50%를 차지합니다. 이러한 크롬 탄화물은 HV1200-1800 이상의 매우 높은 경도를 갖고 있어 일반 연마재의 마모에 충분히 견딜 수 있습니다. 그러나 마르텐사이트 매트릭스의 경도는 HRC50 정도인데, 이는 일부 연마재보다 부드럽고 마모되어 탄화물을 제거할 가능성이 있습니다. 따라서 탄화물의 뛰어난 내마모성은 부분적으로만 활용됩니다. 하얼빈 공과대학은 또한 15Cr-3Mo 고크롬 백주철의 성능을 개선하기 위한 광범위한 작업을 수행했습니다. 그들은 K, Na, Mg 및 Ca의 염과 합금을 사용하여 15Cr-3Mo 주철에 스프레이 변형 처리를 수행하여 탄화물의 원래 네트워크 분포를 제거하고 탄화물이 벌레 모양 또는 덩어리처럼 보이도록 만드는 동시에 탄화물의 크기를 줄였습니다. 이는 재료의 인성과 내마모성을 크게 향상시켰습니다. 연구에 따르면 다양한 변형 요소로 처리된 15Cr-3Mo 고크롬 백주철의 마모율은 처리되지 않은 재료의 마모율보다 낮습니다. 구체적으로, 칼륨 변성 15Cr-3Mo 고크롬 백주철의 평균 마모율은 미처리재에 비해 63.2% 낮았고, 최적용액의 마모율은 미처리재에 비해 74.4% 낮았다.
② Cu-합금 백주철이 함유되어 있습니다. Shandong Xinwen Tool Factory에서 성공적으로 개발한 이 합금 백주철은 주조 전 변형 및 접종을 위해 1.0% Cu 및 0.9% 희토류 규소철 합금을 첨가한 후 950도 노멀라이징 및 600도 템퍼링 처리를 거쳐 분산되고 미세하며 균일하게 분포된 탄화물을 생성합니다. 기계 테스트에 따르면 L1.83m × 6.4m 시멘트 공장에서 희토류 Cu-함유 합금 백주철 라이너의 상대적 내마모성은 고-망간강 라이너의 상대적 내마모성보다 2.4배 높은 것으로 나타났습니다. (3) 중저합금강
합금 원소가 첨가된 고{0}}망간강 또는 합금 백주철 볼밀 라이너는 일반 고-망간강 라이너에 비해 크게 향상된 내마모성을 나타내지만, 이러한 재료는 Cr, Ni, Mo 등의 귀금속이 다량 포함되어 있어 가격이 더 높으며, 생산 및 사용 중에 균열이 발생하거나 심지어 파손되기 쉽습니다. 이러한 이유를 바탕으로 중국의 야금학자와 주조 공장 근로자들은 우리나라의 특수한 상황을 고려하여 볼밀 라이너에 중저합금강을 사용하는 연구를 시작했으며 고무적인 결과를 얻었습니다.
① Cr, Mo, Cu 중-저탄소-합금 내마모성-강. 심양 공과대학에서 개발한 희토류 원소로 처리된 Cr, Mo, Cu를 함유한 중-저탄소-내마모 합금-강은 950도에서 공기 담금질 및 250도에서 뜨임 처리 후 HRC50 이상의 경도와 25{12}}60 J/cm²의 충격 값을 달성했습니다. 그 매트릭스는 템퍼링된 마르텐사이트이며, 주사 전자 현미경으로 라스- 모양의 마르텐사이트 묶음 구조가 밝혀졌습니다. 고배율 투과전자현미경 하에서 구조는 전위 마르텐사이트와 소량의 쌍정 마르텐사이트가 혼합되어 있고 불연속적인 얇은 필름-이 마르텐사이트 라스 사이에 분포된 잔류 오스테나이트와 같은 것을 명확하게 보여줍니다. 오스테나이트의 이러한 모양과 분포는 강철의 충격 인성과 상대적 내마모성을 향상시켰습니다. 다양한 충격 에너지 하에서 이 강철의 내마모성은 고망간강과 뚜렷한 대조를 보였습니다.
충격에너지가 증가함에 따라 고{0}}망간강의 충격마모성은 크게 향상되는 반면, 새로 개발된 Cr, Mo, Cu강의 내마모성은 감소했습니다. 그러나 비교시험에서 선정된 모든 충격에너지 조건에서 신강의 내마모성은 고{2}}망간강보다 높았다. 허베이성 첸안 철광산의 L1.83m×3m 볼밀에 사용된 이 소재의 라이너는 수명이 10~12개월인 반면, ZGMn13 라이너의 수명은 3~5개월에 불과했습니다.
② Cr-Mo-V-Ti 중-탄소 다원소 합금강-. 허페이 시멘트 연구소에서 개발한 Cr, Mo 및 미량의 V, Ti, Nb를 함유한 중-탄소 다원소 합금강은 희토류(RE) 처리 및 비열 처리 후 탄화물 경질상이 분산된 템퍼링 마르텐사이트 + 소량의 하부 베이나이트 매트릭스를 얻습니다. 테스트에 따르면 이러한 유형의 라이너는 경도가 높고 내마모성이 우수하며 충격 인성과 굽힘 강도가 높고 수명이 일반 고{10}}망간강보다 3배 이상 긴 것으로 나타났습니다. 이는 Huaihai 시멘트 공장(L4.2m×12m), Kunming 시멘트 공장(L3.5m×11m) 및 Sichuan Dukou 시멘트 공장(L2.2m×13m)의 분쇄기에 사용되었으며, 첫 번째 챔버에서 평균 마모율은 3.16g/t, 두 번째 챔버에서는 1.53g/t입니다. 고-망간강 라이너의 평균 마모율은 시멘트 1톤당 13g입니다.
③ 고-탄소 중-크롬 합금강. 4.5%~5.5% Cr과 0.3%~0.7% Mo를 함유하고 RE 접종으로 처리된 또 다른 고{3}}탄소-크롬 합금강 라이너(역시 허페이 시멘트 연구 및 설계 연구소에서 개발)가 시멘트 볼 밀에 성공적으로 적용되었습니다.
④ Cr-Ti 중-망간강. 5.5%~8.0% Mn, 1.5%~2.0% Cr, 0.05%~0.1% Ti를 함유하고 0.02%~0.05% RE로 처리된 중-망간강은 1100±30도에서 물 담금질을 통해 일반 고{12}}망간강보다 입자가 미세한 단일 오스테나이트 조직을 얻었습니다. 이 소재로 제작된 라이너는 통화 철강 공장의 반시고우 철광산과 통화 구리 광산의 볼 밀에서 좋은 결과를 얻었습니다. 자철석 광석을 분쇄할 때 상대적인 내마모성은 고-망간강의 1.64배입니다. 구리광석을 분쇄할 경우 고{20}망간강의 1.48배입니다. 이 소재의 내마모성이 향상된 주된 이유는 일반 고-망간강에 비해 볼밀에서의 가공 경화 성능이 더 우수하기 때문입니다.
⑤ Cr-Mo 다-상 저-합금강. 연구된 다상 저-합금 내마모-강 라이너(3% Cr 및 0.4% Mo 포함)를 등온 담금질 열처리하여 베이나이트 + 마르텐사이트 + 잔류 오스테나이트 미세 구조를 얻었습니다. 이 소재는 인성과 경도가 높아 충격, 피로, 변형, 마모에 대한 저항성이 뛰어납니다. 현장 적용에 따르면 이 라이너는 일반 고{14}}망간강보다 사용 수명이 1~2배 더 긴 것으로 나타났습니다.
