Как абразивный износ, ударные нагрузки и температура взаимодействуют в реальных условиях применения износостойких пластин

Компания Противоизносная плита Триада: почему абразия, удары и тепло синергетически ускоряют разрушение

Одновременное воздействие в системах транспортировки сыпучих материалов

Пластины износа в местах, таких как загрузочные отверстия цементных печей и переходы конвейеров на горнодобывающих предприятиях, сталкиваются одновременно с тремя основными проблемами. Во-первых, постоянное истирание абразивными частицами, во-вторых — повторяющиеся удары, разрушающие структуру материала, и всё это при температурах свыше 650 градусов Цельсия. Когда эти факторы действуют совместно, а не по отдельности, они вызывают повреждения, превосходящие обычный износ. Возьмём, к примеру, циклы нагрева и охлаждения. По мере того как металлы расширяются и сжимаются при изменении температуры, мелкие абразивные частицы проникают глубже в поверхность, усиливая разрушительное воздействие каждого последующего удара. Исследования из цементной отрасли показывают, что оборудование, работающее в условиях таких комбинированных нагрузок, выходит из строя примерно в три раза быстрее, чем предсказывают стандартные модели. Такой ускоренный износ напрямую влияет на графики технического обслуживания и эксплуатационные расходы в тяжёлых отраслях промышленности.

За пределами аддитивных моделей: количественная оценка синергетического ускорения износа

Традиционные оценки долговечности недооценивают риски отказа, рассматривая абразивный износ, удары и нагрев как независимые переменные. Данные из реальных условий эксплуатации показывают мультипликативное взаимодействие:

• Термическое размягчение при температуре свыше 400 °C снижает твердость стали на 35 %, ускоряя потерю материала вследствие трения частиц
• Ударные повреждения создают микротрещины, которые удерживают абразивные частицы, формируя локализованные зоны износа
• Циклическое нагревание/охлаждение способствует распространению трещин напряжения, возникающих под действием механических ударов
  Это синергетическое воздействие объясняет, почему пластины износостойкой стали, рассчитанные на 24 месяца в лабораторных условиях, служат всего 14 месяцев в панелях охладителей агломерата. Решения требуют многослойной конструкции, сочетающей поверхности, обогащённые карбидами, для стойкости к абразивному износу, с термостойкими основами, сохраняющими пластичность.

Реакция материала износостойкой пластины: деградация микроструктуры под совместным воздействием нагрузок

Фрагментация карбидов и переход аустенита в другие фазы при термоударных циклах

Постоянные колебания температуры со временем оказывают разрушительное воздействие на микроструктуру износостойких пластин. Когда компоненты подвергаются циклам нагрева и охлаждения, термический удар вызывает появление мелких трещин непосредственно вокруг основных карбидов в материале. Далее происходит еще более разрушительный процесс — при ударных нагрузках эти микротрещины распространяются, разрушая хрупкие карбиды на мелкие фрагменты. В то же время, нагрев выше примерно 400 градусов Цельсия приводит к проблемам в мартенситной матричной структуре, в результате чего она теряет около 15 единиц по шкале твёрдости Роквелла. Совместное действие этих двух факторов приводит к участкам, которые изнашиваются значительно быстрее. Испытания в реальных условиях показывают, что детали, подверженные такому термическому воздействию, изнашиваются примерно на две трети быстрее по сравнению с теми, которые испытывают только обычное абразивное воздействие.

Компромиссы по твёрдости: сохранение целостности поверхности против прочности основы

Поиск правильного баланса между уровнями твердости остается одной из главных задач для инженеров-материаловедов, работающих с износостойкими плитами, которым необходимо служить долго. Когда твердость поверхности превышает 550 HV, это предотвращает образование абразивных борозд, однако достигается это ценой повышения хрупкости материала. В результате, при ударных нагрузках трещины легко распространяются через закаленный слой вплоть до основного материала. С другой стороны, материалы с твердостью основы ниже 350 HV лучше выдерживают удары, поскольку способны поглощать часть ударной энергии, однако более мягкие поверхности быстрее изнашиваются от абразивного воздействия. Практические испытания показывают, что оптимальные результаты достигаются при поверхностной твердости около 480–520 HV в сочетании с ударной вязкостью по Шарпи в подложке примерно 40–45 Дж. Эта золотая середина формирует так называемую зону двойных свойств, которая препятствует скалыванию (выкрашиванию) и предотвращает постоянные деформации формы (пластические деформации). Превышение этого диапазона и переход к чрезмерно твердым материалам сокращает ударную вязкость почти вдвое, что в конечном итоге снижает общую стойкость системы к износу со временем.

Опасные промышленные среды, вызывающие повреждение износостойких пластин

Загрузочные желоба цементной обжиговой печи: совместное воздействие тепла и абразивного износа, приводящее к преждевременному выходу из строя в 68% случаев

Входные желоба в цементных печах относятся к наиболее тяжелым участкам в работе установки. Температура здесь часто превышает 800 градусов Цельсия, в то время как сырьевая смесь ударяется о поверхности с огромной скоростью. Что происходит? Высокая температура по сути расплавляет защитный слой на износостойких плитах, из-за чего они изнашиваются намного быстрее обычного. Согласно некоторым отраслевым отчетам, около двух третей преждевременных отказов компонентов вызваны именно этой проблемой, что означает, что детали приходится заменять в два раза чаще, когда оба фактора действуют совместно, а не по отдельности. Термические циклы также не улучшают ситуацию. Компоненты многократно расширяются и сжимаются при изменениях температуры, образуя микротрещины, которые со временем распространяются. Чтобы противостоять всему этому разрушению, многие эксплуатанты используют хромсодержащие сплавы, содержащие стабильные карбиды. Эти материалы сохраняют твердость даже при высоких температурах, однако всегда существует сложный баланс между выбором материала, который не будет слишком быстро окисляться, и тем, который сможет выдерживать ударные нагрузки, не разрушаясь.

Панели охладителя спекания: Многослойные решения с наплавленным износостойким покрытием для защиты от множественных механизмов износа

Панели охладителя спекания подвергаются одновременному воздействию ударов от падающего спекшегося материала (~50 мм куски при 700 °C), абразивному износу во время транспортировки и резким термоциклам. Монолитные износостойкие плиты, как правило, выходят из строя в течение нескольких месяцев из-за распространения трещин вследствие термического шока. Передовые решения используют многослойное наплавленное покрытие:

• Буферный слой толщиной 6–8 мм (твердость 350–400 HB) с высокой вязкостью разрушения, поглощающий удары
• Промежуточный тепловой барьер, снижающий теплопередачу к основанию
• Верхний функциональный слой (60+ HRC) с плотными карбидами хрома, устойчивый к абразивному износу
  Такой послойный подход увеличивает срок службы в 2,3 раза за счёт локализации износа на сменных поверхностях и предотвращения отслоения. Конструкция обеспечивает компенсацию различий в коэффициентах теплового расширения между слоями — это особенно важно в условиях, когда перепад температур превышает 400 °C/минуту в циклах транспортировки материала.

Часто задаваемые вопросы

Какова взаимосвязь между абразивным износом, ударными нагрузками и тепловым воздействием в износостойких плитах?
Когда абразивный износ, удары и тепло действуют одновременно, они ускоряют разрушение износостойких плит быстрее, чем при отдельном воздействии. Совокупное влияние усугубляет деградацию материала и сокращает срок службы износостойких плит.
Как термические циклы влияют на износостойкие плиты?
Термические циклы вызывают расширение и сжатие износостойких плит, что приводит к образованию трещин вокруг основных карбидов и ослаблению мартенситной структуры, увеличивая интенсивность износа при ударах.
Почему важно подобрать оптимальный баланс твёрдости для износостойких плит?
Сбалансированная твёрдость износостойких плит обеспечивает целостность поверхности при абразивном износе и сохраняет вязкость основы при ударных нагрузках. Избыточная твёрдость снижает устойчивость к ударам, а недостаточная — увеличивает износ от абразивного действия.
Какие материалы используются во входных частях цементных печей для защиты от износа и тепла?
Во входных частях цементных печей применяются материалы, такие как хромистые сплавы со стабильными карбидами, поскольку они устойчивы к окислению и способны выдерживать высокие температуры, не разрушаясь.