Meccanismi di usura nei mulini verticali per cemento: Come si identifica la causa principale dell'usura dei manicotti dei rulli VRM?

Ho visto impianti sostituire più volte i manicotti dei rulli, ma il tasso di usura rimane invariato. Il vero problema è che le persone trattano l'"usura" come una cosa sola. In un VRM, l'usura ha diversi fattori, che si sovrappongono. Se non si individua prima il fattore dominante, si continuerà a pagare per la soluzione sbagliata.

È possibile identificare la causa principale facendo corrispondere l'andamento dell'usura del manicotto e il danno della sottosuperficie ai segnali operativi del mulino (vibrazioni, potenza, stabilità del letto) e agli input del processo (abrasività dell'alimentazione, umidità, metalli di scarto). Nella maggior parte dei VRM per cemento, la modalità dominante è l'abrasione a due corpi sotto una pressione di contatto molto elevata, e lo slittamento e lo spostamento del punto di rotolamento decidono dove si verifica l'usura peggiore.

La parte difficile è che non posso "guardare dentro" un VRM in funzione. Il gas caldo è a circa 200 °C e il flusso di particelle in aumento sembra una tempesta di sabbia, con velocità delle particelle che possono raggiungere circa 60 m/s. Quindi mi affido a due cose: quello che mi dice il mulino mentre funziona e quello che mi dice la superficie di usura dopo che mi sono fermato a ispezionare. Quando collego questi due elementi, emerge la causa principale.

Perché il mio attuale manicotto a rulli soffre di abrasione, impatto o usura da fatica?

Quando mi avvicino a una manica usurata sul pavimento, per prima cosa mi pongo una semplice domanda: "Cosa ha attraversato la superficie e cosa ha attraversato il metallo sotto la superficie?". I rulli VRM e i rivestimenti delle tavole spesso subiscono un'abrasione a due corpi in presenza di una pressione di contatto molto elevata, e ho visto valori riportati superiori a 200 MPa. Sotto questa pressione, anche una piccola variazione dello slittamento o dello spessore del letto può spostare la zona ad alta sollecitazione e incidere il profilo in un nuovo punto.

L'abrasione si manifesta come perdita di profilo liscio e graffi direzionali; l'impatto si manifesta come scheggiature, crepe e rotture di fasi dure; la fatica si manifesta come vaiolatura o scagliatura che inizia sotto la superficie e si manifesta successivamente.

In un VRM, lo slittamento tangenziale all'interfaccia tavola/rullo è uno dei principali fattori di usura. Ricordo sempre alle squadre che la tavola è guidata, mentre il rullo è effettivamente trainato, quindi c'è uno slittamento "incorporato" anche quando tutto sembra stabile. Lo slittamento spesso aumenta in prossimità dell'uscita della fessura e può anche esistere come slittamento costante tra le zone, perché la cinematica non è perfettamente rotabile ovunque. Ciò significa che non posso spiegare l'usura solo con la durezza. Devo anche spiegarla con il movimento.

Il punto di laminazione è un'altra chiave. È il punto in cui le velocità tangenziali del rullo e della tavola coincidono. Questo punto varia in base allo spessore del letto, alla velocità della tavola e alla geometria delle parti soggette a usura. Quando si sposta, si sposta anche la zona ad alta pressione. Quindi la mappa dell'usura cambia anche se si mantiene lo stesso materiale. Quando l'usura cambia forma, spesso è il punto di rotolamento che si sposta.

Quando posso, guardo anche sotto la superficie. In molti rivestimenti resistenti all'abrasione, la microscopia mostra un danno sottosuperficiale in cui il disallineamento delle deformazioni causa la frattura del carburo e la decoesione sotto la superficie usurata. Questo danno nascosto accelera la perdita di superficie in un secondo momento. Questo è il motivo per cui alcuni manicotti sembrano "a posto" per settimane, poi improvvisamente perdono massa velocemente.

Per renderlo pratico, durante l'ispezione utilizzo una tabella di campo rapida:

Non considero il rivestimento della tavola e il manicotto del rullo come storie separate. Se il rullo mostra una modalità e la tavola un'altra, presumo che la formazione del letto e lo slittamento stiano cambiando lungo il raggio.

Quali sono i primi segnali di allarme da osservare per rilevare un'usura anomala nel VRM?

La maggior parte degli impianti si accorge dell'usura quando la finezza del prodotto si allontana o quando le vibrazioni diventano una lotta costante. È troppo tardi. L'usura si auto-rinforza in un VRM. La perdita di profilo modifica la formazione del letto. I cambiamenti del letto spostano il punto di rotolamento. Lo spostamento del punto di rotolamento modifica lo slittamento e la pressione locale. Quindi l'usura accelera di nuovo. Quindi osservo i primi segnali che appaiono prima che la deviazione della geometria diventi grande.

I segnali precoci più affidabili sono l'aumento delle vibrazioni, l'aumento della potenza del motore a produttività costante, le oscillazioni di pressione più ampie e i segni di instabilità o assottigliamento del letto del materiale, che di solito compaiono prima che i danni visibili diventino gravi.

Uso una semplice mentalità "prima la tendenza, poi l'evento". Se reagisco solo agli allarmi, mi sfugge la lenta deriva che mi dice che la causa principale si sta sviluppando. Ecco cosa traccio e come lo interpreto in modo pratico.

1) Andamento delle vibrazioni, non solo valore di picco
Se le vibrazioni aumentano lentamente nel corso dei giorni, sospetto un cambiamento del profilo, uno spostamento del punto di rotolamento o l'instabilità del letto. Se le vibrazioni raggiungono picchi elevati, sospetto eventi di impatto, tramp metal o un improvviso collasso del letto. Confronto anche i componenti verticali e orizzontali, se ne dispongo. Un aumento direzionale costante indica spesso un'usura irregolare sulla circonferenza.

2) Andamento della potenza a portata e finezza costanti
Se la potenza aumenta mentre la velocità di avanzamento e la finezza rimangono simili, spesso l'attrito e lo slittamento aumentano. Ciò può accadere quando il letto è più sottile, quando la rugosità della superficie cambia o quando la scagliatura aumenta le sollecitazioni locali. Inoltre, osservo le impostazioni del separatore e il carico di ricircolo, perché un cambiamento nascosto in quel punto può falsificare un segnale di usura.

3) Stabilità della pressione di macinazione
Un letto stabile solitamente fornisce una risposta stabile alla pressione. Quando il letto diventa sottile o instabile, il controllo della pressione va a caccia. Questa caccia aggiunge un carico ciclico e il carico ciclico è il modo in cui inizia la fatica superficiale. Una volta che si formano le pareti, le sollecitazioni di contatto locali aumentano e l'usura può accelerare in modo non lineare.

4) Indizi di temperatura e gas/umidità
Se vedo condizioni che favoriscono la tribocorrosione, presumo che la superficie di usura sia più debole di quanto suggerisca il suo numero di durezza. Il gas caldo umido e la chimica aggressiva, come gli alcali, i cloruri e i solfati, possono favorire la formazione di cricche e il sottosquadro delle coperture. Quindi i danni da abrasione e fatica si propagano più rapidamente.

5) Il "segnale di geometria" dal funzionamento
Quando i rulli perdono profilo, il mulino può richiedere una pressione maggiore per trattenere lo stesso prodotto. Il letto può spostarsi verso l'esterno o verso l'interno. Il punto di laminazione può spostarsi. Anche se non posso vedere l'interno, spesso posso dedurre la deriva della geometria da quanto il mulino diventa sensibile a piccole variazioni di alimentazione o di acqua.

Per mantenere la struttura, utilizzo questa rapida lista di controllo:

Secondo la mia esperienza, le ricostruzioni tempestive prima che la deviazione geometrica diventi grande possono far risparmiare più di qualsiasi singola sostituzione della lega, perché interrompono il ciclo di feedback che accelera l'usura.

Come può la tecnologia dei compositi metallo-ceramici ridurre l'usura nel mio mulino per cemento?

Quando mi chiedono di parlare di "materiale migliore", rispondo con tre parole: carico, scivolamento, chimica. Un VRM non è un semplice impianto di abrasione. Si tratta di un sistema di usura ad alta pressione e a modalità mista, e la modalità dominante è solitamente l'abrasione a due corpi, ma l'impatto, la fatica e la tribocorrosione possono subentrare rapidamente quando le condizioni si spostano. È qui che la tecnologia dei compositi metallo-ceramici può cambiare il risultato, perché non si basa solo sulla durezza.

I compositi metallo-ceramici riducono l'usura combinando fasi ceramiche dure per la resistenza all'abrasione con una matrice metallica tenace che resiste alle cricche e agli urti, in modo che i carburi o le fasi dure abbiano meno probabilità di fratturarsi e cadere in caso di pressione elevata e carico ciclico.

Ho visto le classiche modalità di guasto nelle soluzioni di hardfacing e ad alto tenore di cromo: cricche che attraversano le zone fragili, scagliature che iniziano sotto la superficie e particelle dure che si rompono o si distaccano a causa di un disallineamento delle deformazioni. Una volta che le fasi dure si staccano, la superficie si trasforma in un processo di abrasione "autoalimentata", perché le particelle rotte diventano un terzo corpo aggressivo nel contatto.

Un approccio composito metallo-ceramico ben progettato mira a questa reazione a catena. L'idea non è solo quella di essere duro. L'idea è di mantenere la fase dura sostenuta, ancorata e protetta dalla frattura fragile. In presenza di elevate pressioni di contatto, voglio che il carico venga trasferito attraverso una struttura che non concentri le sollecitazioni in un'unica rete fragile. In presenza di carichi ciclici, voglio che la crescita delle cricche rallenti. In caso di urti, voglio una resistenza alla scheggiatura. In caso di tribocorrosione, voglio una minore incisione e una crescita meno rapida delle cricche in superficie.

Ecco come inquadro il beneficio in termini ingegneristici:

Questo corrisponde al modo in cui lavoriamo alla Dafang-Casting. Ci concentriamo sulla tecnologia antiusura dei compositi metallo-ceramici perché mi offre un margine di sicurezza più ampio quando il mulino non è perfetto. Negli impianti reali, i cambiamenti di alimentazione, le variazioni di umidità e la stabilità del letto non sono sempre ideali. Un sistema di materiali che resiste sia all'abrasione che alla fessurazione fa spesso la differenza tra una manutenzione programmata e un arresto a sorpresa.

Dico anche alle squadre che il materiale non è l'unica leva. Se lo slittamento e lo spostamento del punto di rotolamento sono i fattori determinanti, devo comunque stabilizzare il banco e ridurre il carico irregolare. I manicotti in composito aiutano, ma funzionano meglio quando la fresa non li costringe a un impatto costante e a un contatto metallo-metallo.

Conclusione

Nel mio lavoro, il modo più rapido per trovare la causa principale dell'usura dei manicotti dei VRM è quello di far corrispondere i modelli di usura e i danni sottosuperficiali alle tendenze operative come vibrazioni, potenza e stabilità del letto. La maggior parte dei VRM in cemento subisce principalmente un'abrasione a due corpi in condizioni di pressione molto elevata, e lo slittamento e lo spostamento del punto di rotolamento decidono dove si concentra l'usura. Quando si aggiungono impatto, fatica e tribocorrosione, i danni possono accelerare rapidamente. Ecco perché consiglio spesso i manicotti a rulli in composito metallo-ceramico di Dafang-Casting per prolungare la durata e ridurre i tempi di fermo in condizioni di cemento difficili.