فروآلیاژها در تولید گلوله‌های آسیاب

انتخاب آلیاژ برای دستیابی به تعادل بهینه سختی و چقرمگی

چکیده

گلوله‌های آسیاب در طول عمر کاری خود با ترکیبی هم‌زمان از سایش خراشان، ضربه‌های مکرر و — در آسیاب‌کنی تر — خوردگی روبه‌رو هستند. به همین دلیل، طراحی آلیاژ آن‌ها همواره بر یافتن نقطه تعادل میان سختی (برای کاهش نرخ سایش) و چقرمگی (برای جلوگیری از شکست و پوسته‌شدن) استوار بوده است. در این مقاله نقش عناصر آلیاژی اصلی — کربن، منگنز، سیلیسیم، کروم، مولیبدن، نیکل و عناصر ریزدانه‌ساز — و فروآلیاژهای حامل آن‌ها در دو خانواده اصلی محصول، یعنی گلوله‌های فولادی آهنگری/نوردی و گلوله‌های چدن پرکروم ریختگی، بررسی می‌شود و راهنمایی کاربردی برای انتخاب ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی بر پایه قطر گلوله، نوع آسیاب و شرایط بهره‌برداری ارائه می‌گردد.

۱. مقدمه

در صنایع معدنی، سیمان و نیروگاهی، گلوله‌های آسیاب معمولاً بزرگ‌ترین قلم هزینه مواد مصرفی مدار خردایش‌اند و مصرف آن‌ها بر حسب گرم به ازای هر تن ماده خردشده سنجیده می‌شود. محیط کار گلوله بی‌رحم است: در هر دور چرخش آسیاب، گلوله ضمن سقوط از ارتفاع، ضربه‌ای سنگین به بار و به گلوله‌های دیگر وارد می‌کند و هم‌زمان سطح آن در تماس لغزشی و غلتشی با ذرات سختی مانند کوارتز ساییده می‌شود. در آسیاب‌کنی تر، پالپ اسیدی یا حاوی یون‌های خورنده نیز زمینه فلزی را می‌خورد و ذرات سایا لایه محافظ را پیوسته می‌تراشند.

دو مسیر اصلی تولید گلوله در جهان جا افتاده است: نخست، آهنگری یا نورد (Skew Rolling) از مقاطع فولادی کربنی و کم‌آلیاژ و سپس کوئنچ و تمپر؛ و دوم، ریخته‌گری چدن‌های سفید پرکروم و عملیات حرارتی ناپایدارسازی. در هر دو مسیر، آنچه شخصیت نهایی محصول را تعیین می‌کند، انالیز مذاب است؛ و انالیز مذاب چیزی نیست جز حاصل انتخاب و افزودن سنجیده فروآلیاژها: فرومنگنز و سیلیکومنگنز و فروسیلیسیم برای اکسیژن‌زدایی و تنظیم منگنز و سیلیسیم، فروکروم پرکربن برای کروم، فرومولیبدن و نیکل برای سختی‌پذیری عمقی، و فرووانادیم، فروتیتانیم و فروبور برای ریزدانگی و سختی‌پذیری اقتصادی.

۲. دوگانه سختی–چقرمگی؛ مسئله مرکزی طراحی گلوله

سه سازوکار اصلی، عمر گلوله را پایان می‌دهند: سایش تدریجی سطح، پوسته‌شدن (Spalling) یعنی جدا شدن تکه‌هایی از پوسته بر اثر خستگی تماسی، و شکست کامل گلوله. سختی بالا نرخ سایش را پایین می‌آورد، اما اگر با چقرمگی کافی همراه نباشد، دو سازوکار دیگر فعال می‌شوند و گلوله‌ای که قرار بود ماه‌ها کار کند، در چند هفته به قراضه تبدیل می‌شود. به همین دلیل، طراحی مطلوب گلوله بر پایه پوسته‌ای سخت و چقرمه — معمولاً با ریزساختار مارتنزیتی — برای مقابله با سایش و پوسته‌شدن، و مغزی به‌اندازه کافی چقرمه برای جلوگیری از شکست کل گلوله تعریف می‌شود؛ نکته‌ای که به‌ویژه در گلوله‌های بزرگ‌تر از حدود ۷۰ تا ۸۰ میلی‌متر اهمیت حیاتی پیدا می‌کند [۹].

در سطح ریزساختاری، سختی از دو منبع می‌آید: زمینه مارتنزیتی تمپرشده که سختی آن تابع مستقیم کربن محلول است، و کاربیدهای آلیاژی — به‌ویژه کاربید M7C3 غنی از کروم با سختی حدود ۱۶۰۰ تا ۱۸۰۰ ویکرز — که همچون سنگ‌فرشی مقاوم در برابر ذرات سایا عمل می‌کنند [۸]. چقرمگی اما از زمینه، از ریزدانگی، از تمیزی مذاب (آخال‌های اکسیدی و سولفیدی کانون جوانه‌زنی ترک‌اند) و از سطح تنش‌های پسماند تأمین می‌شود. مطالعات مرجع نشان داده‌اند که با افزایش کسر حجمی کاربید، مقاومت سایشی بالا می‌رود ولی چقرمگی شکست افت می‌کند؛ اندازه، شکل و جهت‌گیری کاربیدها نیز بر هر دو خاصیت اثر معنادار دارد [۱، ۲]. هنر آلیاژساز، مدیریت همین بده‌بستان است.

۳. عناصر آلیاژی و فروآلیاژهای حامل آن‌ها

۳-۱. کربن؛ سنگ‌بنای سختی

کربن مهم‌ترین متغیر طراحی است. در گلوله‌های فولادی آهنگری، کربن معمولاً بین ۰٫۴ تا حدود ۱٫۰ درصد تنظیم می‌شود: مقادیر پایین‌تر (۰٫۴ تا ۰٫۷ درصد) تعادل بهتری از سختی و چقرمگی برای شرایط پرضربه می‌دهند و مقادیر بالاتر (۰٫۸ تا ۱٫۰ درصد) بیشینه سختی و مقاومت سایشی را برای سنگ‌های بسیار سایا فراهم می‌کنند [۷]. در چدن‌های پرکروم، کربن به محدوده ۲ تا ۳٫۶ درصد می‌رسد تا همراه کروم، شبکه کاربیدی یوتکتیک را بسازد [۱، ۴]. باید به یاد داشت که هر چه کربن بالاتر رود، حساسیت به ترک کوئنچ و تردی نیز بیشتر می‌شود و کنترل عملیات حرارتی سخت‌گیرانه‌تری لازم است.

۳-۲. منگنز؛ چندکاره‌ترین عنصر (فرومنگنز و سیلیکومنگنز)

منگنز که از طریق فرومنگنز پرکربن یا سیلیکومنگنز به مذاب افزوده می‌شود، هم‌زمان چند نقش ایفا می‌کند: اکسیژن‌زدایی مذاب، خنثی‌سازی اثر مخرب گوگرد با تشکیل سولفید منگنز (و جلوگیری از تردی گرم)، و افزایش سختی‌پذیری که امکان رسیدن سختی به عمق گلوله را فراهم می‌کند. در گلوله‌های فولادی، منگنز معمولاً بین ۰٫۵ تا ۱٫۲ درصد نگه داشته می‌شود [۷]. منگنز بیش از حد، آستنیت باقیمانده را زیاد و سختی نهایی را کم می‌کند؛ پس افزودن آن باید حساب‌شده باشد.

۳-۳. سیلیسیم؛ اکسیژن‌زدای اصلی (فروسیلیسیم)

فروسیلیسیم عامل اصلی اکسیژن‌زدایی در پاتیل است و سیلیسیم باقیمانده (معمولاً ۰٫۱۷ تا ۰٫۴ درصد در فولاد گلوله) با استحکام‌دهی محلول جامد، زمینه را تقویت می‌کند. مذابی که خوب اکسیژن‌زدایی نشده باشد، پر از آخال اکسیدی است و آخال یعنی نقطه شروع ترک خستگی؛ به بیان دیگر، بخشی از «چقرمگی» گلوله در همان لحظه افزودن فروسیلیسیم و فرومنگنز به پاتیل خریداری می‌شود. ترکیب پایانی اکسیژن‌زدایی با آلومینیوم یا کلسیم‌سیلیسیم نیز به کروی‌سازی و کنترل آخال‌ها کمک می‌کند.

۳-۴. کروم؛ معمار کاربیدها (فروکروم)

کروم دووجهی است: در مقادیر کم (۰٫۱ تا حدود ۲ درصد در گلوله‌های آهنگری) عمدتاً سختی‌پذیری را بالا می‌برد و کاربیدهای ریز پراکنده می‌سازد که مقاومت سایشی را بهبود می‌دهند [۷، ۱۰]؛ و در مقادیر زیاد (۱۰ تا ۲۷ درصد در چدن‌های سفید پرکروم مطابق ASTM A532) سازنده اصلی کاربیدهای یوتکتیک M7C3 است که قلب مقاومت سایشی این خانواده به شمار می‌روند [۴، ۸]. افزون بر این، کروم حل‌شده در زمینه، مقاومت به خوردگی را در آسیاب‌کنی تر بالا می‌برد — عاملی که در پالپ‌های خورنده می‌تواند سهم بزرگی از «سایش ظاهری» را کاهش دهد [۱]. حامل اصلی این عنصر، فروکروم پرکربن است و در محصولاتی که کربن باید پایین بماند، فروکروم کم‌کربن به کار می‌رود.

۳-۵. مولیبدن و نیکل؛ بیمه‌نامه گلوله‌های بزرگ (فرومولیبدن و نیکل)

در گلوله‌های بزرگ، سرعت سرد شدن مغز به‌مراتب کمتر از سطح است و اگر سختی‌پذیری کافی نباشد، مغز پرلیتی نرم می‌شود و گلوله زیر ضربه فرو می‌پاشد. مولیبدن (۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد) مؤثرترین عنصر برای عمق‌بخشی به سختی و جلوگیری از تبدیل پرلیتی است و نیکل (۰٫۵ تا ۲ درصد) هم سختی‌پذیری و هم چقرمگی زمینه را بالا می‌برد؛ ترکیب‌های ثبت‌شده برای گلوله‌های آهنگری پرمقاومت، دقیقاً بر همین دو عنصر در کنار کروم و منگنز تکیه دارند [۳، ۱۰]. بهای این دو فروآلیاژ بالاست، بنابراین منطق اقتصادی حکم می‌کند فقط جایی مصرف شوند که قطر گلوله یا شدت ضربه واقعاً ایجاب می‌کند.

۳-۶. عناصر ریزدانه‌ساز و بور (فرووانادیم، فروتیتانیم، فروبور)

وانادیم (۰٫۰۵ تا ۰٫۱۵ درصد) و تیتانیم با تشکیل کاربونیتریدهای ریز، رشد دانه آستنیت را در گرم‌کاری و عملیات حرارتی مهار می‌کنند؛ دانه ریزتر یعنی هم استحکام بیشتر و هم چقرمگی بیشتر — یکی از معدود مداخله‌هایی که هر دو سوی ترازو را هم‌زمان بالا می‌برد. بور در حد چند هزارم درصد، سختی‌پذیری را با هزینه‌ای ناچیز به‌شدت افزایش می‌دهد و در برخی گریدهای اقتصادی گلوله جایگزین بخشی از کروم و مولیبدن می‌شود؛ البته اثربخشی آن مشروط به حفاظت بور با تیتانیم (جلوگیری از تشکیل نیترید بور) و کنترل دقیق ذوب است.

۴. گلوله‌های فولادی آهنگری و نوردی؛ آلیاژِ کم، فرایندِ هوشمند

این خانواده که با آهنگری پتکی یا نورد مایل از میلگردهای فولادی تولید می‌شود، بر فلسفه «آلیاژ حداقلی + عملیات حرارتی حداکثری» استوار است. ترکیب‌های رایج صنعتی — نظیر گریدهای موسوم به B2 و B3 — کربنی بین ۰٫۴ تا ۰٫۸۵ (و در گریدهای پرکربن تا ۱٫۰۵)، منگنز ۰٫۵ تا ۱٫۲ و کروم ۰٫۰۵ تا ۱٫۲ درصد دارند و پس از کوئنچ آبی و تمپر پایین، به سختی سطحی ۵۸ تا ۶۵ راکول C و سختی حجمی ۵۶ تا ۶۴ می‌رسند؛ تولیدکنندگان معتبر برای این محصولات چقرمگی ضربه‌ای در حدود ۱۲ ژول بر سانتی‌متر مربع و نرخ شکست بسیار کمتر از یک درصد گزارش می‌کنند [۷]. کار مکانیکی گرم، ساختار ریختگی را می‌شکند، مک‌ها را می‌بندد و الیاف جریان پیوسته‌ای می‌سازد؛ به همین دلیل گلوله آهنگری/نوردی در شرایط پرضربه — آسیاب‌های نیمه‌خودشکن (SAG) و گلوله‌های درشت — گزینه مرجع است.

استاندارد پرکاربرد این خانواده در بازارهای منطقه، ГОСТ ۷۵۲۴ است که گلوله‌ها را بر پایه سختی سطح و عمق سخت‌شده به گروه‌های کیفی تقسیم می‌کند و مبنای مناسبی برای قرارداد خرید یا کنترل کیفیت خط تولید فراهم می‌آورد [۵]. نکته کلیدی برای تولیدکننده آن است که با بزرگ‌تر شدن قطر (به‌ویژه بالای ۸۰ تا ۱۰۰ میلی‌متر)، حفظ سختی حجمی بدون افزودن کروم، و در قطرهای بیشینه بدون مولیبدن یا نیکل، عملاً ممکن نیست؛ اینجاست که چند دهم درصد فروآلیاژِ درست، تفاوت میان گلوله‌ای یکنواخت و گلوله‌ای با مغز نرم و مستعد شکست را رقم می‌زند [۳].

۵. گلوله‌های چدن پرکروم؛ سلطنت کاربید M7C3

در سوی دیگر طیف، چدن‌های سفید پرکروم قرار دارند که مطابق ASTM A532 با کربن ۲ تا ۳٫۶ و کروم ۱۰ تا ۲۷ درصد (و گاه با نیکل و مولیبدن) تعریف می‌شوند [۴]. ریزساختار بهینه آن‌ها پس از عملیات حرارتی، کاربیدهای یوتکتیک M7C3 با سختی ۱۶۰۰ تا ۱۸۰۰ ویکرز در زمینه مارتنزیت تمپرشده است که سختی توده‌ای ۶۰ تا ۶۴ (و در برخی گریدها تا ۶۷) راکول C به دست می‌دهد [۸]. تجربه صنعتی و پژوهشی نشان می‌دهد نسبت وزنی کروم به کربن در حدود ۳، ترکیب مطلوبی از خواص و صرفه اقتصادی فراهم می‌کند [۱۱]. مقاومت سایشی این خانواده در سایش خراشان از هر فولاد آهنگری بالاتر است و به همین دلیل در آسیاب‌های سیمان و شرایط سایش‌غالبِ کم‌ضربه، کم‌مصرف‌ترین گزینه محسوب می‌شود.

پاشنه آشیل چدن پرکروم، چقرمگی است: شبکه کاربیدی پیوسته، مسیر آماده‌ای برای رشد ترک است و در ضربه‌های سنگین — به‌ویژه در گلوله‌های درشت و آسیاب‌های بزرگ معدنی — خطر شکست و پوسته‌شدن بالا می‌رود [۱]. راهکارهای متالورژیکی برای ترمیم این ضعف شناخته شده‌اند: جوانه‌زایی و اصلاح مذاب برای ریز و منقطع کردن کاربیدها، کنترل سرعت انجماد، و عملیات حرارتی دقیق؛ حتی آهنگری چدن پرکروم برای شکستن شبکه کاربیدی نیز در مقیاس صنعتی آزموده شده است، هرچند دشواری فرایند و هزینه، کاربرد آن را محدود کرده است [۱۰].

۶. عملیات حرارتی؛ نیمه دیگر معادله

ترکیب شیمیایی تنها «پتانسیل» خواص را تعیین می‌کند؛ فعلیت‌بخشیدن به آن بر عهده عملیات حرارتی است. در گلوله‌های فولادی، کوئنچ (معمولاً در آب یا محلول پلیمری، بلافاصله پس از آهنگری با استفاده از گرمای باقیمانده) و سپس تمپر پایین در ۱۵۰ تا ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد، مارتنزیتی سخت با تنش پسماند تخلیه‌شده می‌سازد. در چدن‌های پرکروم، چرخه استاندارد شامل ناپایدارسازی در حدود ۹۵۰ تا ۱۰۶۰ درجه، سرد کردن در هوای دمیده و تمپر است که زمینه آستنیتی ریختگی را به مارتنزیت همراه با رسوب کاربیدهای ثانویه تبدیل می‌کند [۸].

دشمن پنهان هر دو خانواده، آستنیت باقیمانده بیش از حد است: سختی را می‌کاهد و می‌تواند در حین کار با تبدیل کنترل‌نشده به مارتنزیت، تنش و ترک ایجاد کند. مطالعات نشان داده‌اند عملیات زیرصفر (کرایوژنیک) با تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت و رسوب کاربیدهای ریز، اتلاف سایشی چدن‌های پرکروم را در هر دو حالت تر و خشک کاهش می‌دهد [۶]. در نهایت باید به تنش‌های پسماند اشاره کرد: گلوله‌ای با پوسته سخت اما تنش‌های پسماند کششی مدیریت‌نشده، مستعد پوسته‌شدن زودهنگام است و طراحی‌های موفق صنعتی، سختی پوسته را همراه با آزادسازی تنش مهندسی می‌کنند [۹].

۷. راهنمای انتخاب بر اساس شرایط بهره‌برداری

جدول زیر، جمع‌بندی کاربردی مباحث بالا برای انتخاب خانواده آلیاژ و محدوده ترکیب بر پایه شرایط واقعی آسیاب است. مقادیر، محدوده‌های راهنما هستند و تنظیم نهایی باید با آزمون صنعتی (اندازه‌گیری مصرف بر حسب گرم بر تن و نرخ شکست) انجام شود.

۸. ملاحظات اقتصادی؛ قیمت فروآلیاژ در برابر هزینه تمام‌شده خردایش

انتخاب آلیاژ نباید با مقایسه قیمت هر تن گلوله انجام شود؛ معیار درست، هزینه گلوله به ازای هر تن ماده خردشده است که حاصل‌ضرب نرخ مصرف (گرم بر تن) در قیمت واحد است و نرخ شکست نیز باید به آن افزوده شود. تجربه صنعتی بارها نشان داده که چند دهم درصد کروم یا مولیبدنِ بیشتر — یعنی چند ده دلار فروآلیاژ در هر تن محصول — می‌تواند با کاهش محسوس نرخ مصرف و شکست، چند برابر هزینه خود را بازگرداند؛ و برعکس، آلیاژ گران در آسیابی که به آن نیاز ندارد، فقط حاشیه سود را می‌بلعد. از منظر تولیدکننده گلوله، دو نکته دیگر نیز حیاتی است: نخست، ثبات آنالیز فروآلیاژهای ورودی (نوسان عیار فرومنگنز یا فروکروم مستقیماً به پراکندگی سختی محصول ترجمه می‌شود) و دوم، تمیزی ذوب؛ چرا که هیچ فروآلیاژی نمی‌تواند چقرمگی ازدست‌رفته به سبب آخال و گاز را جبران کند.

۹. جمع‌بندی

گلوله آسیاب محصولی ساده‌نما اما به‌شدت مهندسی‌شده است که کارایی آن بر تعادل سختی و چقرمگی بنا می‌شود و این تعادل، خط به خط، با فروآلیاژها نوشته می‌شود: کربن و کروم ستون سختی و مقاومت سایشی‌اند؛ منگنز و سیلیسیم پایه ذوب سالم و سختی‌پذیری؛ مولیبدن و نیکل بیمه‌نامه گلوله‌های درشت و پرضربه؛ و وانادیم، تیتانیم و بور ابزارهای ظریف ریزدانگی و صرفه اقتصادی. گلوله فولادی آهنگری/نوردی با آلیاژ کم و عملیات حرارتی دقیق، پادشاه شرایط پرضربه است و چدن پرکروم با کاربیدهای M7C3، فرمانروای سایش خراشان. انتخاب درست از شناخت شرایط آسیاب آغاز می‌شود، با محدوده ترکیبی راهنما ادامه می‌یابد و تنها با پایش میدانی مصرف و شکست به سرانجام می‌رسد.

منابع

[1] Tabrett, C. P., Sare, I. R., Ghomashchi, M. R., “Microstructure–property relationships in high chromium white iron alloys”, International Materials Reviews, Vol. 41, No. 2, 1996, pp. 59–82. doi:10.1179/imr.1996.41.2.59

[2] Doğan, Ö. N., Hawk, J. A., “Effect of carbide orientation on abrasion of high Cr white cast iron”, Wear, 1995. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0043164895066829

[3] “Forged steel grinding element for ball milling”, U.S. Patent No. 4,634,062. https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/4634062

[4] ASTM A532/A532M, “Standard Specification for Abrasion-Resistant Cast Irons”, ASTM International, West Conshohocken, PA.

[5] GOST 7524-2015, “Steel grinding balls for ball mills. Specifications” (ГОСТ 7524-2015), Interstate Standard.

[6] “High-chromium cast iron — collected research records” (destabilisation, cryogenic treatment and grinding wear studies), Science.gov topic archive. https://www.science.gov/topicpages/h/high-chromium+cast+iron

[7] Energosteel, “Forged Steel Grinding Balls for Ball Mills”, technical article. https://energosteel.com/forged-steel-grinding-balls-for-ball-mills/ ; also industrial data sheets for B2/B3 forged balls (surface hardness 58–65 HRC, impact toughness ≈12 J/cm²). https://www.jnjunda.com/Forged-Steel-Ball.html

[8] UTEC Technical Resources, “Heat Treatment for Ball Mill Liners: High-Chrome Iron and Cr-Mo Steel” (ASTM A532 destabilisation cycle; M7C3 hardness 1600–1800 HV; 60–64 HRC). https://resources.utec.co/ht-mining-processing/heat-treat-ball-mill-liners/

[9] “Stress relieved grinding ball having hard outer shell”, U.S. Patent No. 6,632,303. https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/6632303

[10] “Manufacture of grinding members of ferrous alloys”, U.S. Patent No. 3,961,994. https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/3961994

[11] “An Overview on Types of White Cast Irons and High Chromium White Cast Irons”, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1495, 012023 (ICMM-2019), IOP Publishing, 2020. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1495/1/012023/pdf