A quali parametri si deve prestare attenzione quando si selezionano le sfere di acciaio forgiate?

Per selezionare correttamente la dimensione, il materiale e le specifiche delle sfere di acciaio forgiato, è necessario combinare le condizioni di lavoro (come il tipo di mulino, la durezza del materiale, i requisiti di finezza della macinazione) e i parametri operativi (come la velocità del mulino, il tasso di riempimento) e prestare attenzione all'abbinamento dei parametri chiave: le sfere di acciaio forgiato sono caratterizzate da una struttura densa, alta resistenza e un'eccellente resistenza agli urti, quindi la selezione dei parametri deve evidenziare la loro adattabilità a scenari di macinazione ad alto carico e ad alto impatto. Di seguito è riportata una spiegazione dettagliata da tre dimensioni: determinazione delle dimensioni, selezione della tolleranza e parametri chiave:

La dimensione delle sfere di acciaio forgiato deve corrispondere alla struttura del mulino (diametro interno, tipo di rivestimento) e adattarsi alle caratteristiche di macinazione del materiale (durezza, granulometria, fragilità). Il nucleo è determinare i tre parametri chiave del diametro della sfera, del rapporto tra le dimensioni delle sfere e del peso della singola sfera, con piena considerazione del vantaggio di alta resistenza dei materiali forgiati:

Il diametro della sfera influisce direttamente sulla forza d'impatto e sull'efficienza di macinazione, determinato dalla dimensione massima delle particelle del materiale, dal diametro del mulino e dallo stadio di macinazione: l'elevata resistenza alla trazione delle sfere di acciaio forgiato (≥1000 MPa) consente diametri delle sfere maggiori in scenari ad alto carico:

• Macinazione primaria (dimensione delle particelle della materia prima ≥60 mm): sfere di grande diametro (60-120 mm) per fornire una forte forza d'impatto, adatte per mulini semi-autogeni, frantoi a cono o mulini a sfere a macinazione grossolana (la resistenza agli urti dell'acciaio forgiato evita la frattura in caso di collisione con particelle grandi);
• Macinazione secondaria (dimensione delle particelle della materia prima 15-60 mm): sfere di diametro medio (40-60 mm) per bilanciare impatto e macinazione, applicabili ai mulini a sfere generali per materiali da medi a duri (ad esempio, minerale di ferro, calcare);
• Macinazione fine (dimensione delle particelle della materia prima ≤15 mm): sfere di piccolo diametro (20-40 mm) per aumentare l'area di contatto con i materiali, adatte per mulini a macinazione fine o sistemi di mulini a classificatore (la struttura uniforme dell'acciaio forgiato garantisce un'usura costante);
• Adattamento speciale: per mulini di piccolo diametro (Φ≤2,8 m), il diametro massimo della sfera non deve superare gli 80 mm (evitare un impatto eccessivo sul rivestimento); per mulini di grande diametro (Φ≥5,0 m), il diametro massimo della sfera può essere aumentato a 120 mm (sfruttando l'elevata resistenza dell'acciaio forgiato per resistere a carichi pesanti);
• Riferimento di calcolo: diametro della sfera consigliato D₈₀ = (7-9)*√(dimensione massima delle particelle del materiale, mm) (per acciaio legato al carbonio medio forgiato), regolare di ±10% in base alla durezza del materiale (i materiali più duri prendono il limite superiore, i materiali più morbidi prendono il limite inferiore: la ritenzione di durezza dell'acciaio forgiato consente un'ampia regolazione).

Una singola dimensione della sfera non può coprire tutte le dimensioni delle particelle nel mulino, quindi è necessario un rapporto ragionevole di sfere di acciaio forgiato grandi, medie e piccole per massimizzare l'efficienza di macinazione:

• Macinazione generale (distribuzione delle dimensioni delle particelle del materiale 10-60 mm): Rapporto tra sfere grandi (60-80 mm): sfere medie (40-60 mm): sfere piccole (20-40 mm) = 3:4:3, garantendo sia l'impatto sulle particelle grandi che la macinazione delle particelle piccole;
• Macinazione grossolana a predominanza di impatto (dimensione massima delle particelle ≥80 mm): aumentare la proporzione di sfere grandi, rapporto = 5:3:2, migliorare la capacità di frantumazione delle particelle grandi (l'elevata tenacità all'urto dell'acciaio forgiato evita la frattura durante la collisione);
• Macinazione fine a predominanza di macinazione (dimensione massima delle particelle ≤15 mm): aumentare la proporzione di sfere piccole, rapporto = 1:3:6, migliorare l'efficienza del contatto superficiale con le particelle fini;
• Principio: il volume cumulativo di tutte le sfere di acciaio forgiato dovrebbe riempire il 28-35% del volume effettivo del mulino (tasso di riempimento). Il rapporto tra le dimensioni delle sfere dovrebbe evitare "lacune dimensionali" (ad esempio, nessun salto diretto da 80 mm a 40 mm senza sfere da 60 mm) per garantire un riempimento uniforme e l'alta densità delle sfere di acciaio forgiato (≈7,85 g/cm³) aiuta a migliorare l'energia cinetica di macinazione.

Il peso della singola sfera è determinato dal diametro della sfera e dalla densità del materiale (la densità dell'acciaio forgiato è superiore a quella dell'acciaio fuso) e influisce sul consumo di energia del mulino e sulla durata utile:

• Mulino a bassa potenza (≤1500 kW): selezionare sfere di acciaio forgiato più leggere (m=0,8-2,5 kg, diametro corrispondente 40-60 mm) per evitare il sovraccarico del sistema di azionamento;
• Mulino ad alta potenza (>2500 kW): utilizzare sfere di acciaio forgiato più pesanti (m=2,5-6 kg, diametro corrispondente 60-100 mm) per soddisfare l'elevata richiesta di impatto (l'elevata resistenza dell'acciaio forgiato supporta carichi pesanti senza deformazioni);
• Principio di equilibrio dell'usura: il peso della singola sfera dovrebbe garantire un tasso di usura uniforme. Ad esempio, le sfere di acciaio forgiato 42CrMo con diametro di 60 mm hanno un peso di ~1,15 kg, che è adatto per la maggior parte dei mulini di media potenza e la loro struttura forgiata evita l'usura irregolare causata da difetti interni.

Le sfere di acciaio forgiato lavorano in condizioni di collisione ad alta velocità (velocità di collisione fino a 6-9 m/s) e attrito, quindi il controllo della tolleranza deve evitare usura irregolare, vibrazioni del mulino o riempimento scarso: la loro precisione di forgiatura offre migliori prestazioni di tolleranza rispetto alle sfere fuse:

• Per sfere con diametro ≤40 mm: tolleranza ±0,4 mm (ISO 3290 Classe G3), garantendo un contatto uniforme tra piccole sfere e particelle fini (la precisione di forgiatura riduce la deviazione delle dimensioni);
• Per sfere con diametro 40-80 mm: tolleranza ±0,8 mm (ISO 3290 Classe G4), bilanciando l'efficienza di lavorazione e la consistenza delle dimensioni;
• Per sfere con diametro >80 mm: tolleranza ±1,2 mm (ISO 3290 Classe G5), consentendo una deviazione appropriata senza influire sull'effetto dell'impatto;
• Requisito chiave: la differenza massima di diametro tra le sfere di acciaio forgiato nello stesso mulino non deve superare 1,5 mm, evitando una forza d'impatto irregolare che porta all'usura locale del rivestimento (l'elevata rigidità dell'acciaio forgiato amplifica l'impatto della deviazione delle dimensioni).

• Errore di rotondità ≤0,25 mm (per diametro ≤60 mm) o ≤0,4 mm (per diametro >60 mm), misurato con un misuratore di rotondità: il processo di forgiatura rotazionale dell'acciaio forgiato garantisce una migliore rotondità rispetto alle sfere fuse;
• Significato: le sfere di acciaio forgiato non rotonde causeranno forti vibrazioni del mulino durante la rotazione ad alta velocità (velocità del mulino 18-26 giri/min), aumentando il consumo di energia dell'8-12% e accelerando l'usura del rivestimento, che è più evidente rispetto alle sfere fuse a causa della maggiore densità.

• Rugosità superficiale: Ra ≤1,2 µm (lucidato dopo la forgiatura), rimuovendo la scaglia di forgiatura e le bave: la superficie liscia dell'acciaio forgiato riduce l'adesione del materiale e i graffi del rivestimento;
• Uniformità della durezza superficiale: differenza di durezza ≤3HRC sulla superficie della sfera (la forgiatura + trattamento termico garantisce una distribuzione uniforme della durezza), evitando l'usura eccessiva locale;
• Smussatura dei bordi: nessun bordo tagliente (la deformazione plastica dell'acciaio forgiato durante la lavorazione forma naturalmente bordi arrotondati), prevenendo danni ai rivestimenti e ai materiali.

Le sfere di acciaio forgiato sono realizzate principalmente in acciaio legato ad alta resistenza e tenacità e i parametri vengono selezionati in base al meccanismo di usura (usura da impatto + usura abrasiva):

• Resistenza all'usura: tasso di usura volumetrica ≤0,06 cm³/ (kg·m) (test ASTM G65), migliore del 20-30% rispetto alle sfere di acciaio fuso grazie alla densità forgiata;
• Trattamento termico: processo di tempra + rinvenimento (la raffinazione del grano dell'acciaio forgiato dopo il trattamento termico migliora la durezza e la tenacità).

• Adattamento del tasso di riempimento: quando il tasso di riempimento è del 33-36% (riempimento elevato), selezionare sfere di acciaio forgiato ad alta durezza (HRC+3) per resistere all'aumento dell'attrito; quando il tasso di riempimento è del 28-32% (riempimento basso), utilizzare acciaio forgiato ad alta tenacità (ad esempio, 50Mn2) per evitare la frattura da impatto eccessivo;
• Adattamento del mezzo di macinazione: macinazione a umido (ambiente di poltiglia) → selezionare acciaio forgiato resistente alla corrosione (ad esempio, 42CrMo con rivestimento antiruggine) per evitare la ruggine; macinazione a secco (ambiente di polvere) → enfatizzare la resistenza all'usura (acciaio forgiato ad alto cromo);
• Adattamento alla temperatura: macinazione ad alta temperatura (temperatura del materiale ≥180°C) → selezionare acciaio forgiato resistente al calore (ad esempio, 35CrMoV) per evitare la riduzione della durezza (la stabilità del trattamento termico dell'acciaio forgiato è migliore di quella dell'acciaio fuso).

• Struttura solida: le sfere di acciaio forgiato sono tutte solide (senza pori interni o cavità di ritiro, un difetto comune nelle sfere fuse), garantendo una forza uniforme ed evitando la rottura improvvisa in caso di impatto;
• Processo di trattamento termico: tempra + rinvenimento a bassa temperatura per formare una struttura martensitica, bilanciando durezza e tenacità: la risposta al trattamento termico dell'acciaio forgiato è migliore di quella dell'acciaio fuso grazie alla composizione uniforme;
• Personalizzazione delle dimensioni: per mulini speciali (ad esempio, mulini sperimentali su piccola scala, mulini semi-autogeni di grande diametro), le sfere di acciaio forgiato possono essere personalizzate in diametro (10-150 mm) e peso, con tempi di consegna più brevi rispetto alle sfere fuse per dimensioni non standard.