CA1208613A

CA1208613A - Barre de broyage a haute resistance et son procede de fabrication

Info

Publication number: CA1208613A
Application number: CA000447489A
Authority: CA
Inventors: Michel Thome
Original assignee: AN DITE ACIERIES THOME CROMBACK Ste
Current assignee: AN DITE ACIERIES THOME CROMBACK Ste
Priority date: 1983-03-01
Filing date: 1984-02-15
Publication date: 1986-07-29
Also published as: JPS59162956A; EP0120748A1; ES8504485A1; ZA84976B; ES530173A0; FR2541910A1; US4602416A; GR79813B; MA20045A1; FR2541910B1

Abstract

L'invention concerne une barre de broyage en métal ferreux, issue directement d'une coulée à solidification dirigée, caractérisée en ce qu'elle présente une structure de surface à grain fin et un coeur a structure dendritique orientée radialement, en ce qu'elle comprend, en % en poids, entre environ 1,1 et 3% de carbone, entre environ 3 et 30% de chrome, entre environ 0,3 et 1,5% de manganese et entre environ 0,3 et 1% de silicium, et en ce qu'elle commporte au moins 10% en volume de carbures.

Description

Barre de bro~a~e à haute resistance et son procédé de fabrication.

Pour le broyage de divers produits, on utilise une technique de broyage dans laquelle les corps broy-ants sont des barres longues (80 mm de diamètre par quelques mètres de longueur), disposées dans un broyeur cylindrique à peu près horizontalement.

Ces barres de broyage sont utilisées dans les broyages fins ou grossiers, à sec ou humide, et les produits obtenus sont éventuellement traités ensuite dans des broyeurs à boulets.

Bien des produits et des procédés ont été
expérimentes comme barre de broyage, à commencer par des rails laminés rebutés, simplement coupés en longueur et utilises en l'état.

On a ainsi utilisé des barres réalisees en materiaux laminés à partir d'une ébauche (lingot ou billette), ce qui oriente les fibres du métal en long, par la déformation du métal à chaud, sous la pression de cylindre ou de marteau de frappe. Les fibres du métal sont alors orientées très fortement dans le sens longi-tudinal de la barre (voir par exemple le brevet U.S.
3 170 541).

Ces matériaux, pour être facilement laminables, sont en acier faiblement allié, avec une teneur en carbone inférieure ou égale à 1, 1% pour, par exemple, un acier selon AISI 52100 ou 1095 avec plus ou moins de manganese (Acier 50 MC 4 développé par la Société
CREUSOT LOIRE).

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~1~86~3 Les barres sont brutes de laminage et dressage et, éventuellement, traitées selon des procédés qui conservent la rectitude de la barre (brevet U.SO
3 255 053; communication de la Société CREUSOT LOIRE au Congrès Abrasion de 1979). Le traitement consiste en une chauffe d'austénisation, suivie d'un refroidissement (trempe) pour obtenir une structure à peu près martensi-tique de 55 à 60 RC. On a également utilisé des barres bimétalliques, dont le noyau est en acier doux et la surface en acier dur.

Tous ces matériaux utilisés sont laminables à un coût raisonnable; ce sont donc des matériaux à teneur limitée en carbone et en alliage. Cependant, pour cette raison, leur usure est élevée, du fait d'une quantité
insuffisante de carbure et d'alliage pour résister à la corrosion.

La présente invention vise à proposer des barres de broyage en un matériau suffisamment chargé en carbone et en alliage pour produire des quantités et types de carbures procurant une résistance satisfaisante à
l'usure.

L'invention vise également à proposer un procédé
de fabrication de telles barres ne faisant pas inter~
venir de laminage.

A cet effet, l'invention a pour objet une barre de broyage en métal ferreux, issue directement de coulée à solidification dirigée, caractérisée en ce qu'elle présente une structure de surface à grain fin et un coeur à structure dendritique orientée radialement, et '. :

~2(186~3 en ce qu'elle comprend, en ~ en poids, entre environ 1,1 et 3~ de carbone, enter environ 3 et 30% de chromme, entre environ 0,3 et 1,5% de manganèse et entre environ 0,3 et 1~ de silicium.

Suivant les applications envisagées pour ces barres, elles pourront en outre contenir, en ~ en poids, de 0 à 1~ de cuivre, de 0 à 5% de nickel, de 0 à 1~ de molybdène, de 0 à 1% de titane, de 0 à 0,5% de bore, de 0 à 2% de vanadium et de 0 à 2~ de tungstène.

Ces barres contiendront au moins 10~ en volume de carbures.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une telle barre de broyage, caracterisé en ce qu'on la réalise par coulée continue d'un métal ferreux de composition convenable, avec solidification dirigée, à l'exclusion de toute phase de laminage.
Du fait de ce procedé, contrairement aux barres de la technique antérieure, les barres de broyage con-formes à la présente invention ne présentent pas de fibres orientées dans le sens longitudinal, c'est-à-dire parallelement à l'axe de la barre.

Il est bien connu que, pour améliorer les per-formances d'usure et de résistance à la corrosion, cette structure devra etre de plus en plu5 fin en allant du coeur vers la surface de la barre. En effet, les barres de broyage sont soumises à une usure et une corrosion à
partir de leur surface, jusqu'à ce qu'elles atteignent un certain diamètre, où elles sont éliminées. Il est ~L2~6il 3 alors préférable qu'elles cassent en petits morceaux, plutôt que de fléchir et s'entremêler avec les autres barres. De ce fait, la structure interne devra, de préférence, etre grossière, sensible à la casse.

Les barres de broyage connues dans la technique présentent deux types de structure:

1) Brutes de laminage: structure perlitique, avec un grain identique sur toute la section.

2~ Laminées avec traitement: structure martensiti-que en surface, avec un grain fin: structure perlitique à coeur, avec conservation du grain du laminage initial.

Ces barres connues, en acier faiblement allie, avec une teneur en carbone inférieure ou égale à 1,1%, sont con~ues pour avoir une couche externe résistante à
l'usure et un noyau interne doux et résilient, afin d'assurer le meilleur compromis entre résistance à
l'usure et fragilité. Elles n'ont pas/ pour ce faire, une trempabilité suEfisante pour être martensitiques à
coeur, pour un diamètre de 80 à 100 mm.
Le but de la présente invention est de proposer une barre de broyage dont les caractéristiques sont bien supérieures, grace à l'emploi d'un matériau différent et du fait d'une structure particulière obtenue par un procédé original.

Ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus, une telle barre de broyage est réalisée en un acier présentant une 1 /,~

~2~186~3 forte teneur en carbone et un pourcentage elevé de carbure.

Le Tableau 1 ci-après co~pare différents types de barres de broyage connues dans la technique et celles conformes à l'invention.

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,~ -La barre objet de l'invention a, en surface, une structure à grain homogène non orienté dans le sens longitudinal, ce n'est pas une structure laminée avec étirement des fibres, allongement d'inclusion, ligne possible, c'est une structure propre issue du procéde.
Avec une teneur en carbone supérieure ou égale à 1,2~ en poids, cette structure comporte un fort pourcentage de carbure du type M3C, M7C3, M23 C6 suivant le type d'alliage, M designant un composé fer-alliage.
La structure interne de la barre objet de l'in-vention présente une orientation perpendiculaire à la surface cylindrique, en forme de dendrite. De ce fait, la dureté des carbures orientés dans ce sens est supéri-eure à leur dureté latérale; la micro-dureté de la sur-face de la barre restera donc élevée mêms après reduc tion du diamètre par l'abrasion.

D'autre part, la structure en dentrite radiale assure une fragilité suffisante du métal pour entraîner sa casse en morceaux en dessous d'un certain diamètre de la barre.

La barre conforme a liinvention a donc, en surface, sur une certaine épaisseur, une structure à
grain fin, tandis que son coeur est à structure dendri-tique radiale.

En fonction des applications à un bxoy~ge sec, humide, plus ou moins acide et plus ou moins abrasif, différentes constitutions pourront être retenues:
austénitique, martensitique ou bainitique, avec des duretés et des constitutions de matrices et de carbures variables.

36~L3 Une telle barre ne peut être realisee que par le procédé conforme à l'invention, que l'on va maintenant decrire plus en détail.

Il est nécessaire d'utiliser un procédé d'un coût économique donnant directement la barre objet de l'invention, car elle ne peut être laminée économique-ment. Par ailleurs, un laminage, même coûteux, détruir-ait la structure favorable aux caractéristiques de résistance à l'usure.

On doit éliminer également la fabrication de la barre par compactage de poudre frittée, procédé coûteux et qui donne une structure homogène dans toutes les directions sans avantage particulier.

I.a barre selon l'invention est réalisée par coulée continue horizontale, en diamètre final de 50 à
100 mm et cl la longueur nécessaire, de 2 à 6 m et plus.
La solidification dirigée et la formation de la struc-ture fine en surface et dendritique à coeur sont obten-ues par des réglages appropriés des conditions d'extrac-tion de la barre de la lingotière de production, soit selon un pas compris entre 1 et 50 mm ou un ratio P/D
(longueur du pas rapportée au diamètre de la barre) de 5/100 à 5/10.

Après solidification, on procède au refroidisse-ment contrôlé de la barre pour obtenir la matrice et la morphologie des carbures désirées. Ce refroidissement peut être un cycle thermique descente en température, puis remonte, suivie d'une palier et refroidissement.
De cette manière, le procédé conforme à l'invention 3~20~613 fournit un produit directement utilisable dans les broyeurs ordinaires. Dans certains cas particuliers, il pourra etre procédé à un traitement thermique additionnel ou complémentaire.

En cas de sollicitation de choc particulièrement élevée dans les broyeurs de très forte puissance, ou de diamètre important du broyeur, les barres de broyage ne doivent présenter aucun défaut de surface, ligne de fissure, etc.... Ces défauts bien connus dans l'état de la technique, sont généralement liés au procédé de laminage et aux ségrégations possibles dus au lingot ou à la billette d'ebauche.

La barre faisant l'objet de l'invention ne comporte pas de défauts de cette sorte. Cependant, compte tenu de l'alliage constitutif de la barre et de son procédé de fabrication, il peut y avoir des calamines adhérentes, des reliefs de surface ou des microségrégations de surface sur le produit. Pour éliminer les concentrations possibles de contrainte sous les efforts et les zones de fragilité potentielle prématurées, on procèdera si nécessaire à la régénération de l'état de cette surface par l'un des moyens suivants.

Il a déjà été proposé de procéder à l'elimina-tion d'une couche superficielle, par meulage et usinage avec enlèvement de matière, mais une telle solution est coûteuse. Selon l'invention, il est préférable d'avoir recours a des moyens qui transforment localement la sur-face pour la régénérer - sur barre chaude ou froide -par refusion, plasma, laser ou induction a haute fré-~;~08~ii3 quence. Une autre solution peut consister à écraser les micro-reliefs et les ségrégations locales de surface engendrées par la coulée continue horizontale. A cet effet, on peut grenailler ou marteler la surface par des dispositifs circulaires au défilé.

Dans une forme de mise en oeuvre préférée de l'invention, la barre de broyage est réalisée en métal ferreux présentant l'analyse suivante, en % en poids:
- carbone: 1 t 4 à 1,6%, - chrome: 11 à 12~, - molybdène: Oj4 à 0,6%, - vanadium: 0,3 à 0,5%, - silicium: 0,5 à 0,7%, - manganèse: 0,5 à 0,8~.

Cette barre a dans l'ensemble un diamètr~ de 80 mm et est obtenue par coulée continue horizontale dans ~0 une machine à paramètre d'extraction contrôlée donnant un pas de 10 mm.

Le refroidissement de la barre entre 1180C de température à la sortie de la lingotière et 400~C, se fera en 30 minutes. La barre est tronçonnée en ligne à
chaud à une longueur de 3,10 m.

Une telle barre conforme à l'invention a une dureté de 40 RC. Sa structure de surface e~t austénitique et présente une couche à grain fin sur une épaisseur de 5 mm. Le coeur de la barre a une dureté de 32 RC et sa structure est dendritique.

lZ08613 Une telle barre, tombant d'une hauteur de 4 m sur un appui rigide en son milieu, ne casse pas.

Un lot de telles barres a été essayé dans un broyeur de 2 m de diamètre utilisé pour broyer du mineral d'uranium.

Les usures relevées par comparaison avec un acier traité en surface ont été les suivantes (en microns par heure), au cours de deux mesure 1 et 2 successives:

. _ . _ Barres en acier 20 21 _ Barres selon l'invention12 13 Les barres selon l'invention présentent donc une résistance à l'usure très supérieure aux barres usuelles.

Claims

REVENDICATIONS

1. Barre de broyage en métal ferreux, issue direc-tement d'une coulée à solidification dirigée, caractérisée en ce qu'elle présente une structu-re de surface à grain fin et un coeur à structu-re dendritique orientée radialement, en ce qu'elle comprend, en % en poids, entre environ 1,1 et 3% de carbone, entre environ 3 et 30% de chrome, entre environ 0,3 et 1,5% de manganèse et entre environ 0,3 et 1% de silicium, et en ce qu'elle comporte au moins 10% en volume de carbures.

2. Barre de broyage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient en outre, en % en poids, de 0 à 1% de cuivre, de 0 à 5% de nickel, de 0 à 1% de molybdène, de 0 à 1% de titane, de 0 à 0,5% de bore, de 0 à 2% de vanadium et de 0 à 2% de tungstène.

3. Barre de broyage selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle contient, en % poids, de 1,4 à 1,6% de carbone, de 11 à 12% en poids de chrome, de 0,4 a 0,6% de molybdène, de 0,3 à
0,5% de vanadium, de 0,5 à 0,7% de silicium, et de 0,5 à 0,8% de manganèse.

4. Procédé de fabrication d'une barre de broyage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on la réalise par coulée continue d'un métal ferreux de la composition convenable, avec solidification dirigée, à l'exclusion de toute phase de laminage.

5. Procédé de fabrication d'une barre de broyage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on la réalise par coulée continue d'un métal ferreux de la composition convenable, avec solidification dirigée, à l'exclusion de toute phase de laminage.

6. Procédé de fabrication d'une barre de broyage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on la réalise par coulée continue d'un métal ferreux de la composition convenable, avec solidification dirigée, à l'exclusion de toute phase de laminage.

7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la phase de solidification dirigée est suivie d'un refroidissement contrôlé en vue d'obtenir le type de matrice et de carbures désirés.

8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la phase de solidification dirigée est suivie d'un refroidissement contrôlé en vue d'obtenir le type de matrice et de carbures désirés.

9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la phase de solidification dirigée est suivie d'un refroidissement contrôlé en vue d'obtenir le type de matrice et de carbures désirés.

10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la phase de refroidissement est consti-tuée par un cycle thermique comprenant une descente en température, suivie d'une remontée et d'un palier de température, puis d'un refroi-dissement.

11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la phase de refroidissement est consti-tuée par un cycle thermique comprenant une descente en température, suivie d'une remontée et d'un palier de température, puis d'un refroi-dissement.

12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la phase de refroidissement est consti-tuée par un cycle thermique comprenant une descente en température, suivie d'une remontée et d'un palier de température, puis d'un refroidissement.

13. Procédé selon l'une des revendications 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que la phase de refroidis-sement contrôlée est suivie d'un traitement de régénération de l'état de surface de la barre.

14. Procédé selon l'une des revendications 10, 11 ou 12, caractérisé en ce que la phase de refroidis-sement contrôlée est suivie d'un traitement de régénération de l'état de surface de la barre.