Fundições de aço com alto manganês: Guia do britador de mandíbula e impacto

Fundições de aço com alto teor de manganês são os principais materiais de desgaste das indústrias de britagem e processamento mineral. Fundidos em aço manganês austenítico com teor de manganês normalmente entre 11 e 14 por cento, esses componentes oferecem uma combinação de propriedades que nenhuma outra liga disponível comercialmente pode igualar para aplicações de britagem intensiva de impacto: eles são relativamente macios quando instalados pela primeira vez, mas endurecem dramaticamente na superfície quando submetidos a cargas de impacto repetidas, um fenômeno conhecido como endurecimento por trabalho ou transformação induzida por deformação. Este endurecimento superficial ocorre durante a operação e não antes da instalação, o que significa que o material regenera continuamente sua superfície resistente ao desgaste ao longo de sua vida útil sob as condições operacionais corretas.

A conclusão direta para qualquer pessoa que especifique peças fundidas de aço com alto manganês é esta: a liga é o material padrão e correto para peças fundidas de aço com alto manganês para britadores de mandíbula e peças fundidas de aço com alto manganês para britadores de impacto porque as condições de tensão de impacto em ambos os tipos de britadores são precisamente o que ativa o mecanismo de endurecimento por trabalho que confere ao material sua excepcional vida útil contra desgaste. Em aplicações com baixo impacto e desgaste predominantemente abrasivo, outros materiais podem superar o aço com alto teor de manganês, mas em britadores de mandíbula e de impacto, onde cada ciclo de britagem fornece força significativa de compressão e impacto às peças de desgaste, peças fundidas de aço com alto teor de manganês são a especificação estabelecida por boas razões técnicas. Este artigo aborda detalhadamente a metalurgia, os requisitos de fabricação e as considerações de desempenho específicas da aplicação para componentes de britadores de mandíbula e de impacto.

A metalurgia do aço com alto teor de manganês: por que o endurecimento por trabalho é importante

O aço manganês austenítico foi desenvolvido pela primeira vez por Sir Robert Hadfield em 1882 e permanece comercialmente conhecido como aço Hadfield. Sua característica definidora é uma microestrutura totalmente austenítica retida à temperatura ambiente através da combinação de alto teor de carbono (tipicamente 1,0 a 1,4 por cento) e alto teor de manganês (11 a 14 por cento), que juntos suprimem a transformação martensítica que normalmente ocorreria no aço carbono no resfriamento da austenita. O material fundido tem uma dureza de aproximadamente 170 a 210 Brinell, que é mais macia do que muitos aços para ferramentas e ligas de aço para desgaste, mas essa suavidade inicial é acompanhada por uma tenacidade excepcional: o material pode absorver grandes forças de impacto sem fraturar porque a matriz austenítica se deforma plasticamente em vez de rachar.

O mecanismo crítico de endurecimento por trabalho: quando o aço com alto teor de manganês é submetido a uma tensão de impacto compressiva superior a aproximadamente 300 a 500 MPa, a austenita na superfície tensionada e próxima a ela se transforma em martensita por meio de uma transformação de fase induzida por deformação, aumentando a dureza da superfície de aproximadamente 200 Brinell para 450 a 550 Brinell. Esta superfície transformada é dura e resistente ao desgaste, enquanto o núcleo austenítico subjacente permanece tenaz e resistente à fratura. O resultado prático é um componente que desenvolve uma superfície resistente ao desgaste em serviço, mantendo ao mesmo tempo a resistência ao impacto necessária para sobreviver às cargas de choque do processo de britagem sem quebrar.

Graus de conteúdo de manganês e carbono

As peças fundidas de aço com alto teor de manganês para aplicações em britadores são produzidas em vários graus padrão com diferentes teores de manganês e carbono otimizados para diferentes tarefas de britagem:

• Grau Mn13 padrão (ASTM A128 Grau B 2): Aproximadamente 1,0 a 1,4 por cento de carbono e 11 a 14 por cento de manganês. A classe mais amplamente utilizada para revestimentos de britadores de mandíbula e de impacto em aplicações de rochas de dureza média a dura. Fornece bom equilíbrio entre taxa de endurecimento e tenacidade.
• Grau Mn18 modificado (alto manganês): Aproximadamente 1,0 a 1,3 por cento de carbono e 16 a 19 por cento de manganês. Maior teor de manganês aumenta a estabilidade da austenita, melhorando a tenacidade, mas reduzindo ligeiramente a taxa de endurecimento por trabalho. Preferido para componentes grandes do britador onde o risco de fratura por impacto excessivo é maior e a vida útil deve ser estendida através de maior profundidade de camada endurecida.
• Aço manganês modificado com cromo: Composição padrão Mn13 com adição de 1,5 a 2,5 por cento de cromo. A adição de cromo melhora a resistência à abrasão com algum custo em relação à tenacidade, tornando as classes modificadas com cromo adequadas para aplicações de britadores que envolvem alto impacto e desgaste abrasivo significativo de rocha siliciosa ou quartzito.

Fundições de aço com alto teor de manganês do britador de mandíbula: especificação e desempenho

Um britador de mandíbula opera comprimindo a rocha entre uma placa de mandíbula fixa e uma placa de mandíbula móvel (a mandíbula oscilante), com as duas placas de mandíbula convergindo na parte inferior da câmara de britagem e divergindo na parte superior. A rocha é presa entre as mandíbulas e fraturada pela força compressiva à medida que a mandíbula oscilante avança. As placas de mandíbula são os principais componentes de desgaste neste sistema e são a aplicação mais importante para peças fundidas de aço com alto manganês do britador de mandíbula.

Considerações sobre design e perfil da placa de mandíbula

As placas de mandíbula para britadores de mandíbulas grandes são fundidas como peças únicas ou em múltiplas seções, dependendo do tamanho do britador e da capacidade de fundição da fundição. A superfície de trabalho da placa da mandíbula é corrugada com cristas que concentram a tensão de compressão e auxiliam na fratura da rocha. O perfil corrugado (altura do cume, inclinação e ângulo) é otimizado pelos fabricantes de britadores para o tipo específico de rocha e a taxa de redução de tamanho da aplicação. Para rochas duras e competentes (granito, basalto, gnaisse) com resistência à compressão acima de 150 MPa, a vida útil da placa da mandíbula em aço com alto teor de manganês normalmente varia de 50.000 a 200.000 toneladas de material processado, dependendo do índice de abrasividade da rocha, da gradação de alimentação do britador e dos parâmetros operacionais do britador.

Requisitos de tratamento térmico para placas de mandíbula

Como o aço fundido com alto teor de manganês contém precipitados de carboneto nos limites dos grãos que resultam do resfriamento lento através da faixa de temperatura de precipitação do carboneto durante a solidificação. Esses carbonetos fragilizam o material e devem ser dissolvidos antes da peça fundida ser colocada em serviço. O processo de tratamento térmico em solução envolve o aquecimento da peça fundida a 1.020 a 1.100 graus Celsius por um tempo suficiente para dissolver todos os carbonetos e, em seguida, resfriar rapidamente em água para preservar a estrutura totalmente austenítica. As peças fundidas de aço com alto teor de manganês do britador de mandíbula que não foram adequadamente tratadas termicamente por solução falharão por fratura frágil e não por desgaste gradual, geralmente nas primeiras horas de serviço em uma aplicação de britador exigente. A verificação do tratamento térmico através da medição de dureza Brinell e exame microestrutural é essencial para o controle de qualidade deste produto.

Fundições de aço com alto teor de manganês do britador de impacto: diferentes condições de tensão, diferentes prioridades de projeto

Um britador de impacto fratura a rocha por impacto de alta velocidade e não por força de compressão. Em um britador de impacto de eixo horizontal (HSI), um rotor equipado com barras de impacto gira em alta velocidade e atinge a rocha alimentada na câmara de britagem, acelerando-a em placas de impacto (também chamadas de cortinas ou aventais), onde se fratura ao entrar em contato. Em um britador de impacto de eixo vertical (VSI), a rocha é alimentada em um rotor de alta velocidade e impulsionada centrifugamente contra uma câmara externa revestida de rocha ou de bigorna. As condições de tensão impostas às peças de desgaste em britadores de impacto diferem fundamentalmente daquelas em britadores de mandíbulas, com taxas de deformação mais elevadas e diferentes direções de aplicação de força.

Barras de impacto: o componente mais crítico do britador de impacto

As barras de impacto são os principais componentes de desgaste em britadores de impacto de eixo horizontal, montadas em ranhuras no rotor e atingindo a rocha que entra na velocidade periférica do rotor (normalmente de 25 a 45 metros por segundo em impactadores primários). A barra de impacto deve simultaneamente resistir ao desgaste abrasivo do contato com a rocha e absorver o choque de impacto de alta energia de cada colisão da barra de rocha sem fraturar. Fundições de aço com alto manganês são a especificação padrão para barras de impacto em britadores de impacto primários e secundários que processam rocha dura porque os impactos de alta velocidade fornecem as condições de tensão necessárias para um endurecimento de trabalho eficaz. A vida útil da barra de impacto no processamento de calcário duro é normalmente de 200 a 600 toneladas de rocha por quilograma de peso da barra de impacto, enquanto o processamento de rocha mais dura, como basalto ou granito, pode reduzir esse valor para 50 a 200 toneladas por quilograma, refletindo a maior abrasividade e a severidade do impacto dos tipos de rocha mais dura.

Placas de impacto e placas de disjuntor

As placas de impacto (também conhecidas como aventais ou cortinas) recebem pedras lançadas do rotor e devem absorver impactos repetidos de alta energia ao longo de sua vida útil. Esses componentes também são comumente fornecidos como peças fundidas de aço de alto manganês para britadores de impacto, embora em algumas aplicações de menor impacto eles possam ser produzidos a partir de ferro branco Cr Mo, que oferece maior resistência à abrasão ao custo de tenacidade reduzida. A escolha entre aço com alto teor de manganês e ferro branco para placas de impacto depende dos níveis específicos de energia de impacto no britador: onde os impactos são severos, a resistência superior à fratura do aço manganês é essencial; onde os impactos são moderados e a abrasão domina, o ferro branco pode oferecer uma vida útil mais longa.

Comparação de peças fundidas de aço com alto teor de manganês para britadores de mandíbula e de impacto

Considerações sobre controle de qualidade e aquisição para peças fundidas de aço com alto teor de manganês

O desempenho das peças fundidas de aço com alto manganês em aplicações de britadores é altamente dependente da qualidade do processo de fundição e tratamento térmico, tornando a seleção do fornecedor e a inspeção de recebimento extremamente importantes. Os seguintes critérios de qualidade devem ser especificados e verificados para todas as peças fundidas de aço com alto manganês usadas em aplicações de britadores de mandíbula e de impacto:

1. Verificação da composição química. A análise espectrométrica deve confirmar que o teor de manganês está dentro da faixa especificada (11 a 14 por cento para Mn13, 16 a 19 por cento para Mn18) e que carbono, silício, fósforo e enxofre estão dentro da especificação de grau. O excesso de fósforo acima de 0,07% e enxofre acima de 0,05% fragiliza o aço e deve ser controlado.
2. Verificação do tratamento térmico por meio de testes de dureza. Como temperado, a dureza deve estar na faixa de 170 a 220 Brinell. Valores significativamente acima desta faixa indicam tratamento de solução incompleto (carbonetos residuais) ou erro na composição da liga. Valores abaixo de 160 Brinell podem indicar que a temperatura da solução estava muito alta, causando crescimento de grãos que reduz a tenacidade.
3. Precisão dimensional e acabamento superficial. As dimensões da peça fundida devem ser verificadas em relação ao desenho do fabricante com tolerâncias apropriadas. As placas de mandíbula e as barras de impacto devem se ajustar corretamente aos seus respectivos sistemas de montagem para garantir uma distribuição uniforme da carga e evitar falhas prematuras devido à concentração de tensão nos pontos de montagem.
4. Livre de defeitos de fundição prejudiciais. Porosidade de contração, rachaduras e inclusões significativas na superfície de desgaste ou zona de montagem são motivos de rejeição. Rachaduras superficiais podem ser detectadas por inspeção de partículas magnéticas ou testes de corante penetrante; defeitos internos exigem testes ultrassônicos ou inspeção radiográfica em aplicações críticas.

As peças fundidas de aço com alto teor de manganês para britadores de mandíbula e de impacto representam uma solução de material de desgaste bem estabelecida e tecnicamente validada que atende às indústrias de pedreiras, mineração e produção de agregados há mais de um século. O mecanismo exclusivo de autoendurecimento do material sob condições de impacto, combinado com sua tenacidade resistente à fratura, torna realmente difícil aprimorá-lo para as condições de carga específicas desses tipos de britadores. A chave para atingir todo o seu potencial de desempenho está na seleção correta do grau de liga para o tipo específico de rocha e tarefa do britador, no cumprimento dos requisitos de tratamento térmico da solução e na rigorosa inspeção de qualidade de entrada que verifica a composição e a adequação do tratamento térmico antes que as peças fundidas entrem em serviço.