Spectromètre testant la composition chimique des pièces de concasseur avant expédition

Le test de composition des matériaux en usine est le premier test de durée de vie des pièces de concasseur

Une plaque de mâchoire peut avoir l'air parfaite après le grenaillage et perdre tout de même 30 % de sa durée de vie prévue si la teneur en manganèse, en carbone, en chrome ou en molybdène se situe en dehors de la fourchette requise. Un revêtement de cône peut passer une inspection visuelle et se fissurer précocement si l'alliage est trop fragile pour l'impact de l'alimentation. Une barre de soufflage de concasseur à percussion peut présenter une dureté élevée sur le papier et néanmoins échouer en service si la chimie crée la mauvaise structure de carbure. C'est pourquoi les essais de composition des matériaux en usine ne sont pas une simple formalité administrative. Il s'agit du premier test réel de la qualité des matériaux des pièces de concasseur avant même que la pièce n'atteigne une carrière ou un site minier.

Les pièces du concasseur travaillent dans une combinaison sévère d'impact, de compression, d'abrasion par glissement, d'usure par gougeage, de chaleur, de poussière et de vibration. Les principales pièces d'usure comprennent les plaques de mâchoires, les manchons de concasseurs à cône, les concaves, les plaques de joue, les barres de soufflage des concasseurs à percussion, les têtes de marteaux, les revêtements, les plaques latérales, les segments de concasseurs à cylindres et les pointes d'usure des broyeurs à percussion. Chaque pièce est confrontée à un équilibre différent d'impact et d'abrasion. C'est pourquoi un seul matériau ne peut pas résoudre tous les problèmes d'usure. Le choix du matériau des pièces du concasseur dépend de la taille de l'alimentation, de l'abrasivité de la roche, de l'humidité, du risque de métaux parasites, de la vitesse du concasseur, de la conception de la chambre et des pratiques d'entretien.

Dans l'atelier et sur le terrain, j'ai vu de nombreuses défaillances précoces qui n'étaient pas dues uniquement à un mauvais fonctionnement. Certaines défaillances ont commencé dans la fonte. Si la composition chimique n'était pas la bonne, le traitement thermique ne pouvait pas sauver complètement la pièce coulée. Si le niveau de carbone était trop élevé dans le mauvais acier, la ténacité diminuait. Si le manganèse est trop faible dans un acier à haute teneur en manganèse, l'écrouissage devient faible. Si le chrome est trop élevé pour une application à fort impact, la pièce devient résistante à l'usure mais trop fragile. Un bon rapport entre les matériaux n'est pas seulement un numéro chimique. C'est le fondement de la durée de vie.

Pourquoi la composition chimique doit-elle être testée avant l'expédition ?

Les essais de composition des matériaux effectués en usine confirment que la pièce moulée correspond au bon de commande, au dessin, à la norme et à l'état de fonctionnement. Pour les pièces d'usure des concasseurs, la différence entre un alliage correct et un alliage incorrect est souvent invisible à l'œil. Deux barres de soufflage peuvent avoir la même forme et le même poids, mais l'une peut être en acier martensitique, l'autre en fer blanc à haute teneur en chrome et l'autre en acier à haute teneur en manganèse. Leur comportement sur le terrain sera complètement différent.

Une usine fiable doit tester la composition des matériaux à plusieurs reprises. Le premier contrôle est normalement effectué pendant la fusion, avant la coulée, afin que la fonderie puisse ajuster les éléments d'alliage pendant que le métal est encore liquide. Le deuxième contrôle doit être effectué à partir d'un bloc d'essai, d'un coupon de coulée ou d'un échantillon représentatif après la coulée. Pour les pièces de broyage critiques, une identification positive finale du matériau peut être utilisée avant l'expédition afin de réduire le risque de confusion entre différentes qualités.

Les méthodes les plus courantes sont la spectrométrie d'émission optique, l'analyse chimique en laboratoire et l'identification positive des matériaux. La spectrométrie d'émission optique est largement utilisée dans les fonderies car elle permet d'analyser rapidement et avec précision de nombreux éléments métalliques. Pour les nuances d'acier où le carbone, le phosphore et le soufre sont importants, la méthode d'essai doit être sélectionnée avec soin, car la spectrométrie de fluorescence X portable est utile pour de nombreux éléments d'alliage, mais ne suffit pas pour toutes les exigences en matière d'éléments légers. Le rapport d'inspection doit indiquer la méthode, la source de l'échantillon, le numéro de chauffe, la plage de spécification, le résultat mesuré et le jugement de réussite ou d'échec.

Pièces courantes de concasseurs Choix des matériaux et leur logique de fonctionnement

L'acier à haute teneur en manganèse est largement utilisé pour les plaques de mâchoires, les revêtements de concasseurs à cône, les manchons, les concaves et certaines applications de marteaux. L'acier au manganèse classique de type Hadfield est connu pour sa grande ténacité et son comportement d'écrouissage. Une composition courante de type ASTM A128 Grade A peut contenir environ 1,05 à 1,35 % de carbone, environ 11 % de manganèse, environ 1 % de silicium, le reste étant du fer. En service, l'acier à haute teneur en manganèse peut avoir une dureté Brinell modérée au départ et s'écrouir en cas d'impact important, la dureté superficielle augmentant souvent de manière significative lorsque la pression d'écrasement est suffisamment élevée.

C'est pourquoi l'acier au manganèse donne de bons résultats dans le concassage primaire avec une alimentation importante et un impact fort. La surface devient plus dure au fur et à mesure que la roche se comprime et frappe le revêtement. Dans le même temps, le noyau interne reste suffisamment dur pour résister à la fissuration. Mais le matériau doit avoir la bonne composition chimique. Si l'équilibre manganèse/carbone est mauvais, la gaine risque de ne pas durcir correctement ou de devenir cassante. Si la teneur en phosphore ou en soufre est trop élevée, le risque de fissuration augmente. Si le traitement thermique n'est pas contrôlé, des carbures peuvent rester aux joints de grains et réduire la ténacité.

La fonte blanche à haute teneur en chrome est souvent sélectionnée pour les barres de soufflage des concasseurs à percussion, les revêtements de concassage secondaire et les applications avec des matériaux propres et abrasifs et peu de fer parasite. L'ASTM A532 couvre les fontes blanches résistantes à l'abrasion utilisées dans les industries minières, de broyage, de terrassement et de fabrication. Une gamme typique de fonte blanche de Classe III Type A 25 pour cent de chrome peut comprendre environ 2,0 à 3,3 pour cent de carbone et 23,0 à 30,0 pour cent de chrome, avec des limites contrôlées pour le manganèse, le silicium, le nickel, le molybdène, le cuivre, le phosphore et le soufre. Sa résistance à l'usure provient de carbures de chrome durs et d'une matrice dure.

 

Les matériaux à haute teneur en chrome peuvent offrir une excellente durée de vie dans les pierres abrasives, mais ils ne conviennent pas à tous les concasseurs. Si de l'acier non broyable pénètre dans la chambre, une barre de soufflage à haute teneur en chrome peut se fissurer ou se briser car sa ténacité est inférieure à celle de l'acier au manganèse ou de l'acier martensitique. C'est pourquoi les essais de matériaux doivent être associés à l'examen de l'application. Une composition chimique correcte pour une machine peut être un mauvais choix de matériau pour une autre machine.

L'acier allié martensitique est souvent utilisé lorsque l'application exige un équilibre entre la résistance aux chocs et la résistance à l'usure. Il n'égale généralement pas le fer à haute teneur en chrome en termes de résistance à l'abrasion pure, mais il peut mieux tolérer les chocs. Certaines pièces de broyeurs martensitiques contiennent du chrome et du molybdène pour améliorer la trempabilité, la solidité et la résistance à l'usure. Les performances finales dépendent non seulement de la composition, mais aussi du traitement thermique, de l'épaisseur de la section, de la pratique de la trempe et du contrôle du revenu.

Comment le rapport des matériaux modifie la durée de vie de l'usure

Le carbone est l'un des éléments les plus importants dans les pièces d'usure en acier et en fonte. Dans l'acier à haute teneur en manganèse, le carbone contribue à la résistance et à l'écrouissage, mais un excès de carbone ou un mauvais traitement thermique peut rendre la pièce moulée cassante. Dans la fonte blanche à haute teneur en chrome, le carbone se combine au chrome pour former des carbures durs. Une quantité insuffisante de carbone peut réduire la résistance à l'abrasion, tandis qu'une quantité excessive peut accroître la fragilité et rendre plus difficile l'usinage ou le traitement par impact.

Le manganèse stabilise la structure austénitique de l'acier à haute teneur en manganèse et renforce sa résistance. Dans les plaques de mâchoires et les revêtements de cônes, cet aspect est essentiel car la pièce doit absorber des impacts répétés sans se fissurer. Un revêtement en acier au manganèse dont la composition chimique est faible peut s'user rapidement parce qu'il ne se durcit pas suffisamment. D'autre part, il ne suffit pas d'augmenter le manganèse sans tenir compte du carbone, de la taille de la section et du traitement thermique pour obtenir automatiquement une meilleure chemise.

Le chrome améliore la résistance à l'usure en favorisant les carbures durs dans le fer blanc et en soutenant la trempabilité dans l'acier allié. Dans les barres de soufflage à haute teneur en chrome, le chrome est le principal élément de résistance à l'usure. Mais le chrome modifie également la ténacité. Une pièce à haute teneur en chrome doit être utilisée lorsque l'abrasion est sévère et que l'impact est contrôlé. Elle ne doit pas être sélectionnée uniquement parce que l'indice de dureté est attrayant.

Le molybdène, le nickel et le cuivre peuvent être ajoutés pour améliorer la trempabilité, la ténacité ou la structure de la matrice en fonction du système d'alliage. Le silicium favorise la désoxydation et peut influencer le comportement de la coulée, mais un excès de silicium peut affecter les propriétés mécaniques. Le phosphore et le soufre sont généralement contrôlés en tant qu'éléments résiduels nuisibles car ils peuvent réduire la ténacité et augmenter la sensibilité aux fissures. Ces petits pourcentages sont importants. Dans un concasseur, un minuscule écart chimique peut devenir un gros problème de temps d'arrêt.

Ce que doit contenir un rapport d'essai des matériaux d'usine correct

Un rapport sur les matériaux utile pour les pièces de concasseurs doit être traçable et spécifique. Il ne doit pas se contenter d'indiquer "matériau qualifié". Il doit indiquer le numéro de série, le numéro de pièce, le lot de coulée, l'emplacement de l'échantillon, la qualité du matériau, la norme ou la spécification du client, la gamme de composition chimique, la valeur réelle mesurée, le résultat de la dureté, l'état du traitement thermique, la date d'inspection et l'approbation de l'inspecteur. Pour les pièces d'usure critiques, le rapport doit également correspondre au marquage de la pièce moulée.

Élément d'inspection	Pourquoi c'est important	Preuves typiques à fournir
Composition chimique	Confirme que le matériau des pièces du concasseur correspond à la nuance d'alliage commandée et au mécanisme d'usure prévu.	Rapport du spectromètre, rapport du laboratoire, numéro de chaleur, valeurs des éléments mesurés et limites des spécifications.
Dureté	Indique si le traitement thermique et l'état de la matrice sont adaptés à l'application.	Résultat du test HB, HRC ou HV selon le dessin ou les exigences de l'acheteur.
Enregistrement du traitement thermique	Confirme que la pièce moulée a reçu la trempe, le revenu, la détente ou le traitement de mise en solution appropriés.	Graphique du four, enregistrement de la température, temps de maintien, méthode de refroidissement et traçabilité des lots.
Marquage de traçabilité	Empêche l'envoi de produits mélangés au client.	Numéro de coulée ou d'estampage, code de la pièce, qualité du matériau et étiquette d'inspection.
Contrôle visuel et dimensionnel	Veille à ce que le bon matériau soit également fourni dans la forme et l'état d'ajustement corrects.	Rapport de dimensions, registre d'inspection de la surface et vérification de l'emballage.

Examen des défaillances sur le terrain : Le coût de l'omission de la vérification de la composition

J'ai traité un jour un cas de défaillance sur un concasseur à impact secondaire où un ensemble de barres de soufflage s'usait de manière inégale et une barre s'est fissurée avant d'avoir atteint la moitié des heures de travail prévues. Le client a d'abord soupçonné une mauvaise vitesse du rotor et un mauvais contrôle de l'alimentation. Après avoir vérifié la machine, la taille de l'alimentation et le schéma d'usure, j'ai demandé le rapport original sur les matériaux. Le document n'indiquait que la dureté, pas la composition chimique. Le fournisseur avait expédié les pièces en tant que pièces à haute teneur en chrome, mais des tests ultérieurs sur des échantillons ont montré que la teneur en chrome était inférieure à la fourchette requise pour la qualité commandée, et que le bilan carbone n'était pas non plus cohérent.

De loin, la barre de soufflage semblait acceptable. La dureté de surface n'était pas alarmante. Mais la microstructure ne présentait pas le bon support en carbure pour la pierre abrasive. La pièce s'est usée rapidement dans la zone d'impact, puis la contrainte s'est concentrée près du bord usé. Une fois la fissure apparue, la charge du rotor a été déséquilibrée et les vibrations ont augmenté. La perte finale ne s'est pas limitée à un jeu de barres de soufflage. Le site a perdu du temps de production, de la main-d'œuvre, du fret d'urgence et de la confiance dans la chaîne d'approvisionnement.

C'est la raison pour laquelle je dis aux acheteurs de considérer les essais de matériaux comme une garantie de production, et non comme un certificat facultatif. Un prix bas sans vérification chimique n'est pas une économie. C'est un risque caché transféré au broyeur.

Pourquoi la dureté seule ne peut pas prouver la qualité d'un matériau

De nombreuses équipes d'acheteurs ne demandent que la dureté parce qu'elle est facile à comprendre. La dureté est importante, mais elle ne peut pas remplacer l'analyse chimique. Une pièce en fer à haute teneur en chrome et une pièce en acier martensitique peuvent présenter des plages de dureté similaires, mais leur ténacité et leur comportement à l'usure peuvent être très différents. Une chemise en acier à haute teneur en manganèse peut ne pas avoir une dureté initiale extrêmement élevée, mais elle peut s'écrouir dans des conditions d'impact appropriées. Si un acheteur la rejette uniquement parce que la première valeur de dureté est inférieure à celle d'une pièce à haute teneur en chrome, la logique de sélection du matériau est erronée.

La dureté n'est qu'une partie de l'histoire. La composition chimique indique si l'alliage possède les bons éléments constitutifs. Le traitement thermique indique si la structure a été développée correctement. Les performances sur le terrain indiquent si le matériau sélectionné correspond aux conditions de broyage. Un bon contrôle des matériaux des pièces de concassage doit relier ces quatre éléments.

Comment les acheteurs doivent-ils spécifier les besoins en matériaux ?

Pour éviter les litiges, le bon de commande doit définir la qualité du matériau, la norme applicable, la gamme de composition chimique attendue, la gamme de dureté, les conditions de traitement thermique, la méthode d'essai et le format du rapport. Par exemple, une commande de tôles à mâchoires ne doit pas simplement mentionner "acier au manganèse". Elle doit préciser s'il s'agit d'un acier Mn13, Mn18, Mn22 ou d'une autre nuance, et si des ajouts de chrome, de molybdène ou d'autres alliages sont nécessaires. Une commande de barres de soufflage doit clairement indiquer si l'application nécessite du fer blanc à haute teneur en chrome, de l'acier martensitique, un matériau d'insertion en céramique ou de l'acier au manganèse.

L'acheteur doit également indiquer à la fonderie les conditions de travail réelles. Le matériau d'alimentation, la résistance à la compression, la teneur en silice, l'humidité, la taille de l'alimentation, le risque de ferraille et le modèle de concasseur sont autant d'éléments qui influent sur le choix du matériau. Un fournisseur ne peut pas choisir le meilleur rapport de matériaux si les conditions de fonctionnement sont cachées. Plus les informations sur l'application sont précises, plus il est facile de choisir un matériau qui équilibre la résistance à l'usure et la ténacité.

Vue finale : La composition des matériaux est l'ADN des pièces de broyeur

Les pièces de concasseurs ne tombent pas en panne au hasard. La plupart des défaillances peuvent être attribuées à une ou plusieurs causes : un mauvais matériau, une chimie instable, un mauvais traitement thermique, des défauts de moulage, un mauvais ajustement, un fonctionnement inadapté ou un mauvais entretien. Parmi ces causes, la composition du matériau est le premier point de contrôle. Une fois que la mauvaise composition chimique a été coulée, tous les processus ultérieurs sont limités par cette erreur.

L'essai de composition des matériaux en usine protège l'acheteur, la fonderie et le site minier. Il prouve que le matériau des pièces du concasseur correspond à la qualité requise. Il permet de prévoir le comportement à l'usure avant que la pièce n'entre en service. Il permet d'éviter que des matériaux mélangés ne parviennent au client. Il favorise la traçabilité lorsqu'une enquête sur une défaillance est nécessaire. Plus important encore, il établit un lien entre la conception chimique de la pièce moulée et la vie réelle du concasseur.

Un bon rapport entre les matériaux donne aux pièces du concasseur la capacité de résister aux chocs, de développer l'écrouissage, de former des carbures stables, de maintenir la ténacité et de survivre au contact avec l'abrasif. Un mauvais rapport entre les matériaux peut permettre d'économiser une petite partie du coût de l'alliage, mais il peut raccourcir la durée de vie, augmenter les temps d'arrêt, endommager les arbres ou les rotors et augmenter le coût total par tonne. Pour toute carrière, cimenterie, opération de recyclage ou mine sérieuse, la question ne devrait pas être de savoir s'il est nécessaire de tester les matériaux en usine. La vraie question est de savoir si le rapport d'essai est suffisamment détaillé pour prouver que la pièce est prête pour la chambre de broyage.