Quels paramètres doivent être pris en compte lors de la sélection des billes en acier forgé?

Pour sélectionner correctement la taille, le matériau et les spécifications des boulets d'acier forgé, il est nécessaire de combiner les conditions de travail (telles que le type de broyeur, la dureté du matériau, les exigences de finesse de broyage) et les paramètres opérationnels (tels que la vitesse du broyeur, le taux de remplissage), et de faire attention à la correspondance des paramètres clés : les boulets d'acier forgé se caractérisent par une structure dense, une résistance élevée et une excellente résistance aux chocs, de sorte que la sélection des paramètres doit mettre en évidence leur adaptabilité aux scénarios de broyage à forte charge et à fort impact. Ce qui suit est une explication détaillée à partir de trois dimensions : détermination de la taille, sélection des tolérances et paramètres clés :

La taille des boulets d'acier forgé doit correspondre à la structure du broyeur (diamètre intérieur, type de revêtement) et s'adapter aux caractéristiques de broyage du matériau (dureté, granulométrie, fragilité). L'essentiel est de déterminer les trois paramètres clés du diamètre des boulets, du rapport de taille des boulets et du poids d'un seul boulet, en tenant pleinement compte de l'avantage de haute résistance des matériaux forgés :

Le diamètre des boulets affecte directement la force d'impact et l'efficacité du broyage, déterminé par la taille maximale des particules du matériau, le diamètre du broyeur et l'étape de broyage : la résistance à la traction élevée des boulets d'acier forgé (≥1000 MPa) permet d'utiliser des diamètres de boulets plus grands dans les scénarios à forte charge :

• Broyage primaire (taille des particules de la matière première ≥60 mm) : Grands boulets (60-120 mm) pour fournir une forte force d'impact, adaptés aux broyeurs semi-autogènes, aux concasseurs à cône ou aux broyeurs à boulets à broyage grossier (la résistance aux chocs de l'acier forgé évite la fracture lors des collisions avec de grosses particules) ;
• Broyage secondaire (taille des particules de la matière première 15-60 mm) : Boulets de diamètre moyen (40-60 mm) pour équilibrer l'impact et le broyage, applicables aux broyeurs à boulets généraux pour les matériaux moyennement durs (par exemple, minerai de fer, calcaire) ;
• Broyage fin (taille des particules de la matière première ≤15 mm) : Petits boulets (20-40 mm) pour augmenter la surface de contact avec les matériaux, adaptés aux broyeurs à broyage fin ou aux systèmes broyeur-classificateur (la structure uniforme de l'acier forgé assure une usure constante) ;
• Adaptation spéciale : Pour les broyeurs de petit diamètre (Φ≤2,8 m), le diamètre maximal des boulets ne doit pas dépasser 80 mm (éviter un impact excessif sur le revêtement) ; pour les broyeurs de grand diamètre (Φ≥5,0 m), le diamètre maximal des boulets peut être augmenté à 120 mm (tirer parti de la haute résistance de l'acier forgé pour résister aux fortes charges) ;
• Référence de calcul : Diamètre de boulets recommandé D₈₀ = (7-9)*√(taille maximale des particules du matériau, mm) (pour l'acier allié au carbone moyen forgé), ajuster de ±10 % en fonction de la dureté du matériau (les matériaux plus durs prennent la limite supérieure, les matériaux plus mous prennent la limite inférieure : la rétention de dureté de l'acier forgé permet un ajustement plus large).

Une seule taille de boulets ne peut pas couvrir toutes les tailles de particules dans le broyeur, il est donc nécessaire d'avoir un rapport raisonnable de grands, moyens et petits boulets d'acier forgé pour maximiser l'efficacité du broyage :

• Broyage général (distribution granulométrique du matériau 10-60 mm) : Rapport de grands boulets (60-80 mm) : boulets moyens (40-60 mm) : petits boulets (20-40 mm) = 3:4:3, assurant à la fois l'impact sur les grosses particules et le broyage des petites particules ;
• Broyage grossier à impact dominant (taille maximale des particules ≥80 mm) : Augmenter la proportion de gros boulets, rapport = 5:3:2, améliorer la capacité d'écrasement des grosses particules (la ténacité élevée à l'impact de l'acier forgé évite la fracture lors des collisions) ;
• Broyage fin à broyage dominant (taille maximale des particules ≤15 mm) : Augmenter la proportion de petits boulets, rapport = 1:3:6, améliorer l'efficacité du contact de surface avec les fines particules ;
• Principe : Le volume cumulé de tous les boulets d'acier forgé doit remplir 28 à 35 % du volume effectif du broyeur (taux de remplissage). Le rapport de taille des boulets doit éviter les « écarts de taille » (par exemple, pas de saut direct de 80 mm à 40 mm sans boulets de 60 mm) pour assurer un remplissage uniforme, et la haute densité des boulets d'acier forgé (≈7,85 g/cm³) contribue à améliorer l'énergie cinétique de broyage.

Le poids d'un seul boulet est déterminé par le diamètre des boulets et la densité du matériau (la densité de l'acier forgé est supérieure à celle de l'acier moulé), et affecte la consommation d'énergie du broyeur et la durée de vie :

• Broyeur à faible puissance (≤1500 kW) : Sélectionner des boulets d'acier forgé plus légers (m=0,8-2,5 kg, diamètre correspondant 40-60 mm) pour éviter de surcharger le système d'entraînement ;
• Broyeur à haute puissance (>2500 kW) : Utiliser des boulets d'acier forgé plus lourds (m=2,5-6 kg, diamètre correspondant 60-100 mm) pour correspondre à la demande d'impact élevée (la haute résistance de l'acier forgé supporte une charge lourde sans déformation) ;
• Principe d'équilibre de l'usure : Le poids d'un seul boulet doit assurer un taux d'usure uniforme. Par exemple, les boulets d'acier forgé 42CrMo d'un diamètre de 60 mm ont un poids d'environ 1,15 kg, ce qui convient à la plupart des broyeurs de moyenne puissance, et leur structure forgée évite une usure inégale causée par des défauts internes.

Les boulets d'acier forgé fonctionnent sous des collisions à grande vitesse (vitesse de collision jusqu'à 6-9 m/s) et des frottements, de sorte que le contrôle des tolérances doit éviter une usure inégale, les vibrations du broyeur ou un mauvais remplissage : leur précision de forgeage offre de meilleures performances de tolérance que les boulets moulés :

• Pour les boulets de diamètre ≤40 mm : Tolérance ±0,4 mm (ISO 3290 Classe G3), assurant un contact uniforme entre les petits boulets et les fines particules (la précision de forgeage réduit l'écart de taille) ;
• Pour les boulets de diamètre 40-80 mm : Tolérance ±0,8 mm (ISO 3290 Classe G4), équilibrant l'efficacité du traitement et l'uniformité de la taille ;
• Pour les boulets de diamètre >80 mm : Tolérance ±1,2 mm (ISO 3290 Classe G5), permettant un écart approprié sans affecter l'effet d'impact ;
• Exigence clé : La différence de diamètre maximale entre les boulets d'acier forgé dans le même broyeur ne doit pas dépasser 1,5 mm, évitant une force d'impact inégale entraînant une usure locale du revêtement (la rigidité élevée de l'acier forgé amplifie l'impact de l'écart de taille).

• Erreur de circularité ≤0,25 mm (pour un diamètre ≤60 mm) ou ≤0,4 mm (pour un diamètre >60 mm), mesurée par un appareil de mesure de la circularité : le processus de forgeage rotatif de l'acier forgé assure une meilleure circularité que les boulets moulés ;
• Signification : Les boulets d'acier forgé non ronds provoqueront de fortes vibrations du broyeur pendant la rotation à grande vitesse (vitesse du broyeur 18-26 tr/min), augmentant la consommation d'énergie de 8 à 12 % et accélérant l'usure du revêtement, ce qui est plus évident qu'avec les boulets moulés en raison de la densité plus élevée.

• Rugosité de surface : Ra ≤1,2 µm (poli après forgeage), éliminant la calamine et les bavures de forgeage : la surface lisse de l'acier forgé réduit l'adhérence du matériau et les rayures du revêtement ;
• Uniformité de la dureté de surface : Différence de dureté ≤3 HRC sur la surface du boulet (la forge + le traitement thermique assurent une répartition uniforme de la dureté), évitant une usure excessive locale ;
• Chanfreinage des bords : Pas d'arêtes vives (la déformation plastique de l'acier forgé pendant le traitement forme naturellement des bords arrondis), empêchant d'endommager les revêtements et les matériaux.

Les boulets d'acier forgé sont principalement fabriqués en acier allié à haute résistance et à haute ténacité, et les paramètres sont sélectionnés en fonction du mécanisme d'usure (usure par impact + usure abrasive) :

• Résistance à l'usure : Taux d'usure volumique ≤0,06 cm³/ (kg·m) (test ASTM G65), 20 à 30 % meilleur que les boulets en acier moulé en raison de la densité forgée ;
• Traitement thermique : Processus de trempe + revenu (le grain de l'acier forgé est affiné après le traitement thermique, ce qui améliore la dureté et la ténacité).

• Adaptation du taux de remplissage : Lorsque le taux de remplissage est de 33 à 36 % (remplissage élevé), sélectionner des boulets d'acier forgé à haute dureté (HRC+3) pour résister à l'augmentation du frottement ; lorsque le taux de remplissage est de 28 à 32 % (faible remplissage), utiliser de l'acier forgé à haute ténacité (par exemple, 50Mn2) pour éviter une fracture excessive due aux chocs ;
• Adaptation du milieu de broyage : Broyage humide (environnement de suspension) → sélectionner de l'acier forgé résistant à la corrosion (par exemple, 42CrMo avec revêtement antirouille) pour éviter la rouille ; broyage à sec (environnement de poudre) → mettre l'accent sur la résistance à l'usure (acier forgé à haute teneur en chrome) ;
• Adaptation à la température : Broyage à haute température (température du matériau ≥180 °C) → sélectionner de l'acier forgé résistant à la chaleur (par exemple, 35CrMoV) pour éviter la réduction de la dureté (la stabilité du traitement thermique de l'acier forgé est meilleure que celle de l'acier moulé).

• Structure solide : Les boulets d'acier forgé sont tous solides (pas de pores internes ni de cavités de retrait, un défaut courant dans les boulets moulés), assurant une force uniforme et évitant une fracture soudaine sous l'impact ;
• Processus de traitement thermique : Trempe + revenu à basse température pour former une structure martensitique, équilibrant la dureté et la ténacité : la réponse au traitement thermique de l'acier forgé est meilleure que celle de l'acier moulé en raison d'une composition uniforme ;
• Personnalisation de la taille : Pour les broyeurs spéciaux (par exemple, les broyeurs expérimentaux à petite échelle, les broyeurs semi-autogènes de grand diamètre), les boulets d'acier forgé peuvent être personnalisés en diamètre (10-150 mm) et en poids, avec des délais de livraison plus courts que les boulets moulés pour les tailles non standard.