Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Из какого материала делают мелющие шары, зависит от того, что и до какой тонины предстоит измельчать. Основных семейств материалов четыре: катаная (кованая) и литая сталь, износостойкий белый чугун с высоким содержанием хрома и техническая керамика. Каждое отличается твёрдостью, характером износа и допустимым уровнем загрязнения продукта, и именно эти свойства определяют выбор мелющих тел для конкретной шаровой мельницы.
Мелющий шар — это простое по форме, но нагруженное изделие: в барабане мельницы он тысячи часов работает в режиме ударно-абразивного истирания, раздавливая и растирая руду, клинкер, уголь или химическое сырьё. От материала шара напрямую зависят скорость помола, чистота готового порошка и удельный расход мелющих тел на тонну переработки. Ниже разобраны распространённые материалы, их нормируемые параметры по действующим стандартам и практические критерии выбора.
Все промышленные мелющие шары можно свести к трём базовым классам материалов, различающимся по способу изготовления и механизму работы:
Материал выбирают не по «максимальной твёрдости», а по балансу твёрдости, вязкости и чистоты помола под конкретное сырьё и режим работы мельницы.
Ключевое инженерное противоречие здесь такое: чем выше твёрдость мелющего тела, тем ниже его абразивный износ, но тем выше хрупкость и риск раскалывания при ударных нагрузках. Поэтому для ударного (водопадного) режима и крупного питания нужны более вязкие тела, а для тонкого истирания — предельно твёрдые и износостойкие.
Основной документ на стальные мелющие шары — ГОСТ 7524-2015 действующий «Шары мелющие стальные для шаровых мельниц. Технические условия». Он введён в действие на территории Российской Федерации с 1 ноября 2016 года и заменил ранее применявшийся ГОСТ 7524-89 заменён. Стандарт распространяется на шары, изготовленные прокаткой, ковкой и штамповкой, для измельчения сырья и материалов в шаровых мельницах. К стандарту действует Изменение № 1, введённое на территории РФ с 1 октября 2023 года.
Характерная особенность деформируемых шаров: при горячей обработке в условиях всестороннего сжатия металл получает плотную, однородную структуру без литейных пор. Кованые шары считаются наиболее качественными по плотности и стабильности твёрдости; катаные производятся массово. За расчётную плотность стали при определении массы и объёма стандарт принимает 7,85 г/см³.
Пример условного обозначения — Шар 60-2 ГОСТ 7524-2015: шар условным диаметром 60 мм, группа твёрдости 2 (повышенной твёрдости поверхности).
Шар 60-2 ГОСТ 7524-2015
ГОСТ 7524-2015 подразделяет шары по твёрдости на пять групп. Разница между старшими группами — не только в твёрдости поверхности, но и в том, на какой глубине эта твёрдость гарантируется:
Твёрдость шаров после термической обработки нормирует таблица 2 стандарта. Значения даны как минимальные (не менее) по шкалам HRC и HB и снижаются с ростом диаметра — прокалить крупное сечение труднее. Обратите внимание: группа 5 имеет не только объёмную норму, но и наибольшую твёрдость поверхности из всех групп.
Значения в ячейках — твёрдость HRC/HB, не менее, по таблице 2 ГОСТ 7524-2015. Для крупных шаров (110–120 мм) гарантируемый минимум заметно ниже, чем для мелких; наибольшую твёрдость поверхности (до 61 HRC) даёт группа 5 на малых диаметрах.
ГОСТ 7524-2015 не привязывает шар к единственной марке стали — он нормирует диаметр, твёрдость, массовую долю углерода и углеродный эквивалент. Стандарт прямо допускает изготовление шаров из стали по ГОСТ 5950-2000 действующий (инструментальная легированная) и ГОСТ 14959-2016 действующий (рессорно-пружинная нелегированная и легированная — марки типа 65Г, 70Г, 55С2, 60С2). На практике для шаров высокой твёрдости применяют также высокоуглеродистую легированную сталь, включая рельсовую.
Содержание углерода определяет закаливаемость: чем оно выше, тем выше достижимая твёрдость. По действующей редакции таблицы 3 массовая доля углерода нормируется не менее 0,40–0,50 % для групп 1–3 (в зависимости от диаметра) и не менее 0,60 % для групп 4 и 5; одновременно нормируется углеродный эквивалент (не менее 0,50–0,80 %). При обеспечении норм твёрдости стандарт допускает изготовление шаров и без контроля массовой доли углерода.
Условный диаметр стандартного ряда — от 15 до 120 мм. Важная тонкость: условный диаметр отличается от номинального. Так, условный «шар 30» соответствует номинальному диаметру 31,5 мм, а условный «шар 120» — номинальному 125 мм. Расчётная масса растёт пропорционально кубу диаметра, поэтому число штук в тонне резко падает с укрупнением шара.
Значения массы и количества приведены по приложению А (справочному) ГОСТ 7524-2015: площадь и объём рассчитаны по номинальному диаметру, масса — при плотности стали 7,85 г/см³. Для тонны шаров условным диаметром 40 мм требуется около 3400 изделий, а для тонны шаров 120 мм — примерно 124 штуки.
Литые стальные шары получают заливкой расплава в формы. Технологически это проще деформируемого производства, но у литья есть принципиальные ограничения: в теле отливки возможны поры, усадочные раковины и неоднородность структуры. Из-за них литой шар при равной марке стали, как правило, менее стоек к ударным нагрузкам, чем кованый или катаный, и более склонен к сколам и раскалыванию. Отметим, что действующий ГОСТ 7524-2015 распространяется именно на деформируемые шары (прокатка, ковка, штамповка), а не на литые.
Тем не менее литьё остаётся востребованным способом получения мелющих тел сложного состава — прежде всего легированных хромом, поскольку высоколегированные износостойкие сплавы плохо поддаются горячей деформации и рациональнее формуются именно литьём. Поэтому категория «литые мелющие тела» на практике во многом пересекается с чугунными телами, рассмотренными ниже.
При выборе между литым и деформируемым шаром одинаковой твёрдости для ударного режима работы предпочтение обычно отдают деформируемому (кованому, катаному) — из-за более плотной структуры и меньшего риска раскалывания.
Чугунные мелющие тела отливают из белого износостойкого чугуна. Его износостойкость обеспечивают твёрдые карбиды, распределённые в металлической матрице. По содержанию хрома литые мелющие тела условно делят на низко-, средне- и высокохромистые; отдельно выделяют сверхвысокохромистые составы. Границы низко- и среднехромистых групп в разных источниках различаются, а высокохромистыми считают чугуны с содержанием хрома примерно от 10–11 % и выше.
Классификацию износостойких белых чугунов на международном уровне устанавливает стандарт ISO 21988:2006 действующий «Abrasion-resistant cast irons. Classification»; аналогичные документы — европейский EN 12513 и американский ASTM A532. По ISO 21988 высокохромистые чугуны содержат от 11 до 40 % хрома и имеют структуру из сложных карбидов в матрице, которая в закалённом состоянии преимущественно мартенситная (возможно присутствие остаточного аустенита). Твёрдые карбиды типа M₇C₃ значительно превосходят по твёрдости матрицу, что и обеспечивает высокое сопротивление абразивному износу.
Главное достоинство высокохромистых мелющих тел — существенно меньший массовый расход на тонну помола по сравнению с обычными углеродистыми стальными шарами, особенно при тонком истирающем помоле абразивных материалов. Легирование хромом дополнительно повышает коррозионную стойкость, что важно при мокром помоле.
Ограничения также очевидны: высоколегированный чугун сложнее в производстве, требует термообработки и обладает пониженной жидкотекучестью при литье, что компенсируют повышением температуры заливки. Содержание вредных примесей — серы и фосфора — в таких чугунах ограничивают на уровне сотых долей процента. При сильных ударных нагрузках и крупном питании чрезмерно твёрдый и хрупкий чугун может скалываться, поэтому под ударный режим состав и твёрдость подбирают с учётом требуемой вязкости.
Высокохромистый чугун — выбор для тонкого абразивного помола, где решающую роль играет минимальный износ, а ударные нагрузки умеренные.
Керамические мелющие тела применяют там, где намол металла недопустим: в производстве лакокрасочных материалов, электронных и магнитных материалов, чистой керамики, а также в фармацевтическом и пищевом помоле и при тонком и сверхтонком измельчении. Керамика химически инертна, не окрашивает продукт и отличается очень высокой твёрдостью. Основные материалы — оксид алюминия, диоксид циркония и силикат циркония.
Самый распространённый керамический материал для мелющих тел — корундовая (высокоглинозёмистая) керамика на основе оксида алюминия Al₂O₃. Массовые «алюбитовые» шары содержат более 92 % Al₂O₃, а корундовые марки — вплоть до 99 % и выше. По твёрдости оксид алюминия (корунд) соответствует 9 по шкале Мооса — это один из самых твёрдых доступных технических материалов.
Керамика на основе диоксида циркония ZrO₂ (обычно стабилизированного оксидом иттрия) обладает более высокой плотностью — порядка 6 г/см³ — и, что важнее, повышенной вязкостью разрушения при высокой твёрдости. Большая плотность даёт больше энергии удара при том же объёме тела, поэтому циркониевые бисер и шары эффективны в бисерных и планетарных мельницах для тонкого диспергирования. Промежуточное положение по плотности занимают тела на основе силиката циркония (ZrSiO₄).
Керамика превосходит металл по твёрдости и чистоте помола, но существенно более хрупкая. Её применяют преимущественно в тонком помоле и диспергировании, а не там, где преобладают крупные ударные нагрузки.
Твёрдость — ключевой эксплуатационный параметр мелющего тела: она напрямую связана с сопротивлением абразивному износу. Для металлических мелющих тел применяют две основные шкалы:
Не менее важно, где именно измеряется твёрдость. Поверхность шара всегда твёрже сердцевины, потому что закалка прокаливает сечение неравномерно. Поэтому в ГОСТ 7524-2015 старшие группы различают по глубине контроля: твёрдость поверхности (группы 1–3), твёрдость дополнительно на глубине 0,5 радиуса (группа 4) и объёмная твёрдость (группа 5). По мере износа шар «стачивается» к сердцевине, и если твёрдость там ниже, износ ускоряется — поэтому для ответственного помола выбирают группы с нормированной твёрдостью по сечению или объёму.
ОТ = 0,289·Т пов + 0,436·Т 0,25 + 0,203·Т 0,50 + 0,063·Т 0,75 + 0,009·Т ц
Прямого универсального пересчёта между HRC и HB не существует: соответствие шкал зависит от материала и диапазона твёрдости и берётся по справочным таблицам перевода, а не по единой формуле. Именно поэтому стандарт нормирует твёрдость сразу в двух шкалах (HRC/HB).
Мелющие тела расходуются постоянно, и их износ приходится компенсировать догрузкой, иначе помол деградирует. Износ развивается по трём основным механизмам:
Удельный расход мелющих тел выражают либо в килограммах на тонну переработанного материала, либо в килограммах на киловатт-час полезной энергии измельчения. Показатель, отнесённый к энергии, устойчивее, чем расход на тонну, потому что расход на тонну сильно зависит от твёрдости конкретного сырья и режима мельницы и может колебаться в широких пределах.
Единого «типового» числа расхода на тонну не существует: значение определяется свойствами измельчаемого материала, режимом мельницы, качеством и материалом самих тел. Поэтому расход всегда оценивают под конкретную установку, а не берут «средним по отрасли».
На расход материала влияет прежде всего сочетание твёрдости и вязкости мелющего тела. Более твёрдые и правильно подобранные по составу тела изнашиваются медленнее; при этом переход на высокохромистый чугун или керамику в подходящих условиях способен заметно снизить массовый расход по сравнению с обычной углеродистой сталью. Обратная сторона — рост хрупкости, поэтому под ударный режим избыточную твёрдость не назначают.
Выбор материала мелющих тел сводится к сопоставлению свойств измельчаемого сырья, режима мельницы и требований к чистоте продукта. Обобщённые ориентиры:
Практический порядок подбора:
Оптимальный материал — тот, что даёт наименьший суммарный износ и требуемую чистоту продукта при данном режиме, а не тот, у которого выше паспортная твёрдость.
Массово — из стали: катаной, кованой или штампованной по ГОСТ 7524-2015. Для повышенной износостойкости применяют белый высокохромистый чугун, а там, где недопустим намол металла, — керамику на основе оксида алюминия или диоксида циркония.
Катаный (и кованый) шар получают горячей деформацией: структура плотная, без литейных пор, стойкость к ударам выше. Литой шар проще в изготовлении и позволяет отлить сложнолегированный состав, но может содержать поры и раковины и более склонен к сколам при ударных нагрузках. Действующий ГОСТ 7524-2015 распространяется на деформируемые шары, а не на литые.
По ГОСТ 7524-2015 твёрдость нормируется по пяти группам и по шкалам HRC/HB. Нормируемые минимумы поверхности лежат примерно от 35 HRC (группа 1, крупные шары) до 61 HRC (группа 5, малые диаметры). Минимум снижается с ростом диаметра, поскольку крупное сечение прокалить труднее.
Это белый износостойкий чугун; по классификации ISO 21988:2006 высокохромистая группа охватывает 11–40 % хрома. Твёрдые карбиды M₇C₃ в мартенситной матрице дают высокую износостойкость и коррозионную стойкость, что снижает расход тел при тонком абразивном и мокром помоле.
Когда недопустимо загрязнение продукта металлом и нужен тонкий или сверхтонкий помол: в лакокрасочной, электронной, керамической, фармацевтической и пищевой отраслях. Оксид алюминия (более 92 % Al₂O₃, твёрдость 9 по Моосу) и диоксид циркония (плотность порядка 6 г/см³) обеспечивают высокую твёрдость и химическую инертность.
Единого числа нет: расход сильно зависит от твёрдости и абразивности сырья, режима мельницы и материала тел. Устойчивее показатель, отнесённый к энергии измельчения (кг/кВт·ч), чем расход на тонну. Значение оценивают под конкретную установку.
Чем выше твёрдость, тем ниже абразивный износ, но тем выше хрупкость. Поэтому для ударного режима выбирают более вязкие тела, а для истирающего — предельно твёрдые. Легирование хромом дополнительно повышает стойкость к коррозии при мокром помоле.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.