Der Kegelbrechermantel, auch Laufkegelauskleidung genannt, ist ein wichtiges verschleißfestes Bauteil, das an der Außenfläche des Laufkegels montiert ist und den rotierenden Teil der Brechkammer bildet. Seine Hauptfunktionen umfassen aktives Brechen (exzentrische Rotation mit der Mantelauskleidung zur Materialzerkleinerung), Verschleißschutz (Abschirmung des Laufkegels), Materialflusskontrolle (Leitung des Materials durch die Brechkammer über das konische Profil) und Kraftverteilung (Sicherstellung einer gleichmäßigen Kraftverteilung zur Minimierung von lokalem Verschleiß). Er erfordert außergewöhnliche Verschleißfestigkeit (Härte ≥ HRC 60), Schlagzähigkeit (≥ 12 J/cm²) und Dimensionsstabilität.
Strukturell handelt es sich um eine konische oder kegelstumpfförmige Komponente, die aus dem Mantelkörper (Chromgusseisen mit hohem Chromgehalt wie Cr20–Cr26 oder Nickelhartgusseisen), dem äußeren Verschleißprofil (mit einem Kegelwinkel von 15°–30°, gerippten/gerillten Oberflächen und glatten Übergangszonen), Montagemerkmalen (konische Innenfläche, Bolzenflansch, Schnittstelle der Sicherungsmutter, Passfedern), Verstärkungsrippen und abgeschrägten/abgerundeten Kanten besteht.
Der Gussprozess umfasst die Materialauswahl (Chromguss Cr20Mo3), die Modellherstellung (mit Schrumpfungstoleranzen), das Formen (harzgebundene Sandform), das Schmelzen und Gießen (kontrollierte Temperatur und Durchflussrate) sowie die Wärmebehandlung (Lösungsglühen und Bainitisieren). Der Bearbeitungsprozess umfasst die Grobbearbeitung, die Feinbearbeitung der Innenfläche, die Bearbeitung der Montageelemente, die Endbearbeitung des Außenprofils und die Oberflächenbehandlung.
Die Qualitätskontrolle umfasst Materialprüfungen (chemische Zusammensetzung und metallografische Analyse), Prüfungen der mechanischen Eigenschaften (Härte- und Schlagprüfungen), Maßhaltigkeitsprüfungen (mittels Koordinatenmessgerät und Laserscanner), zerstörungsfreie Prüfungen (Ultraschall- und Magnetpulverprüfungen) und die Validierung des Verschleißverhaltens (beschleunigte Prüfungen und Feldversuche). Diese gewährleisten die erforderliche Verschleißfestigkeit, Präzision und Haltbarkeit des Mantels für einen effizienten Kegelbrecherbetrieb im Bergbau, Steinbruch und der Zuschlagstoffverarbeitung.
Detaillierte Einführung in die Kegelbrecher-Mantelkomponente
1. Funktion und Rolle des Mantels
Der Kegelbrechermantel (auch Laufkegelauskleidung genannt) ist ein wichtiges, verschleißfestes Bauteil, das an der Außenfläche des Laufkegels montiert ist und den rotierenden Teil der Brechkammer bildet. Zu seinen Hauptfunktionen gehören:
Aktives Zerkleinern: Durch exzentrische Rotation werden in Verbindung mit der Trommelauskleidung Druck- und Scherkräfte auf Materialien (Erze, Gesteine) ausgeübt, wodurch diese auf die gewünschte Partikelgröße reduziert werden.
Verschleißschutz: Schützt die Metallstruktur der beweglichen Membran vor direkter Abnutzung und Stößen und verlängert so die Lebensdauer des Membrankörpers.
Materialflusskontrolle: Das zerkleinerte Material wird über das konische Profil durch die sich verengende Brechkammer geleitet, wodurch eine fortschreitende Größenreduzierung gewährleistet wird.
Kraftverteilung: Gleichmäßige Verteilung der Druckkräfte über die Oberfläche, um lokalen Verschleiß zu minimieren und einen stabilen Betrieb bei unterschiedlicher Materialhärte aufrechtzuerhalten.
Aufgrund seiner Rolle in Umgebungen mit hoher Stoß- und Reibungskraft muss der Mantel eine außergewöhnliche Verschleißfestigkeit (Härte ≥ HRC 60), Schlagzähigkeit (≥ 12 J/cm²) und Dimensionsstabilität aufweisen, um wiederholten Belastungszyklen standzuhalten.
2. Zusammensetzung und Struktur des Mantels
Der Mantel ist ein konisches oder kegelstumpfförmiges Bauteil mit einer hohlen Innenstruktur und weist die folgenden Hauptteile und Strukturdetails auf:
Mantelkörper: Der verschleißfeste Hauptteil besteht typischerweise aus hochchromhaltigem Gusseisen (Cr20–Cr26) oder nickelhartem Gusseisen (Ni-Hard 4) und hat eine Dicke von 50–150 mm. Seine Innenfläche ist passend zum beweglichen Kegel bearbeitet, während die Außenfläche ein präzisionsgefertigtes Verschleißprofil aufweist.
Äußeres Verschleißprofil: Entwickelt, um die Zerkleinerungseffizienz und Verschleißverteilung zu optimieren:
Konische Geometrie: Ein Kegelwinkel von 15°–30° (entsprechend der Verjüngung der Schüsselauskleidung), um eine sich allmählich verengende Brechkammer zu schaffen und so eine fortschreitende Materialreduzierung zu ermöglichen.
Gerippte oder gerillte Oberflächen: Verbessert die Materialhaftung, um ein Verrutschen zu verhindern, insbesondere bei groben Erzen, und fördert einen gleichmäßigen Verschleiß.
Sanfte Übergangszonen: Reduzierung der Spannungskonzentration an den oberen und unteren Kanten, um Absplitterungen oder Risse zu vermeiden.
Montagefunktionen:
Konische Innenfläche: Eine konische Bohrung, die mit der äußeren Verjüngung des beweglichen Kegels zusammenpasst und durch Übermaß (0,1–0,3 mm) einen festen Sitz gewährleistet, um eine relative Drehung zu verhindern.
Rückhaltesystem:
Bolzenflansch: Ein radialer Flansch an der Oberseite mit Bolzenlöchern, um den Mantel am beweglichen Kegel zu befestigen und eine axiale Verschiebung während der Rotation zu verhindern.
Schnittstelle für Sicherungsmutter: Ein Gewindeabschnitt an der Oberseite, der mit einer Kontermutter in Eingriff kommt und den Mantel für zusätzliche Stabilität auf den beweglichen Kegel drückt.
Schlüssel finden: Vorsprünge oder Rillen auf der Innenfläche, die mit Schlitzen am beweglichen Kegel ausgerichtet sind und so eine präzise radiale Positionierung gewährleisten.
Verstärkungsrippen: Interne radiale Rippen (10–20 mm dick) in der Nähe des oberen Flansches zur Verstärkung des Mantels und zur Verringerung der Verformung bei hohen axialen Belastungen.
Ober- und Unterkante: Abgeschrägte oder abgerundete Kanten, um Spannungskonzentrationen zu minimieren und Materialansammlungen oder Verklemmen zu verhindern.
3. Gießprozess für den Mantel
Hochchromhaltiges Gusseisen, das Hauptmaterial für Glühstrümpfe, wird im Sandgussverfahren hergestellt, um komplexe Verschleißprofile zu erreichen:
Materialauswahl:
Hochchromhaltiges Gusseisen (Cr20Mo3) wird aufgrund seiner harten Chromkarbidphase (M7C3) bevorzugt, die für außergewöhnliche Verschleißfestigkeit sorgt. Die chemische Zusammensetzung wird auf 2,5–3,5 % C, 20–26 % Cr und 0,5–1,0 % Mo kontrolliert, um Härte und Zähigkeit auszugleichen.
Musterherstellung:
Es wird ein maßstabsgetreues Muster (aus Schaumstoff, Holz oder 3D-gedrucktem Harz) erstellt, das das Außenprofil, die Innenbohrung, den Flansch und die Rippen des Mantels nachbildet. Schrumpfungstoleranzen (1,5–2,5 %) werden hinzugefügt, wobei für dickwandige Abschnitte größere Toleranzen vorgesehen sind, um der Abkühlungskontraktion Rechnung zu tragen.
Formen:
Um das Modell herum wird eine harzgebundene Sandform geformt, wobei ein Sandkern zur Erzeugung der hohlen Innenbohrung verwendet wird. Der Formhohlraum wird mit einer feuerfesten Schlichte (Aluminiumoxid-Siliziumdioxid) beschichtet, um die Oberflächengüte zu verbessern und Sandeinschlüsse im Gussteil zu verhindern.
Schmelzen und Gießen:
Das Gusseisen wird in einem Induktionsofen bei 1450–1500 °C geschmolzen, wobei der Kohlenstoffäquivalentgehalt (CE ≤ 4,2 %) streng kontrolliert wird, um Schrumpfungsfehler zu vermeiden.
Das Gießen erfolgt bei 1380–1420 °C mit einer Schöpfkelle und einer gleichmäßigen Fließgeschwindigkeit, um den Formhohlraum ohne Turbulenzen zu füllen und so eine dichte Struktur sicherzustellen.
Wärmebehandlung:
Lösungsglühen: Erhitzen auf 950–1050 °C für 2–4 Stunden, um Carbide aufzulösen, gefolgt von Luftkühlung, um die Struktur zu homogenisieren.
Bainitisieren: Abschrecken in Öl auf 250–350 °C, dann Anlassen bei 200–250 °C, um die Matrix in Martensit umzuwandeln und eine Härte von 60–65 HRC zu erreichen, während die Schlagzähigkeit erhalten bleibt.
4. Bearbeitungs- und Herstellungsprozess
Schruppbearbeitung:
Der Gussmantel wird auf einer CNC-Vertikaldrehmaschine montiert, um die innere konische Oberfläche, den oberen Flansch und die Bolzenlöcher zu bearbeiten. Dabei wird eine Nachbearbeitungstoleranz von 1–2 mm eingehalten. Wichtige Abmessungen (innerer Kegelwinkel, Flanschdicke) werden auf ±0,1 mm kontrolliert.
Präzisionsbearbeitung der Innenfläche:
Die innere konische Bohrung ist fertiggedreht und geschliffen, um eine Oberflächenrauheit von Ra0,8 μm zu erreichen und so einen festen Presssitz mit dem beweglichen Kegel zu gewährleisten. Der Kegelwinkel ist auf den beweglichen Kegel abgestimmt (Toleranz ±0,05°), um eine ungleichmäßige Belastung zu vermeiden.
Bearbeitung von Montagemerkmalen:
Die Bolzenlöcher im oberen Flansch sind mit einer Toleranz der Klasse 6H gebohrt und mit Gewinden versehen, mit einer Positionsgenauigkeit (±0,2 mm) relativ zur Achse des Mantels, um eine gleichmäßige Klemmkraft sicherzustellen.
In die Innenfläche werden (sofern vorhanden) Passfedernuten mit Tiefen- und Breitentoleranzen (±0,05 mm) eingefräst, um sie an den Keilen des beweglichen Kegels auszurichten.
Außenprofilbearbeitung:
Die äußere Verschleißfläche wird auf Gussfehler untersucht und anschließend leicht geschliffen, um Oberflächenunregelmäßigkeiten zu beseitigen und gleichzeitig das vorgesehene Verschleißprofil beizubehalten. Es wird kein überschüssiges Material entfernt, um den optimalen Brechspalt mit der Trommelauskleidung zu gewährleisten.
Oberflächenbehandlung:
Die Innenfläche (die mit dem beweglichen Kegel zusammenpasst) ist mit einer Anti-Seize-Verbindung (Molybdändisulfid) beschichtet, um die Installation durch Wärmeschrumpfen zu erleichtern.
Die Außenfläche kann einem Kugelstrahlen unterzogen werden, um Druckspannungen zu erzeugen, die Ermüdungsbeständigkeit zu verbessern und die Rissausbreitung zu verringern.
5. Qualitätskontrollprozesse
Materialprüfung:
Die Analyse der chemischen Zusammensetzung (mittels optischer Emissionsspektrometrie) bestätigt, dass die Legierung den Spezifikationen entspricht (z. B. Cr20Mo3: Cr 20–23 %, C 2,8–3,2 %).
Durch metallografische Analysen wird die Verteilung harter Karbide (Volumenanteil ≥ 30 %) in einer martensitischen Matrix bestätigt, wodurch die Verschleißfestigkeit gewährleistet wird.
Prüfung mechanischer Eigenschaften:
Durch Härteprüfungen (Rockwell C) wird sichergestellt, dass die Außenfläche eine Härte von HRC 60–65 aufweist; die Kernhärte wird überprüft, um eine gleichmäßige Wärmebehandlung zu bestätigen (≤HRC 55 für Zähigkeit).
Der Schlagzähigkeitstest (Charpy-V-Kerbe) misst die Zähigkeit bei Raumtemperatur. Um einem Bruch bei starker Einwirkung standzuhalten, sind ≥12 J/cm² erforderlich.
Maßgenauigkeitsprüfungen:
Eine Koordinatenmessmaschine (KMG) prüft die wichtigsten Abmessungen: inneren Kegelwinkel, Außendurchmesser in mehreren Höhen und Flanschebenheit mit Toleranzen von ±0,1 mm.
Ein Laserscanner überprüft, ob das äußere Verschleißprofil mit dem CAD-Modell übereinstimmt, und stellt so die richtige Ausrichtung mit der Schüsselauskleidung sicher, um den vorgesehenen Brechspalt einzuhalten.
Zerstörungsfreie Prüfung (NDT):
Durch Ultraschallprüfungen (UT) werden innere Defekte (z. B. Schrumpfporen, Risse) im Mantelkörper erkannt, wobei jeder Defekt von >φ3 mm zur Ablehnung führt.
Bei der Magnetpulverprüfung (MPT) wird auf Oberflächenrisse im Flansch, in den Bolzenlöchern und an den Kanten geprüft. Lineare Defekte bis 0,2 mm werden abgelehnt.
Validierung der Verschleißleistung:
Bei beschleunigten Verschleißtests (ASTM G65) wird zur Messung des Gewichtsverlusts ein Gerät mit trockenem Sand-/Gummirad verwendet, wobei bei Glühstrümpfen mit hohem Chromgehalt ≤0,5 g/1000 Zyklen erforderlich sind.
Bei Feldversuchen wird der Mantel in einem Testbrecher installiert und die Verschleißraten über 500 Betriebsstunden überwacht, um einen gleichmäßigen Verschleiß und keine vorzeitigen Ausfälle sicherzustellen.
Durch diese Fertigungs- und Qualitätskontrollprozesse erreicht der Mantel die Verschleißfestigkeit, Präzision und Haltbarkeit, die für eine effiziente, langfristige Brechleistung in Kegelbrechern erforderlich sind. Dadurch eignet er sich für Anwendungen im Bergbau, Steinbruch und bei der Verarbeitung von Zuschlagstoffen.
