Optimization of high carbon austenitic manganese steels for comminution processes

Austenitic manganese steels are widely used in mineral comminution processes due to their good wear resistance and high toughness. The classical chemical composition for austenitic manganese steel in these applications is about 12%Mn and 1.2%C, steel first produced by R. Hadfield more than a century ago. Ever since, many efforts to improve its mechanical properties and wear resistance have been made, mostly driven by the continuous demand of the mining industry for bigger crushing equipment and lower production costs. In this work, two types of austenitic manganese steels containing a relative high content of carbon are investigated. The high carbon content provided the steels good wear resistance, but compromises their mechanical properties. An important deleterious effect observed due to high carbon content was embrittlement due to the precipitation of carbides at grain boundary. Another important feature of the steels under study was their difference in manganese content, which played an important role in stabilizing carbon in the austenitic matrix. Furthermore, both steels contained titanium, which contributed to increase wear resistance through the formation of a hard phase of stable carbides. Heat treatments were performed, aimed to solubilize precipitated carbides and to improve quenching conditions, in order to avoid reprecipitation of these carbides, especially in thick castings. The results presented showed a correct selection of the temperature for austenitization and, additionally, a characterization of the kinetics of the re-precipitation phenomenon. After the improvements of the microstructure, the steels were tested in pilot scale crushers to assess their wear properties. Additionally, field tests were performed as well in industrial applications: in a cone crusher, a horizontal shaft impactor and a hammermill. The results of the metallurgical and tribological studies demonstrated the need for improvements in the chemical composition of the steels. For this reason, different elements, such as Nb, Al, Ni, Mo, were added to the composition of the steels. Finally, a cost estimation of the industrial production of these new steels was performed, in order to assess their economic feasibility. The results showed that the phenomenon of carbide re-precipitation is the main reason for embrittlement. Manganese content was the most important variable to stabilize the microstructure. The addition of Ni to this steel resulted in an improvement of mechanical properties, while maintaining the good wear resistance. Two appendixes are included with original research work that was secondary to the scope of the thesis project. The first, presents a mathematical model that simulates the granulometric curve of the product from a crusher, but taking in consideration the wear in the liners of the machine. The other, presents an ultrasound treatment, which had comminution effects in different types of mineral particles. Ultrasound was tested as well in a leaching process to investigate their kinetic enhancement effects.

Gli acciai austenitici al manganese sono largamente utilizzati nell’industria mineraria poiché hanno un’elevata resistenza all’abrasione e un altissima tenacità. La composizione chimica più diffusa nell’attività mineraria è di circa 1.2% C e 12% Mn, composizione che è stata prodotta per prima volta da R. Hadfield più di un secolo fa. Da questo momento, molte ricerche sono state eseguite per migliorare le proprietà meccaniche e la resistenza all’usura di questi acciai. Soprattutto perché la industria mineraria attuale richiede costi di produzione più bassi e frantoi con più grande capacità. In questo studio, sono presentati due acciai austenitici al manganese, i cui contenuti di carbonio sono considerevolmente alti. Questo contenuto di carbonio fornisce agli acciai buona resistenza all’ usura, ma diminuisce le proprietà meccaniche. Un effetto non desiderato del alto contenuto di carbonio è il infragilimento dovuto alla re-precipitazione di carburi a bordo grano. Un'altra caratteristica importante degli acciai studiati è il loro contenuto di manganese, che ha avuto un ruolo preponderante nella stabilizzazione del carbonio nella matrice austenitica. Anche, entrambi acciai contenevano del titanio, elemento che ha contribuito a incrementare la resistenza all’usura tramite la formazione di carburi duri e stabili. Sono stati eseguiti dei trattamenti termici allo scopo di solubilizzare delle fasi precipitate e anche a migliorare la condicione di tempra in modo di evitare la re-precipitazione di questi carburi, specialmente nei getti di grosso spessore. I resultati ottenuti forniscono una temperatura ottimale per la austenitizazione degli acciai e anche, caratterizzano la cinetica di re-precipitazione dei carburi a bordo grano. Dopo le procedure di miglioramento della microstruttura, i due acciai sono stati testati a scala pilota utilizzando dei piccoli frantoi. Anche, sono stati eseguiti test sul terreno, in diverse machine a livello industriale: frantoio a cono, mulino a asse orizzontale e mulino a martelli. I resultati delle studi metallurgici e tribologici hanno dimostrato la necessita di miglioramenti nella composizione chimica degli acciai. Quindi, diversi elementi sono stati aggiunti agli acciai (Nb, Al, Ni, Mo). Alla fine, è stata eseguita una stimazione dei costi di produzione per gli nuovi acciai, allo scopo di valutare la loro fattibilità economica. Pertanto, è stato dimostrato che il fenomeno di re-precipitazione è la causa più importante del infragilimento. Il contenuto di manganese è stato la varabile più importante per stabilizzare la microstruttura. La aggiunta di nichel a questo acciaio a permesso la migliora delle proprietà meccaniche, e allo stesso tempo di mantenere la resistenza all’usura. Se inseriscono due appendici contenenti lavori di ricerca che non apparteneva allo scopo principale della tesi. La prima appendice tratta un modello matematico che simula la curva granulometrica del prodotto appartenete a un frantoio. Il modello prende in considerazione la perdita di qualità dovuta alla usura dei rivestimenti. L’altra appendice parla di un trattamento di ultrasuono eseguito allo scopo di macinare delle diverse particelle di rocce. Anche, questo trattamento è stato impiegato in uno sperimento idrometallurgico allo scopo di verificare l’incremento della cinetica di lisciviazione.