Performances tribologiques de la fonte blanche à haute teneur en chrome et chaleur

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9229 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Le sulfate de barytine (BaSO4) est considéré comme un matériau minéral très important utilisé comme agent alourdissant pour tous les types de fluides de forage. Pendant ce temps, les concasseurs utilisés pour l'étape de broyage lors du concassage de barytine sont affectés par des dommages d'usure catastrophiques localisés dans les pièces du marteau en fonte blanche à haute teneur en chrome (HCWCI). Dans la présente étude, une comparaison des performances tribologiques entre le HCWCI et l'acier traité thermiquement AISI P20 a été réalisée pour étudier la substitution possible du HCWCI. Le test tribologique a été réalisé sous des charges normales comprises entre 5 et 10 N pendant différentes durées (60, 120, 180 et 240 min). L'analyse de la réponse à l'usure des deux matériaux a montré que le coefficient de frottement augmente à mesure que la charge appliquée augmente. De plus, l'AISI P20 présente la valeur la plus basse par rapport à celle attribuée au HCWCI dans toutes les conditions. Par ailleurs, l'analyse de la trace d'usure obtenue par microscopie électronique à balayage (MEB) a révélé que l'endommagement était un phénomène d'usure par abrasion pour les HCWCI avec détection d'un réseau de fissures dans toute la phase carbure, plus prononcé sous la charge la plus élevée. Concernant l'AISI P20, un mécanisme d'usure par abrasion a été détecté, caractérisé par plusieurs phénomènes de rainures et de labour. En outre, l'analyse de la piste d'usure par profilométrie 2D a révélé que pour les deux charges, la profondeur d'usure maximale de la piste d'usure HCWCI était nettement supérieure à celle de l'AISI P20. En conséquence, comparé au HCWCI, l’AISI P20 présente la meilleure résistance à l’usure. De plus, à mesure que la charge augmente, la profondeur d’usure et la surface usée augmentent également. En outre, l'analyse du taux d'usure confirme les résultats précédents, qui montraient que sous les deux charges, l'AISI P20 était plus robuste que le HCWCI.

Le produit minéral barytine, également connu sous le nom de sulfate de baryum, a la formule chimique « BaSO4 ». Le nom de cette substance fait référence à sa formidable densité. Le mot « barytine » dérive en fait du mot grec « barys », qui signifie « lourd », en raison du poids atomique élevé de l'élément baryum, qui est égal à 4,48 g/cm3 à une température de 26 °C. Il ne faut pas négliger le fait que ce produit est largement consommé dans le monde entier. En effet, les secteurs pétrolier et gazier, qui sont les principales industries d'utilisation de la barytine en raison d'une combinaison peu commune de ses caractéristiques telles que sa haute densité, sa douceur et son inertie chimique, sont les principaux bénéficiaires de cette utilisation mondiale. Les autres applications concernent principalement la radioprotection et l’industrie chimique. Il est important de mentionner ici les étapes nécessaires à la production de poudre de barytine, qui sont illustrées à la Fig. 1. Cependant, en raison du taux de production élevé et des conditions de travail difficiles, divers problèmes mécaniques et tribologiques (Fig. 2) surviennent tout au long de ce concassage. processus, provoquant finalement un échec du processus. Ces problèmes entraînent des pertes de temps et d’argent, un ralentissement de la fabrication et une mauvaise qualité du produit final.

Processus de broyage de barytine.

Processus de concassage : (a) Concasseur, (b) Marteau avant et après dommages, et (c) dommages d'usure.

Dans le même contexte, plusieurs chercheurs ont étudié les dommages causés aux matériaux métalliques1,2,3,4,5. En fait, Arabnejad et al. a examiné l'effet de la dureté des particules érodées sur l'acier inoxydable et est arrivé à la conclusion que le taux d'érosion augmente à mesure que la dureté des particules augmente2. Laguna-Camacho et coll. analysé les phénomènes d'érosion de l'acier inoxydable 304. La réponse à l'usure démontre que le mécanisme d'usure par érosion de l'acier inoxydable 304 peut être décrit par une fracture fragile de plusieurs gros fragments avec un angle d'impact de 90 degrés4.

Cependant, les études documentaires traitant des dommages dus à l’usure des concasseurs dans l’industrie sont rares6,7,8,9,10. Ces derniers7,9 concentrent leur attention sur les dommages dus à l’usure du broyeur utilisé dans l’extraction de l’huile d’olive et dans l’industrie de la barytine. Une enquête globale sur les dommages de surface sur le HCWCI utilisé dans les concasseurs de barytine révèle des rainures continues, profondes et larges séparées par des crêtes provoquées par les débris d'usure générés lors du contact avec la surface. En raison de l'impact continu des particules de barytine sur le marteau, de nombreux cratères et un réseau de fissures sont également observables sur la surface endommagée. De ce fait, il est possible de déduire que l’usure résulte à la fois de phénomènes d’abrasion et de choc9.