金屬耐磨材料在水泥企業(yè)的研究和應(yīng)用

王 斌

[摘要] 本文從金屬耐磨材料的概述、水泥企業(yè)常用的耐磨材料以及根據(jù)磨損原理具體的選用金屬耐磨材料,對金屬耐磨材料進(jìn)行了研究、分析,對其他選用金屬耐磨材料給予一定的參考和借鑒。

[關(guān)鍵詞] 金屬耐磨材料 水泥企業(yè) 研究 應(yīng)用

一、金屬耐磨材料的概述

材料的耐磨性不僅決定于材料的硬度Hm,而且更主要的是決定于材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值。當(dāng)Hm/Ha比值超過一定值后,磨損量便會迅速降低。

當(dāng)Hm/Ha≤0.5-0.8時為硬磨料磨損,此時增加材料的硬度對材料的耐磨性增加不大。

當(dāng)Hm/Ha>0.5-0.8時為軟磨料磨損,此時增加材料的硬度,便會迅速地提高材料的耐磨性。

金屬耐磨材料一般都指的是耐磨鋼,能抵抗磨料磨損的鋼。這類鋼還沒有成為一個完全獨(dú)立的鋼種,其中公認(rèn)的耐磨鋼是高錳鋼。

二、水泥企業(yè)主要使用的耐磨鋼

在水泥工業(yè)中大多以磨料磨損為主要磨損方式。耐磨材料主要用于磨機(jī)襯板、隔倉板、篦板,球、段,破碎機(jī)錘頭、板錘、反擊板、顎板,立磨輥、盤等。從材質(zhì)上可分為以下三大類:

1.高錳鋼系列

該材質(zhì)在八十年代前的一百余年中始終占據(jù)耐磨材料的主導(dǎo)地位,優(yōu)點(diǎn):韌性極好,在強(qiáng)沖擊條件下產(chǎn)生加工硬化;缺點(diǎn):易塑性變形,不耐磨。已從非強(qiáng)沖擊條件下應(yīng)用的易損件(磨機(jī)襯板類)中退出,但是在強(qiáng)沖擊負(fù)荷下應(yīng)用的易損件中,仍保持不可替代的優(yōu)勢。

普通高錳鋼以及為了提高屈服強(qiáng)度添加各種合金元素的合金高錳鋼,在大型破碎機(jī)錘頭、板錘、反擊板、篦板、顎式破碎機(jī)顎板及圓錐破碎機(jī)內(nèi)外錐等易損件中,占主導(dǎo)地位。超高錳鋼僅限用于大型破碎機(jī)錘頭和板錘。中錳鋼也有部分應(yīng)用。

2.合金鋼系列

低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金、低碳高合金等各種合金鋼,由于其化學(xué)成分、熱處理工藝可在很大范圍內(nèi)變化,最終產(chǎn)品的機(jī)械性能指標(biāo)差距很大,硬度HRC40-60,沖擊韌性ak10-100J/cm2,因此可根據(jù)易損件的應(yīng)用工況條件,分析其主要磨損機(jī)制,優(yōu)化和選擇合金鋼的化學(xué)成分和綜合機(jī)械性能,達(dá)到最經(jīng)濟(jì)合理的選用。

中碳低合金鋼的優(yōu)點(diǎn)是:合金量少,生產(chǎn)成本較低,依靠水淬或油淬提高硬度,滿足易損件的耐磨壽命。

中碳中合金鋼的優(yōu)點(diǎn)是:中等的合金含量使其基體組織得到固溶強(qiáng)化且有彌散碳化物,熱處理工藝簡單且穩(wěn)定,綜合機(jī)械性能較佳。與中碳低合金鋼相比,即使硬度相同,耐磨性明顯增高,但生產(chǎn)成本偏高。

低碳高合金鋼的優(yōu)點(diǎn)是:低碳、高合金的化學(xué)成分配合恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?可獲得非常高的韌性和較高的硬度,對受沖擊負(fù)荷較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的易損件具有絕對的優(yōu)勢,缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高。

3.抗磨白口鑄鐵系列

該系列有高鉻鑄鐵、中鉻鑄鐵、低鉻鑄鐵、鎳硬鑄鐵及高鉻鑄鋼等品種?？傮w優(yōu)點(diǎn):硬度高,耐磨性好。缺點(diǎn):韌性不足。

高鉻鑄鐵(Cr14-30%)的耐磨性最好,應(yīng)用范圍最廣,如中小型磨機(jī)襯板,球和段,小型破碎機(jī)錘頭和板錘,立磨輥和盤等。大型磨機(jī)前配置了輥壓機(jī)后,高鉻鑄鐵即可揚(yáng)長避短,充分發(fā)揮其優(yōu)異的耐磨性,襯板使用壽命可達(dá)8年以上。

低鉻鑄鐵(Cr1.5-3%)的硬度、韌性均大大低于高鉻鑄鐵,主要應(yīng)用于球、段以及細(xì)磨倉襯板,優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)成本低,缺點(diǎn)是應(yīng)用范圍窄,綜合性能和抗磨指標(biāo)一般。

中鉻鑄鐵(Cr8-14%)僅用于鑄球,降低鉻含量,既可以降低生產(chǎn)成本,也可滿足球的破碎率指標(biāo),市場中仍稱之為高鉻球。

三、水泥企業(yè)常用耐磨材料具體選用(本文以磨機(jī)為例)

1.粗磨倉襯板磨損機(jī)理及耐磨材料的選擇

粗磨倉入磨料度為15mm-25mm,研磨體平均球徑φ75mm左右,最大球徑φ90mm-lOOmm。磨機(jī)回轉(zhuǎn)時,球和物料以較大的沖擊力鑿削襯板;球在下落的滑動或滾動中擠壓物料,物料尖角切削襯板,因此粗磨倉襯板磨損機(jī)理是以高應(yīng)力沖擊鑿削磨損為主,擠壓切削為輔。

粗磨倉襯板要求材料有足夠韌性,受切削磨損要求材料具有高硬度。根據(jù)磨損原理,材料硬度(Hm)應(yīng)為物料硬度(Ha)的0.8倍以上,即Hm/Ha≥0.8,水泥熟料硬度為HV500-550,相當(dāng)于HRC49-54。所以襯板材料硬度應(yīng)在HRC50以上才耐磨。由于受高應(yīng)力沖擊鑿削,沖擊韌性ak≥10J/cm2才能不開裂,才滿足使用要求。因此粗磨倉襯板應(yīng)選擇中碳中鉻合金鋼及其類似合金鋼材料,硬度HRC48-55,沖擊韌性akl5-20J/cm2,使用壽命可達(dá)2-3年。對于單螺孔襯板及溝槽襯板可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇高鉻鑄鐵,使用壽命可達(dá)4-6年。對于φ3m以上的大型磨機(jī)襯板,應(yīng)選擇高韌性高鉻鑄鐵,硬度HRC58-62,沖擊韌性ak8-12J/cm2,使用壽命可達(dá) 6-10年。

2.細(xì)磨倉村板磨損機(jī)理及耐磨材料的選擇

通過隔倉板進(jìn)入到細(xì)磨倉的物料已變細(xì),尖角變鈍,細(xì)磨倉里的球或段直徑僅為φ15mm-60mm,沖擊力小,因此細(xì)磨倉襯板磨損機(jī)理是球的應(yīng)力切削磨損。

細(xì)磨倉襯板可以選擇硬度高、韌性低的耐磨材料。如高碳合金鋼,高、中、低鉻鑄鐵,抗磨球墨鑄鐵等材料,硬度HRC>50,沖擊韌性ak4-6J/cm2均可使用。

磨機(jī)襯板不宜選擇高錳鋼。對粗磨倉而言,因?yàn)楦咤i鋼的屈服強(qiáng)度低,易產(chǎn)生塑性變形,尺寸長的襯板會發(fā)生凸起變形,鋼球的沖擊也不能充分產(chǎn)生加工硬化,因此不耐磨。細(xì)磨倉襯板承受的沖擊力更小,高錳鋼的耐磨性更不能得到發(fā)揮。

3.磨頭端襯板、隔倉板、出科篦板耐磨材料的選擇

(1)磨頭端襯板磨損機(jī)理及耐磨材料的選擇

磨頭端村板在粗磨倉進(jìn)料端,物料粒度大,研磨體平均球徑大,受磨球和物料的側(cè)沖擊力大,是以高應(yīng)力沖擊鑿削磨損為主、切削沖刷為輔的磨損機(jī)理。因此磨頭端襯板應(yīng)選擇韌性高耐沖擊、硬度高抗切削的材料。以前采用高錳鋼,由于所受沖擊不足以充分使其產(chǎn)生加工硬化,硬度僅能達(dá)到HB350左右,受物料切削沖刷磨損嚴(yán)重,使用壽命低。如果選擇中碳多元合金鋼襯板,硬度HRC46-50,沖擊韌性ak5 J/cm2,使用壽命可比高錳鋼提高一倍。φ3.Om以上大型磨機(jī)磨頭端襯板在徑向上分2-4塊,可選擇高鉻鑄鋼,高鉻鑄鐵類耐磨材料,使用壽命可比高錳鋼高3-4倍。

(2)隔倉板磨損機(jī)理及耐磨材料的選擇

粗磨倉粉磨達(dá)到一定粒度的物料是通過隔倉板篦縫到細(xì)磨倉的。物料對隔倉板蓖縫進(jìn)行擠壓沖刷磨損,球和物料對隔倉板進(jìn)行測沖擊鑿削磨損,并且隔倉板為懸臂梁式安裝,受力情況惡劣。因此要求材料韌性要好,沖擊韌性ak≥25 J/cm2,硬度HRC45-50。

高錳鋼韌性好,但硬度低,不耐磨,并且易產(chǎn)生塑性變形,堵塞蓖縫,影響生產(chǎn)效率。

因此隔倉板應(yīng)選擇中碳中鉻多元合金鋼及類似合金鋼材料。φ3.0m以上大型磨機(jī)隔倉板是分塊制作的,可選擇高鉻鑄鋼、高韌性高鉻鑄鐵類耐磨材料,使用壽命可比高錳鋼提高2-3倍。

(3)出料篦板磨損機(jī)理及耐磨材料的選擇

出料蓖板在磨機(jī)的出口,主要受小球或鋼段的擠壓切削磨損。因此以硬度為主選擇材料,可選擇各類高碳合金鋼、高韌性抗磨球墨鑄鐵等。硬度HRC50-55,沖擊韌性ak8-10 J/cm2,即可滿足使用要求。

新型耐磨材料-Cr-Ti多元合金鋼襯板,沖擊韌性65-136 J/cm2,硬度HRC52-58,主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平,其技術(shù)性能滿足φ3.8m以上大型球磨機(jī)粗磨倉、細(xì)磨倉、磨頭端襯板,隔倉板、出科蓖板工況條件的要求,應(yīng)用范圍廣,壽命比高錳鋼提高2-4倍,是替代高鉻鑄鐵和傳統(tǒng)中合金襯板的理想材料。

總之,使用廠家選擇理想的耐磨材料,應(yīng)該考慮以下兩點(diǎn)。

第一,進(jìn)行磨損失效分析,充分認(rèn)識配件的工況條件,如采用干法還是濕法生產(chǎn),受沖擊負(fù)荷的大小,物料的種類,易磨性,粒度,物料的尖銳度等,依照磨損特性選擇合適的材料。

第二,進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比,如果價格高,但耐磨性提高比率遠(yuǎn)大于價格比率,則應(yīng)該選擇質(zhì)優(yōu)價高的,才能提高總體經(jīng)濟(jì)效益。