?5.4m特大型水泥磨機(jī)超高鉻鑄鐵磨頭板的研制與應(yīng)用

李固成（駐馬店三山實(shí)業(yè)有限公司，河南駐馬店市 463000）

李永剛（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，濟(jì)南 250022）

?5.4m特大型水泥磨機(jī)超高鉻鑄鐵磨頭板的研制與應(yīng)用

李固成（駐馬店三山實(shí)業(yè)有限公司，河南駐馬店市 463000）

李永剛（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，濟(jì)南 250022）

針對(duì)水泥工業(yè)大型和特大型球磨機(jī)磨頭板的使用要求，研制開發(fā)生產(chǎn)的Cr26高鉻鑄鐵材料，其主要化學(xué)成分為:2.6%～2.9%C，22%～28%Cr，＜1.2%Si，0.5%～1.0%Mn，0.6%～1.2%Mo，0.4%～1.2%Ni，0.4%～1.2% Cu。熱處理工藝：淬火溫度1000±20℃，回火溫度320～420℃。平均硬度HRC＞58，平均沖擊韌性ak＞5J/cm2。淬火回火組織為：回火馬氏體+共晶碳化物M7C3+二次碳化物+殘余奧氏體。Cr26高鉻鑄鐵磨頭板已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)6年以上，預(yù)計(jì)仍能連續(xù)使用2年左右。

水泥球磨機(jī)；高鉻鑄鐵；使用壽命

1 引言

水泥工業(yè)用球磨機(jī)磨頭板，處于粗磨倉(cāng)（一倉(cāng)）進(jìn)料端，故又稱端襯板。由于水泥磨機(jī)一倉(cāng)大都以破碎為主，入料粒度大，沖擊功大，鋼球平均球徑＞80mm，特別是大型或特大型磨機(jī)的研磨條件相當(dāng)惡劣。磨頭板材料的選擇，過去主要以安全為主，大都采用高錳鋼或變質(zhì)高錳鋼，也有采用超高錳鋼材料，但生產(chǎn)使用中反映出諸多問題：一是耐磨性不足，使用壽命在6～12月之間；二是塑性變形隆起，拉折/斷螺栓時(shí)有發(fā)生，致使襯板整體掉落而早期失效。中低合金鋼用于磨頭板雖具有強(qiáng)韌性匹配，由于合金元素含量少，耐磨性也不十分理想，一般使用壽命在16個(gè)月左右，影響了水泥粉磨效率的提高。2003年3月，我公司承接了大宇水泥（山東）有限公司兩套?5.4m×15.5m特大型磨機(jī)襯板的制備工作。該公司過去一直使用進(jìn)口襯板，使用壽命在3年左右，為此，合約簽定時(shí)，對(duì)方要求磨頭板使用壽命在3年以上。我公司是專業(yè)生產(chǎn)耐磨襯板廠家，有近30年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，特別是高合金襯板的生產(chǎn)，已用于水泥磨機(jī)上200多臺(tái)（套），從?2.2m、?2.6m、?3m中小型磨機(jī)到?3.8m、?4.2m、?5m大型和特大型磨機(jī)上都實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)，一般使用壽命（一倉(cāng)）均在6年以上。其中1988年用于原河南偃師縣水泥廠?2.2m×6.5m水泥磨一倉(cāng)溝槽襯板使用壽命在12年以上，2001年用于河南鄭州順寶水泥股份有限公司?3m×9m大型水泥磨機(jī)一倉(cāng)溝槽襯版使用壽命在7年以上，收到較好社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1-5]。但高鉻合金鑄鐵用于大型和特大型磨機(jī)磨頭板尚屬首次，國(guó)內(nèi)也鮮有報(bào)導(dǎo)。鑒于技術(shù)市場(chǎng)資源實(shí)際，我們決定試用KmTBCr26制備?5.4m特大型磨機(jī)磨頭板。

2 化學(xué)成分的設(shè)計(jì)

?5.4m特大型磨機(jī)平均球徑 ?80mm，最大?100mm，入磨粒度≤25mm，入磨水份≤1，磨機(jī)轉(zhuǎn)速約15r/min，臺(tái)時(shí)產(chǎn)量大于250t/h，年產(chǎn)水泥約400萬噸，其中80%出口。

原裝進(jìn)口磨頭板化學(xué)成分和主要性能檢測(cè)分析見表1。結(jié)果顯示，國(guó)外磨頭板材料主要是中碳中鉻合金鋼，化學(xué)成分中沒有發(fā)現(xiàn)淬透性元素Mo、Ni等，熱處理工藝排除空冷或風(fēng)冷淬火的可能，經(jīng)初步分析應(yīng)為油淬或其他介質(zhì)淬火，HRC45～48，能夠滿足或基本滿足特大型磨機(jī)磨頭板的技術(shù)要求。

表1 原進(jìn)口?5.4m×15.5m特大型水泥磨機(jī)磨頭板主要化學(xué)成分及性能

因此，我公司確定磨頭板的主要化學(xué)成分如下。

2.1 碳、鉻的確定

碳和鉻是決定高鉻鑄鐵基體組織、碳化物結(jié)構(gòu)和使用性能的兩個(gè)最重要的元素。碳量決定碳化物數(shù)量，鉻量決定碳化物類型。從高鉻鑄鐵的鑄態(tài)獲得馬氏體組織要求出發(fā)，結(jié)合鑄件的壁厚、形狀、大小及服役的工況條件和使用要求，選擇C量為2.6%～2.9%，使Cr/C=8左右，碳化物含量K＜30%，這時(shí)共晶碳化物為斷網(wǎng)狀，M7C3型碳化物的顯微硬度可達(dá)到HV1300～1800，材料具有強(qiáng)韌性，能夠滿足Cr26高鉻鑄鐵磨頭板的使用要求（見表2）[6-9]。

表2 Cr26高鉻鑄鐵磨頭板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.2 硅、錳的確定

硅、錳在高鉻鑄鐵中是常規(guī)元素，其主要作用是脫氧脫硫。硅降低淬透性但提高M(jìn)s點(diǎn)，在高鉻鑄鐵中一般不再單獨(dú)加硅，故Si＜1.2%。錳提高淬透性但嚴(yán)重降低Ms點(diǎn)，一般控制在0.5%～1.0%。

2.3 鉬的確定

鉬在高鉻鑄鐵中一部分形成碳化物，提高顯微硬度；一部分形成Mo2C，其余全部進(jìn)入基體，提高淬透性。鉬與錳、鉬與鎳、鉬與銅聯(lián)合使用提高淬透性效果更好。但鉬是貴重金屬，考慮成本因素，鉬含量選在0.6%～1.2%之間。

2.4 鎳和銅的確定

鎳和銅在高鉻鑄鐵中提高淬透性，改善韌性。二者均是非碳化物形成元素，全部溶入奧氏體，起穩(wěn)定奧氏體作用。但加入量大時(shí)，容易增加殘余奧氏體量，特別是銅在奧氏體中溶解度有限?？紤]成本等綜合因素，確定鎳加入量為0.4%～1.2%，銅加入量為0.4%～1.2%。

2.5 其他

S、P為有害元素，在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制。V、Ti、B、RE作復(fù)合變質(zhì)劑加入，細(xì)化晶粒，凈化晶界。

3 熔煉及澆注工藝

采用750kg快速中頻感應(yīng)爐熔煉，單渣熔煉堿性成型坩堝。依次加入廢鋼及高碳鉻鐵、鉬鐵、鎳板、廢銅；增碳用廢電極，顆粒為25～40mm，裝爐時(shí)裝入坩堝底部。熔化后期分析碳、鉻含量，并用高、中碳鉻鐵調(diào)整碳、鉻含量。出鐵前10min加錳鐵預(yù)脫氧，出鐵前約3min加硅鈣鋇鋁復(fù)合精煉脫氧劑進(jìn)行終脫氧。當(dāng)鐵液溫度達(dá)到1480～1530℃時(shí)出鐵。澆包底部放入0.25%的稀土鎂鐵。待澆包充入1/3重量的鐵液時(shí)按0.5%的重量，加入已烘干過的顆粒為1～5mm的復(fù)合變質(zhì)劑，澆包接滿時(shí)復(fù)合變質(zhì)劑應(yīng)反應(yīng)結(jié)束，以觀察不到鎂光為止。變質(zhì)溫度為1450～1480℃，包中攪拌、造渣兩次，徹底扒渣后鎮(zhèn)靜2～3min，待溫度降低到1380～1430℃時(shí)開始澆注。澆注應(yīng)“先慢，中快，后細(xì)”，待鐵液到達(dá)冒口4/5處時(shí)加保溫劑，并按一定時(shí)間點(diǎn)澆冒口2～3次。

4 造型工藝

面砂為50/100目硅砂，改性水玻璃CO2硬化；背砂為40/70目濕型砂；芯砂為70/140目合脂油砂。采用保溫冒口加覆蓋劑與冷鐵配合的鑄造工藝，端襯板工作面采用厚40mm成型冷鐵和兩塊厚50mm邊冷鐵。由于磨頭板在砂型中以較慢的冷卻速度以糊狀形式凝固，此時(shí)合金具有形成分散縮孔的嚴(yán)重傾向，鑄件易出現(xiàn)晶間縮孔或疏松，鑄件韌性下降，嚴(yán)重的使鑄件早期失效[10]。冷鐵的合理使用，加快了鑄件的結(jié)晶冷卻速度，組織致密性好，強(qiáng)韌性提高，避免或消除了因鑄造缺陷給生產(chǎn)應(yīng)用帶來的安全隱患。冷鐵在第一次使用前需預(yù)熱180～200℃，刷石英粉醇基涂料，刷后及時(shí)點(diǎn)火烘干。澆注前20min合箱。通過破壞性試驗(yàn)及觀察宏觀斷口的方法，修正外冷鐵數(shù)量、厚度及保溫冒口的型號(hào)。

5 熱處理工藝

高鉻鑄鐵磨頭板必須經(jīng)過淬火及回火以獲得高硬度強(qiáng)韌性的馬氏體基體，同時(shí)可以提高鑄件的沖擊疲勞抗力，消除和大幅度降低內(nèi)應(yīng)力。熱處理時(shí)應(yīng)視鑄件的壁厚、斷面大小、裝爐量、工裝條件及四季氣溫變化情況采用不同的奧氏體化溫度和保溫時(shí)間，來保證達(dá)到初始設(shè)計(jì)的性能要求。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T8263—1999抗磨白口鑄鐵件》和建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JC/T691—1998高鉻鑄鐵襯板技術(shù)條件》有關(guān)熱處理工藝規(guī)范[11，12]，參照有關(guān)文獻(xiàn)資料[13，14]研究提出的二次碳化物析出與溶入的淬火溫度和保溫時(shí)間，確定奧氏體化溫度為1000℃±20℃，回火溫度為320～420℃。此批?5.4m×15.5m特大型磨機(jī)磨頭板厚130mm，最大塊重189kg（見圖1），應(yīng)保證熱處理過程中鑄件不開裂，采用階梯升溫措施（見圖2）。

圖1 Cr26磨頭板產(chǎn)品示意圖

提取的試樣為10mm×10mm×55mm無缺口試樣，在熱處理后的磨頭板本體中直接提取，硬度值在試樣上取得，沖擊韌性及金相組織在同一試樣上進(jìn)行。檢測(cè)結(jié)果表明：鑄件平均硬度HRC＞58，平均沖擊韌性ak＞5J/cm2。金相觀察表明，試樣的淬火回火組織為：回火馬氏體+共晶碳化物M7C3+二次碳化物+殘余奧氏體。

圖2 Cr26磨頭板淬、回火工藝曲線圖

6 結(jié)語

（1）針對(duì)水泥工業(yè)大型和特大型球磨機(jī)磨頭板的使用要求，研究開發(fā)生產(chǎn)的Cr26高鉻鑄鐵材料，其化學(xué)成分為:2.6%～2.9%C，22%～28%Cr，Si＜1.2%，0.5%～1.0%Mn，0.6%～1.2%Mo，0.4%～1.2%Ni，0.4%～1.2%Cu，V、Ti、B微量，RE0.25，S＜0.06%，P＜0.10%。熱處理工藝：淬火溫度1000℃±20℃，回火溫度320～420℃。鑄件平均硬度HRC＞58，平均沖擊韌性ak＞5J/ cm2。淬火回火組織為：回火馬氏體+共晶碳化物M7C3+二次碳化物+殘余奧氏體。

（2）研制的Cr26高鉻鑄鐵磨頭板已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)使用6年以上，預(yù)計(jì)仍能繼續(xù)使用2年左右，表明抗磨性良好。為我國(guó)水泥工業(yè)新型干法生產(chǎn)企業(yè)的大型和特大型球磨機(jī)耐磨襯板的安全應(yīng)用和節(jié)能降耗提供了可靠技術(shù)支撐，推動(dòng)了耐磨材料的技術(shù)進(jìn)步，具有推廣應(yīng)用意義。

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[12] 國(guó)家機(jī)械工業(yè)局.GB/T8263-1999抗磨白口鑄鐵件.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000，4.

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Developing and Application of Super High Cr Cast Iron Φ5.4m Mill Bed Plate

LI GuCheng

（Zhu Ma Dian San Shan Industry Co.Ltd.,Zhu Ma Dian 463000，Henan China）

For meeting the service requirements for super heavy ball mill bed plate used in cement industry，the main chemical compositions of the developed Cr26 high Cr cast iron are as follows:2.6%～2.9%C，22%～28%Cr，＜1.2%Si，0.5%～1.0%Mn，0.6%～1.2%Mo，0.4%～1.2%Ni，0.4%～1.2%Cu.Heat treatment program:quenching temperature 1000℃±20℃，tempering temperature 320～420℃.Average hardness HRC＞58 and average impact toughness ak＞5J/cm2.Microstructure temper martensite+eutectic carbide M7C3+secondary carbide+residual austenite.The produced C26 high Cr cast iron mill bed plate has been being in operation for more than 6 years and a two years period of service life is available.

Ball mill for cement；High Cr cast iron；Service life

TG251.2;

A；

1006－9658（2010）03－3

2009-10-19

2009-136

李固成（1962-）男，工程師，主要從事襯板的研制和生產(chǎn)工作