車河選礦廠離心渣漿泵葉輪開裂原因初析＊

劉 煜，鐘彥宇，王帶麗，朱先旺，郭 強，彭 玲

(長沙大學機電工程系，湖南長沙 410003)

車河選礦廠離心渣漿泵葉輪開裂原因初析＊

劉 煜，鐘彥宇，王帶麗，朱先旺，郭 強，彭 玲

(長沙大學機電工程系，湖南長沙 410003)

對華錫集團車河選礦廠目前所用的進口渣漿泵葉輪的失效特點和主要原因進行了化學成分和金相組織等分析，發(fā)現其金相組織上存在較大的長條形碳化物，對基體存在較大的割裂，是葉輪失效的主要原因.通過磨損實驗確定了在實驗室分析條件下最佳砂漿比.

渣漿泵;高鉻白口鑄鐵;葉輪

渣漿泵廣泛用于礦山、電力、冶金、煤炭、環(huán)保等行業(yè)輸送含有腐蝕性固體顆粒的漿體.目前，在渣漿泵的應用范圍中，80%左右都是用在礦山行業(yè)選礦廠.由于礦石初選工況較為惡劣，因此在這一工段，渣漿泵的使用壽命普遍較低.目前華錫集團車河選礦廠所用的渣漿泵主要為進口的WARMAN泵，用于在廠內進行原礦、精礦和尾礦的輸送.但由于所輸送的礦砂濃度大、硬度高、粒度大，渣漿泵葉片的使用壽命僅一周左右，每年在此配件的更換費用就超過200萬元.本文主要針對此葉輪的失效問題進行分析，找出葉輪的失效機制，以期對該類型渣漿泵葉輪的國產化提供依據.

1 工況及失效宏觀形貌

此渣漿泵葉輪主要是在弱酸性條件下工作，葉輪直徑400mm，轉速1400r/min，揚程45m，渣漿顆粒2.5～4mm，粒度粗且有尖銳棱角，葉輪和護套的使用壽命為一個星期左右，約在120－160小時之間.渣漿泵運行到一段時間后因葉輪的嚴重磨損被迫停機檢查，如圖1所示.對失效的葉輪葉片端部仔細觀察，可以很容易發(fā)現在葉片上出現許多“魚鱗坑”，越靠近葉輪出口，魚鱗坑越多，如圖2所示，這是典型的固液兩相流的磨損結果［1］.葉片失效形式為厚度減薄嚴重，葉片下部靠出水邊呈魚鱗坑并有穿孔.

圖1 渣漿泵葉輪失效外貌

圖2 葉輪邊緣的魚鱗坑

對渣漿泵葉輪的失效形式和工況分析判斷的磨損機制主要為沖蝕磨損和磨粒磨損.沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊時表面出現破壞的一類磨損現象.其定義可以描述為固體表面同含有固體粒子的流體接觸做相對運動其表面材料所發(fā)生的損耗.在微觀上可以概括為以下幾個方面:沖擊粒子的切削作用、材料加工硬化最后發(fā)生斷裂、沖擊時表面唇狀物或其它凸起部分發(fā)生斷裂.由于沖蝕形成了極端不平的表面形貌，表面吸收大部分沖擊能都轉化為表面能耗散在材料內部.從此渣漿泵葉片的失效特征上看，沖蝕磨損占主導地位.

2 化學成分及金相組織分析

采用化學法分析得到渣漿泵葉輪化學成分(wc%)，如表1所示.

表1 渣漿泵葉輪元素成分組成

由此元素成分可知WARMAN泵葉輪材料采用的是Cr26高鉻鑄鐵材料.通常工程上，根據需要先決定材料的含鉻量，然后再相應地確定含碳量，此時應遵循的原則是碳量必須低于共晶成份，亞共晶成份高鉻鑄鐵共晶點的碳量隨w(Cr)量的增加而降低，共晶碳量可參考下面的經驗公式.

式中，w(CE)—共晶碳量(質量分數)，w(Cr)—含鉻量(質量分數).

利用公式(1)可以計算出該葉輪的共晶碳量為:

此渣漿泵葉片的含碳量低于共晶碳量，因此可以從成分上判斷為亞共晶成份高鉻鑄鐵材料.

將從失效葉輪上截取的試塊制成金相試樣后通過磨制、拋光、浸蝕(硝酸酒精腐蝕)，最后在顯微鏡下觀察其顯微組織，結果如圖3所示.

顯微組織分析表明，失效葉輪的顯微組織由黑色馬氏體基體組織和白色M7C3型碳化物組成.當承受較低沖擊載荷時，在抵抗沖擊磨粒磨損過程中起主要作用的是(Fe，Cr)7C3型碳化物，基體主要起支撐碳化物的作用［2－4］.如圖3(e)(f)所示，碳化物中出現了粗大的過共晶初生碳化物，這些初生碳化物在基體組織上呈板條狀、規(guī)則的六角形分布，菱形和六角形的初晶碳化物為粗條片碳化物的橫斷面，在某些初生碳化物上存在小孔洞和細小裂紋，且孔洞內充盈了金屬.這種碳化物對抗磨料磨損和沖蝕磨損有不利影響，其脆性易導致其碎裂剝落.由于其碳化物明顯偏大，且存在較多板條狀碳化物，容易割裂馬氏體基體，影響材料的沖擊韌性.因此可以考慮加入適量釩鈦稀土復合變質劑，可以細化基體，另外由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物擇優(yōu)長大的方向上，可使碳化物的形態(tài)有目前較多的長條形轉為彌散分布的團塊狀，從而降低對基體材料的割裂作用，提高葉輪的綜合力學性能.

圖3 葉輪金相組織

也有文獻指出采用過共晶高鉻鑄鐵能得更好的宏觀硬度，良好的沖擊韌度，但C含量的提高降低了馬氏體轉變開始溫度和淬透性，殘余奧氏體量的增加和淬透性降低并不利于此較大尺寸的葉片零件［5］.

3 磨損試驗驗證

為進一步研究其磨損機理，篩選合適的抗磨蝕材料，必須把實驗室試驗研究與現場真機試驗研究結合起來，為此采用CMY－40型合金耐磨沖刷腐蝕強度試驗機按ASTM B611－85標準的試驗條件，確定對渣漿泵的實際工況進行模擬所采用的最佳砂漿比.其中磨料采用棕剛玉沙粒，目數為30目，砂漿質量濃度分別為40%、50%和60%.根據砂漿濃度比制備多份單位氧化鋁和水的混和液，倒入研磨液直到液面高度距鋼輪中心線為25mm時停止倒入.鋼輪轉數500轉，試驗發(fā)現:在實驗室條件下采用30%砂漿比的試驗條件下，只有極少部分沙子攪動到試樣表面，魚鱗坑及沙粒劃痕面積小，試樣表面沙粒的磨損量偏小，不符合實際工況條件;50%砂漿比試樣表面磨損較嚴重，如圖5所示磨損量大，但磨損面較光滑，由于沙粒不易被水流帶動，進入鋼輪和試樣之間磨損面，因此磨損量主要是由于鋼輪和試樣之間產生的，不符合實際工況.而40%砂漿比的基本能夠保證在試樣表面存在較多的沙粒沖蝕磨損，且與實際工況的礦漿質量濃度為33%～41%較為接近，因此，可以確定此砂漿濃度為實驗室模擬車河選礦廠的渣漿泵葉輪的試驗條件，便于開展下一步的工作.

圖4 磨損試驗機

圖5 磨損量和砂漿比的關系

4 結論

(1)目前進口的WARMAN渣漿泵葉片的成分是亞共晶成份高鉻鑄鐵，磨損機制主要為沖蝕磨損為主，并存在磨粒磨損.

(2)金相組織中存在較大的初生長條形碳化物，容易割裂馬氏體基體，影響材料的沖擊韌性，是葉輪失效的主要原因.可以考慮加入適量釩鈦稀土復合變質劑來細化碳化物及改善其形貌，以提高使用壽命.

(3)按ASTM B611－85標準的試驗條件，可以采用40%砂漿濃度為實驗室模擬此渣漿泵葉輪的工況條件，為后續(xù)材料國產化提供實驗支持.

［1］劉娟，許洪元，唐澍，等.固液沖蝕部件表面波紋狀磨損形貌的成因探討［J］.中國水利水電科學研究院學報，2008，(2):144－148.

［2］任福戰(zhàn)，趙維民.高鉻鑄鐵里的碳化物形貌對力學性能的影響［J］.中國鑄造裝備與技術，2007，(2):23 －26.

［3］劉貞，王永慶，高建英.Cr26高鉻白口鑄鐵的研究與生產［J］.現代鑄鐵，2006，(5):28 －32.

［4］宛農，魏啟武，鄭建方，等.渣漿泵用Cr26型高鉻鑄鐵護板的早期失效分析與對策［J］.金屬熱處理，2007，(z1):252 －254.

［5］彭曉春，張長軍.27 Cr高鉻鑄鐵組織及性能研究［J］.機械工程材料，2005，(11):35 －38.

TG146.2

A

1008－4681(2012)02－0024－02

2012－02－14

2010年湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目(批準號:2010－376);湖南省教育廳科研項目(批準號:10C0418);長沙市科技計劃(批準號:K110707－11).

劉煜(1978－)，男，湖南長沙人，長沙大學機電工程系副教授，碩士.研究方向:材料成型及控制工程.

(作者本人校對)