數(shù)字化與合金化技術(shù)在錘頭生產(chǎn)中的應(yīng)用

馬峰

目前，新型干法水泥生產(chǎn)線石灰石破碎多采用單段錘式破碎機(jī)，遇到石灰石中SiO2含量高或結(jié)晶尺寸偏大時(shí)，錘頭壽命嚴(yán)重下降，破碎成本急劇增高。針對所含SiO2異常的石灰石破碎，我公司的技術(shù)人員利用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)及先進(jìn)的鑄造工藝，成功研發(fā)出了第二代“大金牙”錘頭，并正式投放市場，獲得用戶的一致好評。

1.大錘頭的工況服役條件

錘頭是破碎機(jī)中的主要消耗件，錘頭使用壽命對企業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)和生產(chǎn)成本有直接影響。影響錘頭使用壽命的主要因素有破碎物料本身的磨蝕性、錘頭運(yùn)行線速度、錘頭破碎方式等。錘頭的主要失效形式是磨損失效，為了提高錘頭的使用壽命，就應(yīng)該根據(jù)錘頭的主要失效形式，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證錘柄部位有高的沖擊韌度以抵抗所破物料的巨大沖擊而不斷裂，又要增加錘頭打擊部位的耐磨性，從而提高整個(gè)錘頭的使用壽命。

我公司的第二代“大金牙”超級錘頭就是按照以上要求，采用分散鑲鑄工藝，以優(yōu)質(zhì)強(qiáng)化超高錳鋼為錘頭基材，在其工作磨損部位嵌鑄高強(qiáng)韌、超高硬度金屬塊——增強(qiáng)相WTi/C，利用磨損過程中逐漸凸出的增強(qiáng)相來承受磨損，從而對基體起到“陰影效應(yīng)”。這樣不僅秉承了優(yōu)質(zhì)超高錳鋼基體的高韌性、高可靠性和自身良好耐磨性的優(yōu)勢，更兼具超硬鎢鈦合金增強(qiáng)耐磨性，從而實(shí)現(xiàn)了“好鋼用在刀刃上”。

2.數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用

（1）破碎機(jī)對錘頭的最基本性能要求：一是錘柄不斷裂；二是打擊部位不掉塊；三是耐磨。為了防止錘頭在使用過程中發(fā)生斷裂的嚴(yán)重事故，我們利用現(xiàn)代數(shù)字化有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，模擬錘頭工作仿真應(yīng)力分析云圖，找出錘頭工作過程中的應(yīng)力區(qū)（見圖1、圖2），再結(jié)合錘頭的服役條件，選定錘柄及基體材料以及工作部位的增強(qiáng)方式。

（2）根據(jù)錘頭工作仿真應(yīng)力分析云圖分析結(jié)論，應(yīng)用鑄造CAD技術(shù)模擬鑄造過程，實(shí)現(xiàn)了工藝方案優(yōu)化，縮短了生產(chǎn)試制周期，節(jié)約了成本。我們利用華鑄CAE數(shù)值凝固模擬軟件，模擬錘頭生產(chǎn)中的凝固過程，對錘頭的鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使錘頭基體更致密，合金與基體結(jié)合良好，如圖3所示。

圖1 錘頭工作打擊部位仿真應(yīng)力分析

圖2 錘頭柄部受力部位仿真應(yīng)力分析

3.錘頭材質(zhì)及工藝技術(shù)的優(yōu)化

（1）化學(xué)成分設(shè)計(jì) 由于錘頭隨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)破碎幾噸重的石灰石，其受到的沖擊力很大，必須用高韌性的耐磨材料，奧氏體高錳鋼為最佳選擇。但普通高錳鋼屈服強(qiáng)度低，易發(fā)生塑性變形，因此近年來多加2%左右Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù))，提高屈服強(qiáng)度和耐磨性能。由于錘頭厚度大(160～180mm)，為使中心部位也為全奧氏體組織，通過降低碳含量，提高錳含量，但錳含量提高后容易使其柱狀晶長大，為此通過合金化加入Mo、Ni、V、Ti、B、W、RE等多元微量元素，通過綜合合金化來細(xì)化晶粒，變質(zhì)夾渣，提高冶金質(zhì)量和綜合耐磨性能。

根據(jù)化學(xué)成分設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)為ZGMn18Cr2VTiBNbRE，其化學(xué)成分見附表。

（2）冶金質(zhì)量 首先爐料要精選烘干，控制廢鋼的表面質(zhì)量，降低鋼液中的氫、氧含量，尤其對感應(yīng)電爐更加重要。

錳鐵中磷含量較高，在選購錳鐵時(shí)，要選擇含磷量低的錳鐵合金。冶煉時(shí)，錳鐵宜后加入爐內(nèi)，以減少燒損量，后加入的鐵合金要預(yù)先經(jīng)過烘烤。

采用堿性爐料砌爐，爐底造渣，控制夾雜物的數(shù)量、分布形態(tài)和等級。

我公司在國內(nèi)率先采用爐內(nèi)吹氬精煉和爐外精煉技術(shù)，使鋼液夾雜物更少、更加純凈，冶金質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。

（3）鑄造工藝 鑄型：錘頭磨損部位采用外冷鐵或覆砂外冷鐵，內(nèi)澆道從一側(cè)引入，錘頭側(cè)部放易割冒口。為了獲得鑄態(tài)細(xì)晶粒，減少碳化物析出量，除了控制澆注溫 度，還要對厚大件放置外冷鐵，可以提高錘頭基體的致密度，減少縮孔、疏松。由于奧氏體高錳鋼體收縮大，為了防止出現(xiàn)縮孔，必須設(shè)置側(cè)冒口。在工藝上采用補(bǔ)澆、放發(fā)熱劑等辦法增強(qiáng)補(bǔ)縮效果。奧氏體高錳鋼鋼液中的MnO呈堿性，與型砂中的SiO2易產(chǎn)生化學(xué)粘砂，因此選用最好的鎂砂高鋁粉和鉻鐵礦粉做涂料，以提高鑄件表面質(zhì)量。

大金牙錘頭鑄造工藝如圖4所示。

（4）澆注工藝 奧氏體錳鋼由于碳量高，導(dǎo)熱性低及結(jié)晶速度較快，容易產(chǎn)生粗大的結(jié)晶組織。當(dāng)傳熱有方向性時(shí)，往往形成柱狀晶，在枝晶之間存在顯微疏松和夾雜物，影響鋼的性能，尤其是標(biāo)準(zhǔn)奧氏體錳鋼鑄態(tài)晶粒的大小通過熱處理是很難改變的，因此在生產(chǎn)中要求高溫冶煉、低溫澆注，要嚴(yán)格控制出鋼溫度。另外，澆注溫度低還可以減少熱裂、縮孔、粘砂及氣孔等缺陷，節(jié)約能源。

（5）熱處理工藝 加熱溫度在保證碳化物充分溶解的情況下，盡量選低些。淬火入水溫度不得低于95 0℃。零件與水量之比應(yīng)達(dá)1∶8，水溫低于30℃。我們發(fā)現(xiàn)厚度大于80mm的奧氏體高錳鋼件水韌后，心部冷速慢，析出了針狀碳化物，使性能下降。為了減少高溫下碳化物固溶的困難，降低能耗及縮短生產(chǎn)周期，對100mm以下厚度的錘頭，可采用200℃入爐，以70～80℃/h速度升溫，不進(jìn)行650℃保溫的水韌工藝。

圖3 錘頭澆注與凝固過程模擬

圖4 優(yōu)化后的鑄造工藝

奧氏體錳鋼大錘頭化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

在熱處理設(shè)備上，根據(jù)我公司的產(chǎn)品特點(diǎn)，我們自己研制了半絕緣鐘罩式大錘頭專用水韌處理電爐，使錘頭表面氧化脫碳更少，設(shè)計(jì)優(yōu)化的熱處理工藝參數(shù)，使未溶碳化物、析出碳化物更少。

（6）清理 對奧氏體高錳鋼鑄態(tài)不能敲掉的澆冒口，可以水韌后進(jìn)行澆水切割。

4.經(jīng)濟(jì)效果對比

國內(nèi)某水泥集團(tuán)DPC2022破碎機(jī)原使用Mn18Cr2錘頭，平均每套錘頭（共50只，每只120kg）破碎石灰石45萬t。使用我公司的大金牙錘頭后，平均每套錘頭破碎石灰石85萬t。大金牙錘頭比原錘頭性價(jià)比提高了25.4%。

5.結(jié)語

通過上述現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用和基體材質(zhì)及工藝參數(shù)的優(yōu)化，使我公司生產(chǎn)的大錘頭基體組織更加純凈、致密，使用中更加安全可靠，使用壽命較第一代“大金牙”錘頭提高30%～50%，比國標(biāo)Mn18Cr2錘頭提高了50%～100%。