球磨機(jī)磨球的材質(zhì)研究及應(yīng)用

摘 要：球磨機(jī)磨球的磨損率是所有研磨介質(zhì)中最高的，針對這一問題，闡述了磨球的研制歷程、現(xiàn)狀與熱點(diǎn)，分析了磨球的材質(zhì)要求，并介紹了材質(zhì)測定方法。研究結(jié)果指出磨球材質(zhì)的研制始終圍繞著磨球的鑄造工藝性能、熱處理性能與力學(xué)性能等方面展開，如何提高磨球的綜合性能，有效延長其使用壽命，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：球磨機(jī)；磨球；性能；材質(zhì)；鑄造

冶金、礦山、建筑、火電廠等領(lǐng)域中涉及粉磨作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備是球磨機(jī)，而球磨機(jī)最常用的研磨介質(zhì)——磨球的磨損率最高，消耗量最大，在我國其消耗總量達(dá)100萬t/a左右[1]，占總耗損的半數(shù)以上，屬于易耗品。磨球按其材質(zhì)構(gòu)成可分為：金屬磨球，包括鋼球、鐵球；非金屬球，包括無機(jī)非金屬材料（SiO2、SiC等合成材料）和有機(jī)高分子材料（C2F4等）兩類。按照生產(chǎn)方式，金屬磨球分為鑄球、軋球和鍛球，其中鑄球應(yīng)用較為廣泛[2]。由于磨球易耗，構(gòu)成復(fù)雜，且對其性能有較高的要求，因此關(guān)于球磨機(jī)磨球的材質(zhì)研究及應(yīng)用一直以來為業(yè)界所關(guān)注。顯然，如何提高磨球的綜合性能，有效延長其使用壽命，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 磨球材質(zhì)研制的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

磨球材質(zhì)的發(fā)展與材料科學(xué)的發(fā)展是與時(shí)俱進(jìn)的，從最初采用的河卵石發(fā)展到使用鑄鐵球和鋼球，以及合金與納米材料的應(yīng)用。追求較好的鑄造工藝性能、較高的力學(xué)性能和良好的熱處理性能，以最大限度減少沖擊時(shí)對物料的磨損，是專家們研究的重點(diǎn)。國內(nèi)外關(guān)于磨球材料的研制工作從未停止，并積極進(jìn)行。20世紀(jì)60年代對于磨球材料的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義，之前西方發(fā)達(dá)國家主要使用鍛鋼球、普通白口鑄鐵磨球，而在這期間高鉻鑄鐵磨球、鎳硬鑄鐵磨球開始得到應(yīng)用，之后到了70年代則被普及，廣為使用[3]。在80年代，隨著我國改革開放的不斷深入，科學(xué)技術(shù)的國際交流得到迅猛發(fā)展，我國對磨球材質(zhì)的研究取得了巨大進(jìn)展，從主要使用的低碳鋼鍛（軋）磨球、普通白口鑄鐵磨球、中錳稀土鑄鐵磨球發(fā)展到鉻合金類鑄鐵磨球、多元低合金類鑄鐵磨球、各類中高碳低合金余熱淬火鋼磨球、貝氏體空冷鍛軋鋼磨球以及復(fù)相基體球鐵磨球等，取得了驚人矚目的研制成果，這些新的磨球材質(zhì)已被廣泛用于相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)中。目前，國外常用的是高鉻白口鑄鐵磨球，此外還有美國地鎳硬鑄鐵、中碳低合金鋼、高碳低合金鋼磨球、德國的高鉻鑄鋼、低合金鋼磨球，日本的高鉻鋼球、低鉻鋼球等[4]。

2 影響磨球磨損的因素

磨球的磨損實(shí)質(zhì)上就是磨球幾何尺寸或者說是體積變小，其原有的功能降低，甚至完全喪失。如果繼續(xù)使用，則會產(chǎn)生隱患，出現(xiàn)安全事故。一般而言，磨球的磨損有磨粒切削磨損、沖擊疲勞磨損、沖擊磨粒磨損三種磨損形式，影響磨球磨損的主要因素有磨機(jī)（類型、直徑、速度）、介質(zhì)質(zhì)量（硬度、形狀、尺寸、合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、接觸性（角度、速度）、回路（貫穿、循環(huán)）、料漿（黏度、腐蝕）、礦石（硬度、密度、耐磨性）、粒徑（粒度，形狀）等。

3 磨球的材質(zhì)要求與測定

球磨機(jī)磨球的運(yùn)行屬于小能量頻繁沖擊，其磨損是個(gè)系統(tǒng)問題，影響因素很多，其中材質(zhì)強(qiáng)度是影響磨球沖擊性能的主要因素。為此，我國相繼出臺了相關(guān)的國家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 17455-2009《鑄造磨球》，YB/T 092-2005《合金鑄鐵磨球》，JC/T 533-2004《建材工業(yè)用鉻合金鑄造磨球》，DL/T 681-2012《燃煤電廠磨煤機(jī)耐磨件技術(shù)條件》等。在這些標(biāo)準(zhǔn)中對磨球的材質(zhì)進(jìn)行了規(guī)定[5]：高鉻鑄鐵磨球的含鉻量>10%，共品碳化物主要為（Cr，F(xiàn)）7C3；中鉻鑄鐵磨球的含鉻量5%～10%，共品碳化物主要為（Cr，F(xiàn)）7C3和（Cr，F(xiàn)）3C；低鉻鑄鐵磨球的含鉻量<5%，共品碳化物主要為（Cr，F(xiàn)）3C；貝氏體球墨鑄鐵磨球的基體組織中主要是貝氏體的球墨鑄鐵。各材料的含量測定分別是：管式爐內(nèi)燃燒后氣體容量法測定碳含量，高氯酸脫水重量法測定硅含量，電位滴定或 視滴定及高碘酸鈉（鉀）光度法測定錳含量，可視滴定或電位滴定法測定鉻含量，硫氰酸鹽分光光度法測定鉬含量，硫代硫酸鈉分離-碘敏法測定銅含量，丁二酮肟分光光度法測定鎳含量，二安替比林甲烷磷鉬酸重量法測定磷含量，次甲基藍(lán)分光光度法、重量法測定硫含量。鑄造磨球在選礦、冶金、電力等行業(yè)中應(yīng)用最多，其材質(zhì)的主要化學(xué)成分是：

球墨鑄鐵磨球：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.2%～3.8%，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～3.5%，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～3.0%。其牌號分別為ZQQTB、ZQTM。

鉻合金鑄鐵磨球：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～3.6%，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%～2.2%，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～1.5%，鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～30.0%，鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～3.0%，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～1.2%，鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～1.5%，磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.10%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.06%～0.10%。其牌號分別為ZQCr26、ZQCr20、ZQCr15、ZQCr12、ZQCr8、ZQCr5、ZQCr2。

鑄造磨球瀑落式下滑沖擊過程中，球與球、球與物料之間的相互摩擦與撞擊必然要求磨球具有較高的硬度，具體見表1。

鑄造磨球的表面硬度的測定要在磨球的下方3mm之內(nèi)進(jìn)行，執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 230.1～230.3。

磨球的大小與尺寸直接影響球磨機(jī)的工作方式和生產(chǎn)效率。鑄造磨球的規(guī)格是用公稱直徑來表示的，測定量具要求精度>0.1mm。具體見表2。

關(guān)于磨球的直徑和硬度檢驗(yàn)都是按批進(jìn)行的，每批抽取3個(gè)進(jìn)行檢測，倘若有1個(gè)未能通過要求，則要再隨機(jī)抽取同批次的同樣數(shù)量的磨球進(jìn)行復(fù)檢。2次取樣不合格的樣球數(shù)量≥2，就判定為不合格。磨球硬度不能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的可重復(fù)熱處理。

4 結(jié)束語

磨球的材質(zhì)及性能對球磨機(jī)工作效率的影響是極為顯著的，科學(xué)地運(yùn)用摩擦學(xué)、材料磨損與腐蝕方面的知識，設(shè)計(jì)與制作鑄造工藝、力學(xué)性能、熱處理性能優(yōu)良的磨球，無疑能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。磨球的制作與生產(chǎn)在嚴(yán)格按照國家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求下，還要綜合考慮復(fù)雜的工作環(huán)境，并要結(jié)合先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等手段，實(shí)現(xiàn)磨球質(zhì)量的飛躍發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王定祥.我國磨球生產(chǎn)的高速發(fā)展[N].中國建材報(bào)，2009-12-15.

[2]潘繼勇.我國鑄造磨球的生產(chǎn)及研發(fā)現(xiàn)狀[J].鑄造，2013，62（3）：210-221.

[3]李衛(wèi)，周平安，陳華輝.耐磨新材料新技術(shù)研究開發(fā)與耐磨材料產(chǎn)業(yè)化[J].鑄造，2004，53（7）：503-510.

[4]王鐵重.我國磨球的生產(chǎn)及使用狀況[J].水利電力機(jī)械，2005（6）：32-33.

[5]GB/T 17455-2009.鑄造磨球[S].

作者簡介：李維強(qiáng)，男，紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司。