陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料在磨煤機(jī)中的應(yīng)用

李宗耀,溫新林,劉 偉

(1.河北國(guó)華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 定州 073000；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

0 概 述

磨煤機(jī)是將煤、石灰石等礦石類物料或其他可磨性物料破碎成一定細(xì)度粉狀物料的設(shè)備。磨煤機(jī)利用碾磨部件的自身重力和相互運(yùn)動(dòng)，對(duì)可磨性物料的表面進(jìn)行沖壓和研磨，克服物料分子間的結(jié)合力，不斷地將可磨性物料粉碎，直至生產(chǎn)出合格的物料粉。按照磨煤機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分類，可分為低速磨煤機(jī)、中速磨煤機(jī)和高速磨煤機(jī)。該類設(shè)備已被廣泛地應(yīng)用于電力、選礦、水泥、耐火材料、玻璃陶瓷、制糖、化工等工業(yè)制粉系統(tǒng)。

耐磨件是指由耐磨材料制造的設(shè)備零配件[1]。在我國(guó)大型燃煤電廠的制粉系統(tǒng)中，常采用中速磨煤機(jī)，常見(jiàn)的有HP磨煤機(jī)、MPS磨煤機(jī)、ZGM型磨煤機(jī)。每臺(tái)中速磨煤機(jī)配置3個(gè)磨輥和1套與磨輥配套的磨盤[2]，磨輥輥套和磨盤襯板是最主要的耐磨件，它們的耐磨性能及運(yùn)行狀態(tài)，直接影響制粉系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在燃煤電廠中，因磨煤機(jī)耐磨件失效而產(chǎn)生的費(fèi)用，至少占磨煤機(jī)檢修維護(hù)成本的85%。

1 磨煤機(jī)耐磨件的應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年，國(guó)外在大型磨輥制造技術(shù)方面的發(fā)展較快。國(guó)外制造的磨輥，常采用高鉻抗磨白口鑄鐵材質(zhì)，也有采用表面堆焊技術(shù)或復(fù)合材料制備技術(shù)進(jìn)行制造。德國(guó)某些公司研發(fā)了高鉻抗磨合金鑄鐵材料(含Cr 15%～25%)，并結(jié)合先進(jìn)的熱處理工藝，使磨輥的硬度達(dá)HRC62～64。在粉磨熟料時(shí)，磨輥的使用壽命，可達(dá)10 000 h，但磨礦渣時(shí)的使用壽命，僅為6 000 h。日本某公司也成功開(kāi)發(fā)了具有特殊耐磨性能的高鉻合金鋼焊材，并采用了特殊堆焊技術(shù)(KSW-PROCESS)，可適用高鉻鑄鐵、鎳硬系列耐磨鑄件耐磨層的焊接及再生補(bǔ)焊。耐磨層硬度達(dá)到HRC62之上，使用壽命是原高鉻、鎳硬材質(zhì)壽命的1.2～1.5倍。

在我國(guó)，對(duì)磨煤機(jī)磨輥輥套及磨盤襯板耐磨材料的研發(fā)與應(yīng)用，也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其材質(zhì)主要有高錳鋼、高鉻抗磨合金和堆焊耐磨合金。高錳鋼材質(zhì)的磨輥輥套及磨盤襯板具有較高的韌性，在運(yùn)行過(guò)程中不易斷裂，表現(xiàn)出良好的安全性，但因加工硬化的能力不足，所以，耐磨件的整體硬度較低，使用壽命短。高鉻鑄鐵材料具有較高的硬度和耐磨性，目前已成為國(guó)內(nèi)制作磨煤機(jī)耐磨件的主流材料。但高鉻鑄鐵材質(zhì)耐磨件的制造工藝相對(duì)復(fù)雜，其成分、熔煉、澆鑄溫度以及熱處理工藝要求都非常高，若制造工藝中存在問(wèn)題，耐磨件將產(chǎn)生裂紋、應(yīng)力集中等缺陷。在制作大型磨輥輥套(單重大于4 t)及磨盤襯板時(shí)，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中常常發(fā)生輥套及襯板斷裂的問(wèn)題。磨棍的斷裂狀況，如圖1所示。

圖1 磨輥的斷裂狀況

堆焊是恢復(fù)磨煤機(jī)耐磨件尺寸和性能、延長(zhǎng)使用壽命的修復(fù)措施。當(dāng)磨煤機(jī)磨輥輥套和磨盤襯板磨損至一定程度后，磨煤機(jī)的振動(dòng)加劇，出力下降，通?？稍谀ポ伜湍ケP的工作面上堆焊耐磨合金材料，使磨輥和磨盤恢復(fù)至初始尺寸，從而達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。但由于堆焊焊芯材料和堆焊技術(shù)等工藝穩(wěn)定性問(wèn)題，堆焊后的耐磨件常會(huì)出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾渣、硬度不足等缺陷，且在堆焊過(guò)程中，磨煤機(jī)耐磨件的基體和堆焊層將產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并在磨煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不斷釋放，造成磨煤機(jī)耐磨件堆焊層的剝落或耐磨件的斷裂。堆焊層已剝落的磨輥，如圖2所示。

圖2 磨輥堆焊層被剝落

2 陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件的研究及現(xiàn)狀

因燃煤煤質(zhì)的變化、煤中雜質(zhì)的增多及運(yùn)行工況的改變，煤質(zhì)的沖刷磨損指數(shù)逐漸增大，大幅縮短了耐磨件使用壽命。隨著磨煤機(jī)耐磨件更換次數(shù)的增多，也增加了檢修時(shí)間，提高了檢修和維護(hù)的成本，所以，研發(fā)新型耐磨材料、提高磨煤機(jī)耐磨件的耐磨性和安全性，已成為亟待解決的問(wèn)題。

陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，于上世紀(jì)六十年代末開(kāi)始發(fā)展[3]。陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料是將陶瓷和金屬通過(guò)化學(xué)或物理的方法，在宏觀上組成具有新型特殊性能的1種復(fù)合材料。陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料的性能介于陶瓷和金屬之間，保留了陶瓷的高硬度、耐高溫，熱化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)良性能，同時(shí)又具備金屬材料的韌性和塑性[4-7]。因此，對(duì)陶瓷材料進(jìn)行復(fù)合增韌，并提高復(fù)合材料的實(shí)用性，已成為研究和開(kāi)發(fā)的方向。

目前，制造磨煤機(jī)耐磨件時(shí)使用的陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料增強(qiáng)體大多是陶瓷顆粒增強(qiáng)，顆粒增強(qiáng)硬質(zhì)相中的陶瓷材料，主要是碳化鎢、氮化鈦、硼化釩、硅化鉬等金屬陶瓷，或者是Al2O3、ZrO2或ZTA(氧化鋯增韌氧化鋁 )等非金屬高硬韌特殊陶瓷。作為基體的金屬材料，主要有高鉻鑄鐵、高錳鋼、耐熱鋼、合金鋼、碳鋼、球墨鑄鐵等[8]。

磨煤機(jī)陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件的制造，主要有3種形式，即為在工作面表層堆焊陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料的耐磨件、采用陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料整體鑄造而成的耐磨件、以及內(nèi)置陶瓷增強(qiáng)顆粒預(yù)制體并與金屬基體鑄滲形成的耐磨件。工作面表層為陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料的耐磨件，是采用堆焊釬焊、燒結(jié)、激光熔覆、噴涂等工藝，將復(fù)合材料覆蓋在磨輥輥套和磨盤襯板的工作面，形成一定厚度的耐磨層，從而提高磨煤機(jī)磨輥和磨盤襯板的耐磨性能。整體鑄造而成的耐磨件，是通過(guò)元素之間或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或多種高硬度、高彈性模量的陶瓷顆粒增強(qiáng)相，從而獲得耐磨件的抗磨性能。內(nèi)置陶瓷增強(qiáng)顆粒預(yù)制體并與金屬基體鑄滲形成的耐磨件，是將通孔率高、強(qiáng)度高、與金屬基體有良好的潤(rùn)濕性的陶瓷增強(qiáng)預(yù)制體放在鑄型的特定部位，利用鑄滲法將高溫金屬液填充顆?？紫叮摴に嚳赏瑫r(shí)完成耐磨件的鑄造和表面處理，在耐磨件的工作面形成具有特殊組織和性能的鑄滲層，從而提高耐磨件的耐磨性能。

2.1 國(guó)內(nèi)對(duì)耐磨件材料的研究成果

目前，國(guó)內(nèi)已有采用陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料制造磨煤機(jī)耐磨件的實(shí)例及有關(guān)研究成果。在華北電力大學(xué)、國(guó)家電力工業(yè)耐磨材料實(shí)驗(yàn)研究中心、西安交通大學(xué)、中南大學(xué)、廣州有色金屬研究院、南通高欣耐磨科技股份有限公司、重慶羅曼耐磨新材料股份有限公司、安徽同創(chuàng)電力科技有限公司等單位，已在磨煤機(jī)耐磨件的制備方面形成了一系列的研究成果。

西安交通大學(xué)[9]采用的是負(fù)壓鑄滲法，制備出了陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件。利用真空負(fù)壓鑄滲工藝制造的耐磨件，如圖3所示。制造時(shí)，將陶瓷顆粒與金屬粉混合均勻進(jìn)行真空燒結(jié)，形成陶瓷金屬預(yù)制體,然后在預(yù)制體中放入鑄型型腔，再澆入金屬液,使預(yù)制體內(nèi)的金屬粉熔化成液體，并形成鑄滲通路,在原位形成顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。耐磨件的表層由母體金屬與復(fù)合材料共同組成,既保證了耐磨件的耐磨損性能,又具有較高的抗沖擊性能。

圖3 真空負(fù)壓鑄滲工藝的原理圖

中南大學(xué)采用鑄滲法成功制備出ZTA增強(qiáng)合金鋼基耐磨復(fù)合材料[10]，其砂型重力鑄造的原理，如圖4所示。鑄造時(shí)，將陶瓷顆粒與自制粘結(jié)劑混合，并填充到具有一定型腔的模具中，經(jīng)等靜壓、低溫?zé)Y(jié)、破碎、再高溫?zé)Y(jié)，加壓凝固后，獲得多孔連通的蜂巢狀陶瓷預(yù)制體。再將預(yù)制體固定在鑄型中,然后澆注合金鋼溶液,獲得局部復(fù)合的耐磨復(fù)合材料。在三體磨料磨損條件下，耐磨性是Cr25材料的2.41倍。

圖4 砂型重力鑄造的原理圖

廣州有色金屬研究院[11]是將自制粘結(jié)劑與ZTA陶瓷顆?；旌?，然后制作成蜂窩狀陶瓷預(yù)制體，再將預(yù)制體固定于鑄型內(nèi)表面，澆注溫度為1 500～1 560℃，將金屬液鑄滲入預(yù)制體，從而獲得陶瓷顆粒均勻分布于鑄件表層的合金鋼基復(fù)合材料。陶瓷顆粒在復(fù)合材料中所占體積分?jǐn)?shù)，為42%～56%，在三體磨料磨損條件下，ZTA/合金鋼復(fù)合材料的抗三體磨料磨損性能，是合金鋼基體的4.37倍，該材料的晶體組織，如圖5所示。

(a) (b)

圖5 ZTA/合金鋼復(fù)合材料的晶體組織

南通高欣耐磨科技股份有限公司[12]通過(guò)將ZTA陶瓷預(yù)制體固定在磨輥輥套或磨盤襯板砂型的表面，在型腔內(nèi)澆鑄高鉻合金溶液，成功研制出中速磨煤機(jī)陶瓷金屬?gòu)?fù)合磨輥及磨盤。該種陶瓷金屬?gòu)?fù)合磨輥和磨盤的壽命超過(guò)20 000 h，比高鉻合金或堆焊的磨輥和磨盤的使用壽命延長(zhǎng)2倍以上，該陶瓷金屬?gòu)?fù)合磨輥經(jīng)6個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，磨輥輥套表面的磨損，僅為3 mm。陶瓷耐磨層的設(shè)計(jì)厚度，為35 mm。被磨損的磨輥實(shí)物，如圖6所示。

圖6 磨輥磨損實(shí)物圖

重慶羅曼耐磨新材料股份有限公司[13]采用的方法，是將鍍鎳陶瓷預(yù)制件固定在鑄型中,負(fù)壓澆鑄高鉻合金溶液，鑄成陶瓷金屬?gòu)?fù)合磨輥及磨盤襯板, 使用壽命是高鉻合金材質(zhì)磨輥和磨盤的2～3倍。鑄成的磨輥實(shí)物，如圖7所示。

圖7 鑄成的磨輥實(shí)物

2.2 國(guó)外對(duì)金屬陶瓷復(fù)合耐磨件的研究

在國(guó)外，研究磨煤機(jī)陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件的公司，主要有印度AIA工程有限公司與比利時(shí)Magotteaux國(guó)際股份有限公司。這兩家公司研制的陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件，在水泥行業(yè)的立式輥磨機(jī)上有著很廣泛的應(yīng)用。隨著磨煤機(jī)陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件的制造工藝不斷優(yōu)化和新型材料的研發(fā)，這些公司還申請(qǐng)了多項(xiàng)陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件的發(fā)明專利，并逐漸應(yīng)用于燃煤電廠的中速磨煤機(jī)上。

印度AIA工程有限公司[14-15]發(fā)明了1種高耐磨鐵基陶瓷材料，已采用這種材料生產(chǎn)了高耐磨的磨輥輥套和磨盤襯板，使用期限能達(dá)到堆焊修復(fù)耐磨件使用壽命的2倍。將這種材料的陶瓷塊鑲嵌在磨輥套中，可形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。陶瓷塊鑲嵌在磨輥套的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，共有三層材質(zhì)，分別為耐磨陶瓷塊、高鉻鑄鐵和球墨鑄鐵。這些復(fù)合耐磨件經(jīng)過(guò)復(fù)雜的熱處理工藝后，可達(dá)到足夠高的硬度，并具有較好的抗磨損性能，同時(shí)，還保持著足夠的韌性。陶瓷塊鑲嵌式磨輥套是以珠光體基球墨鑄鐵作為金屬基體，具有良好的力學(xué)性能，材料硬度為HRC30，延展率為7%，能有效吸收運(yùn)行過(guò)程中的沖擊能量，極大地提高了輥套的抗裂能力。耐磨陶瓷塊的硬度較高，達(dá)到HRC66，工作面呈蜂窩狀。這種特殊設(shè)計(jì)的陶瓷塊鑲嵌式磨輥套，增加了對(duì)粉磨物料的咬合力，工作面的磨損較為均勻，磨煤機(jī)的出力更均衡，提高了碾磨效率。

比利時(shí)Magotteaux國(guó)際股份公司[16-17]在陶瓷金屬?gòu)?fù)合技術(shù)的研究成果，主要是包括了Xwin?技術(shù)、Duocast?技術(shù)和Duocast Xwin?技術(shù)等。Xwin?技術(shù)是將陶瓷顆粒與高鉻鑄鐵一次性澆注而成，材料的結(jié)合緊密，兼具陶瓷和高鉻合金的特性，該技術(shù)能將陶瓷層深入至表面層的3/4處，保留1/4層厚的高鉻合金，既有高鉻合金材料良好的力學(xué)性能，不剝落、不斷裂，又有陶瓷材料超高的耐磨性，硬度可達(dá)HV2100，壽命是普通高鉻合金材料的3～6倍。因陶瓷和高鉻合金不同的耐磨性能，在耐磨件表面形成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，增加了磨輥及襯板表面的摩擦力，擴(kuò)大了有效的研磨面積，減少了物料在磨輥與襯板之間的相對(duì)滑動(dòng)，提高了研磨效率。Duocast?技術(shù)主要被用于輥套的制造，是采用了燕尾式結(jié)構(gòu)，將極硬的鑄鐵嵌入件固定在塑性鑄鐵基體中，通過(guò)這種機(jī)械連接的方式，形成了復(fù)合材料，該材料的硬度為HB200～300，最小延伸率為4%，可以工作在應(yīng)力較高的工況條件下。這種輥套具有很強(qiáng)的抗開(kāi)裂性，在磨煤機(jī)輥套磨損接近70%的狀態(tài)下，輥套仍不會(huì)開(kāi)裂。最常用的嵌入件材料是白口鑄鐵，硬度為HRC62～66。使用小型嵌入件就能夠達(dá)到大型單金屬輥套無(wú)法獲得的高硬度。Duocast Xwin?技術(shù)是結(jié)合了Xwin?技術(shù)和Duocast?技術(shù)的特點(diǎn)。Duocast Xwin?材料是采用3種不同材料的復(fù)合物。陶瓷顆粒層、嵌入件采用高鉻合金，將鑄鐵作為基體材料，其本質(zhì)是將陶瓷顆粒層引入高鉻合金嵌入件中，綜合了Duocast?材料的抗開(kāi)裂性和Xwin?材料的耐磨性。

3 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，有關(guān)陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨材料的研究和開(kāi)發(fā)正在迅速發(fā)展。在燃煤電廠的磨煤機(jī)中，越來(lái)越多地采用了陶瓷金屬?gòu)?fù)合技術(shù)。隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，也對(duì)磨煤機(jī)耐磨件的使用壽命和工作效率提出了更高的要求。針對(duì)大型燃煤電廠磨煤機(jī)陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件的應(yīng)用現(xiàn)狀，建議注意幾個(gè)方面因素的影響。

(1)優(yōu)化磨煤機(jī)耐磨件的結(jié)構(gòu)，使陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件具備可修復(fù)性，進(jìn)一步提高陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件的使用壽命。

(2)進(jìn)一步研制大型磨煤機(jī)耐磨件材料，優(yōu)化和集成耐磨件的結(jié)構(gòu)，使磨煤機(jī)耐磨件的硬度與韌性達(dá)到最佳的匹配，降低磨煤機(jī)耐磨件的生產(chǎn)成本，提高磨煤機(jī)的碾磨效率和運(yùn)行的可靠性。

(3)結(jié)合磨煤機(jī)陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件在大型燃煤電廠應(yīng)用的情況，盡快制定和出臺(tái)陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使陶瓷金屬?gòu)?fù)合耐磨件生產(chǎn)及使用更加規(guī)范。