石英立式磨輥套及襯板材料研究與試用

裴繼華，李曉峰

（金川集團(tuán)銅業(yè)公司裝備能源部，甘肅金昌 737100）

0 引言

HRM1900X 石英立式磨是金川集團(tuán)銅業(yè)公司的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為25 t/h，研磨物料主要為外購、自產(chǎn)粗細(xì)石英，為銅合成爐單噴嘴提供合格熔劑粉料。銅業(yè)公司年產(chǎn)40 萬噸陰極銅，合成爐每年所需的石英粉劑量相當(dāng)大，設(shè)備作業(yè)率在85%以上。設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)行再加上高硬度的石英石原料，對(duì)輥套與襯板破壞特別快，造成系統(tǒng)故障停機(jī)率相當(dāng)高。為解決這些問題，與國內(nèi)多家公司開展新材料的研究試用，取得較好效果。

1 存在的主要問題

（1）需儲(chǔ)備備件多、檢修費(fèi)用高。磨輥輥套年均消耗32 件，平均20 天更換一套，輥套一項(xiàng)備件費(fèi)260 萬元/年，襯板40 萬元/年。拆換檢修費(fèi)用每年高達(dá)40 萬元以上。

（2）HRM1900X 石英立式磨單臺(tái)無備用，屬火法冶煉系統(tǒng)合成爐生產(chǎn)工藝關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障，銅冶煉合成爐系統(tǒng)將降低投料量或停產(chǎn)。

（3）作業(yè)率高。合成爐投料量至125 t/h 以上時(shí)（單噴嘴最高投料量160 t/h），熔劑需求量為18～22 t/h，每天設(shè)備開車時(shí)間長達(dá)20 h，系統(tǒng)最高作業(yè)率高達(dá)85.3%，系統(tǒng)作業(yè)保障能力要求高，維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間短。

（4）系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施磨損快。磨機(jī)進(jìn)料管、磨機(jī)出口變徑管、布袋倉進(jìn)口管道、布袋倉風(fēng)道、布袋倉倉體夾縫均為系統(tǒng)沖刷磨損部位。布袋倉倉體夾縫曾經(jīng)發(fā)生倉體爆裂，石英粉泄漏的事故。

2 系統(tǒng)問題分析

2.1 HRM1900X 石英立式磨主要技術(shù)參數(shù)

磨盤直徑：Φ1900 mm，磨輥直徑：Φ1500 mm，磨輥數(shù)量：2 個(gè)，磨盤轉(zhuǎn)速：39 r/min，最大入料粒度：≤50 mm，入磨物料水分：≤10%，產(chǎn)品細(xì)度：60 目90%通過，產(chǎn)量：≥25 t/h，產(chǎn)品水分：≤1%，入磨風(fēng)溫：＜350 ℃，出磨風(fēng)溫：80～90 ℃，出磨風(fēng)量：65 000 m3/h，磨機(jī)壓降：5000～6000 Pa，液壓系統(tǒng)工作壓力：≤12 MPa，主電機(jī)功率：500 kW，液壓系統(tǒng)工作壓力：≤12 MPa。

2.2 石英立式磨工作原理

石英立式磨結(jié)構(gòu)見圖1。電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)帶動(dòng)磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)，需粉磨的物料由斜下料溜斗送入旋轉(zhuǎn)的磨盤中心。在離心力作用下，物料向磨盤周邊移動(dòng)，進(jìn)入粉磨輥道。在磨輥壓力作用下，物料受到擠壓、研磨和剪切作用而被粉碎。同時(shí)，熱風(fēng)從圍繞磨盤的風(fēng)環(huán)高速均勻向上噴出，磨粉后的物料被風(fēng)環(huán)處的高速氣流吹起，處于懸浮狀態(tài)，粒度較粗的物料落回磨盤重新粉磨，一方面對(duì)懸浮物料進(jìn)行烘干，另一方面熱風(fēng)將細(xì)粉帶入分離器進(jìn)行分級(jí)。合格的細(xì)粉隨同氣流出磨，由布袋收塵器收集下來即為產(chǎn)品，不合格的粗粉在分離器葉片作用下重新落至磨盤，與新喂入的物料一起重新粉磨，如此循環(huán)，完成粉磨作業(yè)全過程。

圖1 石英立式磨結(jié)構(gòu)

2.3 原料性質(zhì)對(duì)設(shè)備的影響分析

石英石是一種堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，其主要礦物成分是SiO2，顏色為乳白色或無色半透明狀，硬度7，貝殼狀斷口，油脂光澤，密度為2.65，堆積密度（20～200 目為1.5）。其化學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能具有明顯的異向性，不溶于酸，微溶于KOH 溶液，熔點(diǎn)1650 ℃，硬度大，對(duì)鋼材的磨損快。

2.4 輥套、襯板材料問題分析

國產(chǎn)立式磨輥套與襯板一般采用高絡(luò)鑄鐵，國內(nèi)常見材料為KmTBCr12、KmTBCr15Mo、KmTBCr20Mo、KmTBCr26，硬度HRC在46 左右。硬化熱處理后HRC 在56～58、沖擊韌性8 J/cm2；有些廠家采用ZG30Mn 或者ZGMn13，對(duì)這些材料分別做了試用。單套備件磨出的石英粉量都低于8000 t，有的不到5000 t，嚴(yán)重制約合成爐生產(chǎn)能力。

綜合分析，主要問題是原料硬度大，設(shè)備磨損部位選用材料硬度和韌性不夠，無法長周期對(duì)石英破碎磨粉。

2.5 立式磨運(yùn)行損壞主要部件及料床運(yùn)行情況分析

損壞的主要部件是磨盤襯板和磨輥輥套。風(fēng)扇磨內(nèi)部結(jié)構(gòu)及石英料況分布見圖2，中間是進(jìn)料溜管下來的石英石，破碎時(shí)磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)，磨輥在磨盤及物料帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，磨輥的后面形成一圈輥道，磨輥下壓力利用液壓系統(tǒng)調(diào)整。

圖2 風(fēng)扇磨內(nèi)部結(jié)構(gòu)及石英料況分布

磨輥的輥套外形成輪胎形，磨盤襯板組合成碗型。磨輥內(nèi)側(cè)空間間隙大，由下料管流進(jìn)石英堆積，形成料床準(zhǔn)備區(qū)，料床松散，向磨輥底部滑落，磨輥外側(cè)，輥盤間隙小，料床進(jìn)一步壓實(shí)，形成高效粉磨區(qū)。

磨盤邊緣具有一定高度的擋料環(huán)結(jié)構(gòu)，它可以有效地阻滯物料，降低磨盤上物料的運(yùn)動(dòng)速度，使得磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。磨盤襯板和磨輥輥套對(duì)物料進(jìn)行破碎、研磨，此部位磨損特別快，是設(shè)備損壞的主要部件。

3 輥套與襯板材料的研究試用改進(jìn)

3.1 輥套的材料研究

2000 年開始，分別與國內(nèi)的相關(guān)廠家及研究院合作，研究輥套與襯板材料。先后與西安中星材料有限責(zé)任公司、長沙齊順機(jī)電、河北坤騰泵業(yè)有限公司、甘肅耐爾特種材料制品有限公司、安徽米特吉機(jī)械股份有限公司、合肥中亞水泥機(jī)械廠等廠家，對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有耐磨材料進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，材料的硬度和韌性合格后制成輥套試用，采取試用的方法對(duì)提供的備件考核。每套產(chǎn)能低于8000 t 的不付款，2009 年，考核結(jié)果比較好的是合肥中亞水泥機(jī)械廠提供的備件，材料為高鉻鑄鐵，單套產(chǎn)能達(dá)到8600 t，材料成分見表1。

表1 輥套材料成分%

材料的性能硬度HRC 達(dá)到63.1，沖擊韌性9.2 J/cm2，在生產(chǎn)上取得了相當(dāng)不錯(cuò)的效果。近年，隨著國內(nèi)科研力度增大，新材料新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。2015 年，陶瓷復(fù)合材料在立式磨上得到應(yīng)用，2016 年，分別與北京中礦集團(tuán)和安徽米特吉機(jī)械股份有限公司簽定協(xié)議，試用陶瓷復(fù)合材料輥套。這種部件的主體材料是高鉻鑄鐵，在澆鑄過程中插入陶瓷棒，整體澆鑄成型（圖3）。有的制造工藝是在高鉻鑄鐵熱處理前鉆孔，再硬化然后插入陶瓷棒，過盈配合。

圖3 耐磨陶瓷復(fù)合材料磨輥

新老輥套試用對(duì)比：老輥套材料為純高鉻鑄鐵（圖4），磨損后期表面形成凸凹缺陷。這是作為從動(dòng)輪的磨輥在磨盤帶動(dòng)物料時(shí)因摩擦力的作用使磨輥轉(zhuǎn)動(dòng)，在物料厚度不均時(shí)，磨輥轉(zhuǎn)速不同，石英物料對(duì)磨輥磨損量不同，形成凸凹缺陷。這些凸凹面對(duì)作為從動(dòng)輪的磨輥轉(zhuǎn)動(dòng)影響特別大，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在磨床上跳動(dòng)，增大磨床轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。這種磨輥無論怎么翻面調(diào)整使用，都影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行及研磨效率，長時(shí)間使用會(huì)造成磨床、加壓、限位和液壓系統(tǒng)等部位發(fā)生故障。

圖4 純高鉻鑄鐵磨輥周期磨損

新輥套基材材料不變，鑲嵌耐磨陶瓷柱，成為耐磨陶瓷復(fù)合材料輥套。2016—2017 年，對(duì)這種復(fù)合材料的輥套進(jìn)行試用，單付輥套產(chǎn)量平均提升至12 000 t 以上，北京中礦集團(tuán)最高產(chǎn)能達(dá)到16 100 t，安徽米特吉機(jī)械股份有限公司達(dá)到15 800 t，檢修周期延長至30 d 以上，備件費(fèi)用和檢修成本大幅降低。

3.2 磨床襯板的材料研究

襯板結(jié)構(gòu)改進(jìn)前材料為高鉻鑄鐵（圖5），一套襯板為8 件（圖6），厚度為80 mm，使用周期為60～75 d，用螺栓組合成一個(gè)圓盤面，每塊結(jié)合部位都有縫隙。石英在盤面流動(dòng)過程中，遇到間隙摩擦力增大，襯板結(jié)合部位磨損加快，使用后期在此處形成一個(gè)凹坑，盤面轉(zhuǎn)到磨輥處振動(dòng)一下，對(duì)磨機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性影響較大。

圖5 改進(jìn)前襯板材料

圖6 一套8 件襯板

針對(duì)每套件數(shù)多，組合時(shí)形成的縫隙多問題，對(duì)每套襯板數(shù)量、材料進(jìn)行研究改進(jìn)，由8 件1 套改為4 件1 套，45°的扇形面改成90°扇形面，4塊組成一個(gè)圓。為提高耐磨性，研究復(fù)合襯板，具體制作分3 次加工，兩次澆鑄、一次堆焊。第一次澆鑄材料用35#鑄鋼打底，連續(xù)第二次澆鑄用高鉻鑄鐵，厚度增加至100 mm。冷卻成型后，與磨盤結(jié)合底面部位進(jìn)行機(jī)加工找平，第三次上表面進(jìn)行陶瓷合金焊條堆焊。這樣既保證磨床襯板底部機(jī)加工不存在問題，又保證了抗磨性，制成的復(fù)合性材料襯板見圖7。為降低磨床襯板結(jié)合處縫隙造成的缺陷，螺栓固定后，結(jié)合處的縫隙用陶瓷合金焊條堆焊，使磨床襯板組件變成一個(gè)整體件。改進(jìn)后使用周期提升至90 d 以上，且磨機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，見圖8和圖9。雖然效果不錯(cuò)，但焊接量過大，檢修成本有些高，因此還需進(jìn)一步研究襯板材料。

圖7 復(fù)合材料襯板

圖8 一套4 件襯板

圖9 焊接后整體襯板

4 立式磨輔件磨損部位強(qiáng)化改進(jìn)

（1）改進(jìn)前進(jìn)料管、石英粉布袋倉進(jìn)口變形管使用不到1 個(gè)月，即出現(xiàn)磨透漏料，有時(shí)粉料還堵塞料管，高空處更換進(jìn)口管，清理料管費(fèi)時(shí)費(fèi)力。使用高分子聚乙烯板（圖10，厚度20 mm）內(nèi)襯在進(jìn)料管、石英粉布袋倉進(jìn)口變形管里。該部位磨損泄漏周期由1 個(gè)月延長至3個(gè)月以上，再?zèng)]有出現(xiàn)過料管堵塞問題，降低因單一部件檢修停機(jī)，影響系統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)間。

圖10 下料溜管內(nèi)襯高分子聚乙烯板

（2）磨機(jī)下殼體擋料環(huán)、刮料裝置等磨損部位因接觸石英，經(jīng)常損壞。接觸表面用陶瓷合金焊條堆焊強(qiáng)化，修復(fù)上述磨損件或磨損部位，提高耐磨強(qiáng)度，如圖11 和圖12 所示。

圖11 磨機(jī)下殼體堆焊陶瓷合金焊條

圖12 磨損部位堆焊陶瓷合金焊條

5 研究試用效果分析

5.1 輥套消耗對(duì)比分析（表2）

表2 輥套消耗對(duì)比分析

同等產(chǎn)量、同等周期前提下，經(jīng)統(tǒng)計(jì)半年節(jié)約輥套備件費(fèi)用38.5 萬元。

5.2 降低襯板消耗

改造后襯板備件不再申報(bào)，只需申報(bào)陶瓷焊條材料費(fèi)，施工強(qiáng)化后重復(fù)使用，全年節(jié)約備件費(fèi)為47.8 萬元，采購焊條材料費(fèi)為19.8 萬元，施工費(fèi)為3.6 萬元，故襯板改造后節(jié)約總費(fèi)用為24.4 萬元。

5.3 降低檢修費(fèi)用

輥套襯板改造后，年可減少輥套檢修次數(shù)8 次、襯板檢修次數(shù)3 次、零星補(bǔ)漏次數(shù)30 次。共可節(jié)約檢修費(fèi)用53.7 萬元。

5.4 降低設(shè)備能耗

磨機(jī)輥套、襯板技術(shù)創(chuàng)新改造后研磨石英效率提高，返料循環(huán)量減少，在滿足系統(tǒng)供料同時(shí)，立式磨與配套風(fēng)機(jī)開車時(shí)間減少，倉滿停機(jī)，磨機(jī)和風(fēng)機(jī)用電量大幅度降低。

2016 年和2017 年立式磨耗電量統(tǒng)計(jì)見表3，2016 年和2017 年通風(fēng)機(jī)設(shè)備耗電量統(tǒng)計(jì)見表4。2017 年1—10 月，經(jīng)計(jì)算節(jié)電883 904 kW·h，節(jié)約電費(fèi)44.19 萬元。

表3 2016 年和2017 年立式磨耗電量統(tǒng)計(jì)kW·h

表4 2016 年和2017 年通風(fēng)機(jī)設(shè)備耗電量統(tǒng)計(jì)kW·h

6 結(jié)論

（1）立式磨作為石英粉體材料制備設(shè)備，與雷蒙磨相比，單機(jī)生產(chǎn)能力高，能滿足石英微粉行業(yè)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需要，設(shè)備構(gòu)造緊湊、物料外溢少、環(huán)保好。但是主要部件輥套、襯板的磨損量較大，運(yùn)行成本較高。

（2）公司通過研究試用輥套和襯板材料，改進(jìn)設(shè)備部件結(jié)構(gòu)，取得較好經(jīng)濟(jì)效益，每年直接效益在200 萬元以上，同時(shí)提高了生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行保障能力。

（3）陶瓷耐磨件及復(fù)合材料是耐磨材料的發(fā)展方向，如果能解決好硬度和耐沖擊韌性的矛盾，市場環(huán)境將非常廣闊。