金属耐磨材料在水泥企业的研究和应用

[摘要] 本文从金属耐磨材料的概述、水泥企业常用的耐磨材料以及根据磨损原理具体的选用金属耐磨材料,对金属耐磨材料进行了研究、分析,对其他选用金属耐磨材料给予一定的参考和借鉴。

[关键词] 金属耐磨材料 水泥企业 研究 应用

一、金属耐磨材料的概述

材料的耐磨性不仅决定于材料的硬度Hm,而且更主要的是决定于材料硬度Hm和磨料硬度Ha的比值。当Hm/Ha比值超过一定值后,磨损量便会迅速降低。

当Hm/Ha≤0.5-0.8时为硬磨料磨损,此时增加材料的硬度对材料的耐磨性增加不大。

当Hm/Ha>0.5-0.8时为软磨料磨损,此时增加材料的硬度,便会迅速地提高材料的耐磨性。

金属耐磨材料一般都指的是耐磨钢,能抵抗磨料磨损的钢。这类钢还没有成为一个完全独立的钢种,其中公认的耐磨钢是高锰钢。

二、水泥企业主要使用的耐磨钢

在水泥工业中大多以磨料磨损为主要磨损方式。耐磨材料主要用于磨机衬板、隔仓板、篦板,球、段,破碎机锤头、板锤、反击板、颚板,立磨辊、盘等。从材质上可分为以下三大类:

1.高锰钢系列

该材质在八十年代前的一百余年中始终占据耐磨材料的主导地位,优点:韧性极好,在强冲击条件下产生加工硬化;缺点:易塑性变形,不耐磨。已从非强冲击条件下应用的易损件(磨机衬板类)中退出,但是在强冲击负荷下应用的易损件中,仍保持不可替代的优势。

普通高锰钢以及为了提高屈服强度添加各种合金元素的合金高锰钢,在大型破碎机锤头、板锤、反击板、篦板、颚式破碎机颚板及圆锥破碎机内外锥等易损件中,占主导地位。超高锰钢仅限用于大型破碎机锤头和板锤。中锰钢也有部分应用。

2.合金钢系列

低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金、低碳高合金等各种合金钢,由于其化学成分、热处理工艺可在很大范围内变化,最终产品的机械性能指标差距很大,硬度HRC40-60,冲击韧性ak10-100J/cm2,因此可根据易损件的应用工况条件,分析其主要磨损机制,优化和选择合金钢的化学成分和综合机械性能,达到最经济合理的选用。

中碳低合金钢的优点是:合金量少,生产成本较低,依靠水淬或油淬提高硬度,满足易损件的耐磨寿命。

中碳中合金钢的优点是:中等的合金含量使其基体组织得到固溶强化且有弥散碳化物,热处理工艺简单且稳定,综合机械性能较佳。与中碳低合金钢相比,即使硬度相同,耐磨性明显增高,但生产成本偏高。

低碳高合金钢的优点是:低碳、高合金的化学成分配合恰当的热处理工艺,可获得非常高的韧性和较高的硬度,对受冲击负荷较大、结构复杂的易损件具有绝对的优势,缺点是生产成本高。

3.抗磨白口铸铁系列

该系列有高铬铸铁、中铬铸铁、低铬铸铁、镍硬铸铁及高铬铸钢等品种。总体优点:硬度高,耐磨性好。缺点:韧性不足。

高铬铸铁(Cr14-30%)的耐磨性最好,应用范围最广,如中小型磨机衬板,球和段,小型破碎机锤头和板锤,立磨辊和盘等。大型磨机前配置了辊压机后,高铬铸铁即可扬长避短,充分发挥其优异的耐磨性,衬板使用寿命可达8年以上。

低铬铸铁(Cr1.5-3%)的硬度、韧性均大大低于高铬铸铁,主要应用于球、段以及细磨仓衬板,优点是生产成本低,缺点是应用范围窄,综合性能和抗磨指标一般。

中铬铸铁(Cr8-14%)仅用于铸球,降低铬含量,既可以降低生产成本,也可满足球的破碎率指标,市场中仍称之为高铬球。

三、水泥企业常用耐磨材料具体选用(本文以磨机为例)

1.粗磨仓衬板磨损机理及耐磨材料的选择

粗磨仓入磨料度为15mm-25mm,研磨体平均球径φ75mm左右,最大球径φ90mm-lOOmm。磨机回转时,球和物料以较大的冲击力凿削衬板;球在下落的滑动或滚动中挤压物料,物料尖角切削衬板,因此粗磨仓衬板磨损机理是以高应力冲击凿削磨损为主,挤压切削为辅。

粗磨仓衬板要求材料有足够韧性,受切削磨损要求材料具有高硬度。根据磨损原理,材料硬度(Hm)应为物料硬度(Ha)的0.8倍以上,即Hm/Ha≥0.8,水泥熟料硬度为HV500-550,相当于HRC49-54。所以衬板材料硬度应在HRC50以上才耐磨。由于受高应力冲击凿削,冲击韧性ak≥10J/cm2才能不开裂,才满足使用要求。因此粗磨仓衬板应选择中碳中铬合金钢及其类似合金钢材料,硬度HRC48-55,冲击韧性akl5-20J/cm2,使用寿命可达2-3年。对于单螺孔衬板及沟槽衬板可参照相关标准选择高铬铸铁,使用寿命可达4-6年。对于φ3m以上的大型磨机衬板,应选择高韧性高铬铸铁,硬度HRC58-62,冲击韧性ak8-12J/cm2,使用寿命可达 6-10年。

2.细磨仓村板磨损机理及耐磨材料的选择

通过隔仓板进入到细磨仓的物料已变细,尖角变钝,细磨仓里的球或段直径仅为φ15mm-60mm,冲击力小,因此细磨仓衬板磨损机理是球的应力切削磨损。

细磨仓衬板可以选择硬度高、韧性低的耐磨材料。如高碳合金钢,高、中、低铬铸铁,抗磨球墨铸铁等材料,硬度HRC>50,冲击韧性ak4-6J/cm2均可使用。

磨机衬板不宜选择高锰钢。对粗磨仓而言,因为高锰钢的屈服强度低,易产生塑性变形,尺寸长的衬板会发生凸起变形,钢球的冲击也不能充分产生加工硬化,因此不耐磨。细磨仓衬板承受的冲击力更小,高锰钢的耐磨性更不能得到发挥。

3.磨头端衬板、隔仓板、出科篦板耐磨材料的选择

(1)磨头端衬板磨损机理及耐磨材料的选择

磨头端村板在粗磨仓进料端,物料粒度大,研磨体平均球径大,受磨球和物料的侧冲击力大,是以高应力冲击凿削磨损为主、切削冲刷为辅的磨损机理。因此磨头端衬板应选择韧性高耐冲击、硬度高抗切削的材料。以前采用高锰钢,由于所受冲击不足以充分使其产生加工硬化,硬度仅能达到HB350左右,受物料切削冲刷磨损严重,使用寿命低。如果选择中碳多元合金钢衬板,硬度HRC46-50,冲击韧性ak5 J/cm2,使用寿命可比高锰钢提高一倍。φ3.Om以上大型磨机磨头端衬板在径向上分2-4块,可选择高铬铸钢,高铬铸铁类耐磨材料,使用寿命可比高锰钢高3-4倍。

(2)隔仓板磨损机理及耐磨材料的选择

粗磨仓粉磨达到一定粒度的物料是通过隔仓板篦缝到细磨仓的。物料对隔仓板蓖缝进行挤压冲刷磨损,球和物料对隔仓板进行测冲击凿削磨损,并且隔仓板为悬臂梁式安装,受力情况恶劣。因此要求材料韧性要好,冲击韧性ak≥25 J/cm2,硬度HRC45-50。

高锰钢韧性好,但硬度低,不耐磨,并且易产生塑性变形,堵塞蓖缝,影响生产效率。

因此隔仓板应选择中碳中铬多元合金钢及类似合金钢材料。φ3.0m以上大型磨机隔仓板是分块制作的,可选择高铬铸钢、高韧性高铬铸铁类耐磨材料,使用寿命可比高锰钢提高2-3倍。

(3)出料篦板磨损机理及耐磨材料的选择

出料蓖板在磨机的出口,主要受小球或钢段的挤压切削磨损。因此以硬度为主选择材料,可选择各类高碳合金钢、高韧性抗磨球墨铸铁等。硬度HRC50-55,冲击韧性ak8-10 J/cm2,即可满足使用要求。

新型耐磨材料-Cr-Ti多元合金钢衬板,冲击韧性65-136 J/cm2,硬度HRC52-58,主要技术指标达到国外同类产品水平,其技术性能满足φ3.8m以上大型球磨机粗磨仓、细磨仓、磨头端衬板,隔仓板、出科蓖板工况条件的要求,应用范围广,寿命比高锰钢提高2-4倍,是替代高铬铸铁和传统中合金衬板的理想材料。

总之,使用厂家选择理想的耐磨材料,应该考虑以下两点。

第一,进行磨损失效分析,充分认识配件的工况条件,如采用干法还是湿法生产,受冲击负荷的大小,物料的种类,易磨性,粒度,物料的尖锐度等,依照磨损特性选择合适的材料。

第二,进行技术经济指标对比,如果价格高,但耐磨性提高比率远大于价格比率,则应该选择质优价高的,才能提高总体经济效益。

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