耐磨材料的發(fā)展及應用

耐磨材料的發(fā)展及應用

absu：以后夾、分類和附加應用，用框架磚線程序、線程上下文和調(diào)用頁腳防護，系統(tǒng)調(diào)用和調(diào)用頁腳防護，并為調(diào)用框架提供服務。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和科技水平的進步,品種越來越多和性能越來越好的耐磨材料不斷地應用于實際工業(yè)生產(chǎn)中。盡管如此,在材料的斷裂、腐蝕和磨損3大失效因素中,磨損失效仍然是使設(shè)備、材料遭受經(jīng)濟損失最為嚴重的因素。據(jù)統(tǒng)計:能源的1/3~1/2消耗于磨損,材料的80%失效于磨損。因此,一定要高度重視耐磨材料的研究及能提高材料耐磨性的新工藝的開發(fā)工作,僅經(jīng)過合理的選材而不用增添新的設(shè)備即可獲得巨大的經(jīng)濟效益。球磨機是一種被廣泛地應用于選礦、建材、化工和電力等工業(yè)部門的磨料設(shè)備,球磨機襯板是其主要消耗件之一,我國金屬礦山約耗12萬t/a,因此,其使用壽命直接影響礦山的經(jīng)濟效益。據(jù)調(diào)研,國內(nèi)襯板單耗為0.2kg/t,而美國、加拿大平均單耗0.05kg/t,差距明顯。這當然是選材不當及生產(chǎn)制造工藝不穩(wěn)所至,應當采取行之有效的措施彌補,筆者僅對球磨機襯板材質(zhì)的應用現(xiàn)狀作一個綜合性概述,同時對這一問題進行若干研究,以饗讀者。1磨礦機襯板的應用利用研磨介質(zhì)在旋轉(zhuǎn)的筒體內(nèi)進行磨料的原理其實早已為人們所掌握,而具有連續(xù)給、排料的磨礦機直到20世紀初才得以問世。剛出現(xiàn)的磨礦機是沒有襯板的,但在實際磨料中,人們發(fā)現(xiàn)這種磨礦機的筒體及端蓋很快就被磨穿,所以開始研究在其內(nèi)表面安裝襯墊保護筒體及端蓋,這就產(chǎn)生了磨礦機襯板。當時選作襯板的材料非常有限,只有白口鑄鐵及非合金化的高碳鋼,以致人們也會切割天然石塊加水泥搗固后用作磨礦機襯板。但從1930年以后,由于材料的發(fā)展,導致磨礦機襯板材質(zhì)得到長足的進展,陸續(xù)出現(xiàn)了數(shù)百種鋼和鐵襯板、陶瓷襯板、特制橡膠襯板及復合襯板。2非金屬材料研磨從1930年至今,人們對磨機襯板進行過數(shù)百種鐵基材料的試驗和研究,其中有幾種屬新合金類型,而其大部分為各種合金材料在化學組成、熱處理、硬度和金相組織方面的不同變種而已。此外,有2種非金屬材料,即特制橡膠制品和高鋁磚也已研制出來做磨機襯板;另外,還有一種專門燒成的碳化鎢,也用于小型特種用途的磨機,但因其成本高,對絕大多數(shù)工業(yè)規(guī)模磨機來說,使用起來很不經(jīng)濟,故不作專題介紹。2.1新型高強鐵粉材料目前我國常用的磨機金屬襯板材料主要有以下4大類:(1)高錳鋼及改性高錳鋼高錳鋼是由英國人哈特菲爾德發(fā)明的,含C0.9%~1.4%,Mn10%~14%,沖擊強度ak為150J/cm2,經(jīng)水韌處理后為單一的奧氏體組織,它抗磨是由于受沖擊后引起的表面硬化效果所致,初始硬度僅為HB179~229,經(jīng)檢測,磨損后的硬度也只有HB240~350(實際上經(jīng)充分的硬化,最高硬度可達HB605,相當于HRC56)。這說明在使用過程中(特別是在中小型磨機上)并沒有得到充分的加工硬化效應,沒能充分發(fā)揮其抗沖擊的耐磨性能。同時,它的屈服強度低,容易產(chǎn)生塑性變形,使襯板凸起,嚴重時會拉斷安裝螺栓,使拆卸困難。雖然許多生產(chǎn)廠家及用戶都認識到它并不耐磨,但由于傳統(tǒng)的偏見,認為它韌性好,制作襯板不會斷裂,偏于安全的原因,至今仍是廣泛應用的襯板材料。為了提高高錳鋼的耐磨性及使用壽命,國內(nèi)外學者已研制出多種改性高錳鋼:(1)將Mn含量降低為低Mn、中Mn或維持高Mn水平,加入變質(zhì)劑以進行細晶處理;(2)加入Ti、Nb、V、Mo及Cr等碳化物形成元素以實現(xiàn)第二相強化;(3)加入W、Cu、Ni、B等元素以實現(xiàn)固溶強化;(4)加入稀土元素以凈化鋼液,改善夾雜物形態(tài)及分布以實現(xiàn)綜合強化。這類改性鋼種很多,在此不一一舉例。另外,探索新的熱處理工藝,提高冶鑄質(zhì)量以期提高高錳鋼的使用壽命,也一直是眾學者的研究課題。(2)中、高碳合金鋼由于高錳鋼用作磨機襯板有它的局限性,因此各種中、高碳鋼應運而生。由于磨機工況復雜,彼此間有很大的差異,合金鋼襯板尚未標準化,從化學成分來講,這類鋼中均含有一定量的Cr和Mo,有的還含有較高的Si和Mn,經(jīng)熱處理后其組織可為回火馬氏體或珠光體及少量碳化物。ak為30~40J/cm2,HRC為50~55,珠光體鋼的耐磨性稍差,但它在鑄造或使用過程中產(chǎn)生的裂紋傾向性小。它含合金元素少、成本低,與白口鐵比韌性好,與高錳鋼比,初始硬度高、強度高、生產(chǎn)適應性強。故這類鋼獲得愈來愈廣泛的應用。(3)高、中鉻鑄鐵(鋼)此類鑄鐵(鋼)是在白口鐵中加入12%~30%的Cr及一定量的Mo而形成的。ak為6~12J/cm2,HRC為50~60,要在感應爐或電爐中熔煉,經(jīng)奧氏體化后可以油淬且應盡快回火。其韌性及抗裂紋傾向都比高錳鋼及中、高碳合金差,但耐磨性卻提高,在實際應用中關(guān)鍵在于使襯板形狀小型化,減輕單重,增加壁厚。(4)低鉻鑄鐵(鋼)含Cr2%左右及少量的Mo、Cu等元素,ak為4~6J/cm2,HRC為55~60,韌性及耐磨性雖比高鉻鑄鐵差,但它可用沖天爐熔煉,故適用于小型磨機的細倉襯板。以上4類金屬材料襯板,應用最多的仍為1,2類,3,4類用得少且多在二、三段磨上用,復合材質(zhì)襯板雖已研制出來并在實際生產(chǎn)中得到一些應用,但工藝難于掌握,目前尚不易推廣。2.2橡膠的素質(zhì)從1921年以來,橡膠襯板取得了很大成就,1921年第1套橡膠襯板安裝于1臺φ1.2m×6.1m的球磨機。通過對橡膠材質(zhì)、襯板結(jié)構(gòu)和安裝方式等的綜合改進,現(xiàn)在許多細磨作業(yè)磨機已成功而經(jīng)濟地廣泛使用了橡膠襯板,在一定范圍內(nèi)也應用在粗磨作業(yè)的球磨機中。用于制作襯板的橡膠配方被認為是制造廠家的專利,橡膠配方通常應考慮能適應欲使用這種橡膠襯板的給定磨機的作業(yè)條件,當磨機給料中有浮選用油或干磨溫度超過80℃時,則需要用專門的橡膠品種,橡膠不適合作水泥熟料磨襯板,因那里作業(yè)溫度高,會使其耐磨性迅速破壞。橡膠襯板耐磨性好壞,取決于它在受到磨蝕粒子的沖撞或粒子壓入其表面時,而不被割斷或劃破而保持彈性的能力。因此,當磨蝕粒子粒度小(如在細磨中),不很堅硬,棱角也不很鋒利時,使用橡膠襯板效果則好,為了擴大橡膠襯板的應用范圍,許多學者進行了廣泛的研究和工業(yè)試驗,所以在最近的20余年,橡膠襯板已得到廣泛應用。橡膠襯板具有耐磨損、抗腐蝕、節(jié)能、降低噪聲和改善磨礦作業(yè)狀況等經(jīng)濟特點,與錳鋼襯板比較,其使用壽命較長,在二、三段磨中可提高2倍左右,比重僅為鋼的1/6,降低了工業(yè)勞動強度,安裝時間減少7%,降低電耗10%~15%,磨機生產(chǎn)能力增加10%左右,介質(zhì)消耗約降低15%,礦漿產(chǎn)品質(zhì)量沒有什么變化,甚至有所改善,初始費用雖高,但由于有上述優(yōu)點,最終使單位產(chǎn)品費用可降低10%左右。但由于橡膠不耐高溫,當溫度達100℃時,橡膠襯板的磨損量比在50℃時磨損量高5~6倍;再者,鋼球直徑過大對橡膠襯板的磨損是有害的,最大球徑一般不超過80mm。這些原因限制了橡膠襯板在我國的廣泛應用,而研制出特殊的耐熱耐磨橡膠,防止老化、降低成本,乃是今后值得研究的課題。2.3鋁土礦襯板的性能細磨磨機用陶瓷襯板,是磨機發(fā)展早期在許多細磨機(尤其是礫磨機)中所用天然石材襯板的演化發(fā)展,陶瓷磚代替天然石材做襯板,具有許多突出的優(yōu)點,目前可以得到的高鋁陶瓷磚襯板含鋁大約85%,其比重為3.4,約為鋼的44%,其布氏硬度HB375左右,它不會被石英那樣的磨蝕性礦物粒子刮損或磨掉,且具有良好的耐磨性、耐崩裂性、強度高、韌性好、耐熱性和耐化學腐蝕性強,比較適應目前條件下的經(jīng)濟生產(chǎn)和安裝條件。在某些場合,這種襯板可經(jīng)濟地替代金屬襯板和橡膠襯板。在必須避免磨礦產(chǎn)品受金屬和橡膠污染的地方,使用陶瓷襯板往往能解決問題,生產(chǎn)白水泥和鈦白涂料,是陶瓷襯板以及陶瓷磨礦介質(zhì)應用的兩大場所。3襯板材料的選擇與研究襯板材質(zhì)的同時,人們在襯板結(jié)構(gòu)形式方面的研究也取得不斷進展。襯板材質(zhì)與其結(jié)構(gòu)形式之間存在著密切的關(guān)系,如果是軋鋼襯板,那么襯板斷面就被限制到幾種標準形狀;如果使用鑄鋼或鑄鐵襯板,那么襯板斷面形狀就可以經(jīng)濟地加以鑄造和熱處理,并且不易產(chǎn)生裂紋或高的內(nèi)應力。對于能提高磨機沖擊力的具有高提升斷面的襯板所選用的材料,要比具有低提升斷面襯板或比較平滑的襯板材料,要求有更好的韌性和耐斷裂性。襯板材料對襯板的緊固方法和固定的結(jié)構(gòu)形式也有重要影響。總之,襯板的結(jié)構(gòu)形式對其使用壽命、磨礦效率、襯板磨損到報廢時的利用率以及對每噸礦石的磨礦費用等都有很大影響。襯板的表面形狀應該使球體與襯板表面的相對滑動量最少,這既可增加襯板的使用壽命,又可降低功率消耗。因此,通常細磨礦時,采用細棱邊或完全光滑的襯板;粗磨礦時,則采用帶棱的襯板(表面有搭接頭的、波浪形、凸形、平滑形和階梯形等),大型球磨機多采用波形金屬襯板,中、小型球磨機使用橡膠角螺旋及棒形等襯板。特別是角螺旋襯板在一段磨礦中取得優(yōu)越效果,功耗及能力較之其他襯板都有改善,但直徑5m以上的特大型磨機,由于筒體線速度增大,用角螺旋襯板效果不佳。波形襯板有單波及雙波之分,一般粗磨用單波,細磨用雙波,大型球磨機用雙波,中、小型磨機一段用單波,二段用雙波。襯板的斷面形狀,有直接用螺栓固定在筒體上的單塊襯板,這種襯板更換容易(可以單塊更換),但要求螺栓孔密封;還有條形襯板,這種襯板是用楔形壓條固定,并用端蓋襯板壓緊,其制造簡單,螺栓孔少(也可不用螺栓固定,完全用端蓋壓緊),增強了筒體強度及剛度,但更換襯板較麻煩,尤其是當一塊襯板損壞后需單塊更換時,則要將其他襯板統(tǒng)統(tǒng)拆除后才能更換。4襯板的換襯費用襯板材料造價是制造使用襯板需要考慮的一個重要因素,尤其在磨低品位礦石或價格較低的物料時更是重要,襯板的總造價應包括材料費(購置費)和安裝費,在大多數(shù)情況下還包括換襯板停車的費用,后者是以生產(chǎn)量損失的形式來度量的。生產(chǎn)量損失的費用依每臺磨機作業(yè)條件不同而有相當大的差別,在某些情況下,有可能達到襯板材料費及安裝費的50%以上。襯板材料費及安裝費近年已迅速增加,而各種備選材料之間費用差別正趨于縮小。一般來說,橡膠襯板材料費及安裝費最高,可達金屬襯板的3倍左右,其次是陶瓷襯板,比金屬襯板高30%~40%,而4種金屬襯板比較而言,高、中鉻鑄鐵(鋼)襯板費用最高,其次為中、高碳合金鋼及高錳鋼襯板,低鉻鑄鐵(鋼)襯板費用最低。5金屬襯板的磨損性能球磨機使用金屬襯板其消耗量變數(shù)很大,根據(jù)筆者多年對若干金屬礦山及非金屬礦山磨礦介質(zhì)消耗統(tǒng)計資料顯示:對于濕磨粗粒磨蝕性礦石來說,每噸給料的襯板耗量可高達0.3kg,而對于干磨軟的石灰石或水泥熟料來說,襯板耗量可低到0.5g/t,如以每度電消耗的克數(shù)來表示,則上述耗量可分別為23g/kW·h和0.05g/kW·h。影響襯板磨損率的因素,包括受磨物料的粒度和硬度,磨每噸物料耗用的電量,磨機直徑及轉(zhuǎn)速,襯板的結(jié)構(gòu)形式,襯板材料的耐磨性以及襯板磨到報廢時剩余重量或體積對原襯板的百分比等等。而金屬襯板用得最多的是低品位礦石一段磨礦,大多數(shù)低品位礦石中硅石含量和其他堅硬磨蝕性礦物含量都很高,在這種工況下,包括筒體襯板、端襯板和格子板在內(nèi),其耗量大約為0.1kg/t,在二段磨礦里,許多選廠使用橡膠襯板取得良好的效果。在已定的磨礦機中,筒體襯板的使用壽命取決于4個耐用因素:宏觀沖擊失效破壞的抗力;宏觀疲勞失效破壞的抗力;表面切削或切割磨損的抗力;表面微觀沖擊疲勞磨損的抗力及各種運轉(zhuǎn)條件。目前對大多數(shù)低品位礦石而言,對于金屬襯板,一段作業(yè)球磨機襯板的使用壽命一般為200~500d,二段作業(yè)為2~2.5a;對于橡膠襯板來說,一段作業(yè)使用壽命為2~3a,二段作業(yè)使用壽命為4~5a;而陶瓷襯板則有些特別,因為其磨損的機理是微崩裂,這種磨損在濕磨時,如磨機中礦漿保持高黏度及高濃度,并且在較低的臨界轉(zhuǎn)速,其圓周速度<82m/min的情況下運行,則陶瓷襯板使用壽命遠遠高于金屬襯板及橡膠襯板,但如達不到這樣的工作條件,陶瓷襯板的使用壽命則將大大低于金屬襯板。6緩沖板的選擇6.1刮削襯板的加工磨機襯板長時間受研磨介質(zhì)及物料的沖擊、研磨和碾壓等多種因素的作用,產(chǎn)生磨料磨損。在這一過程中,主要有鑿削磨料磨損和高應力研磨,前者是研磨介質(zhì)在運動力作用下,以一定的沖擊功切入襯板表面,刮削襯板,劃出溝槽;后者形成局部塑性變形的脆化區(qū),導致研磨工料磨損。另外,在不足以形成脆化區(qū)時,由于高應力小能量多次沖擊,導致襯板疲勞磨損而失效主要有開裂及破碎斷裂,邊緣塑性變形及襯板凸起變形和磨損這3種形式。在正常情況下,主要是磨損失效,其次是變形、斷裂。從襯板受力及失效形式分析,要求襯板應具有高的硬度(HRC45~55以上),高的強度(σs在400MPa以上,σb在600MPa以上)及足夠的韌性(ak在10~30J/cm2以上)。但過高地追求襯板材料的韌性而犧牲強度及硬度是不妥的,應在保證足夠的韌性前提下,盡量提高材料的強度及硬度才是合理的。6.2干濕磨和干磨為給定的磨機選擇最佳的襯板材料是很難的,因為這涉及到的因素太多,這里只能談一些一般的原則及必須考慮的因素。(1)應根據(jù)不同的工況條件選擇不同材質(zhì)的襯板。高錳鋼由于不能充分發(fā)揮其加工硬化特性,故不宜作磨機襯板材料,特別是不宜作中、小型磨機襯板材料。但是在受強烈沖擊的工況條件下,如破碎機襯板,卻是不可取代的優(yōu)良材料。(2)應根據(jù)磨機規(guī)格不同選用不同材質(zhì),根據(jù)被磨物料不同選用不同材質(zhì),根據(jù)生產(chǎn)方式不同(干、濕磨)選用不同材質(zhì),根據(jù)不同磨段選用不同材質(zhì),這些在前面的分析中均已提到,不再贅述。(3)襯板選材與襯板形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。國外磨機襯板塊小而厚,有利于發(fā)揮材料特性,不易開裂。國內(nèi)的磨機由于型號老,襯板塊大而薄。因此,在采用新型耐磨材料時要注意襯板形狀結(jié)構(gòu)的配合。(4)橡膠襯板應優(yōu)先考慮使用,特別是對新建選礦廠的磨機尤為如此考慮。因為只要在技術(shù)上和經(jīng)濟上合適的地方,使用橡膠或其他彈性材料做襯板都比金屬材料襯板優(yōu)越。(5)在必須避免橡膠、鐵和鉻污染的磨料中,應考慮使用高鋁陶瓷磚