（机械设计及理论专业论文）dresser渣浆泵的失效分析及改进方案.pdf

中南大学硕士学位论文 abs tract t h e s e r v i c e l i f e o f s l u r ry p u m p w h i c h u s e d f o r m i l l in g b e t w e e n t r a n s p o r t a t i o n in p in g g u o a l u m i n u m c o i s o n l y 6 0 0 - 1 2 0 0 h , m u c h l e s s t h a n t h e 2 0 0 0 - 3 0 0 0 h a v e r a g e l i f e in o t h e r a lu m i n u m c o . t h r o u g h a n a l y s i s , t h e a r t i c l e t h i n k t h a t t h e b r o k e n r e as o n o f t h e p u m p i s : d u e t o h i g h h a r d n e s s a n d b i g g r a n u l a r it y o f s o li d i n s l u r ry , t h e p u m p w as s e r i o u s l y w o m b y s l u r ry e r o s i o n i n f i r s t a n d t h e n b y c a v it a t i o n， t h e r e f o r e , t h e k e y m e t h o d s f o r im p r o v e m e n t o f s e r v i c e l i f e o f s l u r ry p u m p a r e : m a t e r i a l c h a n g e o f s e r i o u s w o r n a r e a , im p r o v e m e n t o f t h e s p e c i f i c a t i o n o f e r o s i o n w e a r r e s i s t a n c e f o r u s i n g m a t e r i a l.f o r a b o v e m e n t i o n e d p u r p o s e , t h e a r t i c l e h as a n e x p l o r a t i o n a n d r e s e a r c h f o r p u m p in d e s i g n i n g o f c o n s t r u c t i o n a n d a l l o y e l e m e n t s , a n d t h e t e s t g e t a b e tt e r r e s u l t i n s m a l l s c a l e t e s t o f i n d u s t ry . h u a n g w e iz e ( m a c h i n e d e s i g n 有些学 者认为磨损和汽蚀联合 作用使过流件失效:也有些学者认为，磨损、汽蚀及磨损和汽蚀 的联合作用都可能是过流件破坏的原因， 要根据 实际运行的过流 件周围的水流特性 、材料和磨料的性能 以及破坏形貌进行分析 ， 不能一概而论4 3 1 2 . 2渣浆泵材料磨损机理研究概况 w. a. s t u f f e : 认为渣浆泵过流件的主要磨损破坏形式是擦划 t v 冲刷磨损 ( 即冲角为 0 0 左右的切削磨损)1 4 4 1 p . b e r g e r o n在分析材料表而磨损凹坑后认为，水中材料的磨 损分为摩擦型和冲击型两种14 5 1 m. c . r o c o在封 闭式泵 系统 内进行磨损试验 ，采用表面涂层法 测定泵室的磨损 ，他将磨损的成因归结为固粒 的直接冲击 、固粒 的 紊动 冲击和通 过边壁 的滑动 摩擦 。 而这三种 磨损 形态 分别 同固 相的动应 力、扩散应 力和承载应 力相关，各种应力导致 的磨损 由 比磨损率表示，总的比磨损率为三者之和1 4 6 . 4 7 1 吴培豪等长期观测和统计泵材料的磨损情况，认为磨损按形 式可分为普通磨损和 局部磨损 ，按机理分为三种 ，切削磨损 、变 形磨损 及其 复合 磨损他 同国内许 多利技工 作者 一样将 局 部磨损 视为材料破坏的根本原因，而且局部磨损又可由水利、材质和机 械三 方 面 因 素 造成 i4 r 1 一2 中南大学硕士论文 3 .渣浆磨蚀性研究概况! 5 () 由于涉 及 到 的可 变因素很 多和 问题 的 复杂性 ，因此 不存 在某 个可 以推 断 出来 的 单一 的磨蚀 性指 数 能精 确 地 将 泵 内渣 浆 的磨 蚀性与结构材料和零件寿命联系起来 流经泵的磨粒 的动 能与绝对速度 的平方 一 成正 比。要找到某 个 供比较磨损用的、可以看着是速度的函数的精确值，那是不可能 的。常常引用的一种简单的表示式是磨损二磨粒的速度。 固体粒 径有一定的分布 ，因此 泵 内几种磨蚀均存在 ，在分布 上有普通磨损和局部磨损 。对 于铸铁和 合金钢等硬脆材料 ，磨损 量与转速 的 2 . 5 - 3 . 3次方成正比 ( 水流与边壁一致时 与转速的平 方成正 比) ，与固体浓度的一次方成正 比，但浓度 高时，磨损增 长 的 速率 减 慢 1 5 0 1 对 于磨 料 ，带 角 的 比圆粒 磨损 严 重 。密度大 时 ，主要 是变 形 磨损，密度小时，主要是微切削磨损。对于小质量颗粒，向叶片 的靠拢 速度慢 ，一般在 出 口处产生磨损 ，大 质量颗粒 一般要 与叶 片进口部位的头部相撞，产生严重的磨损! ， 。 。 当磨粒的硬度超过承磨的金属表 面硬度 时， 磨损便 急速增 加。 磨损率随磨粒 尺寸 的增加而增加 ，或者说磨粒越细 ，则磨蚀性越 刁 、 。 4 . 泵汽蚀的研究概况 渣浆泵 的破坏 常常是磨损与汽蚀 共同作用的结果 。渣 浆泵较 清水泵更易发生汽蚀，但单纯的汽蚀破坏作用减弱! 5 3 1 具体的泵汽蚀试验 表明，水流含沙之后 ，增 加 了阻力损 失、 两相扰流等引起额外动压降，使泵的临界汽蚀余量 n s p h 增加， 其增量与含沙量呈线性关系 5 4 1 液体在 一定温 度下 ，降低压 力至该温度下 的汽化 压力时 ，液 体便产 生气泡 。当气泡流动到高压处时，其体积减 小以至破灭。 汽蚀分为四种类型1 5 z 1 . i )游离或移动汽蚀:在流动的液体中产生的气泡，同时在液体 中成长 ，到 高压处而溃灭 。 2 )固定或附着汽蚀:在置于流动中的物体表面或流道边壁上形 3 . p 南大学硕十论交 成空穴，并附着于壁面上。 3 )漩涡汽蚀:在漩涡中心的低压部分发生汽蚀 。 4 )振动汽蚀:在大振幅、高频压力脉动液体中发生的汽蚀。 当汽蚀 发 生在 流道 壁 附近 、经液 体 对流 道 的反 复打击 而使 材 料疲劳破坏，在材料表面可看见海绵状、沟槽状、鱼鳞状等破坏 痕 迹 。 4 . 1 汽蚀基本方程式 泵发生汽蚀的条件是由泵本身和吸入装置两方 一 面决定的。吸 入装 置 是指 从吸 入液 面到泵 入 口法 兰处 前 的部 分 ， 泵进 口到 出 口 法兰为泵本身。液体从吸入装置连续流入泵内，二者中的流动情 况 又 各不相 同，因此在 推 导泵发 生汽 蚀 的理 论关 系式时 ，引 出 了 泵汽蚀余量 n p s h r ( 又称必需的净正吸头) 和吸入装置汽蚀余量 n p s h a ( 又称有效的净正吸头) 两个参数， np s h r 和 n p s h a的关系 称为汽蚀的基本方程式。 由伯努力为程推导得装置汽蚀余量的万程式: p，a n i s ho=二 止 一h 一h 一三 二 匕 9 y一9 y h g 一一液位到泵轴心的距离 h e 一一吸 入口总的流程损 失 p c 一一 大气压力 p v 一一液体的蒸发压力 、一一 液 体的比重 吸入装 首汽蚀余量 n p s h a又称有效的汽蚀余量 。是 由吸入装置 捉供的 ， 在泵进 口处单位 重量液体具有的超过汽化压力水 头的富 余能量。n p s h a的大小与装置参数及液体性质 ( p c , h g , h c , p , 、 b )有关，和泵本身无关。 泵汽蚀余量 n i s h r和泵内流动情况有关， 是由泵本身决定的 它农征泵进 口部分的压力降，也就是为 了保证泵不发生汽蚀 ，要 求在泵进 口处单位重量液体具有超过汽化压力水 头的富余能量 ， 即要求装置提供 的最 小装置汽蚀余 量 ( 净正吸头 ) ，方能补偿压 力降，保证泵不发生汽蚀。 泵汽蚀余量 n p s f f r与装置参数无关，只与泵进 口部分的运动 参数 有 关 。而运 动 参数 在 一 定转 速 和 流 量 下是 由几 何 参数 决定 . 4 ! ， 南大学硕士论文 的 。因此泵 汽蚀 余 量 n p s h r是 由泵 本 身决定 的 。对既 定 的泵 ，不 论何种液体 ( 除粘性很大、影响速度分布外) ，在一定转速和流 量下， 流过泵进 口， 因速度大小相同， 故均有相同的压力降， n p s h r 值相 同。所 以 n p s h r和液体性质无关 。n p s h r越小 ，表示压力降 小，要求装置必须提供的 n p s h a小，因而抗汽蚀性能好 由上述可得出泵发生汽蚀条件的物理表达式: n p s h a = n p s h r泵汽蚀 n p s h a n p s h r泵 干汽 i y 42泵汽蚀余量 的计算方法 汽蚀 比转数 c与比转数类似由汽蚀相似定律可推 导出: 二 5 .6 2 _ 二 n p s h r % c 一一汽蚀比转速 n 一一泵的转速 q一一泵流 量 n p s h , 一一泵的要求汽蚀余量 c值越大，相应 n p s h r值越小，泵的抗汽蚀性能越好。不同流 量对应不 同的 c值 。 c值 的大致 范 围是 : 对抗汽蚀性能高的泵:c = 1 0 0 0 - 1 6 0 0 对兼顾效率和抗汽蚀性能的泵:c = 8 0 0 - 1 0 0 0 对抗汽蚀性能不作要求、主要考虑提高效率的泵:c = 6 0 0 - 8 0 0 5 . 渣浆泵抗磨材料研究现状 耐磨 、耐 腐和 耐恶 劣环境 的新材料 的开发和 应 用 是推动渣 浆 泵技术发展的一个重要因素 和韧性，主要有 高铬 、硬镍 渣浆泵重点是耐磨性，表现有硬度 铬铝和镍铬 等 合金 铸铁材 料 。磨料 的速度 、动能和冲击角度是选择泵用材料的主要考虑。 七十年 代 初 高铬铸铁 出现 以来 ，渣浆 泵 开始 广泛 使用 这种 材 中南大学硕士论文 七十年代初高铬铸铁出现以来，渣浆泵开始广泛使用这种材 料，以马氏体基体加不连续碳化物相组成的、碳化物相分布均 匀 、颗粒 细小 的铬 铝镍型高铬 白口铸 铁最 为常用 ，其抗 冲蚀 能 力主要来源于不连续的 m, c , 型碳化物。合金中的镍较低，加入 适量的铝使 奥 氏体一珠光体转变速度 减慢 ， 以便在热处理 时经 适当冷却即得到必要的硬度。铬含量提高后合金的耐腐蚀性能 也有较 大 改善 。但 是这类合 金铸铁只 有在 冲 角较 小，磨料较 软 以及粒子入射速度较低时方能显示出优越的耐冲蚀性能川1 2 1 6 .抗汽蚀材料的研究现状 尽管人们 在汽蚀侵蚀领域作 了大量 的理论探 索和试验研究 ， 但 是，汽蚀所 引起 的材料破坏 的机理 ，至今还 没有最后 弄清 楚 3 。人们普 遍接 受 的理论认 为，汽泡 崩溃 的机械 作用 是汽蚀过 程引起材料破坏的主要原因i + n 5 1 t 6 l ，但至今人们一直未能在材料 的机械性 能与它的抗汽蚀冲蚀破坏 能 力间找 出联 系 ，因此 至今 还说不清 楚哪些常 规的材料性 能或几种 性能的综合可 以用 来表 示它的抗汽 蚀 能力 。通过对各种材料抗 汽蚀实验 研究 ， 目前 ， 公认钻基合金抗汽蚀性能最好，如 s t e l l i t e 6及 h a g h n e s 6 b等钻 基合金j 7 1 。但其根本原因至今尚不完全清楚钻基合金抗汽蚀性 能好与它在 受到冲 击时 ，母体合金 中稳定 的面心结构转变 到介 稳的六角密堆结构吸收大部分能量有关，另外，钻基合金能承 受较大变 形而不发 生裂纹 以及碳化物 与母材 良好 的界面 结合 也 是重要原因/ g / ，由于不能对材料抗汽蚀性进行定性定量，因此 目前对不同工况下材料的抗汽蚀性能只能通过实验 的方法获 得 。 7 . 本课题的意义 总结泵失效方面的研究成果， 生产中遇到 的难题 ，为生产服务 并用之于实际中，为企业解决 为 社 会 服 务 。 中南大学硕挂学位论文 浆槽 的液 位 在 2米 的 高度 。 2 . 1 l c 2 5 0 / 5 8 0中间泵性能参数 中间泵 性 能参 数 如 表 2 - 2 0 表 2 - 2中间泵性能 参数 a 2m /h 扬 程 m 效 率叶 轮 直 径 mm糕 入曰 h i m 转 速 r pm nsphr m 600 3 2, 26 9%58 025 03001 1 002. 5 22 矿 浆特 性 分析 表 2 -3矿 浆 的性 能 分析 粘 度 ( c p ) 固含 ( s / 1 ) na 2 0 ( s / 1 ) 温 度 ( ) 比 重 ( g / c m ) 蒸 发 压 ( k p a ) 粒 度 ( mm) 大 气 压 ( kp a ) 556( 128 09 ( 1 1 . 748. 30. 5 1 01 . 4 3 .中间泵过流件 的失效形式 3 .1泵壳的失效形式 在生产 中，该泵失效主要是因为泵壳被磨穿 ，被迫停机修 理。而泵壳往往只能使用 6 0 。小时左右即出现前护板磨穿而被 迫更换。为了最大限度的减少对生产的影响，目前采用按平均 寿命 5 5 0小时定期 更换 泵壳的作业制度 。 经过对近几年更换下来 的泵壳的磨损部位 的观察，泵壳的 失效通常都发生在入口处前护板上，其部位和常见的磨损形式 如图 2 - 3 a所示， 前护板失效表面的形状如图 2 - 3 b所示。从失效 表面 形状特 征来 判断 ，泵壳 失效表 面有 大量 的汽蚀坑 ，因此 泵 壳 失效 原 因初 步判断应 为汽 蚀 导致 泵 壳 的失效 。 【 】 南大学硕士学位论文 4 . 小 结 : 通 过 对 失 效 泵 壳 、叶 轮 、护 板 磨 损 情 况 的 观 察 ，初 步 判 断 泵 失效 的 原 因 是 由 于 汽 蚀 侵 蚀 所 致 。 这 与 湖 北 东 方化 工 厂 、广 州 有 色 设 计 院 以及 我 公 司 的 专 家 、技 术 人 员们 的 判 断 是 一 致 的 。但 仅 凭 观 察 得 出 的 结 论 ，其 正确 性 是 有 限 的 ，还 须 进 一 步 的 分 析 研 究 ，才 能 最 终 得 出 结 论 。 中ir 1 大学硕 l 论文 第三章、失效分析及实验检测 通过观察 ，我们发现泵的失效表面特 征与汽蚀表面特 征吻合 ， 因此初步判断泵的失效原因是汽蚀。 但是， 我们发现其他工况换下 来已使用了几千小时的泵的最终失效形式与该泵失效形式类似， 所 以， 该泵和其他工况的泵的失效原因是否都是由于汽蚀， 汽蚀是怎 样产生的， 或者还有其他的原因等， 这就需要做进一步的研究工作。 从表 2 - 3中可见，平果铝矿浆是一种高温、强碱、高浓度、高 粘度的两相流体。因此 ，其过流件的失效，既有汽蚀 为主的可能， 又有强碱腐蚀或高硬度矿渣冲蚀为主的可能， 也有几个因素共同作 用的可能。为此 ，本文进行了以下分析及实验检测 。 1 . 单纯汽蚀破坏可能性分析 文献口 指出， 泵的汽蚀比转速为 1 0 0 0 - 1 6 0 0 r p m时， 可用于汽 蚀严重的工况 ; 泵装置汽蚀余量大于泵的需用汽蚀余量， 则该泵不 会产生汽蚀。中间泵的汽蚀比转速和汽蚀余量计算结果如下: ! 汽蚀比转速计算1 7 5 .62 n qn p sh , a - 1 2 7 4 r p m( 式 3 一1 ) c 一一汽蚀比转速 。 一一泵的转速 1 i o o r p m q一一泵流量 0 . 1 7 m i s n p s h , 一一泵的要求汽蚀余量 数值为 2 . 5 m 1 .2泵的许用【 n p s h 计算 n p s h = n p s h r x ( 1 . 1 一 1 . 5 卜2 . 7 5 -3 . 7 5 m( 式3 一2 ) ， ， 南大学硕士论文 式中:n p s h r 一一一泵的要求汽蚀余量 2 . 5 m 根据东方化工厂提供的许用 n p s h值为 3 . 5米， 因此要保证不发生 汽蚀，可取 n p s h = 3 . 7 5 m 1 3 最低矿浆槽液位的计算 7 i 根据下式可计算出泵装置n p s h , 针n p s h = 3 . 7 5 m时的液位高度 h , n只s 刀a= 尸c一尸v 一 h * 一 h , 3 . 7 5 ( 式 3 一3 ) 7 式3 - 3 可改 写为: h g p 二 p , - h , - 3 .7 5( 式3 - 4 ) 结果:h g = - 0 . 9 3 m 式中:n p s h 。 一泵的有效净正吸头即装置的汽蚀余量为 3 . 7 5 m h g 一一液位到泵轴心的距离，负值表示液位高于泵轴心 h e 一一吸入 口总的流程损失为 0 . 3米 p c 一一大气压力为1 0 1 4 0 k g f / m 2 p v 一一矿浆在9 0 时的蒸发压力为4 8 3 0 k g f / 衬 y 一一矿浆的t 匕 重1 7 0 0 k g / m 1 .4汽蚀破坏导致失效的可能性分析 以上计算结果表明: ( 1 )中间泵的汽蚀比转速为 1 2 7 4 r p m 。 在文献 7 指出比转速为 1 0 0 0 - 1 6 0 0 r p m内，因此，该泵选型无误，可用于汽蚀严 重的工况。 ( 2 )矿浆槽的液位只要保持在 。 . 9 3 m以上， 就可使装置汽蚀余 量大于许用汽蚀余量，避免汽蚀的产生。实际生产 中矿浆 槽的液位 一般均在 0 . 9 3米 以上，因此 ，汽蚀 失效为主的 p r= 7 人学硕士论文 可能性可 以排除。 为在 生产中彻底排除单纯汽蚀失效的可 能性 ，进行汽蚀 失 效实验 。 1 5 汽蚀失效实验 将矿浆槽的液位提高到 2米以上，在长期的生产过程中， 采取措施保证液位随时都在 2米以上，使装置汽蚀余量明显大 于泵的许用汽蚀余量。 实验时间:2 0 0 0年 6月中旬一8月2 7日 实验结果:过流件的失效形式没有变化 :使用寿 命提高到 8 0 0 小时。 2 . 强碱腐蚀导致失效的可能性分析 2 . 1 现场试验分析 在碱浓度 与中间泵工况相似的溶 出和球磨后两个工段 ，使用的 不同型号但相同材质( z 1 8 0 c1 3 ) 的矿浆输送泵， 使用寿命都在 1 5 0 0 小时以上，通过对失效后的泵壳情况观察，没有发现碱蚀 的痕迹。 2 . 2材料抗腐蚀性能分析 目前国内外三家制造厂所用材料基本相 同，其化学成份 重量 %)见表 3 - 1 表 3 一 1 家牌 号ccrs im nm onihrc dres s erz1 8 0 c1 31 . 91 3 . 50. 5 90. 610 . 80 . 658 东方化工df 2号1 . 9 61 2. 650 . 9 20. 511 . 0 00 . 516 0 厂州院 高铬铸铁 1 . 6 91 3. 7 40. 50. 8 20. 7 61 . 0 85 8 目前中间泵所 用的材料均 为高铬铸 铁，含铬均 在 1 3 %左右，其 丛体中的平均 含铬量 c r m ( % ) 可根据 m a r a t r a y经验公式计算: c r m = 1 . 9 6 c r / c - 2 . 6 5 1 8 1，如表 3 - 2 0 e l i 南人学硕士论文 表 3 - 2 牌号z1 8 0 c1 3df 2广州院 cr / c7. 96. 58 . 1 cr m%1 2 . 8 31 0 . 1 11 3. 3 由于铬在碱性介质中具有 良好的钝化倾向，当基体中铬含量大 于 1 1 . 7 %19 1 , 铬显著提高基体电极电位及增强钝化倾向。 由表 3 -2 , 可以看出除 d f 2号略低于 1 1 . 7 %外，其它的均高于 1 1 . 7 %，因此， 材料的抗碱蚀的能力是很强的。 泵在此强碱介质中工作时，材料抗碱腐蚀能力很强，受碱蚀破 坏 的可能性很 小，且未发现碱蚀 的情况 。因此 ，可排 除碱蚀 的可 能 性 。 3 . 矿渣冲蚀破坏导致失效的可能性分析 3 i矿石特性分析 3 . 1 . 1 矿石岩相分析 ( i )矿石成分分析 矿石的成分参数如表 3 - 3 表 3 一 3矿 石 的成分 元素a1 2 03f e 2 03s i 02t i oz其他 含量 ( %) 6 41 342. 811 6. 1 9 ( 2 )矿石的硬度分析 分析设备:p o l g v a r -me t金相显微镜放大 1 0 0 x mi cro一 ovroma t 4 0 0 0 分析条件:2 0 g 1 0 s 2 0 梯度 分析结果:测定三个相， 硬度为 1 1 5 4 . 9 h v 8 5 7 . 2 h v 4 0 1 . 3 h v 矿相图见图 3 - 1 中南大学硕 士论文 分析我们确定 了中间泵 的失效 的原 因。 从 失效 的原 因来看 ， 根据现 场的条件 ， 解决该型渣浆泵寿命问题的最佳途径是提高渣浆泵失效 区域材料 的抗磨性能。 中南大学硕士论文 第 四章 、提高中间泵抗磨蚀能力 的途径 提 高 中 间 泵 抗 磨 蚀 能 力 的 途 径 ，可 以 从 材 料 和 泵 的 结 构 两 万面入手 ，以最 大限度的提 高泵 的抗 磨蚀能力。根据前述 分 析结果，提 高平果铝 中间泵寿 命的关键 是在提 高材料抗磨能 力， 同时适 当 的改 进 泵 的结 构 以减 轻 磨 损 。因 此 可 以从 泵 的 材 料 、结 构 以及 运 行 条 件 等 多 方面 进 行 分析 研 究 ，但 都 必 须 结 合 生 产 的 实 际 ， 从 中选 择 切 合 实 际 的方 一 法 。 可 供 选 择 的方 案 要提 高泵 抗 蚀 能 力有 许 多方 案 ，可 采 用 的 方 一 案有 ( 1 ) 提 高泵 材 料 的抗 磨蚀 能 力; ( 2 ) 改变泵叶轮密封区的结构形式; ( 3 ) 采 用 监控手 段控 制破坏 的产 生 。 提高材 料 抗 磨蚀 性能 的途径 对 于渣 浆 泵 而 言 ，通 常 的 失效 是 由矿 浆 磨 蚀 造 成 的 ，磨 蚀 : ，且，神 包括 冲蚀 、汽 蚀 等 形式 ，一 般 设 计 时 考 虑材料 的抗 磨 性 较 多， 而对 抗 汽蚀 能 力的 考 虑较 少 。在 平 果 铝 工 况 下 ，渣 浆 泵 的破 坏 是 冲 蚀 与汽 蚀一 冲 蚀 共 同作 用 ，在 考 虑提 高抗 磨 能 力寸也 必 须 考虑 材 料 的抗 汽 蚀 能 力 ，从 而进 一 步提 高材 料 的综 合抗 磨 性 能 。 2 . 1 材料抗汽蚀的研究概况 由 于汽蚀 破 坏 的 复 杂性 ， 目前 人们 只知道 汽 蚀 破坏 速 率 与 材 料 性 能 有 密 切关 系 ，但 至 今还 说 不 清 楚 哪 些 常 规 的 材 料 性 能 或 几种 性 能 的综 合可 以用来 表 示 的抗 汽 蚀 能 力 ，所 取 得 的 各种 结 论 都 是经 验 性 的 ， 因此 只有 直 接 在水 力 机械 运 行 的 条 件 下进 行 试 验 来 确 定 材 料抗 汽 蚀 的稳 定 性 ，但 由十 需较 长 的 时间，对生产影响也大、成本高，所 以在运转 条件 下确定材 ， 2 5， 中w大学硕士论文 料汽蚀在实际中并未得到推广 ，尽管如此经过多年 的努 力 人们还 是 总结 出 了一些 东 西 。 2 . 1 . 1 材料机械性能与抗汽蚀能力的关系 通 过 试验 已经 确 定 ，金 属 的抗 汽蚀 能 力随 它 的硬 度 、强 度 极限和屈服极限等参数的增大而提高 1 1 1 i i 1 ，与此同时晶粒 度 ，应 变 硬 化 能 力 ，表 面 处 理 ，材 料 中杂 质 含 量 ，合 金偏 析 等对抗蚀能力都有较 大的影响 ，这些 因素有时甚至 比材料的 初始 硬 度 影 响 更 大 。但 总 的来 讲 ，材 料 的硬 度 增 大 时 抗 汽 蚀 能力也有增加趋势 ，事实上 ，只有相 同的合金或非常相似 的 合 金其 硬 度 值 才 可 能 作 为抗 汽 蚀 能 力 的标 志 。 不 同类 型 的合 金 ，虽 然 可 能 具 有 相 同 的硬 度 ，其抗 汽 蚀 能 力 可 能 也 有 很 大 的差别 ，实验表 明冷加工或喷丸可 以提高表面硬度 ，它们对 材 料表 面造 成 的 影 响 与汽 蚀 孕育 期 的情 况 相 似 ，因此 这 类 硬 度对提高抗汽蚀能力作用不大 ，热处理增加材料韧性及硬度 通常可 以改善抗汽蚀 能力 ，加工硬化 能力较强 的延性金属 比 硬度相 同的脆性金属更耐冲蚀 ，但 由于至今未能建立汽蚀破 坏 的物理模型 ，因此仍无法定量地说 明硬度 与抗汽蚀 能力的 关 系，从 目前渣浆泵所用 的材料看硬度值都很 己很高，但 由 于都选用 的是高碳合金 ，韧性值都不够理想 ，因此要提 高它 们 的抗 汽 蚀 能 力 ，可 从 提 高 硬 度 和 改 善 韧 性两 方 面 着 手 。 2 2材料抗 磨 蚀研 究概 况 2 . 2 . 1 材料抗磨蚀性能与其机械性能的关系 ( 1 ) 材料硬度对抗磨蚀的影响川 在材料耐冲蚀性能与其它性能的关系中， 材料硬度与磨料 硬 度 的 比值 影 响 冲 击 能 量 的 分 配 。 当 磨 料 较 硬 时 大 部 分冲 击 能 量将 由材 料 表 面 吸 收 。 当磨料 相 对 很 软 时 ，磨料 将 优 先 破 碎或变形，吸收掉大部分冲击能量 ，从而使磨损量大大降低， 研 究表 明 ，磨料 硬 度 的 降低对 降低材 料 磨 损 是 有 益 或 至 少 是 一一一一一 一-，. 中南大学硕十 论文 无害 的 ，但 材 料 硬 度 的提 高 既 可 能提 高 也 可 能 降低 磨 损 量 ， 对于韧性材料 ，随硬度提 高抗磨性随之升高。 ( 2 ) 材料脆性对抗磨蚀的影响1 1 4 1 在流体动 力学磨粒磨损中，有些硬度极 高的材料 ，在冲击 磨损下反而并不耐磨 ，材料硬度提 高 ，固然可 以减轻和阻止 磨粒 的微 切 削 作 用 。但 其 脆 性 增 高时 ，在 一 定 的磨损 能 量水 平下 ，可 能 使 其变 形 疲 劳 磨损 量增 加 ，脆 性 较 大 的材 料 在 变 形磨损 过 程 中 ， 易 于产 生冲 击 裂 纹 ，进 而碎 落 成 相对 体积 较 大的材料碎块 ，一般对脆性材料 ，其硬度较 高时，抗磨性可 能高一些 ，但 与相 同硬度的典型韧性材料相 比，其抗磨性较 低。如果材料有较大韧性或相应较 小的脆性 ，将有利于抵抗 变形磨损 。 但 是材料冲击韧性 ak 值与材料抗磨性之 间并无任 何明确的相应关 系，其反映材料抗变形磨损的能力。 对 于 材 料 脆 性 与 磨 损 的 关 系 中 ，有 一 个 重 要 的 因 素 一 冲 击 能量，即使材料有很大脆性 (ak 值很低 ) ，如果垂直冲击颗 粒 的 动 能 不 够 大 时 ， 并 不 引起 变 形 磨 损 ， 随 冲 击 能 量 提 高 ， 脆 性材 料 即 使 有 高硬 度 ，其 磨 损 量 也 将 很快 增 大 ，抗 磨 性迅 速 下 降 ，因 此 材 料 特 性 与磨 损 关 系在 很 大程 度 上取 决于 沙粒 冲 击 磨 损 的 能 量 水 平 。 2 . 2 . 2材料金相组织对其抗磨蚀的影响 ( 1 ) 基体组织的影响 目前 渣 浆 泵 用 抗 磨 合 金材 料 的 基 体 组 织 通 常 是 马 氏体 组 织 。马 氏体 是 除渗 碳 体化 合 物 外硬 度 最 高 的金 属 晶体 组 织 ， 一般在淬火中，由奥 氏体低温转变而得到，在低温下奥 氏体 晶格 中 的碳 原 子 难 于扩 散 ，形 成碳 在 a - f e 中 的过 饱 和 固溶 体 ， 同时 造 成 晶格 扭 曲， 因此 马 氏体 有 很 高硬 度 ，这 就 决 定 了它 在 小冲 击 能 量 下 耐沙 粒 磨 损 性 能 很 好 ，在 大冲 角 ( 6 0 0 - - 9 0 1 )其 抗 磨 性 很 差 ，马 氏体 的硬 度 和 脆 性 与. 奥 氏体 组 织 原溶 碳 量 有 关 。 ( 2 )多相组织的抗磨特性 中南大学硕士论文 渣 浆 泵 材 料 通 常 为 多相 结构 金 属 ， 其 组 织 的 不均 匀 程 度 愈 大 ，随着 某 一 组 份 的硬 度和 抗 磨 性 愈低 ，多相 组 织 金 属 的抗 磨性愈差 。多相组织 的抗磨性 与各组份的抗磨性及其含量有 关 ，但不能完全遵循抗磨性 的加合法则， 且当组织不均匀性 较 大 时 ，高 硬 度 组 份 常 整 个颗 粒 脱落 ，而 不 能 发 挥 其抗 磨 作 用 ，降低 了其 抗 磨性 。 另外 多相 组 织 金 属 结 构 中 坚硬 组 份 之 间的距 离 与其 硬 度 成 反 比关 系 。 ( 3 )晶粒度 对抗 磨性 影 响 ， _ _6 t it s 一 “ 十 7d 式中:a和 b为取 于材料性质的常数 d为平 均 粒 度 从上式硬度 与粒度 的关系式 中，我们可 以看 出，晶粒越细 ， 特别是坚硬合金碳化物 的弥散程度愈好 ，则合 金组织愈可承 受均匀 的磨 损 ，其 抗 磨损性 愈好 。 2 . 3抗磨蚀材料的类型选择 2 . 3 . 1抗磨蚀材料组织性能要求 根据 平 果 铝 工况 的特 点 ， 在 平果 铝 原料 车 间工 况 下 使 用 的 材 料 首先 必 须 具 备 更 高的抗 冲 蚀 性 能 ，因此 ，对 材 料 的组 织 性 能 有 下 列 要 求 。 (1) (2) (3) (4) 较 高 的材 料 硬 度和韧 性 较高的碳化物硬度 较 高 的 碳 化 物 与基 体 的 结 合 强 度 较 高 的 晶粒度 和第 二相 的弥 散程 度 232现用材料抗磨性能分析 从表 3 -2中可以看出 目前使用的材料均为高铬铸铁，该 中南大学硕士论文 材料 具有 碳 化 物 硬 度 高 ，碳 化 物 分布 均 匀 、弥 散 、呈孤 立 状 ， 基体的硬度较 高等特 点，因此 ，选用这种材料是 比较合适 的， 这 在 其 他 工 况 的 使用 情 况 也 证 明 了其 优 良的抗 磨 特 性 ，但 由 于目前所用的高铬铸铁均为低碳型高铬铸铁 ，因此，碳化物 数 量 少 ，基 体 面 积 相 对 较 大 ，使 基 体 易于 被 冲 蚀 。失 去基 体 支撑的碳化物则易于剥落 ，从而导致在原料车间恶劣的工况 下使用 不 太 理 想 ，但 通 过进 一 步 改进 ，是 可 以 大幅 度 提 高其 性 能 的 。 2 . 33高铬铸铁的性能特点 高 铬 铸 铁 是 继 普 通 白 口铸 铁 、镍 硬 铸 铁 之 后 发 展 起 来 的 第 三代 白 口铸 铁 ，发达 国 家在 6 0年 代 ，我 国在 8 0年 代 初为 满 足生 产 的 需要 并 在 感 应 炉 的应 用 逐 渐 普 及 的 前提 下 ， 高铬 铸 铁 方进 入 了较 广 泛 的 实用 阶段 。 由 于 其 金属 组 织 的特 点 使 得 高铬 铸 铁 比 普 通 铸 铁 具有 高 得 多的 韧 性 高 温 强 度 、 耐 热 性 和 耐磨性等，被誉为当代最优 良的抗磨 料磨损材料.并得到广 泛 的应 用 ，它 的 磨 损 率 是 由碳 化 物 与基 体两 者 的磨 损 机 制共 同决定 ，碳化物硬质相起主导作用，基体组织是抗磨软相 ， 但它 对 硬 质相 的保 护 作 用 却 不可 低 估 ，尤其 在 汽 蚀 一冲 蚀 破 坏或大角度冲蚀下，基体的抗磨蚀性起到关键 的作用，如果 基体抗磨性差 ，碳化物 易失去支撑 而处 于孤立突 出状态，因 而 易 发 生 断 裂 或 脱 落 ， 从 而 造 成 材 料 表 面 剥 落 ， 因 此 对 于 高 铬铸 铁 ，其 耐 磨 性 主 要受 基 体组 织 、 碳 化 物 类 型 、数 量 及 尺 寸等因素影响。 2 . 3 . 4提 高材 料抗 磨 性 能 的途 径 c 1 ) 提 高碳 化物 硬 度 ( 2 ) 提 高碳 化物 体积 分数 ( 3 ) 提高基体硬度和韧性 中南大学硕士论文 3 .泵结构的改进方案 通过改变泵的结构，以减少叶轮密封间隙处的磨损， 延长 泵的寿命 ，根据现场 的条件 ，通常可采用: ( 1 )改变泵 密封 的形式如减 少密 封 面积 或采 用 “ 迷 宫”形式等，如图4 -1 a ; ( 2 )改变泵 壳入 口处前护板 的形式或增 加 入 口处 的 厚度 ，如图 4 -l b o 图 4 - 1 对于 a结构，通过凸台或迷宫减少叶轮密封间隙中液体 的流速 以减轻泵的磨损 但 由于 密 封 面 积 减 少 ， 并且减少 了对前护板 的破坏面积 ， 为提 高密封面的寿命 ，必须采用特制 的密封环，同时叶轮 上也必须增加密封环与之相配或改变叶 轮的形式 ，为保证其与叶轮的配合必须提高安装 的要求 ，因 此增加 了现 场安装的难度，同时，一旦密封面被磨损破坏将 失去密封作用 ，导致泵的容积损 失增大 ，降低泵的效率 ，因 此 选 用 此 方 案 只 能通 过 增 强 密封 面 材料 的抗 磨 蚀 能 力 ，延长 密封面 的寿 命 ，才 能 保 证 泵 的长 期稳 定运 行 ， 从 目前 所用 的 材料来看，要通过保证密封面抗磨来保证其长寿命是比较 困 难 的 ，现 场 试 用 证 明 ，其效 果 也 不 理想 。 对于 b 结构 ，即保持原泵壳的形式不变 ，保证泵 的性能 一 3 0- 中南大学硕士论文 不变，将常磨损的泵壳前护板部位与泵壳分离 ，在泵运行一 个寿命 周 期 后 ，只 需 更换 磨 损 部 分 又可 使 用 一 个新 的 周 期 ， 或前护板采用 比其它部位更抗磨蚀的材料，使泵各部 分实现 等 寿 命 设计 ， 以最 大 限度 节 约 生产 成 本 ，同 时 也 可 实现 大 幅 度提高泵的寿命 ，因此选用此结构设计较为合适 。 4 . 电子监测系统控制破坏的可行性分析 目前 ，对于泵装 置发生汽蚀 的情 况 ，国外采用在泵上 安 装传感器检测泵的汽蚀发生 的情况，既通过在泵上安装声音 或振动传感器监测汽蚀的发生。间隙磨损的特点是汽蚀一冲 蚀联合磨损 ，当受到汽蚀冲 击时必然会产生振动和噪音，因 此也可 以通过在泵上安装声音或振动传感器来监测汽蚀的发 生 ，当传 感 器探 测 到 振 动 和 噪音 信 号 后 ，经 放 大器传 至变 频 器，通过改变泵的转速，从而降低流量降低泵的 n s p h r ，进 而消 除 泵 的汽 蚀 。但 对 于 间 隙 磨 损 ，这 套装 置 是 无效 的 ，因 为间隙磨损是跟渣浆泵本身的结构有关 ，而与泵装置无关， 因此这种磨损形式对于该泵来说是其固有的，所 以速度无论 怎么改变 ，间隙磨损它都会发生 ，且间隙磨损 中的汽蚀信号 特征不是很 明显 ，不 易被传 感器捕捉到 。因此 ，不宜采用这 套 系统 。 5 . 小 结 通过 上述分析 ，我们 得 出结 论 ，提 高中间泵抗磨蚀 能力 的途 径 是 : ( 1 )提高泵材料的抗磨蚀能力; ( 2 )改变 泵 叶轮 密封 区 的结 构 形 式 ; 中南大学硕士论文 第五章 中间泵抗磨材料的设计及性能检测 前面各章 已分析 了渣浆泵 失效 的原因 ，破坏 的形式 ，并对 影 响材料抗磨性 的各种因素进行 了研究分析 ， 得出在平果铝中间泵 工况下，对抗磨材料的性能要求，从满足生产要求以及性能价格 比等方面考虑，对渣浆泵材料进行设计。 1 .材料 的金相组织设计 1 .1 碳化物设计 】1 碳化物类型选择 高铬铸铁的力学性能与耐磨性能在很大程度上取决于碳化物 的结构、性能、形态与分布状况，高铬铸铁的含碳量一般为 2 % -4 %，含铬量为 1 2 %-2 5 % 凝固组织中可能出现的初生碳化物 和共晶碳化物有 m7 c 3 . m2 3 c 6 和 m3 c三种类型，这三种碳化物 的性质见表 5 -1 . 表 5 一 1 碳化物形式晶体体系晶 格 常 数 密度最 大 铬 含量 硬度 hv ( f e , c r ) 3 c斜方 晶格 a=4. 5 2 b=5 . 09 c=6 . 7 4 7. 6 71 8 %8 4 0 一 1 1 0 0 ( f e , c r ) 7 c 3 六方 晶格 a=6. 8 8 b=4. 5 4 6. 9 25 0 %1 2 0 0 一 1 8 0 0 斜方 晶格 a= 4. 5 4 b=6 . 8 8 c=1 1 . 9 4 ( f e , c r ) 2 3 c 6面心 立 方 体格 a=1 0. 6 46 . 9 735 %1 000一 1 1 00 中南大学硕士论文 从表中可知 m, c 3 型碳化物具有最高的硬度，其耐磨性也最好， 邵荷生在研究硬基体中碳化物的作用时得到如下结论:当碳化物 的硬度与基体硬度相差不多时( 如马氏体基体的m3 c型碳化物) ， 这时碳化物就象缺 口一样，对耐磨性非但无益反而有害，因此， 用碳化物改善抗磨蚀性时只有碳化物硬度 比基体硬度高得多时 才有效。渣浆泵的材料中碳化物如果全部为 m7 c 3 型，其抗磨性 将最佳 ，因此 ，碳化物相 的类型确定为 m7 c 3 型 。 11 . 2碳化物 的数量的确定 g a h r 等人用实验测出碳化物含量与磨损的关系1 1 7 1 . 当用石英 沙做磨料 ，碳化物 含量在大约 3 0 %-4 0 %的范围内磨损最低 ;而 用 a 1 2 0 3 做磨料时， 碳化物含量在大约 4 0 %-5 0 %的范围内磨损 最低。国内也有试验得出随碳化物的增加，磨损量单方向降低 “ 。但是碳化物的形成需要一定的碳量作保证当铬碳比在 3 -1 0的范围内时，( f e , c r ) 7 c 3 碳化物的数量可采用 f . ma r d e a g 的关系式近似地计算关系式如下f z l l k = 1 2 . 3 3 ( c ) + 0 . 5 5 ( c r ) 一 1 5 . 2 ( 5 一 1 ) 根据式 5 - 1 ，可得到三家生产厂的材料的碳化物 的体积分数: kd + + -=1 4 . 41 9 k 。 、 “1 5 . 9 2 k 一 ， * =) 3 9 从表 3 - 1 和表 3 -2中得 知，目前现场使用的材料 的铬碳 比均 大 于 3 . 5 ，因此碳化物也是以 m-7 c ，型为主，但碳化物的数量都在 1 5 %左右。根据 ga h r 等人的实验数据，考虑到矿渣的 a 1 2 0 3 的含 量较高，本文将碳化物的数量定为 4 0 3 6 -5 0 %范围内。 中南大学硕士论文 1 . 1 . 3 碳化物的形态与分布 碳化物的形态与分布，对抗磨蚀性有显著的影响，在高铬铸 铁中，共晶碳化物越细耐磨性越高，影响耐磨性的碳化物临界尺 寸大约为 s u m，如果大于此临界尺寸碳化物粗大易产生应力集 中，导致碳化物发生裂缝、断裂，并发生剥落出现表面磨损，另 外在碳化物数量一定时，粗大的碳化物会增加碳化物之间的间 距，从而削弱碳化物作为抗磨硬质点对基体的保护作用，也削弱 了基体对碳化物的支撑，反之，细小弥散的碳化物使外力分散， 并转移到周围的金属基体中去 ，增强 了与基体之 间的相 互保护 ， 从而既可以防止断裂与剥落，又可延缓基体的磨损，所以能提高 耐磨性，但碳化物 的形状有近似球形的 ，网链状 的，长条状 的， 其中以球形抗磨性最好，长条状的碳化物容易引起应力集中，网 链状的碳化物会割裂材料基体的连续性，降低材料的韧性，因此 要避免出现 网链状和长条状 。 1 . 2基体设计 高铬铸铁的基体组织按相的硬度由大到小排列次序为:马氏 体、贝氏体、奥氏体、珠光体、材料基体越软则材料的耐磨性越 低 ， 靠基 体支撑 的碳化物就越容易被撕下来 ， 其抗 磨蚀性就越差 ， 只有有较硬的基体，材料的抗磨蚀能力才高，高铬铸铁各基体的 显微硬度分别是: 珠光体为 3 0 0 -4 0 0 h v， 奥氏体为 3 0 0 -6 0 0 h v, 马氏体为 5 0 0 -1 0 0 0 h v。 在基体中含有 1 0 %的珠光体时， 对耐磨 性就非 常有 害 ，高铬铸铁 中的奥 氏体在 高应力状 态 下冷 作硬化 强，因此其抗磨性也比较高，但与马氏体相比较有很大差距，在 各种基体组织 中 ，马 氏体基体组织具有最 高的屈服强度 ，所 以以 基体全部为马氏体时，不仅硬度最高，而且韧性也可达到较好的 状态 ， 因此其抗磨蚀能力较 高。 所 以， 材 料基体选择 马 氏体组织 。 1 3小结 通过上述分析，在平果铝工况下，使用的材料其组织要求有 很高的硬度和韧性，从而才能有很高的抗磨损能力，因此以马氏 体基体与较高含量 ( 4 5 %左右)的细粒状均匀分布的 ( c r , f e ) 中 南 大 学 硕 士