水泥管磨机细磨仓衬板抗磨材质的选取.doc

水泥管磨机细磨仓衬板抗磨材质的选取邹伟斌 中国建材工业经济研究会水泥专业委员会 （100831）陈敬明 湖北省咸宁市建筑材料工业协会 （437100）邹 捷 武汉理工大学 （430071）摘要 ：本文探讨了采用挤压联合粉磨工艺的水泥管磨机细磨仓衬板的磨损机制及不同材质衬板在细磨仓内的使用情况；论证了影响细磨仓衬板使用寿命的系统因素；推荐了用于管磨机细磨仓衬板的抗磨材质。关键词：磨料磨损 低应力划伤式磨损 联合粉磨 抗磨新材质。前言我国水泥工业发展势头迅猛，2007年总产量约达13.6亿吨，其中新型干法水泥比例已占总量的55%。近几年，由于新技术、新材料的不断涌现，水泥粉磨工艺有了长足的发展与进步，随着粉磨设备大型化的同时，对水泥管磨机所选用的衬板材料也相应提出了更高的技术要求。本文以挤压联合粉磨工艺中后续水泥管磨机细磨仓所用衬板为例，探讨影响其使用寿命的系统因素及衬板抗磨材质的选取。挤压联合粉磨工艺是指由辊压机与打散分级机（或V型静态选粉机）和管磨机（开路或闭路）组成的高效节能型高细水泥粉磨工艺系统。在挤压联合粉磨工艺中，后续管磨机一仓的破碎功能被辊压机和打散分级设备所取代，彻底改变了过去依靠破碎设备完成磨前物料预处理，入磨物料粒度偏大、粉料少、不均匀、磨机一仓内尚需配用较大规格（80）研磨体对物料进行二次冲击破碎的局面。挤压联合粉磨工艺可确保入磨物料粒度1（R80 20-40%、比表面积170-210/kg）与不带辊压机预处理的普通粉磨流程相比，可使系统增产50-100%，电耗降低20-30%。1、水泥管磨机细磨仓衬板的磨损机制本文探讨的是带有辊压机、打散分级设备的挤压联合粉磨系统中的水泥管磨机，管磨机细磨仓是指开路粉磨流程的第二仓和第三仓，即过渡仓和细磨仓；闭路粉磨系统有设置单仓和两仓的，但以设置两仓的居多，两仓磨中的第二仓为细磨仓。从管磨机细磨仓衬板工作表面形状的分类来看，一般多采用小波纹、花纹平衬板及分级衬板。开路磨第三仓多使用14mm以下微形研磨体，即使安装小波纹衬板，尚需要设置3-5道活化环，主要作用是充分激活研磨体对物料的磨细功能。细磨仓研磨体可以用微球，也可以用微锻，但以用微锻的居多数。因所用研磨体尺寸较小，由此产生的冲击力也小，研磨功能被强化。从管磨机运行中研磨体对衬板间的作用力及衬板受力分析得知：细磨仓衬板磨损机制为低应力划伤式磨料磨损。细磨仓研磨体运动轨迹受衬板工作表面形状和磨机工作转速的影响，其抛泻高度相对一仓较低，最外层的研磨体部分产生切向滑动、摩擦、产生大量的声和热，若衬板的宏观硬度低，则不足以很好地抵抗磨料磨损，衬板会出现塑性变形现象。细磨仓衬板的磨损量与磨机工作转速有关。但磨机工作转速为一定值，一台磨机安装完毕后，其工作转速非人为不会改变，即保持良好的设计状态。不同厂家制造的同一直径、相同长度（或不同长度）的磨机工作转速设计值差别较小（一般相差0.5-1.5r/min，磨机直径越大，相差越小）。磨机工作转速快，研磨体对物料的冲击、研磨次数增加，生产效率高，但衬板磨损量大，服役时间短，转速慢则反之。此外，衬板工作表面形状和结构形式及其对研磨体的牵制和提升、抛落能力，将会显著影响磨机的生产效率。磨机运转中，衬板不断受到研磨体在其工作表面上滚动、滑动及瀑布状抛泻、研磨时产生的摩擦力和周期性交变应力。随着时间的推移，伴有衬板表层疲劳磨损和剥落，即衬板磨损量是时间的函数。当达到一定的磨损值时，衬板被磨损、减薄，并导致粉磨效率下降，最终退出服役。水泥粉磨过程中，必须严格控制入磨物料综合水份（2.0%）。当水份增大，磨机台时产量显著降低，衬板工作表面的磨损量增加。究其原因是水份溶解出被磨物料中酸性或碱性介质对衬板表层产生化学腐蚀的缘故，加剧了衬板的溶蚀性磨料磨损，导致衬板使用寿命缩短。挤压联合粉磨工艺是当前水泥工业成熟而应用广泛的先进粉磨技术，是逐步向辊磨终粉磨过渡时期的高效节电粉磨工艺。挤压联合粉磨工艺中的辊压机和打散分级设备取代了后续管磨机一仓破碎物料的功能，即管磨机一仓所承担的破碎任务由挤压和分级设备全部完成。经挤压后的入磨物料邦德功指数降低、易磨性显著提高，使管磨机能够充分发挥其独具的磨细能力。各仓使用的研磨体尺寸缩小，单个重量小，对衬板的冲击能力大大减小，衬板表面所受冲击力下降。此时，对衬板材料机械性能的要求是提高其宏观硬度，适当降低冲击韧性，使衬板能够有效抵抗研磨体机对其工作表面产生的低应力划伤式磨料磨损，从而提高衬板使用寿命。细磨仓衬板的磨损受粉磨温度的影响较大。尤其在夏季，磨内温度有时达到120以上，材料受热后体积膨胀，衬板间挤压延展，产生塑性变形的同时，工作表层有软化的趋势，磨料磨损效应加剧。细磨仓衬板的使用寿命与被磨物料的显微硬度密切相关。新型干法窑采用物料预分解技术，分解反应在窑外系统已基本完成，所烧制的熟料强度高，且内部结构致密，显微硬度高（HV480-650，平均HV550左右）。由于配料方案各异，熟料矿物组成不尽相同。其中，C3S含量高、C4AF低的熟料易磨性好，而C2S和C4AF含量高的熟料或粒度不均齐时均表现出易磨性差。此时，细磨仓衬板承受磨料磨损和塑性变形两种失效机制以及在较高粉磨温度下低应力划伤式磨损的叠加效应，相同材质的衬板使用寿命远低于生料磨机细磨仓衬板。以某厂2.26.5m生料、水泥磨机为例，工作转速均为21.4r/min，细磨仓均采用厚度55mm的普通白口铸铁（HRC50-55，K3J/cm2）小波纹衬板，生料磨使用五年后整体退役，而水泥磨只用了两年就淘汰更换，使用寿命相差2.5倍。由此可见，被磨物料的显微硬度高、易磨性差及磨内粉磨温度高，衬板的使用寿命明显缩短。不同材质的耐磨材料，用于不同规格的磨机及粉磨不同的物料，其衬板磨损量完全不同，即使用寿命不同。冶金、选矿行业的磨机衬板和研磨体的磨耗量均大于水泥行业的管磨机，相同材质的衬板的使用寿命只有水泥磨机的 。而电力行业煤磨机衬板及研磨体消耗又明显低于水泥行业管磨机。除所用衬板、研磨体材质不完全相同外，另一个关键因素就是被磨物料的显微硬度和易磨性与水泥厂物料完全不同。现阶段，挤压联合粉磨工艺配置的后续管磨机直径大都3.2m。据了解，某新型干法水泥厂采用挤压联合粉磨工艺的3.213m三仓开流高细水泥磨，工作转速17.6r/min，台时产量85t/h。细磨仓衬板和研磨体材质均为高铬合金白口铸铁，衬板工作表面形状为小波纹，研磨体为14-8mm微锻，细磨仓衬板已连续使用六年多时间，观察其工作表面形状仍较清晰、完好，预计使用寿命可达真十年以上。2、延长水泥管磨机细磨仓衬板使用寿命的技术措施按材料科学理论分析可知：硬度越高的材料越耐磨，但耐磨性能好的材料，其韧性指标则较差。当弄清了水泥管磨机细磨仓衬板的受力及磨损机制后，即可采取相应有效的抗磨技术措施，包括合理选取机械性能优良的耐磨材料以及对衬板工作表面形状和抗磨层厚度进行优化设计，可显著提高细磨仓衬板的使用寿命。现以挤压联合粉磨工艺系统中的后续管磨机为例，探讨提高细磨仓衬板使用寿命的技术途径：2.1合理选取高硬度衬板材料从某种意义上讲,在特定的磨损机制下,材料的硬度决定其抗磨损能力,硬度越高,则磨损量越小,即耐磨性能越好;而冲击韧性是决定材料抵抗冲击破损能力的重要技术指标,冲击韧性越好,破损率越低,但抗磨性能差。如前所述，挤压联合粉磨工艺后续管磨机一仓（破碎仓）的功能由辊压机和打散设备所取代，被磨物料经循环挤压、打散分级后的粒度均1mm，管磨机不再承担对物料的破碎，粉磨机制转变为以研磨功能为主，各仓级配选择时研磨体平均直径缩小，单个重量变轻，相对大直径研磨体而言，对衬板的冲击能力明显降低。衬板应选用高硬度（HRC55或HRC60）、较低冲击韧性（K3J/cm2）材料，方能满足抗磨技术要求。据资料介绍：我国江南水泥厂20世纪40年代引进的一台磨机二仓（细磨仓）衬板材质为马氏体镍硬白口铸铁（Ni-Hard国际上公认的第二代耐磨材料，宏观硬度HRC60-67），使用近50年仍未退役。1由此可见，根据管磨机各仓粉磨作业特性和被磨粉料特征及研磨材质、规格尺寸等因素综合分析，合理选用高应度抗磨衬板材料对提高衬板使用寿命是非常重要的。即按需选材。此外，挤压联合粉磨工艺中所配置的后续管磨机长度一般在12m以上，其中细磨仓长度比例大都占总有效长度的60%略多。也就是说，这个长度范围内的最大研磨体直径一般小于30mm。粉磨作业过程中，占管磨机有效长度30%左右的一仓内所用的最大研磨体直径大都50mm，对衬板产生的冲击功较小；主要功能突出于粗研磨，衬板材料的抗磨损的能力依靠高硬度提供抗磨保证，而韧性指标为其次。目前，国内大中新型干法水泥企业成品制备工序的水泥管磨机衬板和研磨体材质多数选用第三代耐磨材料一高铬合金白口铸铁，即衬板和研磨体为同一抗磨材质，以达到最佳配副的目的。(国内高铬合金白口铸铁磨球的磨耗量已达到30g/t-c的水平。粉磨作业中,与相同材质的衬板都具有良好的表面光洁度)。高铬合金白口铸铁的宏观硬度高 (HRC58-67),冲击韧性好(K37J/cm2),但用于磨机一仓时尚需在铸造过程中缩小其工作尺寸,即减小其受力面积,通常将两孔的大块衬板改为单孔的小块衬板,能够有效抵抗研磨体的小能量多冲击效应,提高衬板使用寿命。在衬板安装时,衬板背面与磨机筒体之间应充填一定的缓冲材料（如废旧的运输皮带）,再进行螺栓联接。2.2采用闭路粉磨技术开路粉磨流程始终存在部分物料过粉磨现象，磨内物料流速较闭路流程慢，且出磨成品温度较高，夏季时更甚，磨内包球、包锻时有发生。采用挤压联合粉磨工艺的后续管磨机配用高效选粉机组成闭路循环，相对开路流程而言，不但能使系统产量再提高30%50%，降低粉磨电耗38kwh/t，而且因选粉后的回料入磨产生的部分缓冲垫作用，能够显著减少衬板的磨损量。同时，经过选粉机分选后的出磨成品温度也大大降低。2.3严格控制入磨粉料水份生产实践证明，入磨粉料水分对管磨机粉磨效率的影响程度大于粒度因素。一般来说，入磨物料综合水份2.0%,粉磨设备能够保持良好的稳产、高产状态。在此基础上,入磨物料水份每增加1%,磨机台时产量降低15%30%,粉磨电耗增加10%20%;入磨物料水份大造成的后果不仅仅是管磨机系统产、质量的下降，而且还会引起衬板磨损效应显著增大，水份在衬板工作表面产生一定的化学腐蚀，导致衬板的磨损量增加，使用寿命缩短。实际生产中，必须严格控制入磨物料综合水份在2.0%以下。2.4管磨机工作转速的影响管磨机的工作转速是影响粉磨系统产、质量的重要设计指标之一。相同直径、长度（或不同长度）的管磨机工作转速快，研磨体对物料的冲击、研磨次数增加，系统产量高，产品细度好、粉磨电耗低，但同时衬板，研磨体及传动齿轮的磨损会明显加剧。国内管磨机的转速率q的设计值一般介于74%78%左右。q值增加，在系统产量提高的前提下，衬板的磨损量却显著增大。以某厂两台1.836.4m开路水泥磨机为例,细磨仓衬板同时安装使用厚度40mm的高锰钢(ZGMn13)花纹平衬板,其中一台工作转速23.9r/min,转速率q为74.6%,台时产量6.5t/h；另一台工作转速26r/min，转速率q为81%，台时产量7.8t/h,两台磨机产量相差20%。运转一年后,转速慢的磨机细磨仓衬板减薄至25mm,仍能继续使用;而转速快的磨机细磨仓衬板则减薄至13mm,必须退役更换新衬板。由此看来,管磨机工作转速加快,即有有利的一面,同时也有负面影响。3、管磨机细磨仓衬板抗磨材质的选取任何高硬度的金属耐磨材料都会被磨损，即磨损是绝对的，磨损量的大小是相对的。挤压联合粉磨工艺的技术特点是入磨物料粒度在1mm以下，开路管磨机一仓的破碎功能已由磨外的挤压、打散分级设备取代，一仓只需进行物料粗研磨，二仓、三仓以细研磨为主。各仓研磨体的平均尺寸逐仓缩小，单位重量的研磨体个数增多，总表面积增大，与物料间接触粉磨机率显著增加，籍以强化对物料的磨细能力。此时要求衬板必须具备高宏观硬度（HRC55或HRC60），兼顾冲击韧性（K3J/cm2）以抵抗研磨体对衬板的小能量多冲击和低应力划伤式磨料磨损；此外，在选择高硬度材质的同时，还可适当增加衬板厚度（如采用单波峰大波纹衬板时，可加厚波峰处3-5mm）,比增大衬板的整体强度和抗磨层厚度，从根本上提高衬板的使用寿命。笔者根据多年生产实践和磨机操作经验认为：管磨机细磨仓衬板抗磨材质应以高宏观硬度、较低冲击韧性为选材原则。同时，推荐下述衬板材料供选用时参考：3.1高铬合金白口铸铁以高铬合金白口铸铁为代表的第三代耐磨材料，具有优良的机械性能，已成为当前水泥管磨机首选的衬板和研磨体抗磨材质。高铬合金白口铸铁主要抗磨金相组织为Cr7C3和Cr3C型高硬度合金碳化物（HV300-1800和HV1150-1770）及少量马氏体M（合金氏体HV500-600）。尚含有部分冲击韧性好的残余奥氏体Ar（HV170-600）组织,衬板受到研磨体冲击时，工作表层不断被加工硬化，基体内残余奥氏体（Ar）产生Ar-M马氏体相变，进一步提高了衬板的宏观硬度,而心部仍保持优良的冲击韧性。高铬合金白口铸铁因合金元素及含碳量的不同，常用有以下几种：3.1.1 Cr15Mo2CuCr15Mo2Cu化学成份(%)C Si Mn Cr Mo Cu Re S.P2.4-3.5 0.4-0.8 0.5-0.9 12-18 1.8- 2.2 0.8-1.2 适量 0.05Cr15M02Cu洛氏硬度HRC60-65,冲击韧性K6-8J/cm2。3.1.2高铬钒钛铸铁高铬钒钛铸铁抗磨金相组织,除含有Cr7C3外,还含有V、Ti的高硬度合金碳化物（VC HV 2800、TiC HV3200）及残余奥氏体Ar。高铬钒钛铸铁化学成份（%）C Si Mn Cr P S V Ti2.2-2.3 1.3 0.4-0.6 11-15 0.1 60、冲击韧性K4J/cm2。32高钒高耐磨白口铸铁2高钒高耐磨白口铸铁化学成份（%）C Si Mn S.P Cr V2.4-3.74 0.65 0.72 0.06 0.1-0.2 9.84-10.4高钒高耐磨白口铸铁洛氏硬度HRC60-68、冲击韧性K10-20J/cm2.3.3中铬白口铸铁中铬白口铸铁含Cr量8-10%,洛氏硬度HRC55-56、冲击韧性K6-9J/cm2.3.4硼系白口铸铁3硼系白口铸铁因抗磨金相组织中含有硼元素的高硬度碳化物(B4C HV3700),具有优良的抗磨性能,洛氏硬度HRC63-65、冲击韧性K3-4J/cm2.3.5球墨铸铁类与其它抗磨铸铁相比,球墨铸铁类材料具有更优良的冲击韧性。主要抗磨金相组织为材料基体中的马氏体、贝氏体及适量的合金碳化物。其中尚含有部分残余奥氏体,故冲击韧性指标明显高于其它白口铸铁类抗磨材料,常见有以下几种:3.5.1稀土中锰球墨铸铁洛氏硬度HRC45-58、冲击韧性K10J/cm2。3.5.2新型马氏体球墨铸铁是球墨铸铁材料中硬度最高的一种,洛氏硬度HRC53-58、冲击韧性K10J/cm2.3.5.3新型奥氏体一贝氏体球墨铸铁洛氏硬度HRC50-55、冲击韧性K15J/cm2.3.6高合金锰钢高合金锰钢系第一代耐磨材料-标准奥氏体锰钢（ZGMn13）的合金化变种。现以GHJMn高抗磨合金锰钢为例，探讨其在水泥磨机中的应用。GHJMn高抗磨合金锰钢化学成份（%）C Mn Cr Ti Re W、B P、S Si1.3-1.8 15-18 1.0-1.3 0.1-0.6 少量 少量 50冲击韧性(K)180J/cm2金相组织奥氏体(Ar)+Cr7C3合金碳化物+其它合金碳化物适用范围磨料磨损及凿削和低应力划伤磨损耐磨性ZGMn13的3倍以上GHJMn高抗磨合金锰钢衬板用于华新水泥厂2.74m水泥磨机与高硬度研磨体-高铬合金白口铸铁磨球配副,与ZGMn13衬板对比发现:GHJMn衬板在一级磨(2.74m)中使用寿命为四年,二级磨(2.74m)中使用寿命达十年,仍可以继续使用。吨水泥衬板磨耗量0.014kg/t-c,测定使用后的衬板硬度达HRC55以上,而对比的ZGMn13衬板只用一年就退役了(磨耗量0.042kg/ t-c)。43.7抗磨合金钢类(不一一列举化学成份)抗磨合钢类衬板材料的显著特征是含碳量均低于白口铸铁,具有良好的冲击韧性。同时,宏观硬度高（取决于热处理工艺），HRC55，适宜于制作细磨仓或磨机一仓衬板。3.7.1中碳铬钼合金钢我国自行开发、研制的抗磨合金钢材料,制造成本低于进口衬板,合金元素含量不高,Cr/C6。可用于5m以下各类磨机的粗、细磨仓衬板及其它部位抗磨件。主要抗磨金相组织由合金碳化物、下贝氏体、回火马氏体组成。洛氏硬度HRC50-56、冲击韧性K15J/cm2 ,使用寿命是高锰钢(ZGMn13)的3-5倍.3.7.2铬锰钼(硼)多元中(低)合金钢洛氏硬度HRC55以上、冲击韧性K 10J/cm2。3.7.3淬火轴承钢(GCr15)洛氏硬度HRC58、冲击韧性K10-15J/cm2。3.7.4铬钼铌合金铸钢洛氏硬度HRC55、冲击韧性K5J/cm2。3.7.5 高碳中铬合金钢洛氏硬度HRC55、冲击韧性K10J/cm2。3.7.6 30CrMnSiMoTi洛氏硬度HRC56、冲击韧性K16J/cm2。3.7.7 ZGCr13、ZGCr15等高铬铸钢洛氏硬度HRC56、冲击韧性K7J/cm2，其中ZGCr13衬板用于冀东水泥厂4.515.11m水泥磨机二仓与日本进口CiX-2L钢衬板相比,ZGCr13磨耗量0.51g/t-c,CiX-2L磨耗量0.55g/t-c。5除上述材料外，经特殊热处理的中，低铬合金白口铸铁（HRC55、K6J/cm2）均可作为管磨机细磨仓抗磨衬板材料。4.结束语4.1从生产实践角度来看:入磨物料粒度及其显微硬度、易磨性决定研磨体尺寸设计、级配和衬板使用寿命。研磨体平均尺寸大，衬板磨损和破损机率增大，使用寿命缩短。4.2水泥制备工序中，挤压联合粉磨工艺是向辊磨终粉磨过渡时期的高效节电粉磨工艺，可确保后续管磨机的入磨粒度在1mm以下，磨机各