矿渣磨耐磨材料论文.doc

“郑研所杯”水泥耐磨技术有奖征文矿渣微粉管磨机用耐磨材料的选择 邹伟斌 中国建材工业经济研究会水泥专业委员会（100831） 周晓宏 安徽宁国凤形耐磨材料有限公司（242300） 邹 捷 武 汉 理 工 大 学（430071）摘要：本文分析探讨了矿渣微粉开流管磨机各仓衬板及其它部位抗磨件与研磨体的磨损机理，推荐了可选择应用且机械性能优良的高硬度合金耐磨材料品种，这些耐磨材料在使用中具有良好的表面光洁度，可使矿渣磨长期保持较高而稳定的系统产、质量与较低的磨耗、电耗成本，经济效益显著。 关键词: 高硬度材料 机械性能 表面光洁度 选择1.前言随着我国循环经济的发展与节能减排的深入推进，工业废渣高活性微粉的制备与应用研究已成为水泥界和混凝土界的热点课题。众所周知，粒化高炉矿渣系冶金行业高炉冶炼生铁加入石灰石或白云石作熔剂时排出的工业废渣，每生产1t生铁，大约排出0.3-1.0t粒化高炉矿渣。其矿物成分为CaOSiO2Al2O3三元相图中处于C2AS、CAS2、CS、C2S结晶区,其活性取决于化学成分和矿物组成及玻璃体含量。化学成分一般为CaO3446%、SiO2 2240%、Al2O3 515%、MgO 213%，尚含有MnO、FeO、S及TiO2等。矿渣出炉时经打水急冷（水淬），急冷速度越快,玻璃体含量越高,矿渣活性越好。矿渣的微晶态玻璃体结构，具有较高的潜在物理化学活性，在富含硫、碱成份的水化环境中可激发出优良的水硬活性。与通用水泥熟料成份相比，可将矿渣看作是一种经过高温煅烧的低钙、高硅熟料，具有良好的后期强度持续增长能力。经过机械力活化（单独磨细）的粒化高炉矿渣微粉，一般比表面积430 或450m2/kg，粒径大都在15um以下，比水泥颗粒小。比表面积1500 m2/kg、粒径2um矿渣微粉水化时可起到类似硅灰的作用,引入水泥及混凝土制备过程，可以获得良好的颗粒间最紧密堆积，凸显其“微集料效应”与“形貌效应”,提高试体密实程度与抗压强度和抗渗透、抗冻、抗碳化及抗腐蚀能力；可降低水化体系中的碱含量，有效抑制碱骨料反应，提高混凝土的耐久性；等量取代水泥配制混凝土，在降低单方混凝土制造成本的同时,可显著降低混凝土内部水化热，减少工程裂纹的产生；矿渣中的玻璃体含量高，能够有效抵抗硫酸盐及氯盐等有害离子对钢筋的侵蚀，用于制备海洋混凝土，耐久性能良好。矿渣微粉还用于大坝浇筑、大体积水下混凝土工程、长江标准堤防混凝土工程、道路、机场跑道等重要工程,在水下或潮湿环境中持续水化,长期强度发挥良好。采用熟料、矿渣分别粉磨工艺,可灵活制备具有低热、低碱、微膨胀特性的高强水泥。【1】制备矿渣微粉的粉磨工艺主要有以下几种：1.采用管磨机；2.辊压机+VSK选粉机+高效选粉机；3.立磨；4.筒辊磨。除管磨机外,后三种设备实现了高效率的料床粉磨，粉磨电耗45Kwh/t,甚至17Kwh/t,甚至wi24Kwh/t；以邦德功指数数据分类判断矿渣的易磨性属于坚硬的难磨物料,其粉磨特性是易碎难磨（易磨性极差）,据天津院测定矿渣的粉磨功指数比熟料高34, 保利休斯公司试验矿渣易磨性比熟料高出31。【3】笔者在实际生产工作中还发现：在碱性矿渣碱性系数MOCaOMgOSiO2 Al2O31.0、中性矿渣MO1.0、酸性矿渣MO1.0三个矿渣品种中,碱性渣的易磨性最好、中性渣居中、酸性渣的易磨性最差；随着CaOSiO2比值的减小矿渣易磨性变差,且SiO2含量越高,易磨性越差；急冷的矿渣易磨性好,慢冷的矿渣易磨性差。管磨机内部为四周不限的开放性粉磨空间,仅能依靠研磨体“集群研磨效应”,仍不能像立磨、辊压机那样实现料床粉磨。磨头衬板（端衬板、盲板）位于磨机一仓（粗磨仓）进料端，因入磨矿渣的粒度较小，尚需充分考虑一仓的粗研磨功能，一仓内所用钢球直径不大，一般最大球径70mm或小于70mm，平均球径大多数45mm，球的冲击负荷较小，且以粗研磨为主，故磨头衬板受到球的挤压并以1/32/3外圆周部位承受磨球及物料相对滑动研磨时形成切削，其磨损机理为切削磨损。2.2 一仓（粗磨仓）衬板 矿渣磨机一仓（粗磨仓）所用衬板与水泥磨一仓基本相同，其工作表面形状多数选用对研磨体提升能力较好的曲面阶梯衬板，该衬板提升研磨体的运动轨迹为阿基米德对数螺线，对于同层研磨体的提升高度相同。由于入磨矿渣的粒度均较小，对应的一仓所配球径一般多采用70mm20mm之间的五级或六级级配，因级配中球径较小，单位重量条件下球的个数多,对矿渣的粗磨能力良好。磨机运行过程中，一仓阶梯衬板的磨损机理是由于受到研磨体集群的小能量高频率冲击，随着时间的推移加剧疲劳磨损凿削磨损而淘汰。实际运行中观察发现一仓衬板有类似的磨损规律：在相同衬板材质同种被磨物料、相同磨损时间条件下,双螺栓联接的(双孔)大块阶梯衬板磨损程度均大于单螺栓联接的（单孔）小块阶梯衬板，这可能与大块衬板的受力面积大、接受到研磨体冲击次数多所致。矿渣磨内一仓小块阶梯衬板的磨损比较均匀，进磨测量其阶梯大头厚度，一般每块小衬板之间大头厚度最大磨损量与最小磨损量差值不超过3mm;而每块双螺栓联接的(双孔)大阶梯衬板大头厚度最大磨损量与最小磨损量相差值则在35mm。充分说明：相同抗磨材质时,小块阶梯衬板的整体强度比大块衬板好，且受力面积相对较小,磨机运行中受研磨体冲击次数相对较少，故其磨损程度较小且均匀。2.3 过渡仓、细磨仓衬板矿渣管磨机的过渡仓（第二仓）及细磨仓（第三仓）多采用工作表面小波纹形状衬板，厚度在5065mm,单螺栓或双螺栓联接。其中细磨仓内设有35圈“活化环”（或称活化衬板）,主要作用是激活微形研磨体的集群能量，消除滞留区，将微锻研磨能力及粉磨功效的技术优势发挥至最大化。该“活化环”与研磨体、物料之间相对运动，其磨损机理以切削形式的磨料磨损为主。矿渣磨的过渡仓和细磨仓，除个别情况在过渡仓使用小球外,一般都采用较小规格锻（18mm以下）或微锻作研磨体，且细磨仓内使用的微锻最大直径大多在14mm以下。由于采用小规格微锻，单个锻的重量小,在单仓装载量相同条件下，微锻的个数多，锻与被磨物料间的总接触面积大,是大规格锻2.5倍以上。磨机运转过程中,磨内最外层研磨体被衬板有规率的提升,其运动轨迹以低抛落为主，同时伴有与衬板之间的切向滑动摩擦；在细磨仓内设置的几圈“活化环”,可使小规格研磨体获得更大的动能,充分显示出微锻在对微细颗粒物料粉磨作业中 独具的“集群研磨效应”,强化对矿渣的磨细能力，最终制得比表面积430m2/kg、活性指数为S95或S105级的矿渣微粉。综合上述分析认为：矿渣磨机过渡仓、细磨仓内筒体衬板的磨损机理属于低应力划伤式磨料磨损。2.4 筛分隔仓板与磨尾出料篦板筛分隔仓板与磨尾出料篦板其主要功能是：.筛析过滤被磨物料、.隔离研磨体、.磨内通风。三仓开流矿渣磨内均设置两道筛分隔仓板，每道筛分隔仓板都由安装固定支架、普通篦板篦缝58 mm、内筛分筛板（内筛分筛板分为普通扇形和螺旋线形两种结构形式,以螺旋线形筛分效果最好,筛板缝一般在1.83mm之间取值）及盲板与中心导料锥组成。筛分隔仓板充分利用内筛分筛板“小篦缝，大流通”的原理设计而成，普通篦板与内筛分筛板、盲板与中心导料锥均安装于固定支架上，采用螺栓联接形式固定。其中内筛分筛板上有足够多的筛分缝筛分缝有垂直90o和水平180o及弧线形三种形式，用于过滤筛析粗颗粒物料，未能通过筛缝的颗粒则由中心导料锥返回头仓重新粉碎，合乎粒度要求的物料才能进入下一仓研磨；中心导料装置承担通风及过料中的输送、普通篦板和盲板的组合设置则是为了防止内筛分筛板的磨损内筛分板可用厚度2.53.0 mm的不锈钢板制作,防磨效果更好。整套组合而成的筛分隔仓板安装固定在磨机筒体上，随磨机旋转时对物料进行筛分。筛分隔仓板磨损区域主要以1/32/3外圆周部分受到研磨体及物料相对滑动产生切削应力与挤压应力，其磨损机理为切削磨损。磨尾出料篦板的磨损机理与磨头衬板（端衬板、盲板）、筛分隔仓板相同。2.5 研磨体矿渣磨机除一仓采用钢球外，过渡仓和细磨仓均使用小规格钢锻或微锻。在粉磨过程中：粉磨工艺状况、磨内温度、被磨物料粉磨特性易磨性、入磨水份等、衬板材料机械性能、工作表面形状以及研磨体自身的硬度和韧性等综合因素决定了研磨体破损率及磨损值量的大小。磨球的磨损机理以切削、变形与疲劳剥落形式为主的磨料磨损。尤其在夏季，磨内温度较高100时，较大直径磨球产生变形、失圆的概率高于小球，但目前一仓内多采用直径70mm以下的磨球，一般变形、失圆较少,球的破损率也相对较低。磨机实际运行中开仓检查,也证实了不同直径磨球间的磨损规律:尽管直径大小的磨球磨损机理相同,但直径小的磨球因其填充于大球空隙之间受到“庇护”,相对而言,球径磨损值量明显小于大直径磨球。以70mm20mm六级配球为例, 20mm、30 mm小球的磨损值量要比70mm球要小的多,同时,小直径球产生变形、失圆、破损的也比较少。过渡仓和细磨仓内所用较小规格或微锻的磨损机理仍属于三体磨料磨损和疲劳磨损,以硬度低时磨损量加剧,且伴有严重的锻面粘附及衬板工作表面粘附现象。当采用高硬度耐磨合金材料制成的衬板、研磨体之间配副时,在研磨过程中两者都具有优良的耐磨性能,还能够显著提高衬板的使用寿命；硬质研磨体良好的表面光洁度,可有效避免粘附,可使整个粉磨系统始终保持较高而稳定的粉磨效率. 笔者曾在2.27.5m、2.26.5m两台闭路水泥粉磨系统磨机的细磨仓内比较过低铬合金锻与轴承钢锻(在收集的废旧轴承上拆下来的锻,仅供试验用。轴承钢锻HRC60,低铬合金锻HRC48,两种锻表面硬度相差HRC12)的表面光洁度与磨损状况:这两个系统均采取共同粉磨工艺生产矿渣水泥,矿渣掺入量35,在入磨物料综合水份1.5%2.8%之间时,细磨仓内的轴承钢锻表面丝毫不受入磨物料水份的影响,表面光洁度依然良好,未见有粘附现象；当入磨综合水份达到1.8%时,低铬锻表面则随入磨物料综合水份的增大而粘附,衬板表面亦如此。当入磨物料综合水份2.2%时,低铬锻与衬板表面均已出现严重粘附,磨机台时产量显著降低由18t/h降低至15t/h,降产幅度达16.7%；水泥成品细度则由R0.08 3.0%增大到5.2%。 除入磨物料水分因素导致研磨体及衬板表面粘附外,磨内粉磨温度过高,也是造成表面粘附的另一个重要原因。夏季时,磨机细磨仓内温度高(100),既使入磨物料水份1.8%,但因磨内温度过高,低铬锻和衬板表面却粘附严重,而高硬度的轴承钢锻表面仍然保持良好的光洁度,未曾出现粘附和大的磨损。 该试验的主要目的是证实高硬度金属耐磨材料与一般硬度金属耐磨材料在相同工况条件下的表面光洁度。试验结果证明了管磨机粉磨水泥或矿渣微粉时,引起衬板及研磨体表面粘附的三个原因:一是入磨物料水份大(综合水份2.2%)、二是磨内粉磨温度高(细磨仓100)、三是衬板及研磨体材料硬度偏低(HRC50),尤其是研磨体硬度偏低时,表面粘附、光洁度差、系统产量低、能耗成本高的现象更为突出。为避免物料水份及磨内高温引起的研磨体及衬板工作表面粘附形成缓冲垫层,导致粉磨效率下降,磨内研磨体、衬板必须选用机械性能优良的高硬度合金耐磨材料,在一定的粉磨工况条件下,研磨体与衬板的表面光洁度决定了粉磨系统的生产效率。 以某矿粉厂2.613m开流三仓矿渣磨为例,采用低铬合金研磨体,一仓用球、二仓使用小锻、三仓用微锻,每次调整补充钢球和钢锻,台时产量达到21.522t/h(比表面积为420m2/kg、S95级矿渣粉、碱性矿渣)随着时间推移,但不足20天产量又降到18t/h左右;经按矿渣粉产量与补加研磨体重量计算,吨矿渣粉研磨体磨耗达580g/t。 某钢铁公司3.213m开流三仓矿渣磨,采用中铬合金研磨体,一仓为球、二仓用小锻、三仓用微锻,台时产量2627t/h (比表面积430 m2/kg、S95级矿渣粉、酸性矿渣),通过级配量和补充量与矿渣粉产量计算,吨矿渣粉研磨体磨耗达350g/t。 另一台3.213m三仓开流矿渣磨,采用高铬合金球锻,一仓用球,二仓用小规格锻、三仓用微锻,台时产量30t/h,比表面积400 m2/kg、S95级矿渣粉、碱性矿渣,吨矿粉单仓研磨体磨耗75 g/t三仓合计球、锻磨耗约220g/t左右。矿渣微粉制备过程中,不仅是颗粒的细化过程，同时也会使矿渣的性质产生物理化学变化。由于原状矿渣的水淬程度、矿相组成(玻璃体含量多与少)、入磨水份、金属铁含量、堆积存放时间长短等因素不同,矿渣的显微硬度和易磨性(邦德功指数)也不同一般规律是：新鲜矿渣活性好、易磨性差；存放一段时间的渣因玻璃体产生脆化,微观结构中的应力得到充分释放,易磨性显著改善、但活性差、即使使用同种材质研磨体磨制微粉的系统产量不同、研磨体消耗也不同。诚然,这也与球、锻铸造及热处理工艺有关:相同材质及化学成分、不同批次生产的研磨体内在质量也不完全相同,最终导致在不同企业生产使用过程中测得的数据存在一定差异。【4】 此外,在矿渣微粉粉磨工艺中必须设置多道除铁器,消除金属铁粒对粉磨过程的影响;小颗粒金属铁进入磨内不仅会堵塞篦板和内筛分筛板缝,降低系统通风、过料能力及产量,而且会造成研磨体消耗过大、级配紊乱、产品细度跑粗等不良现象,粉磨成本明显提高,经济效益隐性流失。3.矿渣磨内抗磨材质的选择 通过上述对磨内不同部位抗磨件的磨损机理及试验生产数据分析得知:因磨内各仓所用的研磨体规格较小,虽为高频率抛落并伴随切向滑动,但都属于小能量形式,对衬板所产生的冲击力不大。由于入磨矿渣烘干后水份一般1.5%,不存在潮湿粉磨环境条件下衬板与研磨体之间产生的腐蚀性磨损,矿渣粉磨过程实质是“干料硬磨”。应用管磨机工艺制备矿渣粉时,在磨机衬板及磨内其它部位抗磨件与研磨体材质选择方面,必须选用高硬度(HRC58)、较低冲击韧性k5J/cm2的高合金耐磨材料,始终使衬板工作表面及研磨体表面保持良好的光洁度,避免粘附现象,显著降低磨耗成本的同时,使整个粉磨系统长期保持较高而稳定的粉磨效率。表1 不同材质研磨体磨耗成本分析研磨体材质低铬合金中铬合金高铬合金洛氏硬度HRC49HRC54HRC61磨耗（g/t矿粉）580350220单价（元/t）560068008800磨耗成本（元/t矿粉）3.252.381.94以上数据以部分矿粉厂调查为基础，不特指哪个耐磨材料厂家产品，只以实际磨耗为依据分析计算。 从表中技术经济数据分析得知：虽然高铬合金研磨体单价高，一次性投资较大,但其磨耗低，相对的磨耗成本也低，比低铬合金研磨体低1.31元/t矿粉、比中铬合金研磨体低0.44元/t矿粉,充分显示了高硬度研磨体的优良机械性能。以年产60万吨矿渣微粉企业为例，采用高铬合金研磨体相对于使用中铬合金、低铬合金研磨体而言，年可降低磨耗成本分别达26.4万元和78.6万元。其潜在的效益远不止上述数字，主机设备运转率及系统粉磨效率的提高与操作人员劳动强度的降低，综合效益更为显著。3.1磨内抗磨件材质的选择【5】 根据磨内各部位抗磨件的磨损机理合理选择使用耐磨材料,是提高抗磨件工作寿命、降低磨耗成本最有效的技术途径。在磨头衬板(端衬板、盲板)、隔仓板、一仓(粗磨仓)衬板、过渡及仓细磨仓衬板与磨尾出料篦板抗磨材质选取方面,笔者推荐选用以下机械性能优良高硬度合金耐磨材料:3.1.1高铬合金耐磨白口铸铁属第三代耐磨材料,有多种牌号,国家已形成相关的技术标准,如Cr15MO3、Cr15MO2Cu、Cr20MO2Cu等,以及含有V、Ti、Ni、B、Nb、Re的高铬合金白口铸铁。抗磨硬质相为高硬度的Cr7C3及Cr3C型碳化物、合金马氏体M及少量韧性极好的残余奥氏体Ar。机械性能:洛氏硬度 HRC58-64、冲击韧性k6-8J/cm2。3.1.2高钒耐磨铸铁主要抗磨硬质相为高硬度合金碳化物VC,机械性能: 洛氏硬度 HRC60-68、冲击韧性k10-20 J/cm2。3.1.3高铬铸钢牌号有ZGCr13、 ZGCr15等,机械性能: 洛氏硬度 HRC58、 冲击韧性k7 J/cm2。3.1.4高铬钒钛白口铸铁主要抗磨硬质相除Cr7C3外,尚含有高硬度合金碳化物VC、TiC及少量残余奥氏体Ar,机械性能:洛氏硬度HRC5863,冲击韧性k57 J/cm2。3.1.5硼系白口铸铁主要抗磨硬质相系金相组织中高硬度合金碳化物B4C,具有优良的抗磨特性,机械性能:洛氏硬度HRC6365,冲击韧性k35 J/cm2。3.1.6六号高抗磨铬钨合金牌号Cr15W2TiAl,具有高抗磨及耐热双重特性的高合金材料,可在800以下温度环境中连续使用。主要抗磨硬质相除Cr7C3、Cr3C高硬度合金碳化物外,尚含有WC、W2C及少量残余奥氏体Ar。机械性能:宏观硬度HRC6266,冲击韧性k58 J/cm2。3.1.7淬火轴承钢牌号GCr15, 机械性能:洛氏硬度HRC58, 冲击韧性k1015 J/cm2除以上几种机械性能优良的高硬度合金耐磨材料外,还有多种硬度较高HRC56抗磨性能良好的合金铸钢类衬板材料,可根据磨机的实际粉磨工况选择使用。表2 各种合金碳化物及其显微硬度(kg/mm2)合金碳化物Cr7C3Cr3C合金M合金ArVCW2CTiCWCMoCB4CFe3CMo2CNbC显微硬度(HV)1200-18001150-1770500-1000170-6002800300032002400225037001150-12501800-22002400 过渡仓和细磨仓衬板宏观硬度越高,抵抗低应力划伤式磨料磨损能力越好,在与高硬度研磨体配副时更能凸现出各自优良的抗磨性能及良好的表面光洁度,有利于提高粉磨系统产量与矿渣微粉质量。3.2研磨体材质的选择从技术经济角度分析:采用机械性能优良的高硬度（HRC58）高合金研磨体与高硬度衬板配副可以获得:3.2.1 较低的磨耗与电耗成本3.2.2良好的表面光洁度,不粘附3.2.3长期较高而稳定的粉磨效率(产量)3.2.4稳定的产品质量指标3.2.5操作人员较低的劳动强度3.2.6较高的主机设备运转率3.2.7显著的经济效益 为此,建议使用管磨机磨制矿渣微粉的企业,应积极选用知名品牌,具有高硬度的高合金如高铬合金研磨体与磨内抗磨件,以使整个粉磨系统始终保持良性循环状态。4.结束语4.1为充分体现高硬度衬板材料优良的抗磨性能,应将各仓衬板铸造成单螺栓(单孔)连接的小块,增大衬板的整体强度,减小衬板工作受研磨体小能量高频率冲击面积,必要时可适当增厚3-5mm阶梯衬板只需增加大头厚度,提高使用寿命。4.2磨头衬板与磨尾出料篦板、筛分隔仓板结构中的