铬系耐磨钢段在球磨机上的运用.doc

铬系耐磨钢段在球磨机中的运用广西华锡集团股份有限公司河池实业开发分公司王志明一、 摘要球磨机是水泥、化工、冶金、矿山、火电厂和建材（玻璃、耐火材料等）用来磨细物料而普遍采用的主要设备。磨段是用来磨细矿物质的介质，磨段（磨矿介质）当筒体旋转时即被带起并升到一定高度，由于钢段本身的重力作用，最后沿一定的轨道下落。在区域内的钢球受到两种力的作用：一为旋转时自切线方向施于钢段的作用力；一为与钢球直径相对称一面而与上述作用力相反的力，这个作用力的产生是由于钢段本身自重而向下滑动所引起的。上述两种作用力，对于钢段会构成一对力偶，由于钢段是被挤压在筒体与相邻钢段的中间，所以力偶会使钢段之间存在大小不等的摩擦力，钢段随筒体轴心作公转运动时在区域内自上落下抛落，就在区域里对筒体内的矿石产生强大的冲击作用，将矿石破碎。可以说，在磨机筒体内矿石主要是受磨削力、冲击力及挤压力的作用而被磨碎的。目前，耐磨件的生产主要还是采用铸造工艺。我国铸件2009年的总产量是1900多万吨，占世界第一，其次是美国和日本。耐磨备件总的消耗量为200万吨年，占铸件总生产量9。其中，球磨机研磨过程中的磨球和衬板消耗量分别为55和11。我国耐磨铸件生产企业的起源大多是由大型企业的专业机械厂、各行业的机械修造厂和民营铸造厂转化而来的。现今，耐磨铸件企业的数量估计有8001 000个。其中年产万吨以上耐磨件的大、中型企业不到10。图1为我国耐磨铸件的类别、消耗量及所占比例。 1、磨球，110万t，55 2、衬板，22万t，11 3、破碎机锤头等，20万t，l O 4、铲齿，1 0万t，5 5、履带板等，lO万t，5 6、轧辊等，l O万t，5 7、其它，1 8万t，9 二、项目的目的和意义1、目的一是目前集团公司内部各选矿厂每年至少消耗普通钢段1520t，按当前市场价4500元/吨计算，每年消耗金额达684万元，如果研制成功低磨耗铬系耐磨钢段，通过提高钢段的心部硬度和韧性，而又不降低风段表面硬度,把它运行在球磨机中可以有效降低钢段磨耗，就可直接降低选矿成本，再加上减少停机装球时间，选厂可以多创造价值，为集团公司增加效益。二是由于河池市是有色金属之乡，矿产资源丰富，每年原矿处理量达500万吨以上，各种铬系耐磨球、段材料消耗量非常大，至少在3500吨以上，一旦我分公司研制成功低磨耗耐磨钢段，以内部市场为基础，向外部市场扩散，扩大生产规模，增加销售收入。在我分公司研制低磨耗铬系耐磨钢段项目，将具有特别重要的意义，一是河池市还没有一家低磨耗铬系耐磨钢段生产线，这将提高我公司在河池市的竞争力；二是增加我公司产销水平，每年至少增加销售收入600万元，确保我公司从亏损走向盈利；三是提高我公司产品科技含量，提高产品的质量 ，增强企业核心竞争力，在市场上处于领先地位；四是节约资源，降低消耗；五是一旦低磨耗铬系耐磨钢段在集团公司内部推广使用成功，可以辐射到整个广西有色集团，甚至东盟国家和地区。尤其是越南及马来西亚，因为，我分公司有选矿设备销到这两个国家。进一步扩大生产规模，提高产销水平，为我分公司走出困境迈出坚实的一步。三、国内外研究现状与发展趋势耐磨材料在建材、火力发电和冶金矿山等工业领域的整个能量和经济成本消耗中占有相当大的比重。在矿物、水泥和煤粉等原材料的生产过程中都会因机器设备和零件的磨损而必须更换。因此，系统研究和不断开发新的耐磨材料和抗磨技术具有很大的实际意义。从学科领域看，它涉及到机械可靠性设计、制造、失效分析、摩擦学、材料科学、系统工程和表面工程等许多分支。而且，很多实际问题常常需要根据设备的使用工况条件、零件的结构优化设计、材料性价比选择和应用等问题作为一个系统工程来综合考虑。人们对耐磨材料的系统研究已经有一百多年的历史。从高锰钢、合金钢、镍硬铸铁、各种白口铸铁及铬系白口铸铁等不同类型的耐磨材料，都经历了研究、发展以及生产工艺不断完善和再发展的提高过程。国外这些研究和应用大多是在20世纪60年代以前完成的。像球磨机磨球、衬板这样一些消耗量极大的易损件，目前已经由一些跨国公司采用较为成熟的工艺和材料进行集中批量生产，他们把较多的精力放在制造工艺和设备的完善和标准化方面，采用了比较先进和现代化的生产设备和质量控制手段，产量大，生产效率高，质量比较稳定，制造成本也大大降低。例如，比利时的马格托公司(：Magotteaux Co)目前年产35万t铬合金耐磨备件，生产总值达31 3亿欧元；再如美国的原GST钢铁公司(现由SmoogansSteel Grinding Systemstl收购)曾经年产锻钢球达60万t。这些大公司控制了国际上一些大型矿山和水泥工业备件的主要市场。我国近几十年来在耐磨材料和抗磨技术方面的研究和应用一直没有中止。特别是在20世纪70年代到90年代这段时间里，在高锰钢的强化、各种中低合金耐磨钢(包括贝氏体钢)、铬系白口铸铁、马氏体和贝氏体球铁等耐磨材料的系统研究和应用方面都取得了很大的成绩和显著的经济效益，其中有些品种已经被列入了部级或国家标准。目前，我国耐磨材料的生产已逐渐向量大、面宽和规模化发展，并已成为一个专门服务于矿山、建材和发电的原材料供应行业而独立存在。其生产工艺、设备条件以及质量控制方面也都有很大的改善，从而大大降低了易损件的消耗指标(磨耗)和成本。1930年左右出现的硬镍铸铁，硬度可达HRC5560，作为第二代耐磨材料，因为太脆，故只能制作小零件，如砂石清洗机的螺旋叶片板等，且我国镍贵，故应用甚少。比硬镍铸铁晚几年出现的高铬铸铁则被称为第三代耐磨材料，在其强韧的马氏体基体上，分布坚硬大块的一次碳化物和一定量弥散性细小二次碳化物，当铬含量超过10后，出现的碳化物呈（Fe,Cr）7C3型。其显微硬度高达HV13001800。目前主要应用于反击式的板锤和立轴式的打击板，正在逐步运用到球磨机衬板上。高铬铸铁按铬含量分为Cr15,Cr20,Cr26三种，铬含量低则价格低，含量高则韧性相对较好。中国铝业总公司河南分公司从1998年开始为分公司动力电厂12台球磨机试用高铬铸铁耐磨衬板，随后，又在氧化铝分公司几十台湿法磨机上推广使用，都取得了预期的效果。高铬铸铁的不足之处是硬脆性和价格偏高。目前新的耐磨材料的研究在不断进行之中。据了解有：高韧性马氏体铸钢、多元低合金空冷马氏体贝氏体铸钢、高强韧性奥氏体贝氏体钢等，可望成为新一代的耐磨材料，这些新材料一旦成熟并得到应用，将推动选矿设备特别是对耐磨材料依赖性较强的破碎设备的发展。由于磨损问题常常仅仅发生在零件的表面和局部，因此，只要工艺上可行，采用表面局部强化或者复合材料的方法是最为经济和有效的。这些年来，表面工程在抗磨技术方面的应用也有了很大进展。例如，表面激光处理、化学热处理、热喷涂和堆焊、真空熔敷、刷镀、化学和物理气相沉积PVD、CVD以及镶嵌、复合和自修复技术等都已经在许多领域获得成功应用。这些新型抗磨技术在工业领域中的扩大应用也意味着该行业的科学水准的提高和进一步成熟和完善。总之，耐磨材料的开发和生产技术的发展为建材、冶金、矿山等工业的技术进步提供了技术支撑。在水泥生产线上，不同种类的耐磨材料广泛应用于管磨机、篦冷机、辊压机、立磨、选粉机、风机、预热预分解系统等主机设备，以及各种贮料仓、管道、阀门、溜槽中。各种高性能耐磨材料的广泛应用是新型干法水泥生产技术、各种节能高效粉磨新技术得以大规模推广应用的一个重要物质基础。可以说，耐磨材料是水泥机械的保护神，它的性能、寿命也直接关系到水泥企业的经济效益。 但在实际生产中，有些耐磨材料制品由于寿命过短、频繁地更换、增加停机时间所造成的损失远远高于高性能耐磨材料的价值。高性能耐磨材料制品在水泥行业的成功经验推广应用应值得重视，水泥企业对耐磨材料的维护使用技能更值得总结和交流。鉴于此，当前部分选矿厂正在试用的低铬白口铸铁、高铬铸铁衬板，其硬度大大高于高锰钢。国内外对高铬铸铁的磨损机制、断裂机制、断裂韧性、裂纹扩展机理进行了一系列的研究，结果表明高铬铸铁可通过调整碳化物的大小和形态、二次碳化物数量和弥散度以及基体组织（马氏体、奥氏体、索氏体）来调整其性能，满足使用要求。四、现有工作基础和条件及优势我分公司有47年建厂历史，一直从事机械制造业，是河池市机械制造骨干企业，现有四个主体车间，一是铸造车间，二是铆焊车间，三是金工车间，四是化工车间。铸造车间有一幢标准厂房，建筑面积为3024平米，铸造主要设备有：一台500公斤中频炉，一台150公斤中频炉，2吨/小时化铁炉一座，一套生产能力2000吨年消失模生产线，两台5t冶金双梁行车，一台5t普通双梁行车，一台10t普通双梁行车，两台混砂机，四台大小不一的台车式电阻炉，120m3淬火池一个，木模机械齐全，化验设备齐全,设计生产能力为2000吨年。我分公司于2010年在建的年产000吨消失模铸件项目已成功投入生产，成功运用到碳钢、铸铁及高锰钢铸造上，铜坑矿2m3矿车的所有铸钢件都改用消失模铸件，一是提高生产效率，二是降低机加工时间，三是降低工人劳动强度，节约人力资源，已成功生产50台矿车。用消失模工艺生产了一套2100*3000球磨机筒身衬板运用到凤凰公司的磨机上，已运行20天，运转正常。经过近一年的试生产，消失模生产工艺取得了很好的经验，为今后扩大生产奠定了基础。我分公司在2011年更新改造计划申报一台1t中频炉替代化铁炉，并计划完善消失模白区生产线，主要用于生产低、中、高合金铸件代替普通铸铁件，实现批量生产，提高生产效率，节约人力资源，提高我公司产品科技含量增加附加值。同时降低能耗，取代焦碳，实现清洁生产。全分公司现有高中低各类专业技术人员92人，其中高中低工程科技人员36人，铸造技术工人20人。现生产的铸造产品有各类磨机高锰钢衬板，碳钢铸件，铸铁件，高铬耐磨泵过流件，普通钢段等产品。年综合铸件产量约400t，仅达到生产能力的1/5（钢段除外）。在河池市没有一家企业达到如此水平，由于技术上的优势和内部市场的支持，只要与云南宏尚隆科技有限公司及车河选矿厂合作，此项目一定能在短时间内获得成功。五、主要研究内容、关键技术及创新点主要内容：低磨耗铬系耐磨白口铸铁在球磨机上运用是我们研究的主要内容。含铬量在0.5-2%之间的白口铸铁就是低铬白口铸铁，在2-12%之间的白口铸铁就是中铬白口铸铁，在1228%之间就是高铬白口铸铁。其共晶组织由M7C3型合金碳化物、珠光体或者奥氏体及其转变产物所组成。M7C3型碳化物呈六角形杆状及板条状分体分布在基体中，随铬含量增加连续程度大为降低，碳化物对基体的破坏作用大大减少，因而高铬白口铸铁的韧性优于低铬白口铸铁，同时若把基体退火成为珠光体后，还可进行机械加工。这种碳化物不但硬度很高，还赋予铸铁件高的强度。若以3mm直径的高铬铸铁试样作定向凝固，以使M7C3型碳化物规则排列，其抗拉强度可高达3100MPa。铬系白口铸铁的关键技术主要是：1、铬系白口铸铁的化学成分铬和碳是高铬铸铁中两种重要的合金元素，铬和碳有助于增加碳化物数量，这将使耐磨性提高而韧性降低。碳化物含量可用下式来估算：碳化物含量（%）=12.33（%C）+0.55（%Cr）15.2其中铬增加碳化物的效果远比碳差，因此，工艺上常常用调整碳量来达到改变碳化物数量的目的。铬和碳的比值Cr/C影响铸铁中M7C3型碳化物的相对数量。铬碳比同时影响到铸铁的淬透性。2、铬系白口铸铁的铸造工艺它与其它白口铸铁类似，具有热导率低，收缩性大、塑性差、切削性能也差的特点。因此，在实际生产中，许多铬系白口铸铁件寿命短的原因并不是金相组织不符合要求，而往往是由于铸件内部存缩松、气孔和夹杂等缺陷引起的。铸造工艺特点应结合铸钢和铸铁的特点。一是补缩方面与铸钢相同，二是浇帽口按碳钢设计。三是浇注系统按铸铁设计。四是避免收缩受阻。五是注意开箱时间，要充分冷却。3、铬系白口铸铁的热处理热处理的加热温度选择，它关系到铸件的淬透性，一般要根据含Cr量和铸件壁厚来选择最佳淬火温度。保温时间的选择，应根据壁厚选择保温时间。淬火时的冷却速度及冷却介质的选择，要充分考虑连续冷却，根据工况条件的不同，适当选择冷却介质，空冷、风冷或水雾冷却。对于低铬白口铸铁，根据产品需要，为提高韧性，又不降低硬度，只需回火就行，大大降低热处理费用，为低铬系产品打开一条投放球磨机运用通道。4、铬系白口铸铁的力学性能高铬白口铸铁主要用于抵抗磨损的场合，因此，我们关心的力学指标主要有：硬度、韧性和强度，而影响这些指标的主要因素无非是碳化物类型和数量，以及基体类型。由表1可见，当铬量不变时，随含碳量的增加，硬度增加而断裂韧性降低。表1 碳对铬系白口铸铁（Cr/C）硬度和断裂韧性的影响C（%）0.81.11.42.12.83.4硬度（HV）425/630320/680350/750485/790510/825530/850断裂韧性KIC(MPam41.8/29.235.2/29.9229.8/29.927.3/26.123.9/22.817.7/17.9创新点：1、根据球磨机磨矿原理及磨矿介质运动原理以及钢段与衬板之间的硬度比确定合理的相对硬度钢段，由于普通白口钢段受冲击易断裂的特点，拟选用变种铬系白口铸铁，适当提高韧性，增强耐冲击能力，增加一些能提高铸铁淬透性的合金元素，如钼、锰、铜等，提高钢段整体硬度达到降低磨耗。2、提高磨机运转率，减少装球时间，改善工人劳动强度由于降低磨耗，提高了设备运行时间，减少工人装球次数和时间，降低了工人劳动强度，设备的运转率提高1020%，台时产能提高1218%。4、运用消失模工艺浇注产品，有利于提高产品质量，进一步节约生产成本。六、最终目标、考核指标本工艺的最终目标是提高钢段使用寿命、降低磨耗、降低选矿成本，同时扩大我分公司生产规模。考核指标是铬系白口铸铁钢段的磨耗是普通钢段的90%以下，不高于0.6kg/t，造价仅比普通钢段增加510%，无废砂产生。七、技术结论钢段的特点是既要耐磨，又要抗冲击，不能为了耐磨牺牲韧性，那样钢段寿命同样会降低，而且极有可能因为硬度太高脆性增加，导致失效。因此，我们选用的铬系钢段一是要耐磨，二是要提高抗冲击韧性。既可提高磨矿效率，又提高钢段