王定祥-球磨机衬板材质的选择及热处理工艺-for-百铸网PPT课件

.,1,球磨机衬板材质的选择及热处理工艺,王定祥青岛市机械研究所,湖北谷城2014年7月26日-7月28日,CastingChina百铸网第四届铸技术服务交流暨谷城铸造企业及铸造工艺技术培训会,.,2,王定祥简介：青岛市机械研究所教授级高级工程师。湖南长沙人。1961年毕业于华中科技大学金属材料热处理专业。科中科技大学青岛校友会名誉会长。曾任唐山水泥机械厂主任工程师。现为钢铁耐磨材料产业技术创新战略联盟专家委员会专家；担任中国金属学会耐磨材料学术委员会委员从1984年开始任职28年被聘为特邀委员；担任中国机械工程学会磨损失效及抗磨技术委员会委员在1984年开始任职24年被聘为荣誉委员。擅长耐磨材料新产品实体生产技术有：各类磨机衬板（湿法磨、干法磨、立磨）磨球；锤式破碎机双液双金属锤头、机械复合锤头、耐磨棒锤头；反击破碎机板锤；挖掘机斗齿；园锤破碎机圆锥体；耐磨耐热耐蚀件；钢铁耐磨材料热处理新设备及热处理新工艺等等。,.,3,概述衬板是球磨机筒体和进出口料端盖的保护板。球磨机是水泥建材、冶金矿山、水利电力、化工、煤炭的主要粉磨设备，简称磨机。它是一个两端带有支承装置的圆筒体，内装研磨体（又称研磨介质）和被磨的物料（如石灰石、矿石或煤等），其总装入量为筒体有效容积的25-45%。筒体绕水平的中心轴线回转，筒体内的研磨体和物料在离心力和摩擦力作用下被筒体衬板提升到一定的高度，然后脱离筒体瀑泻或抛落，物料循环地在筒体内运动受到研磨体不断地冲击、辊轧挤压和研磨作用而粉碎成为一定粒度要求的产品。物料从筒体一端的空心轴进入，而粉磨后的产品经筒体另一端空心轴排出。筒体内物料的移动是给予压力来实现。筒体能够回转是由电机带动减速机，减速机传动筒体上的大齿轮实现的。干法磨时物料排出筒体被输送出去。温法磨时，物料被水流带走。球磨机的一般构造见图1。,.,4,.,5,.,6,.,7,1、水泥球磨机衬板：水泥球磨机曾用高锰钢（奥氏体锰钢）ZG100Mn13、ZG120Mn13较多，初始硬度HRC20，在实际的使用工况条件下造成的加工硬化作用不充分，磨损后硬度化为HRC34，抗磨损性能差，使用寿命低。在使用中容易产生塑性流变，衬板与筒体园周面反翘曲，当反向翘曲力大于固紧螺钉的抗拉强度，致使螺钉被拉断，衬板离开筒体而掉下。再者，产生塑性流变后经使用后的衬板与紧固螺钉粘结在一起，拆损衬板十分困难。因此水泥球磨机不用ZG100Mn13及ZG120Mn13了，对ZG120Mn13Cr2及ZG120Mn17Cr2也很少用，几乎都是用合金钢与抗磨的铸铁材料。,.,8,1.1、ZG42Cr2Si2MnMoRE钢中合金变质耐磨铸钢ZG42Cr2Si2MnMoRE钢是唐山水泥机械厂研究成功的一大型球磨机衬板钢。中合金变质耐磨铸钢获国家发明专利，专利号为87103727，第一发明人王定祥。是国家建材局与七五重点攻关项目研究提出各种规格球磨机衬板选材的指导性为大型球磨机衬板材质的选定与推广材质。该发明专利荣获河北省发明智慧奖、该产品荣获唐山市新产品奖、河北省新产品奖和全国铸造产品金鼎奖。2010年11月在广州审查通过的“耐磨钢铸件”国家标准中ZG42Cr2Si2MnMo钢即此钢种。,.,9,1984年原建材部科技司对水泥装备的开发项目中单列了球磨机衬板专项，向中国建材机械联合公司安排后下达给唐山水泥机械厂攻关任务。并邀请日产4000t水泥的河北冀东水泥厂参加针对该厂4.5m15.11m水泥磨筒体为攻关目标。唐山水泥机械厂王定祥担任组长，由冶炼、铸造、热处理工程师贾存玉等4人，冀东水泥厂派工程技术人员李勇涛等5人，一共10人组成攻关小组，并邀请中国农业机械化化学科学研究院周平安教授级高工及北京钢铁研究总院王洪发教授级高工技术顾问参加研制工作。,.,10,ZG42Cr2Si2MnMoRE钢衬板于1985年5月16日部分装机于河北省冀东水泥厂4.515.11m球磨机第一仓与日本KX601衬板进行工业性对比试验，在第一仓中段该衬板与日本衬板各16块，拼成四方型。在实际运转2620小时对磨耗进行测定，该衬板的磨耗量为1.57克/吨水泥，而日本衬板的磨耗量为2.5克/吨水泥，。在1998年12月1日经磨损失效换下，使用十三年，实际运转96360小时（十一年），在运转期间无断裂。,.,11,在1986年12月26日通过的部级鉴定结论为该衬板主要技术指标达到和超过日本同类产品技术水平，价格远低于日本同类产品。衬板的选材和生产工艺符合国内条件；其技术性能适应4米以上水泥磨第一仓工况要求，填补了国内空白，国内领先，为进口的大型水泥磨机衬板立足国内迈出一大步，并为国内大型球磨机衬板材质改进提供了方向。经过二十多年对大型球磨机衬板在全国推广应用证明，该材质耐磨性能优异，生产成本低廉、制造成熟，使用性能可靠，经济效益和社会效益显著。在大型水泥球磨机衬板百分之八十用此材料。系我国第一个球磨机衬板材料发明专利。,.,12,.,13,.,14,.,15,.,16,.,17,.,18,.,19,.,20,.,21,.,22,.,23,比重是指20时淬火油与4时的水在相同体积下重量之比。水的重度为1T/m3，故油的比重在数值上是和重度相等的。粘度是流体相对运动时所引起的内摩擦力，它表示油在淬火过程中的流动性。在此用运动粘度表示，运动粘度小，则流动性好。单位用厘沲。（粘度有三种：动力粘度、运动粘度与恩氏粘度）闪点：在常压下油蒸汽与空气的混合物在靠近火焰闪出火花并立即熄灭的最低温度称为闪点。闪点表征油的易燃程度而不是燃点，以判断发生火焰的可能性和确定防火等级。,.,24,凝固点油在丧失流动状态时的温度叫做凝固点。淬火油不能在凝固点以下使用，在热处理车间温度应在油的凝固点以上。机械杂质、灰分、水分这些大部分是在运输过程中带入的。机械杂质应采用过滤器过滤掉。水分应尽可能少，它能造成的淬火过程硬度不均，水分控制在2%以下。燃点在一个大气压下，油蒸气与空气的混合物遇到火焰着火并继续燃烧的最低温度叫燃点。自燃点不用引火而油自行着火的最低温度叫自燃点。一般油的自燃点均在200以上。,.,25,.,26,5）、马氏体控温淬火法铸件在淬火介质中如油、水以及有机淬火介质中淬火冷却时，一般由奥氏体在马氏体开始转变点MS转变为马氏体时，由于冷却速度较快，奥氏体马转变为马氏体时的组织应力很大，晶格发生畸变以及位错密度增加太快导致转变应力大于晶格间结合力而发生断裂。因此要对在这些淬火介质对奥氏体转变为马氏体的速度进行人工干预，控制马氏体转变速度，防止开裂，即在该钢种在马氏体转变点附近从淬火介质中人工移出到空气中冷却，以达到淬火提高力学性能的目标而又不开列的效果。在油中淬火需要采用马氏体控温淬火法。,.,27,.,28,.,29,淬火介质：地下水或自来水，要求清净。淬火池容纳水量为淬火装炉量加吊具总量的10倍至18倍。而且要求水能循环冷却。淬火水池水温淬火时不超过50。淬火方式：仍不能用翻车式台车电阻炉将衬板翻入水中，仍要用吊盘式淬火或吊捆式淬火。1.4、耐磨钢ZG50Cr5Mo、ZG60Cr5Mo及抗磨白口铸铁部分牌号耐磨钢ZG50Cr5Mo、ZG60Cr5Mo及抗磨白口铸铁部分牌号在水泥磨机中按球磨机直径大小、衬板形状结构以及工况条件选用制做衬板。耐磨钢ZG50Cr5Mo、ZG60Cr5Mo的化学成分及化学性能见表9。抗磨白口铸铁件部分化学成分及表面硬度见表10。铬锰钨系抗磨铸铁牌号及化学成分见表11。,.,30,.,31,.,32,.,33,热处理设备：淬火加热设备为罩式台车电阻炉、台车电阻炉、煤气台车炉。回火设备为回火台车电阻炉或大型井式回火电阻炉。淬火介质：该类牌号铸件可以淬油也可以采用其它水溶性淬火介质，采用MS点控温淬火法。在不采用淬油或不用其它水溶性淬火介质时，简明、快捷、实用的就是用吹风喷雾冷却床装置。采用吹风喷雾冷却床装置在冬天冷却床处温度0，则对抗磨白口铸铁件及铬锰钨系抗磨铸铁件在冷却床上空冷，在0以上至17则采用吹风而不喷雾，在18-42之间采用喷雾，随着气温的增加喷雾量加大甚至如象下小雨，在淬火温度喷雾至300-450停水不停风，吹风至200停风空冷。吹风喷雾冷却时间大约20-40分钟，吹风喷雾装置及过程见图16、图17、图18、图19、图20、图21及图22。,.,34,.,35,.,36,.,37,.,38,.,39,.,40,.,41,选用四台风机可供6-8吨铸件吹风喷雾淬火用。参考喷雾进水量120kg/台时，参考化雾水量44kg/台时。冷却床尺寸：3000mm5000mm。2.5、高铬白口铸铁磨机衬板应用实例BTMCr12-DT衬板在4.5m大型水泥磨机磨机应用实例；BTMCr12-DT是笔者在唐山水泥机械厂工作期间的1985年主持研制的高铬白口铸铁新品种，BTMCr12-DT化学成分力学性能与金相组织见表13。,.,42,.,43,实践证明BTMCr12-DT衬板的研制是成功的。BTMCr12-DT与CIX-ZL钢对于试验的4.515.11m水泥磨第二仓分级衬板在筒体内情形见图23，这是螺旋弧面凸棱分级衬板。图23中标示日本字样为CIX-2L钢衬板，未标示“日本”字样的数字为BTMCr12-DT衬板。在图中可见分级衬板之“凸棱”，象是步枪膛中的“莱福线”，此由一种尺寸之分级衬板组成。4.515.11m第二仓分级衬板见图24。日本衬板CIX-2L钢的化学成分,力学性能与金相组织见表14。,.,44,.,45,.,46,.,47,2、冶金矿山球磨机衬板铁矿、铜矿、金矿、钼矿、铝矿等冶金矿山球磨机系湿法球磨机衬板，湿法球磨机内对矿石粉磨过程加水形成料浆，而矿山的成分含有酸性成分或碱性成分，虽然还可能将料浆兑成中性，然而其粉磨过程对衬板的腐蚀极大。再者矿石的硬度差别也极大，矿石的硬度以普氏硬度f表示在f8极f22之间几乎为3倍左右，因此反映在耐磨性上差别也大。在湿法球磨机衬板方面应用高锰钢较多，高锰钢显微组织是奥氏体，主要原因是奥氏体抗腐蚀性较好。而矿石硬度较高，而显微组织奥氏体对低抗高硬度的物料比较适应。,.,48,一般在冶金矿山球磨机高锰钢做衬板可以使用4-8个月，使用10个月的很少了。高锰钢衬板比较适应湿法磨，没有干法磨中产生塑性流度的情况。合金钢衬板与干法球磨机中比高锰钢衬板提高3-5倍，甚至更高，性价比好。而合金钢在显法球磨机要在性价比好的要求下制做出比高锰钢使用寿命提高一倍就难了，要在矿石硬度f18-22的工况条件下提高一倍更难了！所以，目前在湿式球磨机用高锰钢衬板还比较普遍。笔者研制了一种板条马氏体钢1号在性价比合理的基础上比高锰钢衬板效果要好。,.,49,、铝厂用于3.24.5m湿式棒磨机筒体衬板使用情况。工况条件：矿在为铝土矿石，衬板为凸棱衬板，衬板最厚处为110mm，磨内温度80-100，钢棒直径100mm，矿浆为高碱性。衬板硬度HRC48的板条马氏体钢1号与硬度HRC53的ZG42Cr2Si2MnMo片状马氏体钢对比试验，前者6000小时，后者为3200小时，使用寿命前者为后者的1.875倍。而高锰钢的使用寿命不足3200小时。,.,50,、铁矿山用2.74.6m湿法球磨机筒体衬板使用情况。工况条件铁矿矿石以做铁矿、钛铁晶石为主，矿石含铁20%-53%，含TiO2为5.8-11.8%，矿石硬度为f12-14。脉石矿物中钛辉石约占脉石总量的56%。入料粒度15mm。钢球直径100mm。HRC48的板条马氏体与ZG120Mn13Cr2奥氏体钢对比试验，前者使用寿命6636时，后者为4758时，使用寿命前者为后者的1.39倍。,.,51,2.1、奥氏体锰钢衬板奥氏体锰钢加入Cr固溶入奥氏体以及与碳形成碳化物。因此Cr的加入对奥氏体锰钢的屈服极限有很大提高，对抗拉强度也提高，冲击韧性稍有降低，钢的加工硬化性能明显提高。奥氏体锰钢原来韧性就好，低一点也对使用没影响，加铬高锰钢，用做湿法球磨机衬板时使用寿命提高。为使合金碳化物(FeCr)3C溶入奥氏体中，故热处理时固溶温度要达到1100。,.,52,奥氏体锰钢加Mo在熔融状态增加外来形核，细化晶粒。Mo固溶入奥氏体使其合金化有显著的固溶强化作用。Mo形成碳化物并改善碳化物形态与分布，在奥氏体中弥散析出使钢弥散强化。Mo阻止奥氏体晶粒长大，并提高加工硬化速率以增加形变过程中的硬度。因此Mo的加入使奥氏体锰钢的强度、塑性、韧性得到很大提高，对于大断面，重量大的奥氏体锰钢件加入Mo能获得细晶粒，改善碳化物形态，抑制和防止针状碳化物形成以及力学性能全面提高。Mo的加入使大断面奥氏体锰钢铸态件韧性大幅度提高，因此含Mo量较多，而铸件厚度小于45毫米，ZG110Mn13Mo1可以不固溶处理。如加Mo的奥氏体锰钢在固溶处理后再来一次时效处理可使碳化物弥散析出而强化，提高钢的耐磨性能。,.,53,奥氏体锰钢加入一定量的Ni明显固溶强化作用，使钢的强度增加。对于大断面奥氏体锰钢铸件Ni的加入防止心部碳化物的产生，提高铸态韧性与固溶处理后的低温韧性。加Ni奥氏体锰钢特别适合厚大件选用。奥氏体锰钢加W细化晶粒，固溶强化提高奥氏体锰钢的初始硬度，提高强度，提高屈服极限。溶入奥氏体时提高淬透性，适应于制做厚大件。形成W的碳化物，可采用固溶处理后时效处理使碳化物弥散硬化以提高耐磨性能。有降低过热敏感性作用，比一般奥氏体锰钢使用温度高些。,.,54,.,55,.,56,.,57,.,58,2）、热处理设备固溶处理加热设备为台车电阻炉、罩式台车电阻炉、燃煤气台车炉。奥氏体锰钢固溶处理（俗称淬火）而无需回火，故不要回火热处理设备。固溶处理又称水韧处理，要有淬火水槽。淬火水槽水量为一次装炉重量的10倍至18倍。衬板铸件一般用吊盘式或吊捆式装炉淬火，不用翻车式淬火。从打开炉门，台车开出，吊盘或吊捆挂勾到淬入水中，时间不要超过50秒，在浸入水中需上下左右前后摆动，以保障衬板铸件均匀冷透。初始水温一般20，衬板铸件淬火后水温不超过50。奥氏体钢衬板出炉情景见图29，此为吊捆式淬火。奥氏体锰钢衬板淬入水池情景见图30，此水池水量为一次装炉量的18倍。,.,59,.,60,.,61,.,62,.,63,2）、热处理设备淬火加热设备：罩式台车电阻炉、台车电阻炉、燃煤气台车炉。回火设备：回火台车电阻炉、大型井式回火炉。衬板铸件要用吊盘式淬火或吊捆式淬火,不用翻车淬火。淬火水槽水量为一次装炉量加吊具的10-18倍。水要能循环冷却。淬火水池水温淬火时不50。台车开衬板铸件起吊到入水不超过50秒。淬火时采用MS点控温淬火法进行。淬火后不超过2时回火。,.,64,2.3、金属磁性衬板当钢铁耐磨材料衬板在湿法冶金矿山球磨机做衬板很难取得在干法水泥磨做衬板比高锰钢衬板耐磨性成倍增长的时候,视线转到了其他方面。在非金属衬板方面主要是以聚氨酯和橡胶衬板为标志，虽然它们在某些性能方面优于金属型衬板，但因抗滑动磨损能力差，为防止刻痕和撕裂而产生的早期失效，要求磨矿介质不能混入金属夹杂物，工艺要求条件严格在一定条件下使用，而使普遍推广受到限制。在研究开发转向复合衬板方面以瑞典斯克嘉（SKEGA）为代表的钢盖式橡胶磁性复合衬板获得广泛应用。而我国则研发了具有中国特色世界首创的金属磁性衬板，我国第一代第一套金属磁性衬板发展到今天使金属磁性衬板技术创新、完善，在铁矿球磨机上，使用寿命达6-10年，为高锰钢衬板使用寿命的6-10倍，已具有世界领先水平。金属磁性衬板是一种具有自身保护功能的衬板，有以下特点：质量轻、易安装、使用寿命长、节约资源、改善环境、降低成本、安全可靠。金属磁性衬板结构是由金属体（外壳）、永磁体和弹性胶层三部分组成。,.,65,金属体是衬板主要组成部分，其作用是保护永磁体层不受外力冲击，并有足够高的机械强度与导磁率，而壳体要有很高的磁感应强度。永磁体是衬板核心部分，其作用除吸附金属体外，还要将自身吸附在筒体和端盖上。弹性胶层粘接金属体和永磁体，自身的弹性也起到缓冲作用。工作原理是在衬板工作面上方一定空间形成磁场，在磁场强度作用下凡是磁铁矿物均可吸附在衬板工作面上，形成厚20-40mm的保护层，保护层可以是球磨机在运转中磨削下来的钢球碎块或磨小的钢球，也可以在初装时加入此类介质。这个保护层在球磨机运转过程中不断更新处于动态平衡之中，使所有直接磨损却产生于介质之间，从而使衬板工作面很少磨损，达到高效减磨的目的。,.,66,它与传统高锰钢相比有以下优点使用寿命长为传统高锰钢的10倍；节省球耗8-10%质量轻，只有传统高锰钢的40%，减轻安装的劳动强度，减轻磨机负荷，节电5-7%厚度薄，约为传统高锰钢的70%，可使磨机有效容积增加，也就提高了磨矿能力；安装方便不用紧固螺栓，靠磁力吸附在筒体和端盖上，不漏矿浆，提高作业率1%，实现文明生产；机械性噪声降低，改善了工作环境；提高球磨机的粉磨细度，提高了磨矿效率；实现零维护、降低成本，安全可靠。但是，磁性衬板的不足是只能使用在球磨段二段，在一段尚不能使用。,.,67,3、火电厂球磨机衬板火电厂球磨机衬板由于球磨机用煤含有水份，球磨