湿式球磨机磨球磨损机理的研究进展

湿式球磨机磨球磨损机理的研究进展

研磨机是广泛应用于建筑材料、矿山、冶金、能源等行业的重要研磨材料的重要设备。磨球是球磨机中最常用的研磨介质，也是磨粉行业中各种磨损材料中消耗最大的零件。据有关部门统计,在我国仅金属矿山湿式球磨机所消耗的磨矿介质约40万t～50万t。磨球的巨额消耗引起了人们的重视,故提高磨球的耐磨性、延长使用寿命具有重要的经济意义和社会意义。从摩擦学的角度来说,磨损是一个系统问题,故而影响磨球磨损的因素很多,主要包括:磨球的材质成分与显微结构,磨球的尺寸大小及其配比,磨机的结构因素,被磨物料的种类与性质,磨矿环境与工艺条件等。过去,我国磨球材质品种单一,质量差,使用中不耐磨,易破碎,损耗很大。同时普遍存在磨球球径过大的问题,这不仅降低磨矿效果,而且造成不必要的材料浪费。近十几年来,我国在抗磨技术、新型耐磨材料和新工艺的开发与研制、以磨损理论以及磨球尺寸的理论计算等领域取得了很大的进展,并将此应用于磨球新产品的开发,使我国的磨球生产基本走出了技术低谷,产生了巨大的经济效益和社会效益。1湿式磨机中磨球的磨损机理分析和性能要求1.1磨料腐蚀和干磨机磨球磨损率的计算磨球由于在球磨机内的受到了反复的高应力冲击、挤压和研磨等机械磨损,在金属矿石的湿式球磨机中,还存在矿浆的电化学腐蚀,以及腐蚀和磨损的协同作用。磨球的磨损率主要取决于磨球质量、球磨机的工作参数、矿浆性质和被磨矿粒的性质。在湿式球磨机中磨球磨损属于腐蚀磨损,它不仅要承受着严重的磨料磨损,还要承受矿浆的腐蚀。三体磨料磨损的机理主要有微观切削、多次塑变(犁皱或微观压入)导致疲劳断裂和微观剥落,这些机理在磨损中同时存在,但具体那种机理占主导地位,得根据矿石的硬度、粒度特征以及磨料硬度(Ha)与磨球材料(Hm)的比值等因素来确定。腐蚀磨损过程中的腐蚀行为和磨损行为与纯腐蚀和纯磨损行为大不相同,腐蚀磨损不是腐蚀和磨损简单的迭加,而是一个相互促进的过程。由于浆液的腐蚀作用,湿式磨机磨球磨损率是干式磨机磨球的10倍左右。材料的耐蚀性主要是依靠产生一种可阻碍腐蚀介质进一步作用的钝化膜。由于磨料的磨损作用,材料的钝化膜很快将被破坏,故腐蚀将以较静态高得多的速度发生,腐蚀速度将提高2～4个数量级。由于腐蚀磨损的复杂性以及试验技术的局限,对腐蚀磨损还很难进行定量分析,以及在这一过程中到底是以腐蚀促进磨损为主还是以磨损促进腐蚀为主,这些不确定性因素都为在这种工况下工作的磨球的选材带来了一定的盲目性。1.2研磨球的性能要求1.2.1磨球的硬度硬度与材料的耐磨性有很大的相关性,英国的Richardson认为,金属材料磨损后表面的硬度(Hu)与磨料硬度(Ha)的比值是判断材料的耐磨性的较好参量。当Hu/Ha小于0.8时,材料的抗磨性不受磨料硬度的影响,总是受到最大的磨损,称作硬磨料磨损;当Hu/Ha大于0.8时,随比值的提高,材料磨损量减少,称作软磨料磨损。故在磨球的生产中,应重点保证磨球的硬度。由于磨球在工作过程中还受到高应力冲击作用,故并不是硬度越高越好,因为硬度过高就会造成韧性下降,从而导致磨球使用时疲劳剥落和破碎等现象的发生。在实际应用中,材料的韧性和硬度是一对矛盾,往往高硬度就意味着低韧性,很难将高硬度和高韧性结合于一体。故对于磨球来说,需根据磨损系统中的各参数合理设计其材料的力学性能,并以此为依据选择材料。磨球的正常磨损是大球变小球,只有在整个磨损过程中保持圆的外形,才能保证磨球磨粉的正常功效。如果磨球的硬度不均匀,就会导致磨损过程中失圆;如果磨球的淬透性低,淬硬层浅,则外面硬层磨损后,磨耗就会剧增,冶金矿山用磨球的行业标准就规定了磨球表面、心部硬度差不得大于HRC3。因此好的磨球应该有高的整体硬度。通常用平均体积硬度(AVH=0.009HRC心部+0.063HRCr/4+0.203HRCr/2+0.289HRC表面)来分析和预测磨球的耐磨性。1.2.2耐磨性与耐蚀性在湿式球磨机中,由于磨损和腐蚀的相互作用,加剧磨耗,同时为选材带来很大的困难。材料要耐腐蚀,要求材料的组织均匀;而提高耐磨性是通过控制组织,如产生硬质碳化物及其他第二硬质相、高硬度马氏体等。这些通过提高材料力学性能来提高耐磨性的途径同时也增加了材料组织的不均匀性,而降低材料的耐蚀性。在实际应用中,耐磨与耐蚀对组织的要求常常是矛盾的。因此在为湿式球磨机的磨球选材时不能单通过材料的力学性能来判断磨球的使用性能,一定要结合具体工况,将磨球的成分、组织,硬度,韧性综合考虑。1.2.3磨球的成本是市场。在现代社会由于磨球损耗极大,在生产上也是实行大批量生产,故磨球生产质量高而且稳定对于磨球的生产极为重要,是其进入市场的基础。冶金缺陷、加工缺陷、热处理缺陷都将导致磨球严重失效,提前降低磨粉功效。磨球的综合指标是使用单位选择磨球的标准,而磨球的成本往往是用户最先考虑的因素。磨球成本低,磨耗小,破碎率低,磨矿效率高,则综合指标高。2低铬铁磨球的开发80年代,我国磨球绝大多数是用低碳钢锻(轧)磨球、普通白口铸铁磨球和一定数量的中锰稀土铸铁磨球,其他合金白口铸铁材质的磨球数量很少。近十年来,我国进行了大量的研究开发,相继研制出许多新的磨球材质。新开发的磨球材质主要有两大类七个品种,分别为中高碳钢锻球、贝氏体锻钢球,高铬合金铸球,中铬合金铸球,低铬合金铸球,贝氏体球墨铸球,贝氏体、马氏体复相球铁磨球[10,11,12,13,14,15,16,17]。高铬铸铁磨球硬度较高,而且中心和表面的硬度差小,是一种理想的耐磨材料。高铬铸铁含铬高,一般在10%～20%之间,而且还需要加入足量的钼、铜等贵重元素来提高其淬透性,故其价格较高。高铬铸铁在干磨时表现出了很好的耐磨性,但在湿磨时,由于高铬铸铁的组织中有大量共晶碳化物,与其他相间形成大量相界,碳化物与基体的电极电位不同,在矿山的湿磨条件下形成相界腐蚀,使共晶碳化物因支撑削弱而折断,或因失去与基体的连接而脱落。由于上述原因,高铬铸铁磨球不适用于金属矿山湿磨工况,现在高铬铸铁主要在干磨(磨水泥熟练和磨煤等)环境下使用。近年来开发的中铬铸铁是一种含铬量在4%～10%,其耐磨性和韧性介于高铬铸铁和低铬铸铁之间,由于价格和性能无明显优势,故研究和生产较少。贝氏体球墨铸铁磨球和贝氏体/马氏体复相球墨铸铁磨球力学性能很好,目前大致有两种方法获得这种组织:(1)是通过等温淬火,将奥氏体急冷到下贝氏体温区进行等温转变获得一定量的贝氏体再淬火到Ms点以下的温度完成马氏体转变;(2)是空冷贝氏体转变,以适宜的冷却速度使过冷奥氏体连续通过贝氏体转变的中温区,获得贝氏体以及马氏体。这两种方法都存在成工艺复杂、生产质量难控制的问题,从而导致质量不稳定,故还不能进入大规模生产应用中。贝氏体锻钢球是利用一种新型中高碳贝氏体钢及相应的专门工艺经锻造或轧制加工而成的磨球,它有很好的力学性能,将硬度和韧性结合得很好。由于在大规模生产中质量不易保证,故目前应用还不广泛。但由于贝氏体组织性能的优越性,而且这种工艺生产效率高,还不需要添加贵重的合金元素,生产成本低,相信能够通过设计更加合理的工艺来保证大规模生产时磨球的质量,以便能使这种磨球的得到广泛使用,这种磨球具有广泛的发展空间。低铬白口铸铁磨球是近年来发展较快的一种合金铸铁,其铬含量在5%以下。现在通过调整成分设计,严格控制碳、硅含量,采用稀土变质剂等技术,改善其碳化物形状、分布来提高韧性,其性能在HRC40～50,α=3J/cm2～5J/cm2。由于其合金含量少,可以用冲天炉熔炼,只要通过简单的热处理就能保证它的性能,生产简便,而且质量容易控制,价格低廉,并且磨耗也适中,在金属矿山上使用有较高的性价比。表1列出了近年来我国大规模生产的几种低铬铸铁磨球,表2列出了这些低铬铸铁的力学性能、热处理工艺和显微组织,表3列出了这几种磨球的使用情况。从表1和表2中可以看出我国的低铬铸铁磨球含合金元素较少,热处理工艺简单,很适合大规模工业生产,值得大规模推广。由于目前所用的低铬球所含有的渗碳体型碳化物对基体的割裂作用还很强,所以改善碳化物的形态依然是以后科研的重点,随着半固态技术的发展,希望能利用半固态成形技术使奥氏体枝晶细化,改善低铬白口铸铁的韧性。3对磨损系统的性能考察球磨机的工况条件非常恶劣,并各矿山的球磨机工况条件还不相同,目前尚无一种万能的材料能够满足各种工况条件的要求,需要结合具体的工况对所用磨球材质进一步优化,由于磨球的消耗大,在科研开发时还要考虑对环境的友好性,朝绿色材料方向发展。同时在选材时不能忽略易磨损零部件的结构和摩擦副材料配副等因素的作用,在以后的性能考察中尽可能做磨球和衬板的配副性实验,改善磨损系统中的磨损条件,考虑磨球和衬板的等同寿命问题。由于磨损不仅牵涉到摩擦副的材质,而且和零件的结构有很大的关系,故磨球的尺寸在这一磨损系统中也是影响磨损的重要因素,目前我国所用的磨球尺寸都是一些经验设计,或参照国外的球径公式计算得来,但是这些计算很难得到准确的范围值,目前以昆明理工大学的球径半理论公式较为合理,接近我国的国情,它是根据矿石的力学性质和磨机的实际工作条件进行计算的。现在我国所生产的磨球种类繁多,各具特色,故企业在选材时不可盲目,应根据自