高碳中铬钼铸铁磨头衬板的研发

高碳中铬钼铸铁磨头衬板的研发

0球磨机是水泥工业粉磨工艺的主要设备随着新型干解水泥生产技术的发展，粉磨原料通常采用垂直辊磨或辊压机最终磨磨，粉末磨积的原料通常采用辊压机和球磨机的联合磨磨法。目前水泥工业粉磨工艺选用球磨机的量在减少,但由于生产工艺和水泥质量的需要,球磨机仍然是水泥工业粉磨的主要设备。近些年国内外水泥球磨机衬板采用的耐磨材料多种多样,本文就各种衬板耐磨材料进行简要评述,仅供参考。1国外环保磨坊材料的选择1.1材料及其热处理工艺国外水泥球磨机衬板从20世纪70年代起就很少采用高锰钢(磨头板除外),而是采用各种合金耐磨钢或高铬合金耐磨白口铁,同时依照磨机的不同部位选择不同的耐磨材料。2010年9月笔者接到德国某公司Φ3.8m×12.84m球磨机衬板材料的定单。他们规定在磨机不同部位采用不同的材料,如表1,衬板材料化学成分见表2,热处理工艺(由《世界钢号手册》查得)见表3。从表2和表3可知,该德国公司Φ3.8m×12.84m球磨机磨头衬板采用高碳中铬钼合金钢,采用油淬或空淬加低温300℃回火热处理,硬度达到HRC60,耐磨性能良好。一仓各种结构形式衬板和隔仓板采用中低碳中铬多元中合金钢,采用油淬加中高温500℃回火热处理,硬度达到HRC56,并具有足够的韧性,使用安全可靠,耐磨性能好。二仓各种结构形式衬板和出料篦板采用高铬合金钢,采用高温油淬或空淬加低温200℃回火热处理,硬度达到HRC61,具有高耐磨性能。但是他们采用的材料中含有高量的钼、钒等稀贵元素,其目的是提高淬透性、细化晶粒、增加硬质点,提高耐磨性。这样增加了生产成本,不可取。我国在类似化学成分上采用微量元素和各种变质剂,在热处理时采用油淬、介质淬、喷雾风淬等方法,也能达到同样效果。1.2磨机衬板材料特点我国20世纪70年代冀东水泥厂、淮海水泥厂、宁国水泥厂引进的水泥球磨机衬板,也是在磨机的不同部位都是采用不同的耐磨材料,有各类合金钢及高铬铸铁、高铬铸钢等,见表4。从表4可知,宁国水泥厂的水泥磨和原料磨1仓及2仓衬板都是采用Cr13型的高铬钢,隔仓板采用Cr26型的高铬铸铁,磨头采用Mn13Cr2型高锰钢。淮海水泥厂的水泥磨和原料磨1仓采用Cr26型的高铬铸铁;2仓衬板采用Cr32型的高铬铸铁。冀东水泥厂的水泥磨和原料磨1仓采用中碳铬合金钢,2仓衬板采用Cr13型的高铬钢;磨头采用Mn13Cr2型高锰钢;隔仓板采用中碳铬合金钢。已经过去了30多年,这些引进的磨机衬板材料,早已被国产化材料代替,但磨机不同部位选择不同耐磨材料的原则,仍被广泛使用。笔者认为,从节约原材料和生产成本出发没有必要加入太高的铬及钼,而是应该采用微量元素、变质剂及各种热处理的方法提高材料的综合性能。2板耐磨材料改革开放30多年来,我国水泥磨机衬板耐磨材料的研究和使用得到了飞速发展。各类合金钢、高铬钢及高铬铸铁、各类高锰钢等广泛用在各种规格磨机的不同部位上。2.1各种高锰钢材料我国部分水泥厂水泥磨机、磨头衬板、锤头等受高冲击的耐磨部位,曾使用的奥氏体锰钢耐磨材料的化学成分与性能如表5。2.2球磨机中等冲击力材料的选择近年来我国耐磨材料企业研制和生产出多种合金钢耐磨材料,在球磨机中等冲击力的工况条件下使用,具有良好的效果。应用广泛的主要合金钢系列耐磨材料的化学成分、性能、使用范围及有关生产厂家见表6、表7。2.3衬板耐磨材料我国耐磨材料企业生产的各类高硬度高铬耐磨铸铁的化学成分、性能、使用范围及有关生产厂家见表8、表9。从表5、表6、表7、表8、表9可知,我国水泥磨机衬板耐磨材料根据不同规格不同部位采用不同的耐磨材料。球磨机前采用挤压辊磨,其1、2仓衬板可广泛采用高铬铸铁及高铬铸钢。大部分磨机衬板耐磨材料以各类合金钢为主,分别采用水淬、油淬、空淬等热处理方法。3我国水泥护甲材料的开发与生产3.1泥球磨机衬板材料根据我国金属资源具体情况,从节约资源和生产成本上考虑,水泥球磨机衬板耐磨材料应该以各类合金钢为主。对前置辊压机的水泥球磨机,可采用Cr13或Cr15无钼的高铬铸铁、高铬铸钢。各类合金钢根据不同的热处理方法,选择不同的金属元素及不同的含量。3.1.1平均含铬量的确定(1)含碳量的确定。碳(C)扩大γ相区,降低Ms点,提高淬透性;碳是影响合金钢强度、硬度、韧性和淬透性的主要元素。碳量过高,钢中碳化物量过多,热处理后形成的是高碳片状马氏体,钢的硬度高而韧性低,而且热处理容易开裂;碳量过低铸件淬硬性不足,硬度低耐磨性不足。碳含量对合金钢的冲击韧性和硬度有显著影响,在相同的热处理条件下,随着碳含量的增加,合金钢硬度趋于增高,而冲击韧性趋于降低。基于上述分析,根据不同的热处理方法,含碳量为0.30%~0.65%。(2)含铬量的确定。铬(Cr)固溶于奥氏体中起固溶强化作用,提高钢的淬透性,铬元素对合金钢奥氏体转变曲线有较大的影响,增加铬不仅大幅度提高合金钢的淬透性,适合于空淬和油淬,而且铬使珠光体区和奥氏体区分离,淬火中得到马氏体的同时也能得到一定量的贝氏体,提高钢的强韧性;铬不能固溶强化基体,提高钢的耐腐蚀性能,同时铬与碳结合形成多种合金碳化物。当含铬量增加到3.0%即可形成合金碳化物。有资料介绍,1.0%C和4.0%Cr的钢,其组织中除铁素体和渗碳体(Fe,Cr)3C以外,又出现新的碳化物相(Cr,Fe)7C3;铬含量增加到5.0%时,钢中的(Fe,Cr)3C变成亚稳相,仅有铁素体和合金碳化物(Cr,Fe)7C3。铬与碳的结合的能力大于铁和锰,因此可以在渗碳体中置换部分铁原子形成含铬的合金渗碳体(Fe,Cr)3C。当含铬较高时可形成复杂型含铬碳化物,在钢中弥散分布,起到沉淀强化作用;铬固溶在奥氏体中提高钢的淬透性,使钢在热处理条件下的强度和硬度都得到提高,所以铬含量控制在3.5%~5.5%。(3)含锰量的确定。锰大部分溶入铁素体,强化基体,提高强度、硬度和耐磨性;一部分锰在钢中易形成(FeMn)3C型碳化物,极少溶于α-Fe和γ-Fe中,使奥氏体等温转变曲线右移,提高淬透性;但锰是过热敏感元素,加热温度过高会引起晶粒粗大,增加回火脆性和残余奥氏体量,因此在合金钢中控制锰含量0.8%~1.2%,低碳硅锰钢控制锰在1.0%~1.4%。(4)含硅量的确定。硅无限固溶于铁素体中,提高屈服强度,提高屈强比(σs/σb),硅在1.0%左右,不降低韧性,硅大于2.0%时韧性明显降低,增加回火脆性,硅溶于α-Fe和γ-Fe中,缩小γ相区,使奥氏体等温转变曲线右移,提高淬透性;硅强烈降低钢的预热性,促使晶粒粗化,增加热裂倾向。合金钢中当硅主要起脱氧作用时控制硅在0.3%~0.7%,对于低碳硅锰钢让其起强化作用时控制硅在1.2%~1.7%。(5)含钼量的确定。钼明显提高钢的淬透性,固溶强化基体。钼促使C曲线中珠光体区和贝氏体区分离,并对珠光体区的推移较大,有利于淬火贝氏体形成。钼与铬、锰导致回火脆性的元素配合使用,能抑制和降低回火脆性。钼元素分布在共晶碳化物和基体组织之间,钼固溶在奥氏体中提高淬透性,增加奥氏体的硬度和耐磨性,特别是提高组织硬度的均匀性。钼能细化碳化物,提高材料的综合机械性能,在不降低硬度的情况下,提高韧性和耐磨性,在合金钢中钼是不可缺的合金元素。但钼价格高,一般加入0.2%~0.5%,中小型磨机衬板可不加钼,用其它元素代替,但不能全部代替,厚大铸件仍应加入适量的钼,提高淬透性,提高综合机械性能。(6)含镍量的确定。镍和碳不形成碳化物,它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。镍和铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中,使之强化,并通过细化α相的晶粒改变钢的低温性能,特别是韧性。镍由于降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度,因而提高钢的淬透性。镍是提高淬透性并有益于铸钢强韧性的合金元素。镍也是合金钢常用的元素,由于价高,很少加入,一般加入0.2%~0.5%。(7)含铜量的确定。铜和碳不形成碳化物,它在铁中的溶解度不大,和铁不形成连续的固溶体。铜在铁中的溶解度随温度的降低而剧降,因此,可通过适当的热处理产生沉淀硬化作用。铜还具有类似镍的作用,能提高钢的淬透性和基体的电极电位,增加钢的抗腐蚀性。这一点对湿磨条件下工作的耐磨件尤其重要。耐磨钢中铜的加入量一般为0.3%~1.0%,过高的铜量对耐磨钢无益。(8)含钛量的确定。钛是化学上极为活泼的金属元素之一。钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力,因此它是一种良好的脱氧去气剂。钛不和其他金属元素形成复合碳化物,它只和碳形成一种碳化物TiC,其结合力极强,极稳定,不易分解,在钢中只有加热到1000℃以上才能缓慢溶入固溶体中,在未溶入前,碳化钛(TiC)阻止钢晶粒长大粗化,因此采用钛细化晶粒。钛强化铁素体形成(TiC)碳化物提高硬度,缩小γ相区,使奥氏体等温转变曲线右移,降低过热敏感性;钛溶于固溶体时提高淬透性,形成碳化物时降低淬透性,延迟回火温度,可在较高温度下回火。考虑成本,钛含量控制在0.08%~0.13%。(9)含稀土量的确定。稀土元素(RE)是很好的脱硫和脱氧剂。钢中加入适宜的稀土元素(RE)孕育变质处理,可以脱氧、脱硫、脱氢、减少夹杂物,净化钢液。稀土能去除钢中的氢、氮等气体,使成分趋于均匀,减少枝晶偏析,改善金属夹杂物形貌、大小和分布,并使晶粒细化,提高钢液流动性,减少铸造应力,提高铸件抗热裂能力。细化晶粒,抑制柱状晶的发育生长,提高中碳合金钢中板条马氏体数量,减少片状马氏体的比例,提高钢的综合力学性能和耐磨性。(10)含硼量的确定。硼缩小γ相区,使奥氏体等温转变曲线右移,极大提高淬透性;加入微量的硼即可代替铬、镍、钼,保持必要的淬透性,加入量大则脆性大,一般为0.003%~0.007%。目前许多合金钢生产厂为节约材料成本,已经基本不加钼、镍等稀贵金属,采用微量元素,采用各种变质剂,并通过改变热处理工艺来提高合金钢的淬透性、耐磨性。其中一些单位制造的复合重稀土变质剂,含有钒、钛、硼等多种微量元素,对提高合金钢的综合性能具有良好效果。3.1.2添加微量元素根据上述化学成分的设计原则,以我们研制的ZG48Cr5MoNiVTiBRE系列多元合金钢为例,化学成分中以碳铬为主元素,加入微量钼、镍、钛、稀土、硼等多种元素,它们相互配合相辅相成。钛细化组织,产生沉淀强化作用,增加硬相质点的数量,弥补碳含量低造成的硬度不足;硼强烈提高淬透性;稀土不仅细化组织,净化晶界,改善碳化物和夹杂物的形态和分布,提高抗疲劳性,还可以提高低合金钢的韧性。ZG48Cr5MoNiVTiRE系列多元合金钢的化学成分设计如表10。3.2我国环保领域水泥球磨机关键原材料的生产方法3.2.1砂型铸造技术我国目前大多采用普通水玻璃石英砂、粘土砂等砂型铸造,近年来一些厂采用EPC消失模铸造和真空V法铸造。水泥球磨机衬板的各种铸造方法如图1、图2、图3。3.2.2铸造工艺、热处理以合金钢为例水泥磨机衬板的各种热处理方法如图4、图5、图6。从图1~图6可以看出我国水泥磨机衬板的铸造生产工艺、热处理工艺设备已经具有较高的水平,但发展不平衡,许多耐磨材料厂铸造方法还比较落后;热处理设备工艺还不够完善,有待进一步完善和提高。4抗磨材料的开发和生产4.1以油淬剂为原料的氢化学成分cr我国水泥磨机衬板材料近年来主要发展各类合金钢,为了节约成本尽量少用稀贵合金,采用加入微量元素,提高淬透性,使之产生马氏体、贝氏体组织,通过加入各种变质剂脱氧去气,细化晶粒,提高耐磨性能,这是可取的。但是有的单位对一些主导合金元素也在减量,这对提高综合性能、对提高衬板的耐磨性能是不利的。我们从表2和表3德国Φ3.8m×12.84m球磨机衬板材料的成分和热处理情况可知,他们1仓和隔仓板都是采用碳(C):0.35%~0.42%,铬(Cr):4.8%~5.5%;采用1010℃油淬,500℃回火,硬度达到HRC56,具有优异耐磨性能。至于他们含有高量的钼、钒等稀贵元素不可取,但主导元素铬提高到4.5%是值得参考的。在前文所述关于铬元素的作用中指出:铬与碳结合形成多种合金碳化物;当含铬量增至3.0%即可形成合金碳化物,有资料介绍,1.0%C和4.0%Cr的钢,其组织中除铁素体和渗碳体(Fe,Cr)3C以外,还有新的碳化物相(Cr,Fe)7C3;铬含量增加到5.0%时,钢中的(Fe,Cr)3C变成亚稳相,仅有铁素体和合金碳化物(Cr,Fe)7C3。材料实际的耐磨性能,除保证基体为一定的组织外,要依靠碳化物的高硬度。(Fe,Cr)3C硬度HV1200左右,(Cr,Fe)7C3硬度HV1800左右。可见提高一定的含铬量,对提高耐磨性能十分有利。实际上我国有些单位的空淬合金钢含铬量在(Cr)5.0%时耐磨性能良好,使用寿命达到3年以上,特别是近年来有的单位把原ZG42MnSi2Cr2的铬提高到4.5%,在Φ4.2m磨机上的使用寿命比原来Cr含量为2.0%的基础上提高一倍以上,可见提高主导元素含量,成本提高不多,而耐磨性大幅提高。在化学成分选择时,一方面要根据衬板的不同部位受冲击受磨损不同,选择不同的合金钢或高铬铸铁等不同的耐磨材料;另一方面当选择某种合金钢时,要通过调整含碳量提高硬度及韧性。4.2钢水的配合我国耐磨材料的冶炼工艺比较落后,冶金质量差,目前只靠加造渣剂、脱氧剂解决去夹渣去气问题,但很不彻底,钢水纯净度差,加变质剂细化晶粒的措施有明显效果,但一定要注意加入方法、时间和加入量。近年来有的单位开始采用炉外精炼,这是有效途径,一般是在炉内或在钢包内吹氩气纯净钢水效果好,应该推广。冶炼中严格控制出钢温度,特别是控制浇注温度,在能够充满铸型的条件下,低温度浇注,获得细晶粒组织,提高耐磨性。4.3铸件的主要性能我国衬板耐磨材料仍然以砂型铸造为主,应该大力发展EPC消失模铸造、V法铸造,这不仅能提高铸件内在质量和表面质量,而且可解决型砂回用问题,减少废物排放,利于环保,应该大力发展。在采用新的方法中,应因地制宜,品种少数