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球磨机衬板材料及失效形式分析

发表时间：2020/8/12 来源：《基层建设》2020年第10期作者：吴明

[导读] 摘要：球磨机是建材、冶金与电力等行业粉磨作业的主要设备，球磨机衬板是其主要易磨损件，年消耗量极大。

        中国有色（沈阳）冶金机械有限公司 110027
        摘要：球磨机是建材、冶金与电力等行业粉磨作业的主要设备，球磨机衬板是其主要易磨损件，年消耗量极大。随着粉磨技术快速发展，球磨机逐渐向大型化发展，对球磨机衬板材料的性能要求也越来越高，如何提高其耐磨性是广大材料工作者重点研究课题。因此文章重点就球磨机衬板材料及失效形式展开分析。
        关键词：球磨机；衬板材料；失效形式
        球磨机是对破碎后的物料进行粉碎化处理的关键设备，被广泛用于选矿，建材及化工等行业中。在球磨机的使用过程中，耐磨衬板承受了钢球和物料的不断冲击，减少了对球磨机的损伤，耐磨衬板对于球磨机的重要性不言而喻。
        1衬板材料
        球磨机衬板是保护磨机筒体不受研磨介质和被磨物料磨损的构件，要求其具有良好的耐磨性能。球磨机衬板不仅能承受研磨体与物料的磨损和冲击，而且还有提升粉磨效率的作用。衬板种类很多，根据其表面形状可以分为阶梯衬板、波形衬板、平衬板、压条衬板、半球形衬板、分级衬板、沟槽衬板等。根据衬板材料的不同，主要分为金属材料衬板、橡胶材料衬板和复合材料衬板三大类，其中金属材料衬板包括耐磨铸铁、合金耐磨钢和高锰钢材料衬板。
        1.1 金属材料衬板
        1.1.1 耐磨铸铁材料
        耐磨铸铁主要包括普通白口铸铁、镍硬铸铁和铬系白口铸铁三大类。耐磨铸铁的生产如今已经标准化和系列化，其中高铬铸铁的铬含量一般＞12wt%，因其具有良好的耐蚀性和抗氧化性，而且韧性优于普通的白口铸铁，故广泛用作制造衬板的材料。但由于高铬铸铁中存在比较脆、硬的碳化物，严重降低了高铬铸铁工件基体抗冲击的能力，故主要用于承受低应力磨料磨损或冲击负荷较小的工况。
        1.1.2 合金耐磨钢材料
        合金耐磨钢是近年来国内外发展较快的钢种，其低、中合金耐磨钢广受研究者的关注。国外发展出来的低、中合金耐磨钢系列有日本的 JFE-EH 系列、德国蒂森克虏伯的 XAR 系列、德国的迪林根400V和500V系列、瑞典奥克隆德生产的HARDOX系列等。国内发展出来的低、中合金钢系列有Cr-Mo系列、Cr-Mo-Mn系列、Cr-Mo-V系列及Cr-Mo-Ni 系列等。低合金耐磨钢加入的合金元素种类繁多，典型的低合金钢有贝氏体钢、马氏体钢、马氏体-贝氏体钢等。
        1.1.3 高锰钢材料
        高锰钢是球磨机衬板的常用材料，磨球和物料在粉碎仓剧烈冲击衬板，要求衬板具有较高的抗冲击性能和耐磨性。高锰钢经水韧处理后，组织为单相奥氏体，具有良好的加工硬化能力。在受到强烈冲击作用时，高锰钢表层由于显著的加工硬化现象变硬，适用于具有冲击工况的磨损条件。高锰钢衬板材料，从材料的成分设计、热处理工艺、轻量化等方面综合进行考虑，开发新一代、低成本高性能的高锰钢耐磨衬板，以延长衬板的使用寿命，降低衬板更换次数，降低企业的生产成本。
        1.2 橡胶衬板
        橡胶是具有良好弹性的聚合物材料，它具有良好的耐磨损和耐腐蚀性能，瑞典的SKEGA公司在20世纪60年代首次成功将橡胶用于球磨机衬板。我国在20世纪70年代时多采用湿法原料球磨机，这种磨机内一般采用的都是橡胶衬板。相对于金属衬板，橡胶衬板的优势在于轻巧、容易安装，使用时间比较长，噪声比较小，消耗的动力较小。但橡胶衬板也存在一些缺点，比如不能在干法原料的球磨机上应用，而且球磨机效率低。
        1.3 复合材料衬板
        由于复合材料具有可设计性和良好的综合性能，已被广泛应用于耐磨材料领域。国内的材料研究者已经制作出不同种类的复合材料衬板，大致可以分为双金属复合材料衬板和陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料衬板两种。目前对复合材料衬板的研究还没有大量报道，其在工业领域的应用还处于初期研究阶段，而陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料在辊磨磨辊和磨盘都已有应用，而且取得了良好的效果。复合材料衬板将会得到更多的关注和研究。
        2衬板失效原因分析
        （1）球磨机衬板的主要作用是保护磨机筒体和带动磨内磨球做泻落运动以冲砸挤压破碎磨内物料。为达到磨球对磨内物料的冲砸研磨功能，要求磨机衬板对磨球必须具有足够的提升及扰动能力。研究表明，在溢流磨中，当磨机筒体衬板波峰和波谷的高度差达到最大磨球直径的60%左右时，磨内磨球运动烈度适中，此时磨机处于最佳工作状态。在我们使用的φ5.03m×8.5m溢流磨中，最大磨球直径为80mm，磨机筒体衬板波峰和波谷的高度差仅为40mm。在此情况下，在磨机运行过程中，衬板很难实现对磨球的有效提升。此时磨内钢球运动烈度下降，由此又导致磨机对物料破碎效率的降低。同时因衬板峰、谷高差不达标，致使磨球与筒体衬板相对滑移运动剧烈，这一问题的存在导致了磨机衬板犁沟磨损现象的发生，该问题的存在，不仅加重了磨机衬板的快速磨损，而且因犁沟底部将会率先被磨穿造成衬板提前报废。
        （2）在现磨机筒体衬板的设计过程中，设计人员简单地认为磨机衬板的磨损为均匀磨损，因此将衬板背部的空位槽设计为圆弧形空位。而事实工况并非如此。在磨机运行过程中，衬板波峰侧顶部位在提升磨球过程中所受到的反作用力尤为强烈，因此该部位将承受强烈的切削磨损，故而磨损最为严重。衬板背部圆弧形空位槽的设计方案使衬板厚度基本呈均匀形态，波峰侧顶部位的快速磨损将使该部位被首先磨穿导致衬板提前报废。
        （3）传统的磨机衬板大多选用高锰钢，利用其特有的加工硬化特性来达到其耐磨性的目的。而在研磨工况下，不能使高锰钢充分硬化，一般选用高强韧性耐磨铸钢，一般硬度在HRC45-60之间，该衬板硬度中等偏下，故耐磨性一般。如能提高衬板本体硬度，则衬板的耐磨性提高，使用寿命也会大大提高。
        3 衬板失效的改进措施
        （1）改进衬板材质：采用 ZG60SiMnCr2Mo 材质冶炼，经退火、淬火、回火三道热处理工序检测。材质化学成分如表1所示。
        表1   材质化学成分（质量分数，%）

表2 热处理后机械性能检测结果

        准的末端淬火淬透性试验测定淬透性。实验钢经860 ℃退火，840 ℃奥氏体化，进行末端淬火实验。实物淬透性使用的φ50mm×100 mm+φ100mm×150 mm+φ150mm×150mm塔形试样是在5t电弧炉冶炼浇注的，塔形试样随铸件生产热处理。可以看出，该钢的硬度内外均匀，淬透性＞150mm。
        （2）改进衬板波峰、波谷的高度差：原衬板波峰100mm，波谷60mm，高度差为40mm；波峰110mm，波谷55mm，高度差为55mm，加大衬板的提升能力，减轻磨球对衬板的犁沟磨损。
        （3）改进衬板与筒体接触面结构：原衬板背部空位槽结构为随形波峰、波谷结构，衬板厚度均匀，改为随形筒体圆弧结构，增加易磨损部位的厚度，从而增加衬板的使用寿命。
        综上所述，为了应对球磨机衬板磨损等问题，需要研究衬板磨损的成因，并提出相应的处理措施，合理选择钢球和衬板、控制好球磨机的运行状态、采用新材料衬板等，从而减少运行当中的不必要的损耗。总之，随着生产技术的不断发展，衬板的种类也越来越多，生产企业要根据使用工况来确定相应的衬板材料。同时，材料研究者应当在原有材料的基础上，结合计算材料、相图计算和有限元模拟等先进手段，研发性能更加优异的衬板材料。
        参考文献：
        [1]倪旭.干湿磨工况下球磨机衬板冲击摩擦磨损行为研究[D].中国矿业大学，2018
        [2]刘宇.球磨机衬板材料液态模锻及其组织性能研究[D].北京交通大学，2017