水泥工业用耐磨材料的选择与应用

在水泥的生产过程中需应用大量的耐磨材料，近几年其应用范围已突破传统的铸造耐磨材料，非铸造类的耐磨材料得到更广泛的应用。就作者的研究、应用和了解的有限认识，作一介绍。
    一、铸造耐磨材料
    用于磨机衬板、隔仓板、篦板，破碎机锤头、板锤、反击板、颚板，立磨辊、盘等易损件的耐磨材料仍为铸造类的耐磨材料。
    第一代耐磨材料------高锰钢。优点：韧性极好，在强冲击条件下产生加工硬化。缺点：易塑性变形，不耐磨。目前，高锰钢、合金高锰钢及超高锰钢仅限用于大型破碎机锤头、板锤、反击板、篦板、颚式破碎机颚板及圆锥破内外锥等易损件，
    第二代耐磨材料------镍硬铸铁。优点：硬度高，耐磨性好。缺点：脆性较大，应用范围小。目前，仅有部分立磨辊采用镍硬铸铁，其它应用很少。
    第三代耐磨材料------高铬铸铁和各类合金钢。高铬铸铁优点：硬度高，耐磨性好，韧性比镍硬铸铁大幅度提高。缺点：在高冲击条件下，韧性仍嫌不足。合金钢优点：可通过调整含碳量、加入不同含量的合金元素及相应的热处理工艺，获得宽范围的硬度与韧性相匹配的综合机械性能，应用范围更广。
    1. 高锰钢系列耐磨材料
    在大型破碎设备中高冲击力的工况条件下，大多采用标准型高锰钢，同时发展了合金高锰钢、中锰钢（6-8%mn）和超高锰钢（16.0-19.0 %mn）。

    2. 镍硬铸铁
    美国、日本等国在1930年前后开始使用镍硬铸铁，目前已发展到镍硬4#，铬含量由2%提高到9%，镍含量由4%提高到6%，金相组织中的碳化物由fe3c型变为m7c3型，使韧性等力学性能显著提高，铸态厚截面也可获得马氏体组织，硬度在hrc62以上，并具有一定的韧性，其特点是几吨重的大型磨辊，可以不经热处理，铸态使用，用于立式磨的磨盘和磨辊。
    3. 高铬铸铁
    美国climax钼公司率先对含铬10-30%的合金白口铁进行了研究，发现高铬铸铁有很多优点。第一：在含铬12%时可以形成cr7c3型碳化物，显微硬度hv1300-1800，比普通白口铁中fe3c型碳化物的显微硬度（hv800-1100）高很多，因此耐磨性好；第二：碳化物形状变为断网状、菊花状，因此比网状碳化物韧性高；此外，高铬铸铁的基体可以通过不同的热处理工艺来获得从全部奥氏体到全部马氏体的各种基体，扩大其应用范围，满足不同工况条件的需要。
    3. 高铬铸铁
    美国climax钼公司率先对含铬10-30%的合金白口铁进行了研究，发现高铬铸铁有很多优点。第一：在含铬12%时可以形成cr7c3型碳化物，显微硬度hv1300-1800，比普通白口铁中fe3c型碳化物的显微硬度（hv800-1100）高很多，因此耐磨性好；第二：碳化物形状变为断网状、菊花状，因此比网状碳化物韧性高；此外，高铬铸铁的基体可以通过不同的热处理工艺来获得从全部奥氏体到全部马氏体的各种基体，扩大其应用范围，满足不同工况条件的需要。
    4. 耐磨合金钢
    上世纪80年代以来，我国科研工作者根据高锰钢韧性富余硬度过低、高铬铸铁硬度很高韧性不足的状况，借鉴国外经验，结合我国资源，研发出多种耐磨合金钢，具有较高的韧性及硬度，综合机械性能优良，应用范围更广。按含碳量和合金含量分为下列3类：
    4.1   低碳低合金钢
    由于含碳量及合金含量均不高，热处理通常采用水淬，可获得足够高的韧性和较高的硬度，在较强烈冲击磨损条件下代替高锰钢。化学成分如表9，力学性能如表10。
    4.2   中碳低合金钢
    水淬低碳低合金钢有良好的韧性、较低的成本，但由于碳含量低，淬火后的硬度难以进一步提高，耐磨性不足，且水淬工艺控制不好的话，铸件容易开裂。为此，增加碳含量，提高其硬度并适当牺牲韧性，通过变质处理、采用油淬或空淬的方法提高钢的综合性能，满足低、中冲击高耐磨性工况条件的要求。化学成分如表11，力学性能如表12。
    4.3   中碳中合金钢
    由于中碳低合金钢的合金含量不高，淬透性差，油淬工艺复杂、成本高，因此又研制了适当提高合金含量、采用风淬的中碳中合金钢。具有代表性的是合肥水泥研究设计院89年鉴定的中碳多元合金钢，热处理采用风淬，金相组织为马氏体+弥散碳化物，力学性能为：硬度hrc42-55，冲击韧性15-50j/cm2，综合机械性能优异，在大型磨机衬板、隔仓板、篦板及颚板上应用，使用寿命是高锰钢的2-3倍。化学成分如表13，力学性能。综观国内金属耐磨材料现状，品种系列已基本齐全，其中以耐磨合金钢、高铬铸铁的发展最为迅速，可以满足各种生产规模水泥生产线的需求。
 
    5. 典型易损件耐磨材料的选择
    5.1 锤式破碎机锤头
 
    5.1.1 磨损机理
    当物料与高速旋转的锤头撞击时，物料尖角压入锤面，形成撞击坑，其冲击力全部转为对锤面的压应力，此时锤头属于冲击凿削磨损。当物料以一定角度撞击锤头或锤头与篦板相互搓磨时，冲击力分解为平行锤面的切向应力，对锤头表面进行切削，形成一道道切削沟槽，则为切削冲刷磨损。
    5.1.2 影响锤头使用寿命的因素
    锤头的磨损情况与诸多因素有关，如：物料性质（入机粒度、种类、硬度、水分、温度等）、锤头线速度、篦板篦缝的大小等，会有相当大的差异。合理选材十分重要。
    5.1.3 锤头材料的选择
    大型破碎机、进料粒度＞400 mm、单重 50-125 kg以上的大锤头，因为受冲击力大，应该使用安全为前提，主要选择高韧性的超高锰合金钢，也可选用合金化高锰钢。
    中小型破碎机、入料粒度＜200mm、单重50kg以下的锤头，受冲击力相对较小，普通高锰钢加工硬化能力不能充分发挥，因而不耐磨，应该选择含碳量为上限的合金高锰钢或中低碳合金钢。
    小型破碎机、入料粒度＜50mm、单重15kg以下的锤头，受冲击力更小，不适宜选用高锰钢，可选择中碳中合金钢，更适宜选用复合铸造锤头。锤头顶部采用高铬铸铁，锤柄用35#钢或低合金钢，两种材料分别发挥各自的特点。
    入料粒度＜100mm 的细碎机锤头，受冲击力适中，应选用高韧性超高铬铸铁，硬度>hrc60，冲击韧性>ak8j/cm²，使用寿命可比高锰钢提高3-5倍。
    破碎旋窑熟料或高硬度矿物的细碎机，高韧性超高铬铸铁的硬度不能无限度提高，应选择硬质合
金与超高铬铸铁、结构钢组合的“三合一”组合锤头。
    钴基硬质合金的硬度高达hrc70以上，抵抗高硬度物料的磨损效果最好，使整体锤头的使用寿命大幅度提高。例如：产量100t/h的pcx100型细碎机中一付组合锤头可破碎熟料15万吨。
    5.2 单段锤破大锤头
    用于破碎500-1500mm大块石料的单段锤式破碎机，锤头单重80-220kg。因承受的冲击力太大，锤头材质有如下5种选择。就作者的经验，因石灰石的性质差异太大，目前尚不能确认哪种方案最好，只能通过对比使用后合理选择。
    5.2.1 合金高锰钢：在zgmn13中加入cr、mo等合金。
    5.2.2 超高锰钢：含mn16%以上，并加入cr、mo等合金。
    5.2.3 表面堆焊：高锰钢锤头工作面堆焊tm55(mn系)、zd3(cr系)等，表面堆焊层硬度hrc56-62。
    5.2.4 双金属铸造：magotteaux公司头部高铬铸铁＋柄部铬钼合金钢（头部：3.4%c，16%cr，hrc≥61。柄部：0.2%c，1.9%cr）。
    5.2.5 合金高锰钢头部镶铸硬质合金块。
    5.3 立磨辊
    5.3.1 中小型磨辊：高铬铸铁整体铸造，hrc62－64。镍硬铸铁ⅳ整体铸造，hrc58－64。
    5.3.2 大型磨辊：上述两种材质分块铸造。
    5.3.3 表面堆焊：碳钢堆焊新辊和旧辊修复。
    5.3.4 双金属复合磨辊------duocast ®(塑性铸铁＋高铬铸铁镶嵌块)。
    magotteaux公司在塑性铸铁（hb320）上，以机械方式镶嵌燕尾槽的高铬铸铁块（fmu18，cr≥16%，hrc ≥64）。其优点：①同样材质的高铬铸铁镶嵌块比整体铸造的磨辊硬度高，耐磨性更好。②塑性铸铁对立磨运行中产生的各种应力的扩散有非常好的阻碍作用。即使金属异物使镶嵌块产生裂纹，也难以向内部扩展。设备运行更可靠。③耐磨寿命比nihardⅳ提高50%以上。④镶嵌块之间的塑性铸铁磨损快，形成小凹槽，增加了对物料的咬合力，可提高粉磨效率。
    5.3.5 金属基陶瓷复合材料磨辊------x-win ®。
magotteaux公司将陶瓷颗粒均匀地分布在高铬铸铁的蜂巢状结构中。其优点：①陶瓷的硬度hv2100，远高于其它材料的硬度(石英hv-1800，nihardⅳ和高铬铸铁hv<900，熟料hv-600)，因此具有优异的耐磨性。②磨辊使用寿命比nihard ⅳ和高铬铸铁提高1倍
以上。③x-win应用于立磨盘，使用寿命提高1-3倍。④x-win应用于熟料破碎机，使用寿命比合金锤头提高1-1.8倍。
 
    5.4 磨机粗磨仓衬板
    5.4.1 磨损机理
    通常粗磨仓入磨粒度为15-25 mm，研磨体平均球径75mm左右，最大球径ø90mm。磨机回转时，球和物料以较大的冲击力凿削衬板；球在下落的滑动或滚动中挤压物料，物料尖角切削衬板，因此粗磨仓衬板磨损机理是以高应力冲击凿削磨损为主，挤压切削磨损为辅。
    5.4.2 材料的选择
    粗磨仓衬板受高应力冲击要求材料有足够韧性，受切削磨损要求材料有高硬度。根据磨损原理，材料硬度(hm)应达到物料硬度(ha)的0.8-1.2倍，即hm/ ha=0.8-1.2，水泥熟料硬度为hv500-550，相当于hrc49-53。所以衬板材料硬度应在hrc50以上才耐磨，同时要求冲击韧性>ak10j/ cm²才能不开裂，满足安全使用要求。因此粗磨仓衬板应选择中碳多元合金钢及类似合金钢材料，硬度>hrc48，冲击韧性>ak15j/ cm²，使用寿命可达2-3年。
    如果磨前有细碎机或辊压机作预粉磨，并采用单螺孔的沟槽衬板结构，应选择高铬铸铁，使用寿命可达8年以上。
    5.5 磨头端衬板
    5.5.1 磨损机理
    磨头端衬板在粗磨仓进料端，物料粒度大，平均球径大，受磨球和物料的侧冲击力大，磨损机理以高应力冲击凿削磨损和切削冲刷并重。特别是中间部位磨损最大。
    5.5.2 材料的选择
    磨头端衬板应选择韧性高、耐冲击、硬度高的抗切削材料，应选择中碳多元合金钢，使用寿命可比高锰钢提高一倍。<ø3米磨机的单块磨头端衬板，应在磨损最大部位加厚。>ø3米的大型磨机磨头端衬板，应在径向上分2-4圈，减小单块磨头衬板的尺寸，可选择高铬铸铁类耐磨材料，使用寿命可比高锰钢提高3-4倍。