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大型石灰石破碎機錘頭材質選擇

2018-12-07

隨著新型干法水泥大型裝備技術的快速發展,國內5 000t/d、10 000t/d大型干法水泥生產線日益增多。石灰石作為水泥生產的主要原材料,為確保其充足供應,大多水泥生產廠家采用大型單段轉子錘式破碎機(臺產400~1 200t/h,應用于一破或粗破)進行破碎,外形結構見圖1。破碎后的石灰石入球磨機研磨,粉磨至一定細度后出磨,出磨后的石灰石粉與其它輔料一起進入旋窯,經高溫煅燒后變成水泥熟料,熟料經高溫冷卻破碎后入庫貯存,貯存的熟料經輥壓機碾壓后入球磨機研磨,粉磨至一定細度后出磨,出磨后的細粉直接作為水泥成品包裝銷售。

水泥廠用石灰石大多為露天爆破開采,原始塊度尺寸很大(500~1 500mm),由鏟車或裝載車倒入料倉,經板鏈機輸送至破碎機進料口,石灰石落至帶有減震裝置的給料輥上,兩個同向回轉的給料輥將石灰石送入高速旋轉的轉子上,錘頭以較高的線速度(30~50m/s)打擊石灰石,同時擊碎或拋起料塊,被起的料塊撞擊到反擊襯板上或自相碰撞而再次破碎,然后被錘頭帶入破碎板和出料篦板工作區繼續受到打擊和擠壓破碎,直至小于篦縫尺寸(篦縫25~75mm時從機腔下部排出,物料破碎比高達1∶20~1∶60,由此可見大型石灰石破碎機的工況條件十分惡劣。

大型石灰石破碎機關鍵易磨件的錘頭在工作運轉過程中,需要承受大塊物料的強烈沖擊,要求具有良好的沖擊韌性和較高的硬度。由于各水泥生產廠家石灰石品質、轉速、進料粒度、物料綜合水分等方面的差異較大,同樣材質錘頭的使用壽命差異很大,短則幾天就磨損完,長則幾年運轉良好。由此可見,在成本最低和效率最高的情況下,選擇適合自己破碎機工況條件材質的錘頭就顯得十分關鍵。

大型石灰石破碎機錘頭重量約80~150kg,外形見圖2。目前常用的錘頭材質主要有高錳鋼、超高錳鋼、雙金屬液熱復合三大類,通過特殊的生產工藝而衍生的材質10余種。如有高錳鋼(Mn13)、合金高錳鋼(Mn13CrMo)、高錳鋼工作表面堆焊耐磨層、高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、高錳鋼鑲鑄鋼結硬質合金、超高錳鋼(Mn18CrMo)、超高錳鋼工作表面堆焊耐磨層、超高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、超高錳鋼鑲鑄鋼結硬質合金、雙金屬液熱復合。

1 高錳鋼類錘頭及適應工況條件

1.1 高錳鋼

高錳鋼是傳統的耐磨材料,距今已有100多年的歷史。高錳鋼鑄態組織為奧氏體和部分碳化物。碳化物數量多時會在晶界上以網狀出現,嚴重割裂基體組織,降低了基體組織的韌性;但經過水韌處理后,基體組織完全奧氏體化,塑性和韌性大大提高,化學成分及性能見表1。在較大的沖擊或接觸應力的作用下,高錳鋼表層奧氏體組織發生相變硬化和加工硬化,原始硬度由HB180~200迅速上升到HB450~500,耐磨性得到極大的提高。

外載荷越大,高錳鋼表層加工硬化程度越高;但從表面向內的變形程度逐漸減少,加工硬化程度逐漸降低;因此加工硬化層的下面仍是奧氏體組織,它與硬化層牢固地結合在一起,具有良好的抗磨料犁削磨損性能和較好的抗沖擊疲勞性能。當表層硬化層逐漸被磨耗的同時,在強烈外載荷的作用下,硬化層不斷向內發展,始終維持穩定的硬化層,具有較好的抗磨性能。

1.2 合金化高錳鋼

為了進一步提高高錳鋼的耐磨性能,在保留足夠韌性的前提下,對高錳鋼進行合金化處理,研制了改性合金高錳鋼。如單獨或復合加入Cr、Mo、V等,改善高錳鋼的屈服強度、奧氏體加工硬化能力、晶粒細化度、彌散強化程度等,進一步提高高錳鋼的使用壽命。

Cr是強擴散元素,影響碳的擴散過程,提高奧氏體的穩定性、屈服強度和淬透性。Cr是較強的碳化物形成元素(與Mn比較),能形成比(Fe·Mn)3C更穩定的(Fe·Cr)3C型合金滲碳體。當Cr含量超過2.5%時,基體組織韌性急劇下降。高溫時,Mo固溶奧氏體,冷卻凝固后部分固溶于體中,部分分布在碳化物中,改善奧氏體沿樹枝晶發展的傾向,抑制過冷奧氏體分解,提高奧氏體的穩定性。合金化高錳鋼經過沉淀強化熱處理,晶粒細化,奧氏體晶界基本無碳化物出現。雖然基體上有部分碳化物,但呈細小顆粒狀均勻彌散分布,是奧氏體基體的強化相,大大提高了合金高錳鋼的耐磨性。

1.3 高錳鋼工作表面堆焊耐磨層

隨著表面堆焊技術的發展,研制了高錳鋼工作表面堆焊耐磨層錘頭。堆焊時,在高溫脆性區,晶界周圍易產生低熔點共晶體,如Fe+FeS(熔點985℃)、FeS+FeO(熔點940℃)及Fe+Fe3P(熔點1 050℃)等。由于高錳鋼的線膨脹系數大(約為低碳鋼的1.3倍),導熱系數低(約為低碳鋼的1/5),焊接時易產生較大的熱應力和組織應力,易發生過熱現象;降低了焊接接頭和焊縫的韌性,同時易產生熱裂紋。

奧氏體基體組織受熱至300℃以上時,碳化物會沿晶界析出,破壞了奧氏體組織的完整性,晶界碳化物的聚集會使高錳鋼脆化。為避免高錳鋼基體性能惡化,基本上采用“冷焊”工藝,即采用各種方法使高錳鋼基體在焊接過程中保持在較低溫度,減少基體在300℃以上的停留時間。針對高錳鋼錘頭堆焊后不進行水韌處理的工況,為降低焊接時產生的熱應力和組織應力,采用堆焊層組織結構逐漸過渡(母材+中間過渡層+耐磨層)的復合堆焊技術方案,確保焊接接頭和焊縫具有足夠的韌性。堆焊后耐磨層金屬(耐磨層厚約5~10mm)的硬度為HRC55~60,使用壽命大大提高。

1.4 高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、鑲鑄鋼結硬質合金

高錳鋼韌性高,抗強烈沖擊能力高。高鉻合金鑄鐵合金含量高,經過適當的熱處理后,其組織為:M7C3型碳化物+馬氏體+彌散分布的二次碳化物+殘余奧氏體,宏觀硬度達HRC60以上,抗磨損能力強。鋼結硬質合金是以難熔金屬碳化物(主要是TiC、WC)作硬質相,以碳鋼為粘結相,用粉末冶金法制取的復合材料。其組織特點是,微細的硬質相晶粒均勻彌散地分布于碳鋼基體中,具有較高的抗磨損性能。為充分發揮高錳鋼優良的抗沖擊性能和高鉻合金鑄鐵(或鋼結硬質合金)較強的抗磨損性能,采用鑲鑄生產工藝見圖3,將兩種材料有機地結合在一起,經水韌處理后,獲得具有較高綜合性能和抗磨損性能的復合新材料。

 

具體鑲鑄生產工藝過程為:在型腔某部位預先放人具有良好耐磨性的預制塊(高鉻合金鑄鐵或鋼結硬質合金),然后向型腔內澆注具有良好韌性的母液(高錳鋼),通過母液強烈的熱作用,使鑲塊與母液接觸的界面上在一定的時間內處于熔化或溶解狀態并發生元素的相互擴散及冶金反應,冷凝后,鑲塊與母材牢同的熔焊為一體。

綜上所述,高錳鋼、合金高錳鋼、高錳鋼工作表面堆焊耐磨層錘頭適合石灰石品質較高(石灰石中硅含量≤2%,抗壓強度≤120MPa)、錘頭線速度較高(35~40m/s)、進料粒度較大(800~1 000mm)、物料綜合水分高(≥2%)的工況條件。高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、鑲鑄鋼結硬質合金錘頭適合石灰石品質較差(石灰石中硅含量≥2%,抗壓強度≥120MPa)、轉速較低(30~35m/s)、進料粒度較小(500~800mm)、物料綜合水分較低(≤2%)的工況條件。

2 超高錳鋼類錘頭及適應工況條件

2.1 超高錳鋼類錘頭

超高錳鋼是近年來在普通高錳鋼(Mn13)標準成分的基礎上通過提高碳、錳的含量發展而來的。它是在錳含量(質量分數)增加到l4%~18%的同時,加入1%~3%的Cr和適量的Ti、V、Mo等合金強化元素,化學成分及性能見表2。超高錳鋼的形變強化能力(加工硬化率)比普通高錳鋼要好,相同形變量下,超高錳鋼比普通高錳鋼有更高的形變硬度。如變形20%時在,普通高錳鋼形變硬度約為360HB,而超高錳鋼形變硬度可達到400HB。在抵抗強沖擊、大壓力作用下的磨料磨損或鑿削磨損方面,超高錳鋼的使用壽命是普通高錳鋼1.5~2倍

 

超高錳鋼具有顯著的加工硬化特點。鑄態的超高錳鋼經過水韌處理后形成單一的奧氏體組織,硬度僅為l70~220HB,但是經過形變后出現顯著加工硬化現象,其顯微組織出現許多滑移帶,甚至出現晶粒扭曲、滑移帶彎曲或滑移臺階,形變層的硬度可以達到500~800HB,硬化層的深度可以達到10~20mm。

這個深度及曲線的形狀與所承受的沖擊載荷、化學成分以及機械性能等因素有關。硬化層的高硬度和良好韌性,使其具有了優良的抗磨性能。

為了進一步提高超高錳鋼的耐磨性能,在保留足夠韌性的前提下,相繼研制了超高錳鋼工作表面堆焊耐磨層、超高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、超高錳鋼鑲鑄鋼結硬質合金錘頭,其生產工藝和制作流程與相應高錳鋼材質錘頭類似,不再累述。

2.2 適應工況條件

綜上所述,超高錳鋼、超高錳鋼工作表面堆焊耐磨層錘頭適合石灰石品質較高(石灰石中硅含量≤2%,抗壓強度≤120MPa)、錘頭線速度很高(40~50m/s)、進料粒度很大(1 000~1 500mm)、物料綜合水分較高(≥2%)的工況條件。超高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、鑲鑄鋼結硬質合金錘頭適合石灰石品質較差(石灰石中硅含量≥2%,抗壓強度≥120MPa)、轉速較高(35~40m/s)、進料粒度較大(800~1 000mm)、物料綜合水分較低(≤2%)的工況條件。

3 雙金屬液熱復合錘頭及適應工況條件

3.1 雙金屬液熱復合錘頭

為解決單一材料韌性和硬度的矛盾,提高錘頭的抗磨性能,研制了新型抗磨材料-雙金屬液熱復合錘頭,化學成分及性能見表3。采用雙金屬液熱復合鑄造生產工藝,成功地將具有高硬度的高鉻合金鑄鐵(錘頭工作部位)與具有良好韌性、可加工性的鑄鋼(錘頭柄部)有機地結合在一起,具有單一金屬材料難以達成的優良耐磨性和抗沖擊的整體綜合性能。

 

利用雙金屬液熱復合鑄造工藝生 產的高鉻合金鑄鐵/ZG35雙金屬破碎機錘頭成功應用于強沖擊工況條件,并取得較好的使用效果,其鑄造工藝見圖3。雙金屬液熱復合鑄造工藝生產過程關鍵控制為:在不使其混合的情況下,使兩種金屬熔為一體;同時要形成盡可能大的熔合面積,增加兩種材料的粘結程度。為此,采取了如下措施:結合面取在最大截面A處,底部設置U形冷鐵,以保證ZG35由下而上的凝固順序;設溢流口B,確保結合面的位置不變;為防止在澆注高鉻合金鑄鐵時,ZG35被沖混,高鉻合金鑄鐵澆口設在C、D處,以求水頭平穩。

雙金屬液復合鑄造工藝的成敗關鍵在于兩種金屬的界面熔合優劣和熔合強度的高低,界面熔合狀態分為冶金熔合和機械熔合兩大類。因為冶金熔合強度遠遠高于機械結合強度,一般都追求冶金熔合狀態,但很多情況都是冶金熔合與機械熔合共存。界面熔合狀態可以用冶金熔合率來表征,即發生冶金熔合的界面面積占總界面面積的百分數。只要冶金熔合率大于一個臨界值,就可以認為熔合良好。熔合狀態的判斷帶有很多主觀性和專業性,如何簡易直觀地定量表征界面熔合狀態還需要進行深入細致的研究

3.2 適應工況條件

綜上所述,雙金屬液復合錘頭適合適合石灰石品質較差(石灰石中硅含量≥2%,抗壓強度≥120MPa)、錘頭線速度較低(30~35m/s)、進料粒度較小(500~800mm)、物料綜合水分較低(≤2%)的工況條件。

4 錘頭失效分析與整改措施

4.1 化學成分

主要元素(C、Cr、Si、Mn)匹配不合理或有害元素(S、P)含量超標時,錘頭的機械性能大大降低,輕則磨損嚴重,重則錘頭斷裂。實際生產制造過程中,應嚴格控制原材料有害成分,優化匹配主要元素化學成分,以獲得優良的綜合性能。

4.2 生產工藝

鑄造工藝控制不當時,錘頭表面或內部存在夾渣、縮孔、裂紋、等鑄造缺陷,降低了錘頭的機械性能,嚴重時造成錘頭斷裂。采取平做立澆(或者傾斜澆注)、合理使用外冷鐵和發熱冒口、嚴格控制澆鑄溫度和澆注速度等措施,形成良好的凝固順序和補縮條件,獲得致密的內部組織。

熱處理工藝制訂不當時,錘頭基體組織中析出大量的網狀碳化物,嚴重割裂基體組織,大大降低基體抗沖擊性能,嚴重時造成錘頭斷裂。應根據錘頭的材質特性,合理選擇淬火溫度、保溫時間和淬火介質,嚴格控制升溫速度和冷卻速度,在保證錘頭具有足夠沖擊韌性的前提下,均勻彌散析出一定數量的具有較高硬度的碳化物,作為基體的強化相,大大提高錘頭的耐磨性。

4.3 使用工況

石灰石品質、錘頭線速度、進料粒度、物料綜合水分等使用工況條件變化較大時,錘頭材質未及時調整,輕則磨損嚴重,重則錘頭斷裂。生產運轉過程中,應根據轉子石灰石品質、轉速、進料粒度、物料綜合水分等使用工況條件的變化程度,及時調整錘頭的材質,延長錘頭的使用壽命。

5 結 語

(1)石灰石破碎機錘頭在工作運轉過程中,需要承受大塊物料的強烈沖擊,要求具有良好的沖擊韌性和較高的硬度。

(2)由于石灰石品質、轉速、進料粒度、物料綜合水分等方面的差異,同樣材質錘頭的使用壽命差異很大,因此選擇合適材質的錘頭十分關鍵。

(3)石灰石破碎機錘頭材質主要有高錳鋼、超高錳鋼、雙金屬液熱復合三大類,通過特殊的生產工藝而衍生的材質多達10余種。

(4)石灰石破碎機錘頭的失效主要由化學成分、生產工藝和使用工況三方面原因引起。


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