球磨機襯板的選材及應用

摘要

 通過對水泥行業用球磨機襯板的工作狀況及受力條件分析，確定不適合采用普通高錳鋼。在<3m及以下磨機上應用多元高鉻鑄鐵安全可靠，壽命比高錳鋼提高2.5 以上。在<3m及以上磨機上應用中碳低合金耐磨鋼具有很好的 ， 使用球磨機壽命比普通高錳鋼提高1.5 以上。

關鍵詞: 球磨機； 筒體襯板；多元合金；長徑比

球磨機襯板和磨球是我國年耗量達200 t的耐磨鋼鐵件中用量 的一類， 不同行業的不同工況條件， 對耐磨材料的要求有很大不同。隨著我國經濟建設的發展，水泥需要量在逐年增加，耐磨材料的消耗也在相應增加，這就會更大量的消耗金屬，增加水泥生產成本。對于有特殊要求的水泥(如白水泥)還會降低水泥質量，嚴重的會使生產無法順利進行。按2003年的水泥產量推算， 僅襯板就需要優質耐磨鋼材6 多噸，況且目前我國用以生產襯板的材料參差不齊，實際消耗量可近10 t。本文針對水泥行業的特點，認真分析了筒體襯板的工作環境及磨損失效原因，研究選擇了襯板材料并進行了生產方面的應用。

1、球磨機襯板工作條件分析

1.1 受力分析

球磨機襯板的主要作用是保護磨機， 并利用襯板的凸峰帶起磨球， 對物料進行研磨和粉碎。所以襯板的主要失效形式是小能量多次沖擊下的磨料磨損。圖1為磨球與物料的運動圖。研磨體群和物料在運動中， 大直徑的磨球主要分布在外圈， 瀑落時大部分砸在物料床底部， 只有小部分砸在襯板上， 由于物料的緩沖作用和物料與研磨體在工作中相互撞擊打亂了研磨體的運行軌跡， 使得落擊點偏離， 下降高度降低。因而大大減緩了研磨體對襯板的一次沖擊， 增加了沖擊次數， 提高了沖擊頻率。

球磨機對襯板的沖擊情況，見圖2。球磨機的落擊點直徑D0小于磨機的有效直徑D，通過大量分析確定倉內研磨體的大多數是幾經撞擊折落后方才撞擊到襯板上， 所以襯板所受到的沖擊遠小于0. 95D (通常襯板的厚度占有效直徑的0. 5%)垂直下落物體所產生的沖擊能。

圖3 顯示了磨球的相互位置關系。當磨球被旋轉的球磨機襯板帶到一定高度下落時， 只有當X > r1+ r2 時研磨體Q1在運行中不與研磨體Q2接觸，Q1 的運動方向V0才不會發生改變，形成對襯板的直接沖擊；當X = r1+ r2 時，Q1 與Q2擦肩而過，Q1的運動方向V0也不會發生較大變化， 但少量的摩擦會減少對襯板的沖擊作用； 而大多數屬于X< r1+ r2 的情況， 不會形成對襯板的直接沖擊作用。

研磨體對襯板沖擊造成襯板斷裂的主要作用力， 是襯板表面與研磨體接觸點切向的垂直分力， 這個力的大小受襯板形狀; 研磨體運動狀態、速度和方向等諸因素影響， 使之很大程度上削弱了直接作用的強度， 使襯板受沖擊程度得到改善。

1.2 襯板的幾何形狀和安裝狀態

為了提高襯板使用壽命， 降低材料消耗和生產成本，在符合水泥粉磨工藝要求的條件下， 進行合理的結構設計是十分重要的。冀東水泥公司、河北太行水泥公司等單位引進的大型磨機， 所使用襯板塊度小、板厚大、無螺栓安裝， 給襯板應用高硬度材料奠定了良好的設計基礎， 使襯板壽命的大幅度提高成為可能。我國的球磨機襯板目前仍較多延用著高錳鋼的設計基礎， 從幾何結構上看通常薄而大， 并且在螺栓安裝孔部位有明顯的應力集中。在采取新型高耐磨性鑄造材料時必須考慮到這一點， 注意進行必要的結構改進， 才能保證新型耐磨材料穩定應用， 發揮其特有的優勢。

另外， 安裝質量對高硬度材料的可靠服役同樣起著極其重要的作用， 經過長時間的試驗探索發現，對于高硬度、高耐磨性鑄造材料的應用， 襯板的供貨商與應用單位須要很好配合讓使用者較好了解新型材料的特點， 安裝時進行良好的襯墊， 做到襯板不懸空、不松動， 并能得到一定的襯墊緩沖作用。這在水泥磨的安裝過程中是容易做到的， 它能有效的保證襯板的良好耐磨性得到很好的發揮。

2、常用襯板材料的主要失效形式及分析

直到目前國內水泥行業球磨機襯板的材料仍然有近一半采用普通的高錳鋼， 高錳鋼襯板的主要失效形式有以下幾種:

①斷裂失效: 球磨機襯板因受到研磨體和物料的較大沖擊， 特別是目前水泥磨向著高效節能的大型化發展的形勢下襯板的受沖擊功作用增大。斷裂的危險性增加， 盡管高錳鋼韌性很好， 但目前供貨質量不能很好保證， 例如出現含碳量過高， 錳碳比不當， 水韌處理存在問題時會發生斷裂失效。

②突起變形: 高錳鋼襯板在工作中受到研磨體和物料的不斷沖擊產生相變使體積增大， 同時還由于沖擊帶來塑性材料的延展， 造成襯板厚度尺寸降低， 周向尺寸加大的塑性變形， 而襯板的周向尺寸受球磨機外形尺寸的限制， 沒有多少伸縮空間導致襯板突起， 引起緊固螺栓的拉斷， 造成部分襯板脫落等嚴重后果。這種現象在較大型磨機上時有發生， 在小型磨機上也有發生。

③磨損失效: 磨料磨損是球磨機失效的主要形式之一， 即使在大磨一倉工作的襯板承受的應力較大，表面容易產生加工硬化， 但這種硬化層很薄，在磨料的反復作用下， 被擠壓變形隆起的金屬及受大塊磨料棱角沖擊的硬化層很容易開裂而剝落。

經研究發現更多條件下的襯板表面 加工硬化的程度有限，就更加速了研磨體、物料與襯板的干摩擦磨損， 并伴隨有鑿削和犁鏵現象發生。經過對襯板工作狀況和高錳鋼襯板的失效分析， 我們認識到針對水泥磨機的工作條件選擇具有較好綜合機械性能的高硬度、高耐磨性材料生產該條件下應用的襯板是安全有效的。

3、球磨機襯板材料的選擇

3.1 選材條件

用以水泥生產的球磨機多為長徑比L /D>2.5 的管磨機。磨機有粗磨倉和細磨倉(有些為三倉) ， 粗磨倉主要起破碎作用， 細磨倉主要起研磨作用。粗磨倉的筒襯體板以階梯襯板和波型襯板為主， 一些新型高效節能磨機的襯板也未脫離它們的基本形式。細磨倉則以花紋襯板、小波紋襯板、平襯板等形式為主。粗磨倉和細磨倉的作用不同， 所裝載的研磨體的球徑不同， 形成的對襯板的沖擊也有很大不同。同等磨機直徑， 粗磨倉的研磨體直徑大， 物料塊度也大， 襯板的沖擊大， 磨損的速度高; 細磨倉的情況則好得多。選擇襯板材料時必須根據不同條件確定不同的材質。

3.2 選擇襯板材料應考慮的主要問題

1) 相對耐磨性或使用壽命要高；

2) 有適當的強韌性， 保證襯板在服役過程中的安全可靠性是尤為重要的；

3) 除要考慮襯板本身的生產費用外， 還要考慮安裝費， 更換襯板的停機費、勞務費、輔助材料的消耗及生產率等多方面內容。

3.3 材料的選擇

工業增長增加了耐磨件的消耗進而刺激并拉動耐磨材料產業的發展。已經產業化的40-50 個典型牌號的耐磨鋼鐵材料生產工藝、力學性能和工業應用 各有不同， 目前已形成了多品種小批量的工藝特點。我們經過多年耐磨材料的生產及研究工作， 認為就我國的水泥生產條件，在<≤3.0m 的磨機的粗磨倉上應用多元合金化的高鉻鑄鐵可以安全穩定應用， 且具有極好的耐磨 和綜合經濟 ；在<>3m磨機的粗磨倉上應用中碳低合金鉻錳鋼具有很好的耐磨 和適當的綜合機械性能。對于細磨倉一般可選用多種形式的耐磨鋼鐵材料，同樣應用我們研制并生產的中碳低合金鉻錳鋼收到很好 。如有較強的 能力應用高鉻鑄鐵可以達到多年不更換的 ，綜合經濟效益和社會效益較為突出。

4、襯板的生產及應用

4.1 多元合金化的高鉻鑄鐵襯板的生產及應用

用2. 222.8C、13216Cr、0. 521. 0Si、0. 621. 2M n、0. 521.3Mo并適當加入Cu、T i、V 等多種微量合金，采用砂型或半金屬型的鑄造工藝， 進行空冷加強制風冷淬火， 配合適當的低溫回火工藝， 得到基體組織為馬氏體加少量殘余奧氏體， 碳化物以M 72C3 型為主的合金及工藝生產了粗磨倉簡體襯板， 先后在河北太行水泥股份有限公司的<3m ×14 m 的5臺三倉水泥磨機的一倉上應用， 取得了良好的應用 。該公司原來一直使用高錳鋼襯板， 一般使用壽命僅為10 左右， 且在運行中經常因襯板變形造成螺栓斷裂而停機檢修， 無法滿足正常生產要求。自開始使用多元合金化高鉻鑄鐵襯板使用壽命均達到了兩年以上， 一般為三年， 水平達到42 ，平均壽命提高了2. 5 以上，保證了水泥生產的順利進行，大大減少了因停機而造成的產量減少，裝機費用及螺栓等附件的費用，降低了生產的綜合成本。使用壽命及主要經濟效益分析見表1。

4. 2 中碳低合金鉻錳鋼襯板的生產及應用

用含0. 3820. 52C、1. 622. 5Cr、0. 521. 2Si、1. 522. 4M n、0. 220. 5Mo 的中碳低合金鑄鋼， 并進行適當的變質處理， 采用砂型鑄造工藝， 進行強制風冷加霧冷淬火， 配合適當的低溫回火， 獲得了以合金馬氏體為主的基體組織， 宏觀硬度為46255 HRC。生產的隔倉板、出料篦板等襯板先后在***公司的<3m ×11m、<3. 2 m ×11 m 的水泥磨上應用， 取得了良好的應用 。該公司原用高錳鋼襯板， 使用壽命為半年左右， 且經常因襯板變形造成拆卸極為困難， 無法滿足正常生產要求。自開始使用中碳低合金鑄鋼襯板的平均使用壽命為一年半， 水平達到兩年， 壽命提高了兩 以上， 大大少了停機檢修次數， 降低了生產的綜合成本。在滄州鐵獅子建材有限責任公司的<2.6m×13m水泥磨機應用的筒體襯板， 使用壽命為兩年半， 比原來應用的高錳鋼襯板的壽命一年， 提高了1.5 。

5、結論

1) 通過對大型水泥磨襯板的實際應用條件分析認為: 球磨機襯板直接受到較大沖擊功作用的幾率較小， 使用具有一定強韌性的高硬度高耐磨性材料是安全可靠的。

2) 選材時注意不同直徑磨機所承受的沖擊功和磨損條件不同區別對待。

3) 普通高錳鋼在球磨機襯板的應用， 不能很好發揮加工硬化作用， 失效形式多樣， 壽命較低。

4) <3m磨機的破碎倉上應用多元高鉻鑄鐵安全可靠， 壽命提高2.5 以上。

5) <3m及以上磨機上應用中碳低合金耐磨鋼具有很好的應用 ， 使用壽命提高1.5 以上。