立式磨粉磨硬質/高硅非金屬礦時耐磨材料的選擇及應用

袁鳳宇（合肥水泥研究設計院，安徽　合肥　230051）

YUAN Feng-yu（Hefei Cement Research & Design Institute， Hefei 230051， China）

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【礦物加工】

立式磨粉磨硬質/高硅非金屬礦時耐磨材料的選擇及應用

袁鳳宇
（合肥水泥研究設計院，安徽合肥230051）

【摘 要】基于料床粉磨原理的HRM型立式磨具有較高的研磨和分級效率，能夠適應當前非金屬礦產業(yè)規(guī)?；彤a品精細化的發(fā)展需求。立式磨粉磨一些硬質/高硅非金屬礦，能夠有效減少產品污染、降低設備維保費用，這些技術優(yōu)勢的發(fā)揮在很大程度上取決于關鍵部件耐磨材料的選擇及應用經驗，本文在此作簡要探討。

【關鍵詞】HRM立式磨；粉磨；非金屬礦；耐材

YUAN Feng-yu
（Hefei Cement Research & Design Institute， Hefei 230051， China）

我國是全球非金屬礦產資源品種較多、儲量較豐富的國家之一。隨著經濟、科技和社會的快速發(fā)展，對非金屬礦物材料的需求日益增加，作為不可再生資源，高效開發(fā)和利用非金屬礦是未來發(fā)展的必然要求。而開發(fā)利用水平已成為衡量一個國家經濟綜合發(fā)展實力的重要標志之一，而非金屬礦加工裝備與技術是提升非金屬礦資源開發(fā)利用水平的重要保證［1］。

眾所周知，雷蒙磨、球磨機、振動磨等加工裝備與技術，雖然在一定程度上滿足了軟質非金屬礦物（莫氏硬度＜4.0）產品加工的需求，在特定時期實現(xiàn)了一定的經濟效益。但是，對于硬質非金屬礦物（莫氏硬度＞4.0）產品加工，存在以下問題：①設備易損件磨損嚴重；②磨耗高，產品污染嚴重；③設備運行率低，檢修或修復率高；④企業(yè)經濟效益低下［2-3］。

近年來，立式磨及其粉磨技術的應用成為非金屬礦粉磨裝備與技術的主要進展之一。在非金屬礦產業(yè)規(guī)?；a品精細化的實踐應用中，突出表現(xiàn)為高效、節(jié)能、環(huán)保，并促進了該行業(yè)的加工技術升級。但是，對于莫氏硬度較高或高硅含量的硬質非金屬礦物料粉磨來說，也面臨著加工裝備本身所用耐磨材料的選擇問題。

鑒于此，本文借鑒其他粉磨裝備技術及HRM型立式磨在硬質非金屬礦行業(yè)的應用情況，探析立式磨粉磨硬質/高硅非金屬礦原料時如何優(yōu)選耐材的問題。

1　常見硬質非金屬礦物

常見的硬質/高硅非金屬礦物料有：高嶺土、葉蠟石、石英砂和滑石（高硅含量）等，表1列出了上述幾種物料的理化指標和產品要求。

由表1可見，這些物料的明顯特征是SiO2、Al2O3含量較高，都是較難粉磨的物料。高嶺土細度一般要求為45μm（325目）98%通過；葉蠟石作為玻纖的原材料，其細度一般要求45μm（325目）99%通過（且不能有大顆粒，不然影響玻纖拉絲成型）；石英砂細度一般要求為75μm（200目）95%通過，玻纖行業(yè)為45μm （325目）99%通過；滑石細度要求一般為23～45μm （400～600目）97%通過。這些細度要求都比較高，而立式磨正好符合這樣的加工需求——既具備足夠的粉磨能力（磨出成品），也具備精細的選粉精度（選出成品）。

表1　常見的硬質/高硅非金屬礦物的理化分析（%）

2　立式磨工作原理及磨損機理

2.1立磨工作原理

HRM型立式磨作為一種新型節(jié)能粉磨設備，其工作原理是：電動機驅動減速機帶動磨盤轉動，需粉磨的物料由鎖風喂料設備送入旋轉的磨盤中心，在離心力作用下，物料向磨盤周邊移動，進入粉磨輥道。磨輥在液壓裝置和傳動臂的作用下，向輥道內物料施加粉磨力，物料受到擠壓和剪切作用而被粉碎。同時，熱風（根據(jù)原料水分而定）從圍繞磨盤的風環(huán)高速均勻向上噴出，粉磨后的物料被風環(huán)處的高速氣流吹起，一方面把粒度較粗的物料吹回磨盤重新粉磨；另一方面對懸浮物料進行烘干，細粉則由熱風帶入分離器進行分級，合格的細粉隨同氣流出磨，由收塵設備收集下來即為產品，不合格的在分離器葉片作用下重新落至磨盤，與新喂入的物料一起重新粉磨，如此循環(huán)，完成粉磨作業(yè)全過程。

2.2磨損機理

立磨的工作原理及構造決定立磨的磨損主要分為擠壓磨損和風蝕磨損。對于不同部位的零部件，耐磨材料的選用首先是要有足夠的硬度，但對于立磨磨輥和磨盤襯板等粉磨組件，由于工作中需要施加很大的力且存在振動問題，因此，對材料的強度和韌性也有較高的要求。

（1） 擠壓磨損。目前立磨磨輥加壓多采用液壓加載系統(tǒng)（剛度達1.5～3.2kN/mm），工作壓力大，可達400～800kN，粉磨組件在工作中受到很高的擠壓力作用，并且接觸面和被粉磨物料間存在差速滑移（速度差），在部件表面表現(xiàn)為研磨和微觀切削，粉磨組件的工作條件越來越苛刻。

（2） 風蝕磨損。為保證立磨粉磨后的物料能及時被帶出磨外，磨內必須保證一定的通風量，即各部位須保持一定的風速。如磨內風環(huán)須保證有40～60m/s風速，這樣才能將被甩出磨盤的粉狀物料帶到磨機頂部選粉機進行粗細分離，在此過程中，高速向上的物料需要經過磨機殼體、選粉機殼體、導風葉片（靜葉片）、動葉片等部件，因物料的沖刷和撞擊造成這些部件的風蝕磨損。基于磨內氣—料流場分析，若能優(yōu)化磨內結構設計，能有效降低磨內風蝕磨損的程度。

3　耐磨材料種類

當前，耐磨材料的研發(fā)方興未艾，抗磨白口鑄鐵系列、高錳鋼系列、合金鋼系列、硬面堆焊系列、復合材料系列等五大類耐磨材料的應用取得長足進步，前四大類耐磨材料的綜合機械性能可提升的空間有限，而復合材料的研發(fā)和應用有巨大潛力，是今后進一步提高和改善耐磨鑄件使用性能的研發(fā)方向［4］。立式磨常用的耐磨材料分類見表2。

表2　立式磨常用的耐磨材料

用于干法磨機的襯板、球和段的耐磨材料已基本成熟定型，然而應用于其他耐磨鑄件的耐磨材料仍存在不少難題。立磨磨輥和磨盤采用硬面堆焊技術后，用于粉磨礦渣時明顯比抗磨白口鑄鐵材質更耐磨，但是用于粉磨鋼渣或高硅的高磨蝕性物料時，其耐磨性仍顯不足。

復合材料中的雙金屬復合鑄造和鑲鑄硬質合金兩類技術已較為成熟，且應用效果很好。然而，在某些高磨蝕性工況條件下，欲進一步提高耐磨鑄件的性價比，鑄滲陶瓷的顆粒增強金屬基復合材料將具有更廣闊的研發(fā)和應用前景［3］。

立磨作為一種成熟的粉磨設備，其主體結構和粉磨原理基本上已無可變更，但是對其耐材的選擇上是不斷更新的。針對不同的非金屬礦類型，有不同的耐材選擇來應對其特殊的粉磨要求，降低耐磨部件的維護和更換成本，也減少對產品的污染問題，長遠來看是為客戶節(jié)省開支、提升效益。

4　立式磨關鍵部位抗磨研究

立式磨是一種基于料床粉磨機理的制粉裝備，不同廠家的立式磨結構大同小異，其性能的優(yōu)劣在很大程度上取決于磨內關鍵部位耐磨材料的選擇。一般立式磨中的關鍵部位見下頁圖。

圖1　立式磨關鍵部位示意圖

4.1分離器殼體的材料選擇

位于立磨最頂部的分離器殼體，受到的磨損比較單一，基本完全是含塵氣流沖刷造成的風蝕磨損。該處形狀不規(guī)則，不便采用復合鋼板材料或者鋼板制作襯板，即使用成本較高，且此處風速僅為3～6m/s，沒必要使用如此耐磨的材料。根據(jù)應用經驗，使用16Mn作為襯板材料，使用兩年后磨損不明顯，且仍可繼續(xù)使用。此處也可采用耐磨涂料，但耐磨涂料價格較高，但應用壽命比16Mn長一倍。筆者認為兩者的性價比差不多，均可采用。

4.2轉子葉片的材料選擇

轉子葉片處于粗粉料和細粉料之間的分離區(qū)域，在承受一定物料沖擊的同時，運動中還受離心力和振動的影響，使用耐磨涂料容易脫落。因此，目前較適宜的材料是耐磨鋼板（如羅奇中國和耐鋼的產品），其加工性和可焊性都較好，并且是同厚度同等硬度，使轉子的動靜平衡效果好，其兩面都可抵御磨損，基本上使用兩年以后其結構仍然完整可靠，抗磨性能優(yōu)異。

4.3灰斗的抗磨處理

灰斗中的物料是分離器分選出的粗顆粒，內壁以顆粒物料滑動造成的摩擦磨損為主，這樣的工況采用料墊最為合適。具體做法一般是用16Mn按一定的間距在灰斗內壁焊成若干個檔料圈以積存一定的物料形成料墊，但扁鋼高度和間距設置要合理，需要根據(jù)物料的堆積角和灰斗斜度確定，以能保證形成不間斷的料墊且厚度不要太高。太高使得灰斗承載過重，影響安全?；叶吠獗诘那闆r類似于分離器殼體，因此一般也是采用耐磨陶瓷涂料進行保護。而在應用中發(fā)現(xiàn)耐磨涂料即使選用進口的也容易形成小面積脫落，維修小面積的成本也很高，所以采用雙面復合耐磨鋼板是極佳的選擇。

4.4導向風環(huán)的抗磨措施

導向風環(huán)強制變向提高風環(huán)風速為35～50m/s，風中含有大量粗粉和細粉，磨損情況比較嚴重，由于葉片間距小厚度薄，且存在氣流沖擊引起的振動，耐磨陶瓷片和耐磨陶瓷涂料都不適宜，耐磨鋼板使用效果也不是很好，使用壽命一般一年多。為此，我們優(yōu)選了復合耐磨鋼板，將耐磨面朝向氣流，使用兩年后仍然可用。

此外，筆者重點探討下復合耐磨鋼板的焊接問題。復合耐磨板由普通鋼板堆焊耐磨材料而成，兩復合鋼板不能直接焊接，焊接后易脫焊，造成損失及隱患?？尚械暮附臃椒ㄊ牵簩⒑附游恢玫哪湍ゲ牧吓俚?，露出底層，先用普通焊條將鋼板之間焊牢，然后再次堆焊耐磨焊條，這樣的焊接效果比較牢固且不會脫焊。

4.5輥套的抗磨措施

作為立磨最重要的粉磨部件，輥套的耐磨性能和可靠性至關重要，磨輥磨損嚴重后，不僅產量會急劇下降引起電耗增加，還會導致磨機振動加劇易導致相關零部件的損壞。磨輥襯板需要承受磨輥自重及輥料的擠壓和摩擦力，傳統(tǒng)材料是高鉻鑄鐵，磨損后可再進行堆焊修復幾次使用，但因其可焊性不佳，易造成內部缺陷，堆焊過程中堆焊層易剝落。有的是堆焊前沒有缺陷，但堆焊后卻產生缺陷，只能報廢，造成極大經濟損失。

因此，越來越多的立磨直接采用焊接性能好的碳鋼作基體表面堆焊耐磨層來制造磨輥襯板，形成內韌外硬的結構，相對于高鉻鑄鐵具有更高的耐磨性和耐沖擊能力，而且磨損后可以通過再生堆焊反復多次使用。此種方式最大的風險就是耐磨層的剝離，為盡量避免剝落，需要從母材、堆焊厚度、焊絲選擇及施工工藝幾個方面進行合理搭配。同時，為確保堆焊修復的經濟可靠，應確保每次再生堆焊前襯板的磨損程度都不傷及過渡層及母材。另外，隨著立磨的大型化，在線堆焊修復也更加實用。

關于耐磨涂料的使用，筆者認為應論證使用環(huán)境，不可盲目使用。即使使用，也要用在風速低、固定的位置。形狀不規(guī)劃的位置可以使用耐磨涂料。比如磨輥門位置，由于形狀不規(guī)劃同，相比其他材料更加容易施工，降低了成本。

5　結語

對于硬質/高硅非金屬礦原料的粉磨，HRM型立式磨可以滿足高細度、低污染、大產量等加工要求，實現(xiàn)這些目標不單是磨機規(guī)格選擇合理，還有磨內各個關鍵部位及研磨部件的耐材優(yōu)選及加工（施工）工藝的問題。對這些問題的攻堅克難一方面源于非金屬礦市場要求和行業(yè)發(fā)展趨勢；另一方面在于對技術進步的執(zhí)著追求，這也是我們長期保持非金屬行業(yè)超細粉磨及分級技術領先的關鍵優(yōu)勢所在。

【參考文獻】

［1］鄭水林.非金屬礦粉體加工技術現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中國非金屬礦工業(yè)導刊，2007（4）：3-6.

［2］秦廣超，崔嘯宇，陳飛，等.淺析重質碳酸鈣產業(yè)發(fā)展及其粉體裝備技術升級［J］.中國非金屬礦工業(yè)導刊，2013（6）：35-39.

［3］秦廣超，崔嘯宇，遲源，等.“十二五”期間重質碳酸鈣產業(yè)發(fā)展分析［J］.中國非金屬礦工業(yè)導刊，2012（6）：1-4.

［4］陳忠華，熊暉等，孫桂祥，等.耐磨鑄件鑄滲陶瓷技術的初探［J］.新世紀水泥導報，2015（2）：10-15.

【中圖分類號】TQ172.6+32.5

【文獻標識碼】A

【文章編號】1007-9386（2016）01-0034-03

【收稿日期】2015-11-03

Choice and Application of Vertical Roller Mill Wear Resistant Material on Grinding Non-metallic Minerals

Abstract:Based on the principle of bed-grinding， the HRM vertical roller mill has a highter grinding and classification efficiency，which can adapt to the industry-scale and products-fine development needs of non-metallic minerals. HRM mill grinding some hard/ high silicn content non-metallic minerasls can effectively reduce powder pollution and equipment maintenance fees，the play of these technological advantages in a great extent depend on the key components of wear resistant material choice and application experience，this paper makes brief discussion here.

Key words:HRM vertical roller mill； grinding； non-metallic minerals； wear resistant material