高鉻鑄鐵在大型自磨機襯板中的應(yīng)用

中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

磨 機襯板用來保護磨機筒體免受研磨體和物料的直接沖擊和摩擦，同時提升物料和研磨體，增強研磨體對物料的粉碎和研磨作用[1]。

隨著選礦工藝的進步，磨機大型化已成為磨礦設(shè)備的主要發(fā)展趨勢，襯板也日益大型化、復(fù)雜化，市場對襯板的使用壽命和磨礦效率都提出了更高的要求。隨著筒體直徑增大，磨機運行時礦石和鋼球位能變大，襯板的磨損和沖擊碎裂加劇，襯板服役周期縮短。傳統(tǒng)磨礦系統(tǒng)設(shè)備運轉(zhuǎn)率通常在 90%～95%，而許多半自磨機+球磨機磨礦系統(tǒng)設(shè)備運轉(zhuǎn)率僅為80%[2]。襯板維修不僅增加材料和人工成本，同時襯板磨損加劇還會嚴重影響磨機生產(chǎn)效率。

礦山工況條件不同，磨機襯板的使用特點及失效形式亦有差別，襯板材料對磨礦效果有直接影響，進而對礦山收益有重要影響，因此合理選擇大型自磨機襯板材質(zhì)對磨礦作業(yè)具有重要意義。

1 襯板材質(zhì)選擇

常用襯板材質(zhì)主要有高錳鋼、低合金耐磨合金鋼和白口鑄鐵等。

高錳鋼因其顯著的加工硬化效果，廣泛應(yīng)用于各種磨損工況。高錳鋼是以奧氏體為主的組織結(jié)構(gòu)，在高沖擊載荷下表面組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，易實現(xiàn)加工硬化；在低沖擊載荷或低應(yīng)力下，由于加工硬化不足，高錳鋼的耐磨性低于非錳系耐磨合金鋼；在沖擊較大的場合，高錳鋼易發(fā)生流變，造成襯板變形量大拆卸困難，嚴重時將螺栓拉斷。這是因為高錳鋼屈服強度低，使用過程中受物料和磨球的不斷沖擊，襯板表面發(fā)生相變，造成局部體積增大和切向尺寸變大。

低合金耐磨合金鋼金相組織為典型的板條狀馬氏體結(jié)構(gòu)，板條狀馬氏體具有高密度位錯的亞結(jié)構(gòu)，因此有較高的硬度及強度，有利于提高耐磨性。

白口鑄鐵的代表材料為高鉻鑄鐵，Cr 含量通常高于 12%。高鉻鑄鐵是一種優(yōu)良的耐磨材料，組織中M7C3型碳化物硬度高達 1 200～ 1 800HV，同時 M7C3型碳化物呈桿狀孤立分布，碳化物對基體的破壞作用減小，高鉻鑄鐵的韌性明顯改善[3]。高鉻鑄鐵不適用于強沖擊載荷工況，比較適用于沖擊能量小、以研磨為主的工況，可充分發(fā)揮高耐磨性的特點[4]。

試驗表明[5]，在低應(yīng)力沖擊載荷下，高鉻鑄鐵抗磨性能最好，低合金鋼次之，高錳鋼最差。

2 襯板現(xiàn)場應(yīng)用情況

筆者公司自主研制的 6 臺φ12.2 m×11.0 m 自磨機于 2016 年在某礦陸續(xù)投產(chǎn)運行，耐磨合金鋼襯板年消耗總量超過 10 800 t，襯板采購成本居高不下。該礦自磨機耐磨合金鋼襯板壽命普遍約 5 個月，每條生產(chǎn)線每年更換襯板 2.5 次，每次停機約 7 d，6 條生產(chǎn)線因更換襯板全年累計停機時間超過 100 d，直接減少 315 萬 t 原礦處理量，同時還要承擔(dān)高昂的人工成本。

針對該礦現(xiàn)場的工況條件，開展高鉻鑄鐵在大型自磨機襯板上的應(yīng)用研究，開發(fā)出與之匹配的襯板，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

3 高鉻鑄鐵襯板工藝設(shè)計

3.1 高鉻鑄鐵成分分析

目前高鉻鑄鐵研究集中于亞共晶或共晶范圍。亞共晶高鉻鑄鐵中存在初生奧氏體樹枝晶，在具有良好抗磨性能的同時還具備較高的韌性[6]?；诟吣湍バ耘c良好韌性相匹配的原則，經(jīng)綜合考慮，高鉻鑄鐵材料設(shè)計為接近共晶點的亞共晶成分，其化學(xué)成分分析如表 1 所列。

表1 襯板化學(xué)成分分析Tab.1 Chemical composition analysis of liner w/%

3.2 鑄造工藝

根據(jù)磨機結(jié)構(gòu)特點，優(yōu)化后的襯板結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 襯板結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of liner

襯板采用砂型鑄造方式，開放式澆注系統(tǒng)截面積較大，鋼液充型快而平穩(wěn)。依據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點，通過熱節(jié)圓直徑計算冒口規(guī)格，冒口選用頂部縮頸保溫明冒口。因該襯板具有截面厚、長寬比較大、質(zhì)量重等特點，鑄造收縮大，有明顯的熱裂及冷裂傾向。為確保鑄件獲得良好的補縮以及優(yōu)異的內(nèi)部致密結(jié)構(gòu)，采用冒口+直接明冷鐵的鑄造工藝，同時采用計算機模擬技術(shù)對襯板凝固過程中的氣孔、熱裂、縮孔縮松以及應(yīng)力變形等鑄造缺陷進行模擬和預(yù)測，進而優(yōu)化鑄造工藝[7]。

圖2 鑄件凝固過程模擬Fig.2 Simulation of casting solidification process

圖2 所示為鑄件凝固過程模擬，可以看到襯板鑄件整體溫度場分布層次清晰，由下而上順序凝固，高溫區(qū)最終出現(xiàn)在冒口部位，鑄件的縮孔主要集中在保溫冒口內(nèi)部，鑄件本體上沒有出現(xiàn)縮孔等鑄造缺陷，因此該襯板鑄造工藝設(shè)計是可行的。

3.3 熱處理工藝

高鉻鑄鐵熱導(dǎo)率差，僅為灰鑄鐵的 1/3，易受熱開裂，且合金含量高，易形成殘余應(yīng)力，因此鑄件在鑄型中保溫至 70 ℃ 以下開箱。

結(jié)合筆者公司實際生產(chǎn)經(jīng)驗和高鉻鑄鐵材質(zhì)特性，選擇淬火+回火熱處理工藝。淬火工藝設(shè)定鑄件加熱至 1 000～1 030 ℃，保溫 6～ 8 h，出爐空冷；回火工藝設(shè)定鑄件加熱至 230～250 ℃，保溫 10～ 12 h，隨爐冷卻。熱處理過程按照工藝操作，同時采取必要的防護措施。試塊熱處理后的硬度為 58～ 60HRC，沖擊功為 4.5～ 4.8 J。經(jīng)檢測，熱處理后的襯板硬度為 56～59HRC。

4 應(yīng)用效果分析

選擇某礦φ12.2 m×11.0 m 自磨機中圈襯板為研究對象，現(xiàn)場襯板安裝如圖 3、4 所示。圖 3 中深色區(qū)域為高鉻鑄鐵試件襯板，其余區(qū)域仍使用耐磨合金鋼襯板。襯板提升條高度為 450 mm，底板高度為 86 mm。在襯板使用周期內(nèi)，其累計處理礦量達到 4 553 662 t。

圖3 襯板安裝示意Fig.3 Installation sketch of liner

圖4 現(xiàn)場高鉻鑄鐵襯板安裝照片F(xiàn)ig.4 Photo of installed high-chromium cast iron liner in site

為了進一步驗證高鉻鑄鐵襯板的耐磨性及應(yīng)用效果，采用激光三維掃描技術(shù)[8]對其進行磨損檢測。首先通過 3D 掃描儀完成磨損數(shù)據(jù)的測量與采集，然后通過 Geomagic 軟件對檢測結(jié)果進行處理，可得到磨機襯板服役過程中不同時期的磨損數(shù)據(jù)。激光三維掃描采集到的數(shù)據(jù)是大量三維點坐標(biāo)的集合，由于點數(shù)量巨大，其數(shù)據(jù)被形象地稱為云點數(shù)據(jù)[9]。

由于云點數(shù)據(jù)存在較多噪點，因此首先利用Geomagic 的降噪、取樣、刪除體外孤點等功能，過濾掉云點數(shù)據(jù)多余的點；掃描儀掃描磨機內(nèi)部襯板的表面輪廓后，建立一個襯板背部輪廓理想模型，在Geomagic 軟件中與云點空間對齊，通過 3D 比較功能計算理想模型與掃描云點的偏差，獲得所有掃描襯板的整體厚度云圖；再根據(jù)襯板的安裝部位，將云點數(shù)據(jù)分成若干個子文件，通過調(diào)整 3D 云圖的色譜顯示，可快速準(zhǔn)確定位整套襯板的高危磨損區(qū)域；然后針對危險區(qū)域進行 2D 剖切，利用 2D 標(biāo)注功能直接得到高危區(qū)域的剩余厚度以及剖切面方向的分布規(guī)律和磨損趨勢?；?Geomagic 軟件的襯板優(yōu)化方法，尤其適用于工作環(huán)境惡劣、磨損較快的大型半自磨機和自磨機襯板[10]。圖 5 從整體上反映了進料端襯板提升條和底板各處的當(dāng)前厚度，根據(jù)云圖上的顏色即可判斷此處襯板磨損是否過快。

圖5 進料端中圈襯板整體厚度云圖Fig.5 Overall thickness contours of middle liner at feeding end

圖6 進料端中圈耐磨合金鋼襯板截面厚度Fig.6 Cross-section thickness of middle wear-resistant alloy steel liner at feeding end

圖7 進料端中圈高鉻鑄鐵襯板截面厚度Fig.7 Cross-section thickness of middle high-chromium cast iron liner at feeding end

進料端中圈耐磨合金鋼襯板、高鉻鑄鐵襯板提升條和底板厚度變化情況分別如圖 6、7 所示。圖 6、7中表面各點距離襯板底面的高度，反映了中圈襯板不同部位的厚度變化情況。進料端中圈 2 種材質(zhì)襯板使用后平均剩余厚度對比情況如表 3 所列。由表 3 可以看出，高鉻鑄鐵襯板提升條中心剩余厚度比耐磨合金鋼襯板厚約 16.45%，底板中心剩余厚度兩者差別不大。由此可以看出，不同材質(zhì)對襯板提升條中心磨損影響較大，而對底板中心磨損影響較小。

表3 進料端中圈襯板截面剩余厚度對比Tab.3 Comparison of residual thickness of middle liner cross-section at feeding end mm

激光三維掃描技術(shù)能準(zhǔn)確采集襯板輪廓云數(shù)據(jù)，通過強大的后處理分析技術(shù)，實現(xiàn)對襯板的磨損規(guī)律的量化表述，進料端中圈 2 種材質(zhì)襯板使用情況如表4 所列。通過分析磨損數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在襯板整個壽命周期內(nèi)，與耐磨合金鋼襯板相比，高鉻鑄鐵試制襯板在剩余厚度、平均磨損速率以及預(yù)測處理礦量等方面表現(xiàn)更為優(yōu)異，最薄處剩余厚度比耐磨合金鋼厚 98 mm，平均磨損速率降低 28.3%。當(dāng)襯板厚度達到失效標(biāo)準(zhǔn) 90 mm 時，預(yù)測總處理礦量可達到 6 608 710 t，處理礦量可提高 39.5%。應(yīng)用結(jié)果表明，高鉻鑄鐵襯板具有很明顯的優(yōu)勢。

表4 進料端中圈襯板應(yīng)用情況對比Tab.4 Comparison of middle liner at feeding end in application status

5 結(jié)語

通過對高鉻鑄鐵耐磨襯板化學(xué)成分分析，鑄造工藝及熱處理工藝的設(shè)計改進，獲得了比傳統(tǒng)合金鋼更為優(yōu)異的力學(xué)性能，在大型自磨機上獲得了成功應(yīng)用，大幅提升了磨礦產(chǎn)量。

目前，礦山企業(yè)對磨礦裝備生產(chǎn)能力有較高的要求，礦物粉碎過程中能耗及材料消耗成為科研工作者及企業(yè)研究的重點。今后應(yīng)不斷優(yōu)化高鉻鑄鐵成分及熱處理工藝，提高材料的耐磨性，同時須兼顧研制成本，減少貴重金屬的使用量，適量添加諸如硼、鈦、鈮等微量元素，降低生產(chǎn)制造成本。高性價比抗磨白口鑄鐵耐磨襯板將會在低沖擊、強磨剝的自磨機、球磨機、立式攪拌磨上獲得更為廣泛的應(yīng)用，可有效提高大型礦用裝備的運行效率及綜合盈利能力，助力裝備大型化、高效化發(fā)展。