球磨机衬板的选材及应用

摘要

 通过对水泥行业用球磨机衬板的工作状况及受力条件分析，确定不适合采用普通高锰钢。在<3m及以下磨机上应用多元高铬铸铁安全可靠，寿命比高锰钢提高2.5 以上。在<3m及以上磨机上应用中碳低合金耐磨钢具有很好的 ， 使用球磨机寿命比普通高锰钢提高1.5 以上。

关键词: 球磨机； 筒体衬板；多元合金；长径比

球磨机衬板和磨球是我国年耗量达200 t的耐磨钢铁件中用量 的一类， 不同行业的不同工况条件， 对耐磨材料的要求有很大不同。随着我国经济建设的发展，水泥需要量在逐年增加，耐磨材料的消耗也在相应增加，这就会更大量的消耗金属，增加水泥生产成本。对于有特殊要求的水泥(如白水泥)还会降低水泥质量，严重的会使生产无法顺利进行。按2003年的水泥产量推算， 仅衬板就需要优质耐磨钢材6 多吨，况且目前我国用以生产衬板的材料参差不齐，实际消耗量可近10 t。本文针对水泥行业的特点，认真分析了筒体衬板的工作环境及磨损失效原因，研究选择了衬板材料并进行了生产方面的应用。

1、球磨机衬板工作条件分析

1.1 受力分析

球磨机衬板的主要作用是保护磨机， 并利用衬板的凸峰带起磨球， 对物料进行研磨和粉碎。所以衬板的主要失效形式是小能量多次冲击下的磨料磨损。图1为磨球与物料的运动图。研磨体群和物料在运动中， 大直径的磨球主要分布在外圈， 瀑落时大部分砸在物料床底部， 只有小部分砸在衬板上， 由于物料的缓冲作用和物料与研磨体在工作中相互撞击打乱了研磨体的运行轨迹， 使得落击点偏离， 下降高度降低。因而大大减缓了研磨体对衬板的一次冲击， 增加了冲击次数， 提高了冲击频率。

球磨机对衬板的冲击情况，见图2。球磨机的落击点直径D0小于磨机的有效直径D，通过大量分析确定仓内研磨体的大多数是几经撞击折落后方才撞击到衬板上， 所以衬板所受到的冲击远小于0. 95D (通常衬板的厚度占有效直径的0. 5%)垂直下落物体所产生的冲击能。

图3 显示了磨球的相互位置关系。当磨球被旋转的球磨机衬板带到一定高度下落时， 只有当X > r1+ r2 时研磨体Q1在运行中不与研磨体Q2接触，Q1 的运动方向V0才不会发生改变，形成对衬板的直接冲击；当X = r1+ r2 时，Q1 与Q2擦肩而过，Q1的运动方向V0也不会发生较大变化， 但少量的摩擦会减少对衬板的冲击作用； 而大多数属于X< r1+ r2 的情况， 不会形成对衬板的直接冲击作用。

研磨体对衬板冲击造成衬板断裂的主要作用力， 是衬板表面与研磨体接触点切向的垂直分力， 这个力的大小受衬板形状; 研磨体运动状态、速度和方向等诸因素影响， 使之很大程度上削弱了直接作用的强度， 使衬板受冲击程度得到改善。

1.2 衬板的几何形状和安装状态

为了提高衬板使用寿命， 降低材料消耗和生产成本，在符合水泥粉磨工艺要求的条件下， 进行合理的结构设计是十分重要的。冀东水泥公司、河北太行水泥公司等单位引进的大型磨机， 所使用衬板块度小、板厚大、无螺栓安装， 给衬板应用高硬度材料奠定了良好的设计基础， 使衬板寿命的大幅度提高成为可能。我国的球磨机衬板目前仍较多延用着高锰钢的设计基础， 从几何结构上看通常薄而大， 并且在螺栓安装孔部位有明显的应力集中。在采取新型高耐磨性铸造材料时必须考虑到这一点， 注意进行必要的结构改进， 才能保证新型耐磨材料稳定应用， 发挥其特有的优势。

另外， 安装质量对高硬度材料的可靠服役同样起着极其重要的作用， 经过长时间的试验探索发现，对于高硬度、高耐磨性铸造材料的应用， 衬板的供货商与应用单位须要很好配合让使用者较好了解新型材料的特点， 安装时进行良好的衬垫， 做到衬板不悬空、不松动， 并能得到一定的衬垫缓冲作用。这在水泥磨的安装过程中是容易做到的， 它能有效的保证衬板的良好耐磨性得到很好的发挥。

2、常用衬板材料的主要失效形式及分析

直到目前国内水泥行业球磨机衬板的材料仍然有近一半采用普通的高锰钢， 高锰钢衬板的主要失效形式有以下几种:

①断裂失效: 球磨机衬板因受到研磨体和物料的较大冲击， 特别是目前水泥磨向着高效节能的大型化发展的形势下衬板的受冲击功作用增大。断裂的危险性增加， 尽管高锰钢韧性很好， 但目前供货质量不能很好保证， 例如出现含碳量过高， 锰碳比不当， 水韧处理存在问题时会发生断裂失效。

②突起变形: 高锰钢衬板在工作中受到研磨体和物料的不断冲击产生相变使体积增大， 同时还由于冲击带来塑性材料的延展， 造成衬板厚度尺寸降低， 周向尺寸加大的塑性变形， 而衬板的周向尺寸受球磨机外形尺寸的限制， 没有多少伸缩空间导致衬板突起， 引起紧固螺栓的拉断， 造成部分衬板脱落等严重后果。这种现象在较大型磨机上时有发生， 在小型磨机上也有发生。

③磨损失效: 磨料磨损是球磨机失效的主要形式之一， 即使在大磨一仓工作的衬板承受的应力较大，表面容易产生加工硬化， 但这种硬化层很薄，在磨料的反复作用下， 被挤压变形隆起的金属及受大块磨料棱角冲击的硬化层很容易开裂而剥落。

经研究发现更多条件下的衬板表面 加工硬化的程度有限，就更加速了研磨体、物料与衬板的干摩擦磨损， 并伴随有凿削和犁铧现象发生。经过对衬板工作状况和高锰钢衬板的失效分析， 我们认识到针对水泥磨机的工作条件选择具有较好综合机械性能的高硬度、高耐磨性材料生产该条件下应用的衬板是安全有效的。

3、球磨机衬板材料的选择

3.1 选材条件

用以水泥生产的球磨机多为长径比L /D>2.5 的管磨机。磨机有粗磨仓和细磨仓(有些为三仓) ， 粗磨仓主要起破碎作用， 细磨仓主要起研磨作用。粗磨仓的筒衬体板以阶梯衬板和波型衬板为主， 一些新型高效节能磨机的衬板也未脱离它们的基本形式。细磨仓则以花纹衬板、小波纹衬板、平衬板等形式为主。粗磨仓和细磨仓的作用不同， 所装载的研磨体的球径不同， 形成的对衬板的冲击也有很大不同。同等磨机直径， 粗磨仓的研磨体直径大， 物料块度也大， 衬板的冲击大， 磨损的速度高; 细磨仓的情况则好得多。选择衬板材料时必须根据不同条件确定不同的材质。

3.2 选择衬板材料应考虑的主要问题

1) 相对耐磨性或使用寿命要高；

2) 有适当的强韧性， 保证衬板在服役过程中的安全可靠性是尤为重要的；

3) 除要考虑衬板本身的生产费用外， 还要考虑安装费， 更换衬板的停机费、劳务费、辅助材料的消耗及生产率等多方面内容。

3.3 材料的选择

工业增长增加了耐磨件的消耗进而刺激并拉动耐磨材料产业的发展。已经产业化的40-50 个典型牌号的耐磨钢铁材料生产工艺、力学性能和工业应用 各有不同， 目前已形成了多品种小批量的工艺特点。我们经过多年耐磨材料的生产及研究工作， 认为就我国的水泥生产条件，在<≤3.0m 的磨机的粗磨仓上应用多元合金化的高铬铸铁可以安全稳定应用， 且具有极好的耐磨 和综合经济 ；在<>3m磨机的粗磨仓上应用中碳低合金铬锰钢具有很好的耐磨 和适当的综合机械性能。对于细磨仓一般可选用多种形式的耐磨钢铁材料，同样应用我们研制并生产的中碳低合金铬锰钢收到很好 。如有较强的 能力应用高铬铸铁可以达到多年不更换的 ，综合经济效益和社会效益较为突出。

4、衬板的生产及应用

4.1 多元合金化的高铬铸铁衬板的生产及应用

用2. 222.8C、13216Cr、0. 521. 0Si、0. 621. 2M n、0. 521.3Mo并适当加入Cu、T i、V 等多种微量合金，采用砂型或半金属型的铸造工艺， 进行空冷加强制风冷淬火， 配合适当的低温回火工艺， 得到基体组织为马氏体加少量残余奥氏体， 碳化物以M 72C3 型为主的合金及工艺生产了粗磨仓简体衬板， 先后在河北太行水泥股份有限公司的<3m ×14 m 的5台三仓水泥磨机的一仓上应用， 取得了良好的应用 。该公司原来一直使用高锰钢衬板， 一般使用寿命仅为10 左右， 且在运行中经常因衬板变形造成螺栓断裂而停机检修， 无法满足正常生产要求。自开始使用多元合金化高铬铸铁衬板使用寿命均达到了两年以上， 一般为三年， 水平达到42 ，平均寿命提高了2. 5 以上，保证了水泥生产的顺利进行，大大减少了因停机而造成的产量减少，装机费用及螺栓等附件的费用，降低了生产的综合成本。使用寿命及主要经济效益分析见表1。

4. 2 中碳低合金铬锰钢衬板的生产及应用

用含0. 3820. 52C、1. 622. 5Cr、0. 521. 2Si、1. 522. 4M n、0. 220. 5Mo 的中碳低合金铸钢， 并进行适当的变质处理， 采用砂型铸造工艺， 进行强制风冷加雾冷淬火， 配合适当的低温回火， 获得了以合金马氏体为主的基体组织， 宏观硬度为46255 HRC。生产的隔仓板、出料篦板等衬板先后在***公司的<3m ×11m、<3. 2 m ×11 m 的水泥磨上应用， 取得了良好的应用 。该公司原用高锰钢衬板， 使用寿命为半年左右， 且经常因衬板变形造成拆卸极为困难， 无法满足正常生产要求。自开始使用中碳低合金铸钢衬板的平均使用寿命为一年半， 水平达到两年， 寿命提高了两 以上， 大大少了停机检修次数， 降低了生产的综合成本。在沧州铁狮子建材有限责任公司的<2.6m×13m水泥磨机应用的筒体衬板， 使用寿命为两年半， 比原来应用的高锰钢衬板的寿命一年， 提高了1.5 。

5、结论

1) 通过对大型水泥磨衬板的实际应用条件分析认为: 球磨机衬板直接受到较大冲击功作用的几率较小， 使用具有一定强韧性的高硬度高耐磨性材料是安全可靠的。

2) 选材时注意不同直径磨机所承受的冲击功和磨损条件不同区别对待。

3) 普通高锰钢在球磨机衬板的应用， 不能很好发挥加工硬化作用， 失效形式多样， 寿命较低。

4) <3m磨机的破碎仓上应用多元高铬铸铁安全可靠， 寿命提高2.5 以上。

5) <3m及以上磨机上应用中碳低合金耐磨钢具有很好的应用 ， 使用寿命提高1.5 以上。