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矿山耐磨材料的选择与应用(一)

分析了矿山耐磨材料的一般性选材原则,如工艺流程、碎磨设备、磨损规律、衬板结构、材料性能和生产成本等,介绍了国内耐磨材料的研…

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分析了矿山耐磨材料的一般性选材原则,如工艺流程、碎磨设备、磨损规律、衬板结构、材料性能和生产成本等,介绍了国内耐磨材料的研究及应用现状,重点分析了其在自磨机、半自磨机等矿山设备的应用局限性,并对矿山耐磨材料的未来发展方向进行了展望。


随着科技及工业的快速发展,大型机械设备零部件磨损速率显著增加,严重影响了磨矿效率。据统计,全世界 1/3 能源消耗于摩擦磨损,80% 零件因磨损而失效。磨粒磨损作为.为普遍的磨损失效形式,占比高达 50%。矿山行业属于耐磨件高消耗行业,伴随着矿山企业规模不断扩大、矿石品位逐年降低,破碎、粉磨设备的生产能力成为提高产能的关键因素,物料粉碎过程中能量消耗和钢材消耗等问题也变得更加突出。

1 选材原则

目前市场上耐磨材料种类繁多,且各有其优越性和局限性,需要根据实际工况合理选材,充分发挥材料特性,才能提高耐磨件使用寿命。对于矿山设备,耐磨材料选择一般遵循如下原则。

1.1 工艺流程

因地理位置及岩石成形机理不同,矿物的组成成分之间机械性能亦不同,使得矿石的破碎研磨难易程度存在差异性。受矿山规模、采矿方式及投资运营成本等因素影响,碎磨工艺流程呈现多样化。选矿厂往往根据自身特点进行工艺流程的设计与选择,工艺流程分布不同,同时存在干、湿磨矿的生产方式,需要根据具体工况条件选用不同的耐磨材料。

1.2 碎磨设备

矿石碎磨过程主要包括破碎作业和磨矿作业。破碎设备是破碎作业稳定运行的关键,主要包括圆锥破碎机、鄂式破碎机、旋回破碎机以及高压辊磨机、盘旋式破碎机等。破碎作业处于碎磨工艺流程中上游环节,主要作用是破碎开采的大块矿石,为磨矿作业提供符合粒度要求的物料。因此,破碎机衬板承受强烈冲击和高接触应力,需要外硬内韧的耐磨材料以抵抗强冲击和强大压力。

磨矿设备主要有半自磨机、自磨机、球磨机和搅拌磨机等。自磨机、半自磨机与球磨机的工作原理基本相同,只是自磨机以物料本身作为磨矿介质,以此达到矿石粉碎的效果。自磨机衬板遭受大块物料的研磨和较小的冲击,高硬度、高耐磨性且保持一定韧性的耐磨材料是不错的选择,高铬铸铁材质衬板现已尝试在大型自磨机上进行应用。半自磨机以一定比例的磨料作为磨矿介质,利用磨料、物料以及衬板间的碰撞、冲击和摩擦,形成有效粉碎。半自磨机衬板遭受磨料、物料强烈的冲击和研磨,并以冲击磨损.为严重。因此,材料选择更关注材料的强韧性、硬韧性,以此保证磨机运行中衬板的安全可靠性和使用寿命,防止衬板发生早期断裂,一般可选用高韧性低合金钢、新型高锰钢以及复合材料。球磨机磨球规格小,物料填充率高,磨体被提升后对衬板冲击作用弱,衬板以研磨为主,宜选用高硬度、耐磨性好,并兼顾一定韧性的材料,如马氏体耐磨钢、高铬铸铁或复合材料等。搅拌磨作为细磨和超细磨设备,它是利用内部搅拌器带动磨矿介质旋转,实现有效粉碎物料以及对复杂矿物进行有效筛选的目的。搅拌磨基本的磨碎作用是磨剥而不是冲击作用,衬板在磨介及物料作用下,表面受到高应力的研磨,耐磨材料一般选用铬系抗磨白口铁。

随着磨矿技术、磨矿工艺的发展,碎磨设备的规格越来越大,可处理物料的块度增大,设备比破碎率增加,处理能力增强,因而碎磨设备用耐磨衬板几何形状变大,截面增厚,质量增加,承受相当强烈的碰撞、挤压、冲击和摩擦,对耐磨材料的韧性、强度、淬透性等性能提出了更高的要求。

1.3 磨损规律

磨损即为相互接触的物体,因相对运动而造成表面材料的丢失或转移。根据磨损产生的机制,一般将磨损分为黏着磨损、表面疲劳磨损、磨料磨损和化学磨损 4 种类型。其中磨料磨损.为严重,尤其在湿态工况条件下,因存在腐蚀介质,同种材料的磨损率是干态下的数倍 (酸性介质中尤其严重)。因此,衬板材料应具备较高的硬度和屈服强度,以抵抗磨粒磨损的同时抑制腐蚀对磨损的加速作用。

因矿石属性的差异、碎磨工艺流程的多样化以及碎磨设备工作原理的不同,衬板的磨损规律也不尽相同。即使在相同工况条件下,同一破磨设备内不同部位的磨损程度也不相同,存在高磨损区域、高冲击区域以及低磨损、低冲击区域。在高冲击区,强韧性良好的合金钢是不错的选择;在高磨损区,可选用马氏体耐磨钢、贝氏体钢等耐磨材料;在低磨损、低冲击区,一般选用橡胶或钢-橡胶复合材料,起到研磨作用又有减重效果。因此,只有掌握磨损类型及磨损规律,才能进行差异化选材,实现衬板更换,节省成本,提高磨矿效率。

1.4 衬板结构

衬板结构设计是磨机性能的关键因素,决定物料在磨机内的抛落轨迹,影响磨矿效果。

衬板结构形式多样,大体可分为平滑衬板和不平滑衬板。平滑衬板提升作用小,磨料滚动和滑动作用强,磨削作用强,多用于细磨;不平滑衬板提升作用大,减少了磨料的滑动,加剧磨料对物料的冲击作用,有利于碎矿,多用于粗磨。现代磨矿设备多采用非平滑型衬板,主要包括波形衬板、压条衬板、L 形和梯形等凸棱衬板。波形衬板多用于球磨机,属于较简单的不平滑衬板,一定厚度的波峰可提升磨料高度,以撞击底部物料,同时其表面呈圆弧形,磨料对物料产生滑动磨削,兼顾粗磨与细磨效果,因此,结合磨机规格,波形衬板材料可选用硬度、耐磨性优异的马氏体组织合金钢、高铬铸铁以及复合材料等。凸棱结构衬板多用于自磨机、半自磨机,衬板提升作用强,高能量多频次碰撞,冲击破碎粗磨效果明显,尤其在大型磨机中表现尤为突出,宜采用高韧性、高硬度的合金钢、改性高锰钢、贝氏体钢或耐磨钢铁复合材料。衬板结构设计需考虑工艺性要求,这样能够.大限度发挥材料特性,满足生产制造和使用性能要求。

1.5 材料性能

在湿磨工况下,矿浆一般偏酸性或呈中性,矿石硬度高,随着矿用磨机规格逐渐增大,磨料等研磨介质直径变大,耐磨衬板在服役过程中承受剧烈的冲击和磨料磨损,使用中后期磨损加剧,甚至发生断裂失效,其安全可靠性变得尤为重要。因此,设计大型耐磨衬板材料时应考虑以下性能指标。

(1)高淬透性、高淬硬性 粉磨设备大型化,耐磨衬板截面变得愈加厚大,高淬透型和淬硬性能够保证耐磨件淬硬层深度,保证材料在大尺寸范围内组织和性能的均匀性。

(2)良好的综合力学性能 良好的塑韧性能够较好吸收强冲击工况下的冲击能量,有效阻止裂纹的萌生和扩展,有助于抵抗断裂失效和剥落磨损;较高的硬度能够抵抗高硬度矿石切削磨损;较高的屈服强度能够防止大载荷冲击工况下材料的宏观塑性变形。

(3)高耐蚀性 高耐蚀性保证处于腐蚀介质中的磨机衬板能够抵抗腐蚀,利于提高衬板耐磨性。

(4)高耐磨蚀性 在湿磨条件下,腐蚀与磨损并非简单的叠加,其交互加速作用促使衬板的快速失效,高耐磨蚀性是湿磨工况下耐磨衬板重要的技术指标。

因此,耐磨衬板不能单一追求某一种材料特性,耐磨材料应具有较好的综合力学性能,高淬透性、淬硬性、高耐蚀性和高耐磨蚀性。

1.6 生产成本

耐磨铸件在服役环境中,在满足安全可靠性能的前提下,所选耐磨材料的合金化元素应尽量选用富有的、价格低廉的铁合金进行合金化,并实施与之相适宜的制造工艺。这样不仅可以降低生产成本,而且合理利用了现有资源,同时可以保证产品具有较高的使用寿命。这种性价比高的耐磨产品,.能获得客户的青睐,提高经济效益和社会效益。

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