礦渣輥磨的抗磨損設計

姜永濤，陳宏偉，徐鴻鈞，趙玉良

礦渣輥磨的抗磨損設計

Anti-Wear Design of the Slag Roller Mill

姜永濤1，陳宏偉2，徐鴻鈞1，趙玉良1

針對礦渣輥磨的磨損特點和實際使用情況，深入分析了磨機各部件的磨損機理，并對各部分耐磨材料的性能要求和當前耐磨材料的使用做了探討。結合中國重型機械研究院所研制的LXZM46.2+2礦渣輥磨，選配了磨機各部位的耐磨材料。

礦渣；輥磨；耐磨材料；抗磨損設計

1 引言

以料床擠壓原理粉磨物料的輥磨，有效功是球磨機的2.5倍，是一種高效節能的粉磨設備，故近些年來得到了廣泛的應用。

按粉磨產品的不同，輥磨可以分為煤磨、生料磨、水泥磨、礦渣磨等。輥磨設備集烘干、粉磨、分級多重功能于一體，因而對粉磨高濕度和有著高細度要求的礦渣更具優勢。但因礦渣中含有0.5%以下的包裹鐵，磨蝕性較大，故對設備的耐磨性要求也較高。據統計在輥磨失效的零部件中約有80%是由于金屬磨損所造成的。金屬磨損會導致設備的運轉效率降低、零部件維修頻繁、能耗增加等。因此，如何合理進行輥磨的抗磨損設計，進而選擇合適的耐磨材料和抗磨方式，有效提高輥磨的抗磨損能力，延長維修周期，穩定產量，降低運行成本，提高設備運行的可靠性，就成為廣泛關注的問題。

由于結構及工作方式的不同，輥磨不同部位的磨損形式和機理大相徑庭，對材料的耐磨性能的要求也各不相同。本文以中國重型機械研究院有限公司（簡稱中國重型院）研制的LXZM系列礦渣輥磨為例，對輥磨各個部位的磨損機理進行分析探討，并對各部位耐磨材料和抗磨方式作出合理選擇。

2 磨損部位和磨損機理

輥磨內部的零部件不僅承受塊狀、粒狀物料的沖擊、擠壓、摩擦，還承受著含塵氣流的沖刷，同時受工作溫度的影響，材料的性能有所變化，造成磨機各部件磨損十分嚴重，尤其對于礦渣輥磨，磨損已經成為影響設備經濟技術指標的重要因素。

磨機內最易發生磨損的零部件或部位主要為：磨盤襯板、磨輥襯套、殼體內壁、選粉機葉片、噴口環、下料錐斗、下料管、產品出口等。

按照磨損的形式，主要有以下三個部分：磨盤和磨輥、選粉機、殼體。

2.1 磨盤和磨輥

粉碎是一個使用外力克服固體物料的內聚力使物料破碎，使其粒徑減小，表面積增大的過程。工作時，通過液壓加壓裝置給磨輥以很大的壓力，壓向磨盤，磨輥和磨盤之間不直接接觸形成料床，磨輥始終在磨盤的碾壓滾道上碾壓物料。物料層在磨輥與磨盤之間除主要受壓力作用之外，還受一定的剪切力及因拱架而產生的彎曲力，物料每通過磨輥一次，就要受到一次擠壓和剪切作用。當物料顆粒與磨輥之間及物料顆粒之間的接觸應力、剪應力、彎曲應力超過物料本身的強度極限時，物料顆粒就發生破碎。

以LXZM46.2+2礦渣輥磨為例，輥磨采用錐形磨輥和平面磨盤結構形式，磨輥小徑端的作用是粗破碎和均勻料層，由于進磨輥小徑端是最粗物料，此區域僅是點接觸，接觸的是大顆粒原料，線速度較慢，表面磨損以敲擊磨損為主，因此小徑端部磨損不嚴重。而大徑端部是以擠壓、剪切為主，線速度較快，磨損較小徑端大。尤其是粉磨礦渣，鐵顆粒堆積在擋料圈內側，堆積的顆粒在熱風的烘烤下一邊翻轉一邊移動，通過相互研壓作用使磨輥大徑端磨損較快。

礦渣在材料表面反復進行犁溝、碾壓，導致裂紋形成和擴展，最后以片狀磨屑斷裂脫落,該過程屬于切削磨損、塑性疲勞磨損。磨盤、磨輥襯板因磨損失效導致的形狀的改變，使輥磨的粉磨效率下降，引起產量降低和產品質量的變化。磨盤、磨輥的使用壽命是輥磨的重要經濟技術指標，選擇高性能的耐磨材料是必要的。

2.2 選粉機

選粉機是保證產品細度的重要部件，其結構特點是采用筒形動葉片轉籠、靜葉片轉籠相結合，動、靜葉片傾斜一定的角度。一般情況下動、靜葉片相向配置。靜葉片的主要作用是導向，使裹帶物料的氣流均勻地進入動葉片轉籠內，提高物料分離效率。由于氣流不是水平均勻地進入動葉片轉籠，因此氣流阻力較大，在承受一定物料沖刷的同時，運動中還受離心力和振動的影響，因此葉片磨損較嚴重。

物料沖刷角度對磨損影響很大，經試驗磨損峰值在仰角為15～35°的范圍內，同時物料的速度和濃度對磨損的影響也十分明顯。工作中選粉機葉片雙側受沖刷，同時以>100r/min的轉速旋轉，葉片的磨損和變形對產品質量和設備的安全運行影響很大，故對葉片的耐磨性和強度提出更高的要求。

2.3 磨機殼體

磨機殼體用于將粉磨過程和外部空間隔離。磨內為負壓，空氣夾雜細粉的高濃度粉塵流在磨內以螺旋形式向出料口高速流動。殼體內側承受風環吹出的夾帶粉塵的氣流的沖刷磨損，以及少量物料顆粒撞擊造成的磨損。

輥磨所處理的物料是各種粒度、硬度的組合，這些物料在輥磨內運動，不停地對輥磨各部分殼體產生摩擦、沖刷和撞擊。殼體的磨損原因比較復雜，既有粗顆粒物料滑動造成的磨粒磨損，也有由高濃度含塵氣體高速沖刷造成的風蝕磨損，還有由粗顆粒物料甚至磨機碎片等異物高速撞擊造成的沖擊損壞。

據使用中觀測，直徑小的顆粒比直徑大的顆粒更容易受到旋轉流動和彎頭內的二次流動的影響，在一些情況下，小顆粒引起的磨損更加嚴重。隨著粉料濃度的增加，在彎頭局部區域的磨損更加集中，進而加快了失效速度。對器壁磨損量影響最大的因素是氣流速度。

磨盤以上2m內區域，不但被粉塵氣流沖刷而且有大塊顆粒物料撞擊，磨損嚴重；選粉機上部出料口處，空間截面變化較大，受高濃度粉塵氣流的沖刷磨損也十分嚴重。殼體磨損形式為磨內含塵氣流沖刷和撞擊的單側磨損，同時殼體并非一靜止件，工作中還要承受磨機的振動。

3 耐磨材料的配置

磨損對磨機的使用和維修帶來不利的影響，降低了設備的使用壽命，增加了維修成本和時間，故對磨機各個磨損部分采用合理的耐磨材料則尤為重要。耐磨材料分為鑄造類、耐磨鋼板、復合鋼板、硬面堆焊、表面熱處理、耐磨陶瓷片、耐磨陶瓷涂料、超高分子量聚乙烯板、環納復合板等。

3.1 磨盤和磨輥

在上世紀60年代以前，由于輥磨結構不太完善，特別是它的易磨件材料太差，只能用于磨軟的物料，如煤等，其壽命也不長。隨著生產技術不斷發展，輥磨的機械結構不斷完善，同時采用新的耐磨材料制造易磨件，大大提高了其壽命。當前應用較廣的是鑄造和堆焊磨輥磨盤。

3.1.1 鑄鐵

以高鉻鑄鐵為材質鑄造新品為目前最常用的方法，通常其碳含量約為3%，鉻含量約為21%。此二者在高溫下生成Cr7C3嵌埋在鐵基(奧氏體或馬氏體)中，形成一種非常耐磨的結構組織，其洛氏硬度約為56HRC。高鉻鑄鐵最大的風險就是斷裂問題，斷裂的主要原因有：

（1）硬度過高。碳及鉻的含量越高則硬度也會越高且越耐磨，但斷裂的可能性也增高。

（2）硬度的均勻問題。當高鉻鑄鐵澆鑄后并以熱處理的方法來提高其硬度時，如果硬度的均勻度差異太大（一般維氏硬度HV差不能>30），就會產生斷裂。所以隨著物件體積增大，均勻度越難控制，斷裂的可能性也就越大。這也就是目前國內如LM56.2+2或UM50.4磨輥新品斷裂時有所聞的原因之一。

在鑄造襯板的金相組織中，萊氏體的顯微硬度較低，碳化物的顯微硬度只有608～720HV，而且顆粒呈無序分布，在機體損傷時易于破碎脫落。由于組織中顯微硬度不同引起磨輥宏觀硬度不同，表面宏觀硬度52～56HRC，而且碳化物在基體中分布形式的差異，鑄造應力不可能完全消除，在使用過程中容易出現整體開裂現象，造成鑄造襯板使用壽命短。

由于鑄造襯板為提高硬度需要進行熱處理，但熱處理有一個淬硬深度的問題，也就是說鑄造襯板表面耐磨性好，但是一旦磨去表面淬硬層后，耐磨性降低而且很快磨損，而堆焊襯板在堆焊層的耐磨性能里外一致，磨損速度均勻。鑄造類磨盤襯板和磨輥襯套正逐步被堆焊襯板取代。

3.1.2表面堆焊

以中碳鋼為材質鑄造預留磨耗部分，再以硬面焊材實施硬面堆焊，此種方法完全沒有斷裂的風險。而且因為硬面堆焊的耐磨層硬度較高，約為60～64HRC(一般含碳量約為5%,含鉻量約為27%)，且Cr7C3、M3C2、M7C3、VC等金相組織較佳，所以相對于新品高鉻鑄鐵更耐磨。

堆焊襯板的金相組織為復雜的碳化物+萊氏體+殘余奧氏體，組織晶粒細小，萊氏體的顯微硬度較高，表面宏觀硬度可達到60～64HRC，組織中碳化物多呈多角形，微觀硬度高達1056～1766HV，且碳化物在基體中呈較強的方向性，垂直于磨損面，為條狀有序分布，與基體的結合強度高，對提高耐磨性更加有利。堆焊不存在鑄造應力，而且堆焊應力可以通過堆焊焊道出現的均勻的小龜裂消除，很少出現開裂現象，這種組織具有良好的耐磨性。

磨損后的磨盤襯板和磨輥襯套還可以進行堆焊修復。將磨損后的磨輥及磨盤襯板以硬面焊絲(或焊條)堆焊修復至原始尺寸，此法由于具有較耐磨且成本低的優勢，目前已廣泛地被廠家采用。堆焊修復襯板是鑄造新品成本的50%～70%,使用壽命卻是2倍關系，而且無論是鑄造襯板還是堆焊襯板，磨損后都可以繼續堆焊修復，重復使用，提高經濟效益。

堆焊最大的風險就是耐磨層的剝落。之所以產生剝落的情況，一是耐磨層與母材中碳鋼剝離，二是耐磨層之間剝離。一般耐磨層越厚剝落的可能性越高，剝落勢必造成停機，損失巨大。若要想做到耐磨且不剝落取決于以下因素：焊絲的選擇、施工工藝、員工敬業精神。這三者同等重要，如疏忽其中之一均會產生嚴重的后果。

通過上述論證，堆焊襯板的綜合效益遠遠高于鑄造襯板，這也是堆焊修復發展很快的主要因素。況且對于礦渣輥磨，由于礦渣的高磨蝕性，目前堆焊材料能更好地滿足要求。LXZM46.2+2礦渣輥磨磨輥和磨盤采用鑄鋼表面堆焊的技術，使用壽命能達到2000～3000h。堆焊磨輥如圖1所示。

3.2 選粉機轉子

選粉機動葉片處于粗粉物料和細粉物料的主要分離區域，在承受一定物料沖刷的同時，運動中還受離心力和振動的影響。耐磨陶瓷片和耐磨陶瓷涂料受粘接劑性能的限制，承受振動和沖擊性能較低，因此目前較適宜的材料是耐磨鋼板。靜葉片轉籠單側承受沖刷，耐磨陶瓷和耐磨鋼板均能滿足要求。

耐磨鋼板分為整體式和復合式。整體式耐磨板是通過特殊的熱處理實現全厚度同等硬度，可以抵御兩面的同時磨損，即使磨損厚度很大，只要滿足機械強度要求就可以繼續使用，材料利用率高于50%，使用壽命是一般是16Mn鋼的3倍以上。耐磨復合板是在基板表面堆焊一層高鉻合金而成，硬面層表面密布許多小裂紋，其作用是釋放焊接應力同時為彎曲提供可能。復合鋼板硬度高，耐磨性優異，宏觀硬度達58～62HRC，耐磨性能是整體式耐磨鋼板的4倍左右。但由于其耐沖擊韌性較差，受焊絲質量、施工工藝影響較大，在承受沖擊和振動時堆焊層可能產生脫落。復合鋼板應用于殼體內襯性能優異，應用于選粉機葉片存在一些不足，但由于其高耐磨性和相對低的成本，也有大量廠家采用。

LXZM46.2+2礦渣輥磨動靜態高效選粉機轉子葉片采用整體式耐磨合金鋼板，具有很好的耐沖擊韌性和工件曲率半徑較小時要求的彎曲性能，因此用它制作配件很少有開裂等損壞，同時整體式耐磨合金板焊接和切割性能都高于復合耐磨板，硬度能達到400～600HB。如瑞典的HAR?DOX板及法鋼JFE板，性能數據如表1所示。選粉機靜葉片采用表面堆焊復合耐磨鋼板，安裝如圖2所示。

3.3 磨機殼體

輥磨內部為負壓，殼體磨損會造成漏風，影響壓差，降低產量，增加設備的能耗，故殼體需要好的密封性。對于礦渣輥磨，由于礦渣的高磨蝕性，運行中對殼體內表面的沖刷磨損嚴重。磨損嚴重的部位主要是以下三個：

（1）下殼體部分，主要承受因粗顆粒回料的收集所產生的表面滑擦磨損，同時該處溫度接近300℃，對材料的性能影響較大，磨損情況如圖3所示。

（2）中殼體部分，磨盤以上2m內區域，粉塵濃度大、流速快，不但沖刷嚴重而且有大塊顆粒物料撞擊，磨內溫度大于200℃，襯板內外側溫度不相等。磨損情況如圖4所示。

圖1 堆焊磨輥

圖2 選粉機靜葉片復合鋼板安裝示意圖

表1 耐磨合金鋼板性能

（3）選粉機殼體上部出粉口，受到的磨損比較單一，為高濃度含塵氣流沖刷所造成的風蝕磨損。該處截面變化較大，形狀不規則氣體流阻大。

在氣固兩相沖刷磨損條件下，耐磨材料的選擇與沖刷角度有關。小沖刷角時以切削為主，應提高材料的硬度，此時選擇陶瓷材料比較合適；大沖蝕角時，應提高材料的韌性或變形能力，以吸收其沖擊，此時選擇高硬度金屬材料或橡膠為宜。

輥磨殼體都是單側受磨，且均不是運動部件，由于各個部位的襯板形式不盡相同，故多種材料均有應用，較典型的是高鉻鑄鐵、復合耐磨鋼板和陶瓷材料。

在磨盤以上2m以內磨損嚴重，有多個國外廠家采用帶波紋溝槽的鑄造襯板，如圖5所示。其原理是運用二次流動，利用溝槽結構降低流速和改變氣流方向，同時還利用到料墊原理以此減少金屬的磨損量，據實際使用情況，該襯板能有效地抗磨損，但由于其制造難度和成本均較高，正逐步被復合耐磨鋼板取代。

表面堆焊式復合耐磨鋼板由于其硬度高，耐磨性優異，宏觀硬度達58～62HRC，其耐磨性能是16Mn鋼的十幾倍，正得到廣泛的應用。尤其是對于礦渣輥磨，由于礦渣的強磨蝕性，采用表面堆焊耐磨復合鋼板能很好地解決殼體磨損問題。

耐磨陶瓷材料種類繁多，目前所稱的“耐磨陶瓷”一般指以Al2O3為主要原料生成的以獲取其耐磨性能的陶瓷。在輥磨設備中，當前較常用的是陶瓷片和陶瓷涂料。

耐磨陶瓷片的特點是：

（1）硬度高，能達到67～73HRC；耐磨性好，耐磨性達到碳鋼的20倍以上。

（2）重量輕（密度約為3.6g/cm3）,表面光滑，摩擦系數小，不易粘粉料。

（3）熔點高達2000℃，抗高溫性能好。

耐磨陶瓷片理論壽命能達到10年以上。但陶瓷材料也有局限性，其韌性較差，不能承受大沖擊。使用時需要粘貼固定，輥磨磨內溫度高于100℃，部分位置高于200℃，粘接劑高溫下會很快老化（AD-504A膠<110℃，無機硅膠<350℃），影響其使用的可靠性。

耐磨陶瓷涂料是一種膠凝材料，經化學反應常溫下形成高的強度和硬度，達到陶瓷的結合強度標準。耐磨陶瓷涂料由骨料和結合劑組成，骨料由高鋁釩土熟料、剛玉和碳化硅組成，耐磨性能非常優異。結合劑通常選擇高標號的高鋁水泥和純鋁酸鈣水泥。

高性能陶瓷涂料耐壓強度可達160～180MPa，抗折強度可達35～40MPa，耐磨性能是16Mn鋼的5倍。它兼有陶瓷的耐磨性和金屬材料的韌性，在使用溫度高、工件形狀復雜的情況下，具有很大的優勢。但陶瓷涂料也存在抗沖擊性能較差的缺點，應用場合受到限制。

由于耐磨陶瓷材料的價格較高，一次性投資大；粘接劑受熱易老化；韌性差不耐沖擊等原因，制約了耐磨陶瓷在輥磨中的應用。隨著技術的不斷進步，同時應用粘膠加螺釘雙重固定等方式，耐磨陶瓷材料將會受到更多的青睞。

圖3 下殼體磨損情況

圖4 中殼體磨損情況

圖5 中殼體鑄造襯板

LXZM46.2+2礦渣輥磨根據殼體各個部位的磨損機理，對比各種耐磨材料的優缺點和礦渣的磨蝕性能，對殼體耐磨材料做了合理的匹配。

（1）下殼體部分，因回料收集產生沖擊和摩擦，此處采用堆焊復合耐磨鋼板。

（2）中殼體部分，磨盤以上2m以內，由于溫度較高，承受一定的沖擊，磨損嚴重，此處采用堆焊復合耐磨鋼板和耐磨陶瓷片均能滿足要求，陶瓷片初期投資相對高一些，但使用壽命較長，可以根據用戶的需求選擇。

（3）選粉機殼體出粉口，此處結構較復雜，截面變化大，流阻大。堆焊復合鋼板和陶瓷涂料比較適合，可以根據用戶的需求選擇。

殼體部分采用表面堆焊耐磨鋼板的安裝圖片如圖6所示。

4 耐磨新材料及應用

單一的金屬或非金屬耐磨材料在粉體設備中已得到廣泛的應用，但隨著設備向大型、高速、高技術方向發展，以及對工況要求更高、成本更低，普通單一的耐磨材料有時不能滿足人們的需要，為此人們早已著手研究各種復合材料，兼有高耐磨的硬度和防裂韌性的復合材料有以下幾類：金屬材料相互復合、金屬與非金屬復合、非金屬與非金屬復合。

4.1 金屬復合材料

圖6 中殼體耐磨鋼板襯板

雙金屬耐磨材料的工作層為硬度高的材料，如高鉻鑄鐵、特殊焊材，非工作面為碳鋼或低合金鋼等。兩種金屬結合方式有冶金結合、堆焊結合、機械結合等。采用此種方式能充分發揮工作層的耐磨性和非工作層好的焊接加工性能。當前應用的分體式磨盤，堆焊磨輥均是金屬材料復合形式。未來的發展是耐磨層的性能提升和雙金屬結合性能的提高。

4.2 金屬基陶瓷復合材料

金屬基陶瓷復合磨盤磨輥，制作工藝目標是將陶瓷的耐磨性和鑄造合金的機械性有機地結合在一起。做法有將陶瓷顆粒（HV2100）均勻地分布在高鉻鑄鐵表層的蜂窩狀結構中。陶瓷硬度HV2100遠高于水泥熟料HV600～800、石英顆粒HV1800～1900、高鉻鑄鐵或其他硬質合金HV900的硬度。如馬科托公司X-win技術應用于輥磨時，耐磨件壽命提高1～3倍。

對SiC鋼表面復合材料，WC、TiC、SiC都可以為材料的增強粒子，一般陶瓷粒子與金屬結合一起生成陶瓷—金屬復合材料，SiC鋼表面復合材料采用消失模鑄滲法制備，基材為45鋼。SiC硬度莫氏體為8.5，大于石英砂（HV1800～1900），具有較好的抗沖蝕能力。

磁性襯板屬于一種特殊的復合材料，磁性材料（陶瓷永磁片）永磁鐵使襯板一側牢固地吸附于筒體上，另一側吸住磁性礦渣或礦石顆粒，以此形成耐磨層，經磨粒剝落后又吸住新的磁粒，往復循環以達到抗磨的目的。

4.3 非金屬復合

應用兩種以上非金屬材料結合在一起，充分發揮各自的性能以達到高耐磨性。如陶瓷橡膠一體碳化材料，將其制成襯板比常規錳鋼、低合金鋼、復合鋼板都更耐沖擊和磨損。

5 結論

本文以中國重型機械研究院有限公司設計的LXZM系列礦渣輥磨耐磨材料的選用為例，對礦渣輥磨各個關鍵部件的磨損機理和抗磨要求做了詳盡的分析，對耐磨材料的選用做了一些探討和貼合工程實際的選擇，對于礦渣輥磨各部分耐磨材料的選用有一定的幫助。

磨損是一個復雜的過程，對于不同的磨損機理采用不同的耐磨材料，以此提高磨機的使用壽命，減少維修時間和費用是一項長期而持續的工作。希望越來越多的高性能耐磨材料得以開發生產并應用于輥磨。

[1] 張昆謀,武洪明.輥磨磨輥、磨盤襯板磨損修復[J]中國水泥.2006.11,78-79.

[2] 李茂林.我國水泥工業耐磨材料生產現狀與發展[C]第四屆耐磨材料研討會論文集.2010，1-13.

[3] 邵曉克,楊政.影響耐磨陶瓷使用效果的關鍵因素及其在水泥廠的典型應用[C]第四屆耐磨材料研討會論文集.2010，63-73.

[4] 張新生,宮進華,李環勝.輥磨襯板堆焊修復技術[J]中國水泥.2006.9,63-65.

[5] 周平安等.水泥工業耐磨材料與技術手冊[M]中國建材工業出版社,2007.