聚氨酯彈性體在渣漿泵上的應(yīng)用

于　濤　劉文華　蔣新啟　劉　崢

（1.煙臺恒邦泵業(yè)有限公司，煙臺 264100；2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100）

聚氨酯彈性體在渣漿泵上的應(yīng)用

于濤1劉文華1蔣新啟2劉崢2

（1.煙臺恒邦泵業(yè)有限公司，煙臺 264100；2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100）

根據(jù)渣漿泵過流部件的使用要求，制定聚氨酯配料方案，并通過力學(xué)、磨損、腐蝕等試驗(yàn)方法進(jìn)行優(yōu)化；經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際工況環(huán)境下應(yīng)用證實(shí)，聚氨酯彈性體可以延長渣漿泵過流部件的使用壽命。

澆注型聚氨酯過流部件使用壽命

現(xiàn)階段，我公司生產(chǎn)的渣漿泵耐磨蝕過流部件通常是采用鑄造高鉻鑄鐵Cr30A［1］和內(nèi)襯混煉橡膠兩種方式。兩種材質(zhì)的應(yīng)用在各自領(lǐng)域都取得一定效果，不過我們也發(fā)現(xiàn)一些問題：對于高合金比Cr30A，一方面隨工況環(huán)境的要求升級，材質(zhì)的適用性有待提高。另一方面，材質(zhì)大量消耗了稀缺金屬鉬鎳，經(jīng)濟(jì)效益不佳，流失元素對環(huán)境也不利；而對于混煉橡膠，存在生產(chǎn)工藝較復(fù)雜、工裝利用率低、現(xiàn)場環(huán)境惡劣、成型面無法加工等不利因素。為解決以上問題，我們把研究定位在有“液體橡膠”之稱的耐磨聚氨酯材料應(yīng)用上，希望在原有襯膠工裝基礎(chǔ)上，簡化生產(chǎn)工藝澆注成型過流部件，通過優(yōu)化選材方案提升過流材料性能，最終來延長渣漿泵服役壽命。

1　原材料定型與試驗(yàn)方法

聚氨酯原材料可供選擇的品種較多，兼顧工程技術(shù)要求及經(jīng)濟(jì)成本兩方面因素，我們確立了以PTMG型預(yù)聚體和MOCA為主料的雙組分生產(chǎn)工藝路線［2］，其中輔料包括四氯乙烯溶劑、二甲基硅油脫模劑、開姆洛克218膠黏劑等［3］。

表1　主要設(shè)備及工具

試驗(yàn)面向的是中小件制品的生產(chǎn)，所需用膠量小（＜50公斤），且制作工藝簡單易實(shí)現(xiàn)，只要嚴(yán)格遵照技術(shù)要求，通過手工操作方法完全可以保證試樣或成品的質(zhì)量。當(dāng)采用手工操作完成時(shí)，使用的主要設(shè)備及工裝見表1。

圖1　圓盤磨損試塊

本文制定三種配型方案（表2），混料后分別澆注圓盤磨損試塊（圖1），長方形試片，成型后經(jīng)16小時(shí)后熟化處理制成終樣。具體操作流程：利用邵氏硬度計(jì)分別測試圓盤試塊的硬度，并將其依次安裝在濕法磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行90個(gè)小時(shí)的磨損試驗(yàn)，每4個(gè)小時(shí)更換一次新介質(zhì)，最后記錄烘烤后的試塊前后失重比率，與已有高鉻鑄鐵BTMCr28耐磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比；把4mm試片裁成啞鈴狀及褲形狀并使用QX-W400拉力機(jī)分組做拉力及抗撕裂試驗(yàn)。同時(shí)配制腐蝕性溶液，相同條件下對渣漿泵常用耐磨蝕材料Cr30A（高鉻鑄鐵）及聚氨酯試樣懸掛浸泡，比較腐蝕破壞程度。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1物理機(jī)械性能分析

筆者對每組試樣分別進(jìn)行了三次物理性能測試，結(jié)果取均值列入表2中。可見，三種類型聚氨酯彈性體材料的硬度、抗拉、耐撕裂強(qiáng)度均高于天然混煉橡膠。結(jié)果具有一定實(shí)際意義：當(dāng)渣漿泵襯膠（天然橡膠）葉輪的外緣線速度＞30m/s時(shí)，受離心力作用部件表面局部膠體會(huì)發(fā)生變形，這樣不僅對材料本身造成破壞，而且在運(yùn)行過程中會(huì)逐漸加大軸功率，影響渣漿泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；相比之下，聚氨酯彈性體的物理性能會(huì)有明顯的提升，材料適用范圍得到拓展，部件運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性與安全性也有所保證。

表2　試驗(yàn)聚氨酯彈性體與混煉橡膠物理機(jī)械參數(shù)

2.2磨損試驗(yàn)分析

采用轉(zhuǎn)速為2840rad/min三相電機(jī)作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)端，對每組聚氨酯圓盤樣塊及Cr30A金屬試塊持續(xù)進(jìn)行相同時(shí)間的全浸入濕磨試驗(yàn)，具體損耗情況見表3。結(jié)果顯示，在小顆粒介質(zhì)漿料（粒度40目以下）中，聚氨酯彈性體與混煉橡膠均有良好的表現(xiàn)，其中第一組HB82試樣優(yōu)勢明顯，第三組HB40D的抗磨系數(shù)與Cr30A較為接近，邵氏硬度在80～100S范圍內(nèi)試樣抗磨性隨硬度變化呈遞減趨勢。這是因?yàn)樵谛☆w粒磨料環(huán)境中，材料的破壞主要來自漿液的沖刷與磨料的犁削，在這種磨損機(jī)理中金屬材料的破壞屬于以硬碰硬，只有通過細(xì)化碳化物晶粒，提高基體馬氏體轉(zhuǎn)變量，增強(qiáng)二者的結(jié)合力，使抗剝離強(qiáng)度升高才能保證磨損面的可靠性，但這種處理方式難度較大而且會(huì)犧牲材質(zhì)自身的韌性，在實(shí)際應(yīng)用中不能得到完全發(fā)揮。而同樣磨料環(huán)境中，對于彈性體（包括混煉橡膠）耐磨層來說，抵抗破壞卻是采用“以柔克剛”的方式，磨料顆粒物的沖擊功被彈性體部分吸收，使材料表面微變形，從而縮小摩擦接觸面積，彈性體材料所特有的退讓性，降低了表層失效的風(fēng)險(xiǎn)，對于聚氨酯彈性體材料來說，邵氏硬度增加到一定程度，表面吸能特性逐漸消失，直接磨損機(jī)率變大。然而在大顆粒磨料介質(zhì)中彈性體材料并未體現(xiàn)出優(yōu)勢，物理性能較低的混煉橡膠更是磨損較嚴(yán)重。這主要是因?yàn)槟チ显诙闻鲎埠髸?huì)產(chǎn)生新的帶有銳角的斷面或鋒利的棱邊，它對彈性體表面有一定的割裂作用，導(dǎo)致材料局部耐撕裂強(qiáng)度下降，所以試驗(yàn)中聚氨酯彈性體與混煉橡膠試塊的失重率均明顯增加。盡管如此，聚氨酯彈性體材料內(nèi)部特有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征，使其整體性較好，機(jī)械物理性能更佳（相對混煉橡膠），破壞并未擴(kuò)展延伸也沒有造成微小區(qū)域脫落，在磨損數(shù)據(jù)上接近抗磨鑄鐵Cr30A。

表3　濕法磨損試驗(yàn)結(jié)果

2.3耐腐蝕試驗(yàn)分析

將試驗(yàn)材料與對比材料試片懸掛浸泡在幾種腐蝕液中，定期更換液體，模擬實(shí)際工況環(huán)境的腐蝕情況。表4中列舉了不同試驗(yàn)材料的浸泡時(shí)間、環(huán)境條件及腐蝕后的結(jié)果描述。

聚氨酯彈性體材料在大多數(shù)腐蝕介質(zhì)中是適用的。首先，有機(jī)材料本身在電解質(zhì)中不發(fā)生電化學(xué)腐蝕；其次，隨澆注型聚氨酯原材料質(zhì)量控制技術(shù)的進(jìn)步，其制品的耐水性、耐溶劑、耐油性物質(zhì)、耐酸堿的性能大有改善［4］，而且聚氨酯經(jīng)硫化處理后組織內(nèi)部充分交聯(lián)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，腐蝕液很難侵入破壞。這些特性使其在含有氯離子等鹵鹽溶液中、還原性介質(zhì)中抗腐蝕性優(yōu)勢更加明顯，而此種腐蝕環(huán)境里，鋼鐵材料往往通過高合金配比才能滿足使用要求。不過我們也發(fā)現(xiàn)在高濃度強(qiáng)氧化性酸（如濃硫酸、濃硝酸）及在高溫環(huán)境中，彈性體材料的適應(yīng)性是不理想的。這主要因?yàn)榫郯滨ナ怯商肌洹⒌⒀踅M成的有機(jī)化合物，長期暴露于上述境中局部會(huì)發(fā)生氧化嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致碳化，特別在熱氣氛中雖不像線性結(jié)構(gòu)材料那樣容易分解，但其穩(wěn)定性已然不足。到目前為止可以通過改性方法使聚氨酯彈性體材料的耐熱溫度達(dá)到150～200℃，但對于有磨料磨損的流體場合通常不建議在80℃以上長期使用。

2.4經(jīng)濟(jì)效益分析

本試驗(yàn)中的聚氨酯彈性體是采用進(jìn)口原材料合成的，原輔料經(jīng)折算成市場單價(jià)可以控制在40元/kg以內(nèi)，相比渣漿泵常用耐磨蝕過流部件材質(zhì)Cr30A等而言雖無價(jià)格優(yōu)勢，但彈性體材料密度僅為常用合金材質(zhì)的1/7～1/6，且襯膠厚度以6mm～10mm為主，用膠量小，當(dāng)基材或骨架采用一般材質(zhì)制造時(shí)，其綜合成本效益是顯而易見的。

表4　腐蝕浸泡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.5設(shè)備工裝

筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，如前期投入資金20萬左右采購聚氨酯澆注及配套設(shè)備，即具有批量生產(chǎn)能力［5］。當(dāng)然，采用簡易裝置手工操作也可實(shí)現(xiàn)，但制品質(zhì)量穩(wěn)定性差，而且生產(chǎn)效率較低，清理工作難度大，只能適合單件小批量生產(chǎn)。

金屬模具是聚氨酯彈性體成型過程中必備工裝，不僅加工費(fèi)用大，而且準(zhǔn)備工期長。為克服這一難題，筆者提出以下三條方案：

（1）對本企業(yè)襯膠車間的模具進(jìn)行改進(jìn)，使其符合聚氨酯澆注工藝。

（2）采取外協(xié)租借方式，節(jié)省模具生產(chǎn)成本和工期。

（3）對于鑄造企業(yè)，模具可以嘗試用砂型替代。

對于第三種方案，操作過程中應(yīng)注意保持砂型的溫度控制，須在砂型表面噴涂聚四氟乙烯涂料（或醇酸漆等），保證加工部件的順利脫型，并有利于改善成品外觀質(zhì)量。

2.6能耗分析

聚氨酯彈性體成品生產(chǎn)過程中，關(guān)鍵是控制各階段的加熱溫度，在澆注成型與后硫化過程中均設(shè)置在100℃左右，生產(chǎn)周期較短，在能源消耗上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常用合金材料。降低能耗帶來的經(jīng)濟(jì)效益也是可觀的。

3　泵用過流部件應(yīng)用案例

3.1葉輪襯膠

某金礦開采浮選工況環(huán)境十分惡劣，過流部件材質(zhì)為Cr28高鉻鑄鐵介質(zhì)輸送渣漿泵，服役至1073小時(shí)（約 45天），技術(shù)指標(biāo)已嚴(yán)重下降，拆卸后發(fā)現(xiàn)葉輪磨損不堪，局部有穿孔，無法正常工作。客戶合同要求葉輪使用壽命在三個(gè)月期限，于是選用該型號部件模具，選用試驗(yàn)材料，借助專用集成化設(shè)備制作聚氨酯襯膠葉輪。如圖2所示工序依次為模具組裝、下放骨架、配料澆注、成型固化及修剪，后硫化。現(xiàn)場更換襯膠葉輪后，運(yùn)行至4608小時(shí)無法滿足泵送要求，結(jié)果已超出客戶預(yù)期3個(gè)多月，至今已試運(yùn)行三件，使用情況也較為穩(wěn)定。

3.2襯膠護(hù)板應(yīng)用

某公司尾礦渣漿泵，其護(hù)板內(nèi)襯天然混煉橡膠，運(yùn)行至4021小時(shí)無法滿足泵送要求，打開后如圖可見心部已磨穿，更換聚氨酯襯膠配件后，7333小時(shí)左右側(cè)邊有滲漏現(xiàn)象，圖為返修過流部件，可以明顯發(fā)現(xiàn)邊緣區(qū)域有磨損痕跡，深度最大為5MM，操作人員正處理缺陷處，通過聚氨酯修補(bǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)配件的二次利用。

圖2　襯膠葉輪制作工藝流程

圖3　襯膠護(hù)板磨損情況對比

4　結(jié)束語

通過以上對比研究，我們發(fā)現(xiàn)：

（1）在小顆粒磨料磨損工況下（如 40目以下），相比常用合金鑄鐵，澆注型聚氨酯彈性體的耐久性更高；而當(dāng)磨料粒度逐漸增大，且磨粒帶有鋒利尖角時(shí)，這種優(yōu)勢并不明顯；

（2）澆注型聚醚系聚氨酯彈性體除在高濃度強(qiáng)氧化酸液、高溫環(huán)境下對大多數(shù)腐蝕性水溶液是有良好的抵抗作用的；

（3）從現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況看，有些采用聚氨酯彈性體作為過流部件的渣漿泵均已取得預(yù)期效果，其使用壽命是相同條件下高合金鑄鐵件的3～4倍，是天然混煉膠的2倍；且具有一定綜合經(jīng)濟(jì)效益，工程應(yīng)用值得推廣。

［1］賀獻(xiàn)峰，雷翠平等.Cr30A耐磨耐蝕葉輪的鑄造工藝改進(jìn)［J］.鑄造，2013，62（8）：808-810.

［2］薛藝，劉亞青等.PTMG/TDI型聚氨酯彈性體的制備及力學(xué)性能研究［J］.聚氨酯工業(yè)，2013，28（1）：29-32.

［3］劉厚均等.聚氨酯彈性體手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：57-75.

［4］劉涼冰.四氫呋喃均聚醚聚氨酯彈性體_PTMG_PU_影響環(huán)境性能的因素 ［J］.特種橡膠制品，2007：28（2）：18-24.

［5］陳鑫實(shí).淺談?lì)A(yù)聚體法生產(chǎn)高、中、低硬度聚氨酯彈性體的工藝和設(shè)備［J］.聚氨酯工業(yè)，2007（9）：98-101

Application of Polyurethane Elastomer on Slurry Pump

Yu Tao1，LIU Wenhua1，JIANG Xinqi2，LIU Zheng2
（1.Yantai Hengbang Pump Co.Ltd.，Shandong Yantai 264100；2. Shandong Academy of Agricultural Machinery Science，Jinan Shandong Province 250100）

According to the requirements of slurry pump over-current components，the batching schemes of polyurethane were formulated，and the optimization was performed by mechanical，wear，corrosion and other test methods；The actual working environment application showed that the polyurethane elastomer could extend the service life of slurry pump over-current components.

casting polyurethane，over current component，service life