低成本新型耐磨鑄球生產工藝研究與應用

毛 蓉，張 萍

（金堆城鉬業集團有限公司，陜西華縣 714102）

低成本新型耐磨鑄球生產工藝研究與應用

毛 蓉，張 萍

（金堆城鉬業集團有限公司，陜西華縣 714102）

通過對磨球樣品硬度、沖擊韌性的性能測試及金相組織的觀察，研究了在不同化學成分配比、熱處理溫度等條件下鑄球性能的差異。采用正交實驗法代替固定變量法，縮短了實驗時間和成本。實驗結果得到了一種性能良好、生產成本低、工序簡單的磨球生產工藝。

耐磨鑄球、化學成分、熱處理

0 引言

球磨機是水泥、電力、礦山等行業研磨工序的主要設備，磨球是球磨機主要易損件之一[1]，據統計，每年全國磨球消耗超過200萬噸，其中冶金礦山企業消耗超過70%。鑄鐵合金磨球是其中一類應用最為廣泛的材料。其中，高鉻、中鉻合金球因其較高的宏觀硬度，良好的耐磨性能，無需特殊熱處理工藝等特點，廣受電力、水泥等行業的歡迎。低鉻合金球雖然在性能上略差，但具有明顯的價格優勢，在礦石濕磨作業中受到廣泛應用[2-3]。大量的市場需求催生了對低成本、高性能磨球的研究熱潮。如何在不影響磨球使用性能的基礎上，研發出成本更低廉的磨球制備工藝，成為當前磨球生產企業的首要難題。

本文在設備和實驗費用最少、實驗周期最短的原則基礎上，采用中頻感應電爐熔煉，通過正交試驗方法，對磨球的化學成分配比、熱處理溫度進行研究。并在工業試驗基礎上，探索得到硬度、沖擊等性能好、生產成本低、工序簡單的磨球生產工藝。

1 方案設計及樣品制備

1.1 實驗方案設計

C元素的含量對鑄球耐磨性的影響很大，一般來說，C含量越高硬度越大，耐磨性越好，但鑄球的脆性隨之增加，使用過程中容易破碎。Cr元素可以改善白口鑄鐵中碳化物的相結構，改變基體和碳化物的分布形態，使磨球具有較好的機械性能。C/Cr是磨球成分設計中最重要的部分。Mn元素可以促進珠光體和萊氏體的形成，并且細化珠光體，提高鑄球的強度和硬度。Mo元素可以細化晶粒，提高淬透性，改善磨球韌性。Cu元素是一種非碳化物形成元素，能固溶在α-Fe中，提高基體的電極電位，減少腐蝕介質中的微電池作用，有效降低腐蝕磨損速度[4-6]。參考文獻數據，結合生產實際經驗，本文各元素的變化范圍如表1。

表1 新型鑄鐵磨球實驗元素配比 %

實際生產操作中原料Si含量往往較高，利用硅鐵來改變Si含量時，容易引起其他成分的變化，故Si含量不作為實驗變化因素，保持在1.4%~1.6%。稀土元素可以有效凈化鐵液，改善晶界狀況，實際生產中多用于提高磨球的韌性，但價格很高，為降低產品成本，本文采用微量的Mo、Cu聯合作用代替稀土元素，由于添加量極少，不作為實驗變化因素，Mo控制在0.004%~0.006%，Cu控制在0.003%~0.005%。為更好的探索提高磨球性能與能耗成本的平衡點，本文中每組樣品分別進行不熱處理和熱處理兩組對比試驗，熱處理溫度主要控制在350 ℃、450 ℃和550 ℃三個溫度點附近。采用正交實驗法設計實驗，具體實驗方案如表2。

1.2 樣品制備

采用750 kg快速中頻感應電爐熔煉，冶煉溫度為1 550~1 650 ℃，確保整個冶煉過程實現最佳溫度起伏及濃度起伏；出爐溫度控制在1 650 ℃左右（通過熱電偶檢測），使鐵液含渣、含氣量最少，確保高品質試驗磨球的產出。澆注溫度1 350~1 380 ℃，除凈爐渣，澆包內加入合金，注入鐵液后充分攪拌，以防止成分偏析。之后加入集渣材料，使鐵液充分潔凈，整個澆注過程必須注意檔渣，避免雜質卷入鑄型，采用先慢、中快、后慢的原則。熱處理由室溫起，以50 ℃/h的速度升溫至實驗方案要求熱處理溫度，保溫2h，后隨爐空冷至室溫。

表2 具體實驗方案

2 結果與討論

2.1 化學成分

樣品取三個點做化學成分分析，結果取平均值，各方案樣品化學成分如表3。通過表3可以看出，化學成分基本達到實驗設計要求。行力學性能分析。根據硬度值及沖擊韌性數據分別繪制硬度趨勢圖，如圖1；沖擊韌性趨勢圖，如圖2。

表3 方案樣品化學成分

觀察圖1，整體來看，2#實驗的硬度值相對較低，3~9#實驗硬度值較高，并且變化較小，特別是熱處理后樣品（圖1，紅色曲線）3~9#硬度趨勢幾乎是直線。比較兩條曲線上的對應點可以發現，4~9#實驗中，未熱處理樣品的硬度值略高于熱處理后樣品。

圖1 硬度趨勢圖

圖2 沖擊韌性趨勢圖

觀察圖2，整體來看，9#實驗的沖擊韌性性能明顯優于1~8#實驗。比較兩條曲線上的對應點可以發現，熱處理樣品的沖擊韌性略好于未熱處理樣品，但除4#實驗外，優勢并不明顯?？梢?，熱處理溫工藝在一定范圍內可以提高樣品的沖擊韌性，但程度有限。從節約電耗、簡化工序、降低人工操作難度等角度出發，可以考慮不采用熱處理。

綜合兩項測試，可以得出，9#實驗樣品性能較好，可以考慮新型磨球成分配比采用w(C)=4.5%～5.5%，w(Mn)=1.5%～2.0%，w(Cr)=3.5%～4.0%。

2.3 金相組織

為探究9#實驗樣品性能優異的微觀原因，本文對9#進行金相組織分析，以排除偶然性。圖3為9#實驗樣品未熱處理樣品金相實驗照片。圖3.a可以看出，樣品中碳化物組織主要成網絡狀，分布均勻，沒有明顯雜質；圖3.b進一步放大可以看出，樣品組織主體是萊氏體，并伴有細針狀珠光體和少量塊狀碳化物。C含量的升高有利于樣品組織趨于萊氏體化，Cr元素促使樣品中形成(Cr、Fe)7C3型碳化物，其形狀分布和硬度都優于M22C6、M3C型碳化物。同時，Mo、Cu等元素對晶界有一定的凈化作用，提高了晶界強度，提高了樣品的沖擊韌性。這些因素共同作用下，使得9#樣品具有了較好的物理性能。

圖3 9#未熱處理實驗樣品金相照片

圖4 為9#實驗樣品經過350℃熱處理后的金相實驗照片。分別對比圖3與圖4可以發現，熱處理工藝沒有明顯改變樣品的組織形態，但在微觀上通過破壞萊氏體網絡狀形態，碳化物趨于孤立、分散的小塊狀，組織在一定程度上得到了細化。當樣品受到沖擊時，這樣的組織對應力集中起到了緩沖作用，有效的提高了沖擊韌性。金相實驗結果表明，9#實驗樣品性能優良是由于最佳成分配比和合理的冶煉工藝，使樣品具有理想的組織結構，排除偶然性，為9#實驗可以進行工業性實驗提供了依據。

圖4 9#熱處理實驗樣品金相照片

3 工業性實驗

按照9#實驗工藝進行大量生產，并投入選礦廠φ3.6×4.0 M濕型1#球磨機進行工業性試驗，確定磨球工況適應性。新型磨球加入運行三個月后，1#球磨機的平均單耗為0.69 kg/t礦，不但低于該球磨機平均水平0.73 kg/t礦，而且低于同時期同系列2#球磨機的平均單耗0.71 kg/t礦。

可見，新型磨球在實際工況條件下應用，相對單耗水平較低，并且磨損后不失圓、不破碎的、且磨損均勻，具有較好鑄造品質及綜合性能指標。工業性試驗進一步佐證了新型磨球生產工藝是產品成本和保證產品性能的最佳平衡點。

4 小結

（1）通過實驗分析和工業試驗，確定新型磨球的最佳成分為：C 4.5%～5.5%；Si 1.4%~1.6%；Mn 1.5%~2.0%；Cr 3.5%～4.0%；Mo 0.004%~0.006%；Cu 0.003%～0.005%；不進行熱處理。

（2）該工藝每噸磨球產品僅主材一項至少可節約155元，同時可節約熱處理費用120元，共275元/噸產品，按車間年產量3 000 t計算，每年可節約成本82.5萬元，效果顯著。

（3）上述工藝方法，不需要熱處理，對設備和員工素質要求低，降低車間設備購買、維護費用和員工技術要求，并節省了能源消耗。

[1] 方斌.高鉻鑄鐵磨球的生產工藝[J].中國鑄造設備與技術,2011(1):23-24.

[2] 潘繼勇.我國鑄造磨球的生產及研發現狀[J].2012年中國鑄造活動周論文集[C]:340-354.

[3] 唐琳琳,王盟.常用耐磨材料及表面耐磨保護方法簡介[J].煤炭加工與綜合利用,2011(3):52-54.

[4] 宮成立.高鉻鑄鐵的耐磨性應用研究[J].機械設計與制造,2008(3):80-81.

[5] X.H.Tang,R.Chung,D.Y.Li,B.Hinckley,K.Dolman. Variations in microstructure of high chromium cast irons and resultant changes in resistance to wear, corrosion and corrosive wear[J]. wear,2009(267):116-121.

[6] L.Ribeiro,A.Barbosab,F.Vianaa,A.MonteiroBaptista C.Dias,C. A.Ribeiro. Abrasion wear behaviour of alloyed and chilled cast irons[J]. wear,2011(270):535-540.

[7] 朱國慶,鄭中甫,張茂勛.鉻對低碳高鉻鑄鐵性能的影響[J].熱加工工藝,2008(37):15-17.

Study on production process of low-cost new wear-resistant cast ball

MAO Rong，ZHANG Ping
(Jinduicheng Molybdenum Mining Group Co.,Ltd,Huaxian 714102, Shaanxi, China)

The effects of chemical composition and heat treatment on properties of wear-resistant cast ball were studied through hardness and impelling strength test, metallographic structure analysis. The study used orthogonal test instead of fi xed variable method for a shorter experimental cost and time. The experimental results show that, the wear-resistant cast ball shows the best integrative properties, the lowest cost, and lest production diffi culty.

wear-resistant cast ball; chemical composition; heat treatment

TG250；

A；

1006-9658（2017）02-0026-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.009

2016-10-09

稿件編號:1610-1547

毛蓉（1985—），女， 工程師 . 主要從事耐磨材料研究工作.