陶瓷金屬復合材料在磨煤機中的應用

李宗耀,溫新林,劉 偉

(1.河北國華定州發電有限責任公司，河北 定州 073000；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

0 概 述

磨煤機是將煤、石灰石等礦石類物料或其他可磨性物料破碎成一定細度粉狀物料的設備。磨煤機利用碾磨部件的自身重力和相互運動，對可磨性物料的表面進行沖壓和研磨，克服物料分子間的結合力，不斷地將可磨性物料粉碎，直至生產出合格的物料粉。按照磨煤機轉動部件的轉速進行分類，可分為低速磨煤機、中速磨煤機和高速磨煤機。該類設備已被廣泛地應用于電力、選礦、水泥、耐火材料、玻璃陶瓷、制糖、化工等工業制粉系統。

耐磨件是指由耐磨材料制造的設備零配件[1]。在我國大型燃煤電廠的制粉系統中，常采用中速磨煤機，常見的有HP磨煤機、MPS磨煤機、ZGM型磨煤機。每臺中速磨煤機配置3個磨輥和1套與磨輥配套的磨盤[2]，磨輥輥套和磨盤襯板是最主要的耐磨件，它們的耐磨性能及運行狀態，直接影響制粉系統運行的經濟性。在燃煤電廠中，因磨煤機耐磨件失效而產生的費用，至少占磨煤機檢修維護成本的85%。

1 磨煤機耐磨件的應用現狀

近幾年，國外在大型磨輥制造技術方面的發展較快。國外制造的磨輥，常采用高鉻抗磨白口鑄鐵材質，也有采用表面堆焊技術或復合材料制備技術進行制造。德國某些公司研發了高鉻抗磨合金鑄鐵材料(含Cr 15%～25%)，并結合先進的熱處理工藝，使磨輥的硬度達HRC62～64。在粉磨熟料時，磨輥的使用壽命，可達10 000 h，但磨礦渣時的使用壽命，僅為6 000 h。日本某公司也成功開發了具有特殊耐磨性能的高鉻合金鋼焊材，并采用了特殊堆焊技術(KSW-PROCESS)，可適用高鉻鑄鐵、鎳硬系列耐磨鑄件耐磨層的焊接及再生補焊。耐磨層硬度達到HRC62之上，使用壽命是原高鉻、鎳硬材質壽命的1.2～1.5倍。

在我國，對磨煤機磨輥輥套及磨盤襯板耐磨材料的研發與應用，也得到了長足的發展，其材質主要有高錳鋼、高鉻抗磨合金和堆焊耐磨合金。高錳鋼材質的磨輥輥套及磨盤襯板具有較高的韌性，在運行過程中不易斷裂，表現出良好的安全性，但因加工硬化的能力不足，所以，耐磨件的整體硬度較低，使用壽命短。高鉻鑄鐵材料具有較高的硬度和耐磨性，目前已成為國內制作磨煤機耐磨件的主流材料。但高鉻鑄鐵材質耐磨件的制造工藝相對復雜，其成分、熔煉、澆鑄溫度以及熱處理工藝要求都非常高，若制造工藝中存在問題，耐磨件將產生裂紋、應力集中等缺陷。在制作大型磨輥輥套(單重大于4 t)及磨盤襯板時，在生產和使用過程中常常發生輥套及襯板斷裂的問題。磨棍的斷裂狀況，如圖1所示。

圖1 磨輥的斷裂狀況

堆焊是恢復磨煤機耐磨件尺寸和性能、延長使用壽命的修復措施。當磨煤機磨輥輥套和磨盤襯板磨損至一定程度后，磨煤機的振動加劇，出力下降，通常可在磨輥和磨盤的工作面上堆焊耐磨合金材料，使磨輥和磨盤恢復至初始尺寸，從而達到延長使用壽命的目的。但由于堆焊焊芯材料和堆焊技術等工藝穩定性問題，堆焊后的耐磨件常會出現氣孔、裂紋、夾渣、硬度不足等缺陷，且在堆焊過程中，磨煤機耐磨件的基體和堆焊層將產生殘余應力，并在磨煤機運行過程中不斷釋放，造成磨煤機耐磨件堆焊層的剝落或耐磨件的斷裂。堆焊層已剝落的磨輥，如圖2所示。

圖2 磨輥堆焊層被剝落

2 陶瓷金屬復合耐磨件的研究及現狀

因燃煤煤質的變化、煤中雜質的增多及運行工況的改變，煤質的沖刷磨損指數逐漸增大，大幅縮短了耐磨件使用壽命。隨著磨煤機耐磨件更換次數的增多，也增加了檢修時間，提高了檢修和維護的成本，所以，研發新型耐磨材料、提高磨煤機耐磨件的耐磨性和安全性，已成為亟待解決的問題。

陶瓷金屬復合材料在此背景下應運而生，于上世紀六十年代末開始發展[3]。陶瓷金屬復合材料是將陶瓷和金屬通過化學或物理的方法，在宏觀上組成具有新型特殊性能的1種復合材料。陶瓷金屬復合材料的性能介于陶瓷和金屬之間，保留了陶瓷的高硬度、耐高溫，熱化學穩定等優良性能，同時又具備金屬材料的韌性和塑性[4-7]。因此，對陶瓷材料進行復合增韌，并提高復合材料的實用性，已成為研究和開發的方向。

目前，制造磨煤機耐磨件時使用的陶瓷金屬復合材料增強體大多是陶瓷顆粒增強，顆粒增強硬質相中的陶瓷材料，主要是碳化鎢、氮化鈦、硼化釩、硅化鉬等金屬陶瓷，或者是Al2O3、ZrO2或ZTA(氧化鋯增韌氧化鋁 )等非金屬高硬韌特殊陶瓷。作為基體的金屬材料，主要有高鉻鑄鐵、高錳鋼、耐熱鋼、合金鋼、碳鋼、球墨鑄鐵等[8]。

磨煤機陶瓷金屬復合耐磨件的制造，主要有3種形式，即為在工作面表層堆焊陶瓷金屬復合材料的耐磨件、采用陶瓷金屬復合材料整體鑄造而成的耐磨件、以及內置陶瓷增強顆粒預制體并與金屬基體鑄滲形成的耐磨件。工作面表層為陶瓷金屬復合材料的耐磨件，是采用堆焊釬焊、燒結、激光熔覆、噴涂等工藝，將復合材料覆蓋在磨輥輥套和磨盤襯板的工作面，形成一定厚度的耐磨層，從而提高磨煤機磨輥和磨盤襯板的耐磨性能。整體鑄造而成的耐磨件，是通過元素之間或元素與化合物之間的化學反應，在金屬基體內原位生成一種或多種高硬度、高彈性模量的陶瓷顆粒增強相，從而獲得耐磨件的抗磨性能。內置陶瓷增強顆粒預制體并與金屬基體鑄滲形成的耐磨件，是將通孔率高、強度高、與金屬基體有良好的潤濕性的陶瓷增強預制體放在鑄型的特定部位，利用鑄滲法將高溫金屬液填充顆粒孔隙，該工藝可同時完成耐磨件的鑄造和表面處理，在耐磨件的工作面形成具有特殊組織和性能的鑄滲層，從而提高耐磨件的耐磨性能。

2.1 國內對耐磨件材料的研究成果

目前，國內已有采用陶瓷金屬復合材料制造磨煤機耐磨件的實例及有關研究成果。在華北電力大學、國家電力工業耐磨材料實驗研究中心、西安交通大學、中南大學、廣州有色金屬研究院、南通高欣耐磨科技股份有限公司、重慶羅曼耐磨新材料股份有限公司、安徽同創電力科技有限公司等單位，已在磨煤機耐磨件的制備方面形成了一系列的研究成果。

西安交通大學[9]采用的是負壓鑄滲法，制備出了陶瓷顆粒增強復合耐磨件。利用真空負壓鑄滲工藝制造的耐磨件，如圖3所示。制造時，將陶瓷顆粒與金屬粉混合均勻進行真空燒結，形成陶瓷金屬預制體,然后在預制體中放入鑄型型腔，再澆入金屬液,使預制體內的金屬粉熔化成液體，并形成鑄滲通路,在原位形成顆粒增強復合材料。耐磨件的表層由母體金屬與復合材料共同組成,既保證了耐磨件的耐磨損性能,又具有較高的抗沖擊性能。

圖3 真空負壓鑄滲工藝的原理圖

中南大學采用鑄滲法成功制備出ZTA增強合金鋼基耐磨復合材料[10]，其砂型重力鑄造的原理，如圖4所示。鑄造時，將陶瓷顆粒與自制粘結劑混合，并填充到具有一定型腔的模具中，經等靜壓、低溫燒結、破碎、再高溫燒結，加壓凝固后，獲得多孔連通的蜂巢狀陶瓷預制體。再將預制體固定在鑄型中,然后澆注合金鋼溶液,獲得局部復合的耐磨復合材料。在三體磨料磨損條件下，耐磨性是Cr25材料的2.41倍。

圖4 砂型重力鑄造的原理圖

廣州有色金屬研究院[11]是將自制粘結劑與ZTA陶瓷顆粒混合，然后制作成蜂窩狀陶瓷預制體，再將預制體固定于鑄型內表面，澆注溫度為1 500～1 560℃，將金屬液鑄滲入預制體，從而獲得陶瓷顆粒均勻分布于鑄件表層的合金鋼基復合材料。陶瓷顆粒在復合材料中所占體積分數，為42%～56%，在三體磨料磨損條件下，ZTA/合金鋼復合材料的抗三體磨料磨損性能，是合金鋼基體的4.37倍，該材料的晶體組織，如圖5所示。

(a) (b)

圖5 ZTA/合金鋼復合材料的晶體組織

南通高欣耐磨科技股份有限公司[12]通過將ZTA陶瓷預制體固定在磨輥輥套或磨盤襯板砂型的表面，在型腔內澆鑄高鉻合金溶液，成功研制出中速磨煤機陶瓷金屬復合磨輥及磨盤。該種陶瓷金屬復合磨輥和磨盤的壽命超過20 000 h，比高鉻合金或堆焊的磨輥和磨盤的使用壽命延長2倍以上，該陶瓷金屬復合磨輥經6個月的實際運行，磨輥輥套表面的磨損，僅為3 mm。陶瓷耐磨層的設計厚度，為35 mm。被磨損的磨輥實物，如圖6所示。

圖6 磨輥磨損實物圖

重慶羅曼耐磨新材料股份有限公司[13]采用的方法，是將鍍鎳陶瓷預制件固定在鑄型中,負壓澆鑄高鉻合金溶液，鑄成陶瓷金屬復合磨輥及磨盤襯板, 使用壽命是高鉻合金材質磨輥和磨盤的2～3倍。鑄成的磨輥實物，如圖7所示。

圖7 鑄成的磨輥實物

2.2 國外對金屬陶瓷復合耐磨件的研究

在國外，研究磨煤機陶瓷金屬復合耐磨件的公司，主要有印度AIA工程有限公司與比利時Magotteaux國際股份有限公司。這兩家公司研制的陶瓷金屬復合耐磨件，在水泥行業的立式輥磨機上有著很廣泛的應用。隨著磨煤機陶瓷金屬復合耐磨件的制造工藝不斷優化和新型材料的研發，這些公司還申請了多項陶瓷金屬復合耐磨件的發明專利，并逐漸應用于燃煤電廠的中速磨煤機上。

印度AIA工程有限公司[14-15]發明了1種高耐磨鐵基陶瓷材料，已采用這種材料生產了高耐磨的磨輥輥套和磨盤襯板，使用期限能達到堆焊修復耐磨件使用壽命的2倍。將這種材料的陶瓷塊鑲嵌在磨輥套中，可形成復合結構。陶瓷塊鑲嵌在磨輥套的復合結構中，共有三層材質，分別為耐磨陶瓷塊、高鉻鑄鐵和球墨鑄鐵。這些復合耐磨件經過復雜的熱處理工藝后，可達到足夠高的硬度，并具有較好的抗磨損性能，同時，還保持著足夠的韌性。陶瓷塊鑲嵌式磨輥套是以珠光體基球墨鑄鐵作為金屬基體，具有良好的力學性能，材料硬度為HRC30，延展率為7%，能有效吸收運行過程中的沖擊能量，極大地提高了輥套的抗裂能力。耐磨陶瓷塊的硬度較高，達到HRC66，工作面呈蜂窩狀。這種特殊設計的陶瓷塊鑲嵌式磨輥套，增加了對粉磨物料的咬合力，工作面的磨損較為均勻，磨煤機的出力更均衡，提高了碾磨效率。

比利時Magotteaux國際股份公司[16-17]在陶瓷金屬復合技術的研究成果，主要是包括了Xwin?技術、Duocast?技術和Duocast Xwin?技術等。Xwin?技術是將陶瓷顆粒與高鉻鑄鐵一次性澆注而成，材料的結合緊密，兼具陶瓷和高鉻合金的特性，該技術能將陶瓷層深入至表面層的3/4處，保留1/4層厚的高鉻合金，既有高鉻合金材料良好的力學性能，不剝落、不斷裂，又有陶瓷材料超高的耐磨性，硬度可達HV2100，壽命是普通高鉻合金材料的3～6倍。因陶瓷和高鉻合金不同的耐磨性能，在耐磨件表面形成了蜂窩狀結構，增加了磨輥及襯板表面的摩擦力，擴大了有效的研磨面積，減少了物料在磨輥與襯板之間的相對滑動，提高了研磨效率。Duocast?技術主要被用于輥套的制造，是采用了燕尾式結構，將極硬的鑄鐵嵌入件固定在塑性鑄鐵基體中，通過這種機械連接的方式，形成了復合材料，該材料的硬度為HB200～300，最小延伸率為4%，可以工作在應力較高的工況條件下。這種輥套具有很強的抗開裂性，在磨煤機輥套磨損接近70%的狀態下，輥套仍不會開裂。最常用的嵌入件材料是白口鑄鐵，硬度為HRC62～66。使用小型嵌入件就能夠達到大型單金屬輥套無法獲得的高硬度。Duocast Xwin?技術是結合了Xwin?技術和Duocast?技術的特點。Duocast Xwin?材料是采用3種不同材料的復合物。陶瓷顆粒層、嵌入件采用高鉻合金，將鑄鐵作為基體材料，其本質是將陶瓷顆粒層引入高鉻合金嵌入件中，綜合了Duocast?材料的抗開裂性和Xwin?材料的耐磨性。

3 結 語

近年來，有關陶瓷金屬復合耐磨材料的研究和開發正在迅速發展。在燃煤電廠的磨煤機中，越來越多地采用了陶瓷金屬復合技術。隨著復合材料技術的發展，也對磨煤機耐磨件的使用壽命和工作效率提出了更高的要求。針對大型燃煤電廠磨煤機陶瓷金屬復合耐磨件的應用現狀，建議注意幾個方面因素的影響。

(1)優化磨煤機耐磨件的結構，使陶瓷金屬復合耐磨件具備可修復性，進一步提高陶瓷金屬復合耐磨件的使用壽命。

(2)進一步研制大型磨煤機耐磨件材料，優化和集成耐磨件的結構，使磨煤機耐磨件的硬度與韌性達到最佳的匹配，降低磨煤機耐磨件的生產成本，提高磨煤機的碾磨效率和運行的可靠性。

(3)結合磨煤機陶瓷金屬復合耐磨件在大型燃煤電廠應用的情況，盡快制定和出臺陶瓷金屬復合耐磨件的技術標準，使陶瓷金屬復合耐磨件生產及使用更加規范。