石英立式磨輥套及襯板材料研究與試用

2021-08-27 09:15:44裴繼華李曉峰

設備管理與維修 2021年11期

裴繼華，李曉峰

（金川集團銅業公司裝備能源部，甘肅金昌 737100）

0 引言

HRM1900X 石英立式磨是金川集團銅業公司的關鍵設備，設計生產能力為25 t/h，研磨物料主要為外購、自產粗細石英，為銅合成爐單噴嘴提供合格熔劑粉料。銅業公司年產40 萬噸陰極銅，合成爐每年所需的石英粉劑量相當大，設備作業率在85%以上。設備高負荷運行再加上高硬度的石英石原料，對輥套與襯板破壞特別快，造成系統故障停機率相當高。為解決這些問題，與國內多家公司開展新材料的研究試用，取得較好效果。

1 存在的主要問題

（1）需儲備備件多、檢修費用高。磨輥輥套年均消耗32 件，平均20 天更換一套，輥套一項備件費260 萬元/年，襯板40 萬元/年。拆換檢修費用每年高達40 萬元以上。

（2）HRM1900X 石英立式磨單臺無備用，屬火法冶煉系統合成爐生產工藝關鍵設備，一旦發生故障，銅冶煉合成爐系統將降低投料量或停產。

（3）作業率高。合成爐投料量至125 t/h 以上時（單噴嘴最高投料量160 t/h），熔劑需求量為18～22 t/h，每天設備開車時間長達20 h，系統最高作業率高達85.3%，系統作業保障能力要求高，維護保養時間短。

（4）系統設備設施磨損快。磨機進料管、磨機出口變徑管、布袋倉進口管道、布袋倉風道、布袋倉倉體夾縫均為系統沖刷磨損部位。布袋倉倉體夾縫曾經發生倉體爆裂，石英粉泄漏的事故。

2 系統問題分析

2.1 HRM1900X 石英立式磨主要技術參數

磨盤直徑：Φ1900 mm，磨輥直徑：Φ1500 mm，磨輥數量：2 個，磨盤轉速：39 r/min，最大入料粒度：≤50 mm，入磨物料水分：≤10%，產品細度：60 目90%通過，產量：≥25 t/h，產品水分：≤1%，入磨風溫：＜350 ℃，出磨風溫：80～90 ℃，出磨風量：65 000 m3/h，磨機壓降：5000～6000 Pa，液壓系統工作壓力：≤12 MPa，主電機功率：500 kW，液壓系統工作壓力：≤12 MPa。

2.2 石英立式磨工作原理

石英立式磨結構見圖1。電機驅動減速機帶動磨盤轉動，需粉磨的物料由斜下料溜斗送入旋轉的磨盤中心。在離心力作用下，物料向磨盤周邊移動，進入粉磨輥道。在磨輥壓力作用下，物料受到擠壓、研磨和剪切作用而被粉碎。同時，熱風從圍繞磨盤的風環高速均勻向上噴出，磨粉后的物料被風環處的高速氣流吹起，處于懸浮狀態，粒度較粗的物料落回磨盤重新粉磨，一方面對懸浮物料進行烘干，另一方面熱風將細粉帶入分離器進行分級。合格的細粉隨同氣流出磨，由布袋收塵器收集下來即為產品，不合格的粗粉在分離器葉片作用下重新落至磨盤，與新喂入的物料一起重新粉磨，如此循環，完成粉磨作業全過程。

圖1 石英立式磨結構

2.3 原料性質對設備的影響分析

石英石是一種堅硬、耐磨、化學性能穩定的硅酸鹽礦物，其主要礦物成分是SiO2，顏色為乳白色或無色半透明狀，硬度7，貝殼狀斷口，油脂光澤，密度為2.65，堆積密度（20～200 目為1.5）。其化學、熱學和機械性能具有明顯的異向性，不溶于酸，微溶于KOH 溶液，熔點1650 ℃，硬度大，對鋼材的磨損快。

2.4 輥套、襯板材料問題分析

國產立式磨輥套與襯板一般采用高絡鑄鐵，國內常見材料為KmTBCr12、KmTBCr15Mo、KmTBCr20Mo、KmTBCr26，硬度HRC在46 左右。硬化熱處理后HRC 在56～58、沖擊韌性8 J/cm2；有些廠家采用ZG30Mn 或者ZGMn13，對這些材料分別做了試用。單套備件磨出的石英粉量都低于8000 t，有的不到5000 t，嚴重制約合成爐生產能力。

綜合分析，主要問題是原料硬度大，設備磨損部位選用材料硬度和韌性不夠，無法長周期對石英破碎磨粉。

2.5 立式磨運行損壞主要部件及料床運行情況分析

損壞的主要部件是磨盤襯板和磨輥輥套。風扇磨內部結構及石英料況分布見圖2，中間是進料溜管下來的石英石，破碎時磨盤轉動，磨輥在磨盤及物料帶動下轉動，磨輥的后面形成一圈輥道，磨輥下壓力利用液壓系統調整。

圖2 風扇磨內部結構及石英料況分布

磨輥的輥套外形成輪胎形，磨盤襯板組合成碗型。磨輥內側空間間隙大，由下料管流進石英堆積，形成料床準備區，料床松散，向磨輥底部滑落，磨輥外側，輥盤間隙小，料床進一步壓實，形成高效粉磨區。

磨盤邊緣具有一定高度的擋料環結構，它可以有效地阻滯物料，降低磨盤上物料的運動速度，使得磨機穩定運行。磨盤襯板和磨輥輥套對物料進行破碎、研磨，此部位磨損特別快，是設備損壞的主要部件。

3 輥套與襯板材料的研究試用改進

3.1 輥套的材料研究

2000 年開始，分別與國內的相關廠家及研究院合作，研究輥套與襯板材料。先后與西安中星材料有限責任公司、長沙齊順機電、河北坤騰泵業有限公司、甘肅耐爾特種材料制品有限公司、安徽米特吉機械股份有限公司、合肥中亞水泥機械廠等廠家，對國內現有耐磨材料進行耐磨試驗，材料的硬度和韌性合格后制成輥套試用，采取試用的方法對提供的備件考核。每套產能低于8000 t 的不付款，2009 年，考核結果比較好的是合肥中亞水泥機械廠提供的備件，材料為高鉻鑄鐵，單套產能達到8600 t，材料成分見表1。

表1 輥套材料成分%

材料的性能硬度HRC 達到63.1，沖擊韌性9.2 J/cm2，在生產上取得了相當不錯的效果。近年，隨著國內科研力度增大，新材料新技術不斷涌現。2015 年，陶瓷復合材料在立式磨上得到應用，2016 年，分別與北京中礦集團和安徽米特吉機械股份有限公司簽定協議，試用陶瓷復合材料輥套。這種部件的主體材料是高鉻鑄鐵，在澆鑄過程中插入陶瓷棒，整體澆鑄成型（圖3）。有的制造工藝是在高鉻鑄鐵熱處理前鉆孔，再硬化然后插入陶瓷棒，過盈配合。

圖3 耐磨陶瓷復合材料磨輥

新老輥套試用對比：老輥套材料為純高鉻鑄鐵（圖4），磨損后期表面形成凸凹缺陷。這是作為從動輪的磨輥在磨盤帶動物料時因摩擦力的作用使磨輥轉動，在物料厚度不均時，磨輥轉速不同，石英物料對磨輥磨損量不同，形成凸凹缺陷。這些凸凹面對作為從動輪的磨輥轉動影響特別大，轉動時在磨床上跳動，增大磨床轉動阻力。這種磨輥無論怎么翻面調整使用，都影響設備穩定運行及研磨效率，長時間使用會造成磨床、加壓、限位和液壓系統等部位發生故障。

圖4 純高鉻鑄鐵磨輥周期磨損

新輥套基材材料不變，鑲嵌耐磨陶瓷柱，成為耐磨陶瓷復合材料輥套。2016—2017 年，對這種復合材料的輥套進行試用，單付輥套產量平均提升至12 000 t 以上，北京中礦集團最高產能達到16 100 t，安徽米特吉機械股份有限公司達到15 800 t，檢修周期延長至30 d 以上，備件費用和檢修成本大幅降低。

3.2 磨床襯板的材料研究

襯板結構改進前材料為高鉻鑄鐵（圖5），一套襯板為8 件（圖6），厚度為80 mm，使用周期為60～75 d，用螺栓組合成一個圓盤面，每塊結合部位都有縫隙。石英在盤面流動過程中，遇到間隙摩擦力增大，襯板結合部位磨損加快，使用后期在此處形成一個凹坑，盤面轉到磨輥處振動一下，對磨機運行穩定性影響較大。

圖5 改進前襯板材料

圖6 一套8 件襯板

針對每套件數多，組合時形成的縫隙多問題，對每套襯板數量、材料進行研究改進，由8 件1 套改為4 件1 套，45°的扇形面改成90°扇形面，4塊組成一個圓。為提高耐磨性，研究復合襯板，具體制作分3 次加工，兩次澆鑄、一次堆焊。第一次澆鑄材料用35#鑄鋼打底，連續第二次澆鑄用高鉻鑄鐵，厚度增加至100 mm。冷卻成型后，與磨盤結合底面部位進行機加工找平，第三次上表面進行陶瓷合金焊條堆焊。這樣既保證磨床襯板底部機加工不存在問題，又保證了抗磨性，制成的復合性材料襯板見圖7。為降低磨床襯板結合處縫隙造成的缺陷，螺栓固定后，結合處的縫隙用陶瓷合金焊條堆焊，使磨床襯板組件變成一個整體件。改進后使用周期提升至90 d 以上，且磨機運行平穩，見圖8和圖9。雖然效果不錯，但焊接量過大，檢修成本有些高，因此還需進一步研究襯板材料。

圖7 復合材料襯板

圖8 一套4 件襯板

圖9 焊接后整體襯板

4 立式磨輔件磨損部位強化改進

（1）改進前進料管、石英粉布袋倉進口變形管使用不到1 個月，即出現磨透漏料，有時粉料還堵塞料管，高空處更換進口管，清理料管費時費力。使用高分子聚乙烯板（圖10，厚度20 mm）內襯在進料管、石英粉布袋倉進口變形管里。該部位磨損泄漏周期由1 個月延長至3個月以上，再沒有出現過料管堵塞問題，降低因單一部件檢修停機，影響系統生產時間。