金屬陶瓷復合磨輥的研制與應用分析

時秋杰 錢兵 曾紅斌 吳貞林

（1.桐鄉磊石微粉有限公司，浙江 嘉興 314599；2.南通高欣耐磨科技股份有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

我國是礦儲藏量最豐富的國家之一[1]。隨著基礎材料科學的發展，對礦石粉料的需求量逐年提升。礦石粉料的制備工藝較多，立式磨系統在當今已是十分常見的粉磨工藝，廣泛應用在水泥、建材、礦山、電力、玻纖等行業。礦石通過立式磨中磨輥和襯板共同作用被粉碎碾磨成微米級甚至納米級的粉料。在粉碎碾磨行為持續的過程中，磨輥表面也遭受物料的反作用力而磨損，不僅導致金屬材料的大量磨蝕，還會導致粉磨功能下降，產量下降，增加維護維修以及更新磨輥的費用。目前，立式磨中的磨輥常采用高鉻鑄鐵材質整體鑄造成型或者堆焊高鉻鑄鐵材質，雖然其運行穩定性有著不錯的表現，但是依然存在著臺時產量低、耐磨性不足等問題，沒有滿足人們追求更低資源消耗的期望值。所以開發新型材料制作新型磨輥顯得尤為重要[2-4]。本文就立式磨中金屬陶瓷復合磨輥的研制進行簡單介紹，并結合案例分析其應用效果。

1 國內外耐磨磨輥研制與應用概況

磨輥作為立式磨中的主要碾磨部件，不僅要求具有較高的硬度，同時也需要具有一定的韌性。在耐磨材料的發展歷程中，先后經歷了高錳鋼、鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鐵[5]三個階段。高錳鋼常用于具有沖擊載荷的工況下，但其不能充分硬化，耐磨性極其有限。鎳硬鑄鐵因其具有良好的淬透性，在鑄態時即可形成硬且耐磨的馬氏體+M3C 型碳化物組織，這種共晶組織可以很好地抵抗物料對基體的犁削，但其韌性不足，應用范圍比較小。高鉻鑄鐵是繼高錳鋼、鎳硬鑄鐵發展起來的第三代耐磨材料，與普通鑄鐵相比，高鉻鑄鐵具有高韌性、耐熱性和耐磨性等性能。

在礦石粉磨等行業中，隨著設備運轉速度的不斷提升，高鉻鑄鐵這種材質的耐磨性也會顯得不足。國外耐磨材料研究集中在以ZTA 陶瓷顆粒和WC 陶瓷顆粒作為增強相的金屬基復合材料上。其中以比利時Magotteaux 和印度的VEGA 耐磨材料公司為代表的復合材料制備廠家，通過此類材料制備的金屬陶瓷復合磨輥及襯瓦，其工作面具有高硬度、高耐磨等特點。金屬陶瓷復合磨輥和襯瓦在國外已大量應用在水泥、火電、礦石等行業，顯著提高了立式磨的運行時間，縮減了立式磨的非正常檢修。但是進口金屬陶瓷磨輥價格高且供貨周期長，性價比不高，國內市場對國產金屬陶瓷磨輥十分期待。國內外磨輥特性對比如表1[6]所示。

表1 國內外磨輥材料特性對比

近年來國內研究機構針對此類復合材料開展大量工作，但大多都處于實驗階段。中國巨石集團旗下桐鄉磊石微粉有限公司于2022 年首次使用南通高欣耐磨科技股份有限公司制備的金屬陶瓷復合磨輥，取得了良好的使用效果。

2 金屬陶瓷復合材料的制備

針對金屬陶瓷復合材料的研究，我國耐磨界做了很多研究和實踐，成果也不少，為國產金屬陶瓷復合磨輥奠定了理論基礎。

2.1 復合材料的制備工藝

金屬陶瓷復合材料是由陶瓷顆粒和金屬基體兩部分組成。復合材料中陶瓷顆粒作為主要的耐磨承受者，在復合材料使用過程中起著至關重要的作用，而金屬基體可以卸載復合材料在使用過程中陶瓷顆粒承受的作用力[7，8]。通過鑄滲法制備金屬陶瓷復合材料，可以避免生產周期長、能耗高、成本高等缺點。

張嘉毅等[9]采用ProCAST 仿真軟件模擬了ZTAp/高鉻鑄鐵基復合材料在澆注溫度為1350℃、1450℃、1550℃、1650℃，澆注速度為3.0kg/s、3.5kg/s、4.0kg/s 的工況下的應力情況，并通過試驗對模擬結果進行驗證。結果表明，在砂型重力鑄造下，在澆注速度為3.5kg/s、澆注溫度為1550℃時復合效果較好，并且能夠保證預制體在復合過程中有良好的結構完整度。王曉杰等[10]采用負壓鑄滲法制備了ZTA 陶瓷增強高鉻鑄鐵基復合材料，通過在ZTA 陶瓷表面鍍Ni 和包覆Cr 粉，在高溫熔體中利用元素擴散改善界面潤濕性，促進浸滲效果和增大結合力。Hongbin Zeng 等[11]采用無壓浸滲鑄造工藝制備了微米級氧化鋯增韌氧化鋁顆粒增強高鉻鑄鐵基復合材料，解決了微米級陶瓷顆粒預制件在滲流條件下融合不良的問題，系統地研究了ZTAp增強高鉻鑄鐵基復合材料預制件中微粉末含量對其微觀結構和力學性能的影響。

2.2 復合材料組織的特點

金屬陶瓷復合材料通過適當的制備工藝在基體中產生大量馬氏體，同時分布有六方形初生M7C3碳化物。從而減緩基體金屬的磨損速率，最大程度地保護ZTA陶瓷顆粒，最終達到高耐磨性的效果。

張凱等[12]采用定向凝固技術制備具有過共晶組織的高鉻鑄鐵，研究了淬火、回火對基體組織、硬度、韌性和耐磨性的影響。在1050℃淬火+450℃回火工藝下，高鉻鑄鐵組織為M7C3+馬氏體，存在少量的殘余奧氏體，基體具有高沖擊功和高耐磨性。于洪軍等[13]對不同熱處理條件下的亞共晶高鉻鑄鐵的微觀結構進行表征及性能測試，發現亞共晶高鉻鑄鐵的硬度和沖擊吸收功隨著淬火溫度的升高和保溫時間的延長先升高后下降，淬火回火后的最大硬度可達到58HRC，最大沖擊吸收能量可達到15J。張業煒等[14]研究了熱處理工藝對共晶高鉻鑄鐵的顯微組織及力學性能的影響，共晶區間含碳量范圍隨Cr 含量的升高而下降，近似呈線性關系，在400～500℃回火會出現二次硬化現象，硬度迅速升高，磨損失重大幅度減小。

2.3 復合材料結構的設計

隨著金屬基耐磨復合材料研究的深入，根據產品工作面使用情況和出力要求，對復合材料構型進行優化設計。目前金屬陶瓷復合區域制備成三維立體網格狀，此種結構可以有效避免金屬熔體收縮過程中產生的應力。保證金屬陶瓷復合材料制備和使用過程中不會產生裂紋、斷裂等缺陷。另一方面，網格狀金屬陶瓷復合區在磨損過程中會產生凹凸結構，可有效“抓住”礦塊送進磨輥與襯板之間物料破碎區。

種曉宇等[15]基于有限元分析軟件，模擬了鑄造過程中ZTA 陶瓷顆粒增強高鉻鑄鐵基復合材料的溫度場和熱應力。應用熱彈塑性力學模型精確地描述了不同結構預制體鑄件的熱應力分布。最終表明，熱應力會隨著預制體孔邊數的增加而減小，即蜂窩孔為圓形時，熱應力最小。盧德宏等[16]結合沖擊磨料磨損工況下材料的失效機理，分析得出在無沖擊磨料磨損工況下，構型陶瓷/鋼鐵復合材料耐磨性的提高取決于陶瓷顆粒的硬度和韌性的綜合性能、基體硬度以及陶瓷/基體的界面結合強度；在沖擊磨料磨損工況下，構型陶瓷/鋼鐵復合材料耐磨性的提高主要取決于陶瓷顆粒韌性、基體硬度以及陶瓷/基體的界面結合強度。

3 金屬陶瓷復合磨輥的制造和應用

在國內外金屬陶瓷復合材料研究成果的基礎之上，我們采用鑄滲法制造ZTA 陶瓷顆粒增強高鉻鑄鐵基復合磨輥，并將其應用在相關材料的粉磨中。

3.1 金屬陶瓷復合磨輥結構設計及制造工藝概述

首先對陶瓷顆粒表面進行合金化處理，將處理后的ZTA 陶瓷顆粒與高鉻合金粉按比例進行混合后放入石墨模具中并壓實。通過高溫真空燒結成型制備得到陶瓷預制體，預制體形態如圖1 所示，其中網格孔壁比為（1.5～1.8）∶1。

圖1 金屬陶瓷預制體

將預制體依次排列固定至型腔內部，預制體在金屬中排列方式如圖2 所示。通過重力鑄滲的方式澆注高鉻鑄鐵熔體，溫度為1550℃。保溫72h 后取出得到金屬陶瓷復合磨輥。

圖2 陶瓷預制體在金屬磨輥三維空間的排布

3.2 金屬陶瓷復合磨輥運行效果

我公司的金屬陶瓷復合磨輥已經成功用在玻纖行業中的工況中，表2 所示即為常規高鉻鑄鐵與金屬陶瓷磨輥粉磨玻纖的數據對比。早期使用的是常規鑄造高鉻鑄鐵磨輥，臺時產量為11t，在總產量達到1.2 萬t后磨輥表面磨損厚度為45～50mm。此時臺時產量急劇下降無法滿足生產要求。使用金屬陶瓷復合磨輥之后，每小時出料穩定在13t 以上，比常規高鉻鑄鐵磨輥出料提高18%。雙面使用可達6 萬t，是常規高鉻鑄鐵磨輥總產量的5倍。從表2中的數據分析得到，使用金屬陶瓷復合磨輥可以節約能源、降低能耗、減少不可再生資源的浪費。

表2 常規高鉻鑄鐵與金屬陶瓷磨輥運行數據對比

圖3 是金屬陶瓷復合磨輥在不同運行階段的磨損情況。可以看出陶瓷顆粒呈突出網格狀分布，在運行過程中將物料“抓”進磨輥碾磨區域，提高粉料產量。圖4 是磨輥工作面在不同產量下的磨損厚度，可以看出磨輥工作面在磨損前期磨損速率比較快。

圖3 金屬陶瓷磨輥磨損狀態

圖4 不同材質磨輥工作面磨損的厚度

這是因為前期的“磨合過程”（陶瓷沒有全力進入工作狀態）導致損耗增大。隨著磨輥繼續使用，金屬陶瓷復合區域全力進入工作狀態，磨損速率逐漸趨于平穩。由表2 的數據看出，金屬陶瓷復合磨輥的耐磨性遠遠高于常規高鉻鑄鐵磨輥。

3.3 經濟效益分析

在相同的使用周期內，使用金屬陶瓷復合磨輥無需進行堆焊，不僅能降低采購成本、減少檢修次數，還能大幅降低生產成本。

表3 是金屬陶瓷復合磨輥與高鉻磨輥經濟性對比。以HRM1700 立式磨粉機為例，常規高鉻鑄鐵運行壽命在1000h 左右，總產量為1.2 萬t，市場價格每套12萬元左右，拆裝維修費用為0.32萬元，磨輥平均噸粉成本10.27 元，每噸粉耗電成本40 元，單套高鉻鑄鐵磨輥噸粉總計50.27 元。更改為金屬陶瓷復合磨輥及襯板運行壽命在4600h 左右，總產量為6 萬噸，市場價格每套25 萬元左右，拆裝維修費用為0.32 萬元，磨輥平均噸粉成本4.22 元，每噸粉耗電成本38 元，單套高鉻鑄鐵磨輥噸粉總計42.22 元。單臺立磨按一年10 萬t 產量來計算，每噸粉節省采購磨輥成本6.05元，節省電費成本2 元，每年可降低采購成本費用60.5 萬元，節約電費約20萬元。

表3 金屬陶瓷復合磨輥與高鉻磨輥經濟性對比

4 結束語

綜上所述，我國耐磨界針對金屬陶瓷復合材料的研究，取得不少成果，為國產金屬陶瓷復合磨輥奠定了理論基礎。采用鑄滲法制備的金屬陶瓷復合磨輥應用于中國巨石集團旗下桐鄉磊石微粉有限公司玻纖制粉設備中，節能降耗效果明顯：

（1）使用金屬陶瓷復合磨輥相較于單金屬耐磨材料，其臺時產量可提高18%；

（2）在同等磨損工況下，金屬陶瓷復合磨輥的體積磨損量降低30%～35%，可將磨輥整體使用壽命延長至3～5倍；

（3）減少檢修次數6 次，每年可降低采購成本費用60.5萬元，節約電費約20萬元；

（4）降低能耗，使用金屬陶瓷復合磨輥平均每噸粉耗電量降低3%。