塔式搅拌磨机高铬合金铸铁衬板的研制与应用*

冼　卫　泉

广东省工业技术成果转化推广中心，广东 广州 510650



塔式搅拌磨机高铬合金铸铁衬板的研制与应用*

冼卫泉

广东省工业技术成果转化推广中心，广东 广州 510650

通过对材料成分、熔炼工艺、浇注工艺及热处理工艺的合理选择，制备出塔式搅拌磨机用高铬合金铸铁衬板，同时系统地对其硬度、冲击韧性、淬透性及耐磨性进行了研究．结果表明：通过材料成分及生产工艺的优化，可生产出硬度达HRC60以上、冲击韧性好、淬透性好的高铬铸铁衬板；其耐磨性是高铬铸铁Crl5的1.46倍、是高锰钢Mn13的2.11倍；性价比远高于同类进口产品，可取而代之并得到推广应用．

塔式搅拌磨机衬板；高铬合金铸铁；硬度；淬透性；耐磨性

塔式搅拌磨机是立式介质磨机中的一种机型，二十世纪50年代发明于日本．因其在非金属矿细磨作业中磨矿效果较好，于二十世纪80年代中后期开始用于有色金属矿及黑色金属矿的细磨作业中[1]．塔式搅拌磨机的主要工作原理是双螺旋缠绕将研磨腔内的磨球介质进行有效地搅拌，在磨球介质重力和螺旋回旋时产生的局部剪切力、挤压力和冲击力等综合作用下，达到将物料超细研磨的效果，除搅拌磨球的研磨作用外，研磨腔内的重力分离设计可使物料免于过度研磨．由于塔式搅拌磨机主要用于金属矿或非金属矿的原矿或精矿再磨作业中，而且给矿粒度越小(给矿粒度小于0.074 mm)，研磨效率越高[2]，因此其在矿石物料细磨作业中得到广泛地使用，其结构示意图见图1．目前，国内使用的大型塔式搅拌磨机以进口为主，主要为爱立许和美卓两家公司生产，该设备的主要易磨损配件为螺旋衬板(图2)，大多数用户使用进口配件产品，随着塔式搅拌磨机应用的日益增多，其衬板的消耗量也随之增大，研制国产的耐磨性能优良的塔式搅拌磨机衬板意义重大．

图1　塔式搅拌磨机结构示意图Fig.1　Schematic diagram of the tower mill

图2　螺旋衬板外形示意图Fig.2　Schematic diagram of spiral cleading

1　试验部分

1.1材料成份的确定

由于塔式搅拌磨机螺旋衬板的磨损工况主要为磨球、物料与衬板之间的磨料磨损，螺旋衬板的失效机制主要表现为显微切削．根据以往试验及实际经验，选择宏观及微观硬度均较高的高铬铸铁材质较为合适，其化学成分列于表1．

1.2制作工艺的制定

1.2.1熔炼、浇注工艺

本实验选用1.5 t中频电炉进行熔炼，按一定顺序加入废钢、铬铁、锰铁、镍板、钼铁、铌铁等主要原材料，待所有原材料完全熔化后，加入碎玻璃等进行造渣、扒渣，铁水出炉前加入一定量的铝以进行1～2次脱氧，然后往铁水包中加入一定量的稀土硅铁合金进行孕育变质处理，最后将铁水浇入制作好的衬板型腔中，其中出水温度为1410 ℃、浇注温度为1365 ℃，待浇注好的衬板(最大厚度为100 mm)充分冷却后开箱清砂处理．

表1　高铬铸铁化学成分

1.2.2热处理工艺

本实验选用RJ3-320-12型高温台车式电炉对清理好的衬板进行热处理，电炉的控温精度为±5 ℃．淬火时温度首先缓慢升至450 ℃、保温2 h，再升温至650℃、保温2 h，然后升温至1050 ℃、保温8 h，出炉风冷至650 ℃后空冷．最后将试样进行480 ℃、保温10 h炉冷的回火处理．试验所需的试样分别取自铸态及淬火回火态的衬板本体．

1.3性能测试

用HR-150A型手动洛氏硬度计检测试样表面硬度，并用TH110型里氏硬度计对衬板本体表面进行硬度测试，分别测试5次并取平均值；试样的冲击韧度在JBS-300B冲击试验机上检测，试样为20 mm×20 mm×110 mm的无缺口试样．测试结果列于表2．

表2淬火回火态高铬铸铁衬板的硬度及冲击韧度

Table 2Hardness and impact toughness of high chromium cast iron cleading with quenched and tempered

序号硬度(HRC)冲击韧度/(J·cm-2)161.54.5261.04.8360.55.2461.54.9562.04.7

沿衬板本体最大厚度方向采用线切割法取样，沿衬板最大厚度方向测量中心位置距离衬板表面不同部位的硬度变化，用以评价材料的淬透性能．

2　试验结果与分析

2.1微观组织分析

铸态及淬火回火态高铬铸铁衬板的显微组织见图3．从图3可见，铸态高铬铸铁的金相组织为奥氏体+马氏体+M7C3，而空淬+回火的高铬铸铁的金相组织为马氏体+M7C3+残余奥氏体+二次碳化物．这是由于淬火使基体显微组织转变为马氏体，并伴有二次碳化物析出，而二次碳化物呈颗粒状，其粒子的尺寸比共晶碳化物要小得多且弥散分布于基体中，对基体可产生弥散强化作用[3]，使基体的微观硬度明显提高，同时基体中还均匀分布大量的高硬度的M7C3型碳化物(硬度HV为1200～1800)，二者共同作用使淬火回火态高铬铸铁材料的抗磨性能增强．

图3　高铬铸铁衬板的显微组织，500×(a) 铸态；(b) 淬火回火态Fig.3　Microstructure of high chromium cast iron cleading (a)as-cast；(b)quenched and tempered conditions

2.2淬透性分析

沿淬火回火态高铬铸铁衬板本体的最大厚度方向作线切割取样，测量衬板最大厚度方向中心位置距离衬板表面不同部位的硬度，其结果列于表3．

表3淬火回火态高铬铸铁衬板沿厚度方向的硬度

Table 3Hardness of high chromium cast iron cleading through the thickness direction of quenched

衬板中心与衬板表面的距离/mm硬度(HRC)备注059.5心部硬度1059.82060.530614061.55062表面硬度

从表3可见，衬板表面与心部的宏观硬度差值为2.5，心部硬度为表面硬度的95.97%，远高于通常抗磨白口铸铁铸件断面深度40%处的硬度不低于表面硬度值的92%的要求[4]．由此可见，材料的淬透性良好．这主要是因为材料中加入钼元素，其部分固溶于基体中，从而提高了共析转变温度，有效地提高了马氏体转变点温度MS，表明钼元素加入能有效地改善合金铸铁淬透性；锰元素对提高材料淬透性也有一定作用．

2.3磨损机理分析

塔式搅拌磨机螺旋衬板的磨损工况主要为低应力划伤磨料磨损，其失效机制以显微切削机制为主．衬板在物料及介质的作用下，表面的磨损主要为所形成的显微磨屑或被折断碳化物脱离衬板表面而造成的磨损．螺旋衬板的磨损面形貌见图4．磨损程度大小与金属材料的显微硬度及断裂韧性密切相关．材料的显微硬度低，则磨料嵌入金属表面的深度大、压坑大而深、塑性变形量大、显微切削厚且宽又长、显微沟槽深且宽又长；材料的断裂韧性低，则压坑周围及底部易产生裂纹萌生—扩展—裂纹、裂纹密集且裂纹长，从而增加了金属表面的磨耗，反之则相反．这与B.R.Lawn和M.V.Swain提出的材料磨屑形成机制相一致，即磨料在材料表面滑动所去除的材料体积和KC3/4·H1/2乘积成反比，其中KC为断裂韧性，H为硬度[5]．由此可见，提高衬板基体组织的显微硬度和断裂韧性是提高其耐磨性的有效途经．

图4　螺旋衬板磨损面微观形貌及宏观形貌(a)和(b)微观形貌；(c)和(d)宏观形貌Fig.4　Micro and macro morphology of the wear surface of spiral lining(a)and(b)microstructure；(c)and(d)macrostructure

本研究设计材料时，考虑提高碳含量，增加碳化物的数量，从而获得较高的基体组织显微硬度，但碳量又不能过高，以防止基体的割裂程度增大、材料的韧性及强度降低[6]，合理的碳量应在2.8%～3.2%之间.铬含量也决定基体中碳化物的含量，高铬铸铁中共晶碳化物的含量用F.Marafray公式计算，w(M7C3)=12.33×w(C)+0.55×w(Cr)-15.2．显然，当碳含量相同时，Cr26的碳化物的含量明显高于Cr15，而且随着Cr/C的提高，共晶碳化物的硬度也随之提高，但材料韧性有所下降，故选定Cr的适宜含量为25.0%～28.0%.钼部分固溶于基体中，是提高材料淬透性的有效元素，选定钼的适宜含量为0.5%～2.0%.锰对提高材料淬透性也一定作用，选定锰含量为0.3%～0.8%.加入一定量的镍元素，其固溶于基体中能提高高铬铸铁的冲击韧性及高温磨耐性[7]，选定镍的适宜含量为0.2%～0.8%.加入一定量的铌元素而形成NbC(硬度HV达2400)，其能提高碳化物的硬度，同时铌元素还能起细化晶粒及弥散强化基体的作用，铌含量一般选定为0.1%～0.3%.高铬铸铁中硅量不易过高，硅主要固溶于基体中，在共晶碳化物周边硅元素有所富集，使铬的含量降低，易形成硬而脆的马氏体，从而产生微观裂纹并沿界面扩张，这是材料微观剥落的促成因素[8]，所以硅量应控制在0.3%～0.6%．需加一定量的稀土硅铁合金到铁水中进行孕育变质处理，其能起细化晶粒、改善碳化物的形态、净化铁液等作用[9]，适宜加入量为0.3%～1.0%．综合以上材料的主要元素构成及合理的热处理工艺，达到提高材料基体组织的显微硬度及断裂韧性的目的是可以实现的．

2.4磨损性能分析

用ML-10型销盘磨损试验机进行磨损试验，试样直径为60 mm，厚20 mm．每种材料备有双试样，以0.106 mm水砂纸作磨料，每次试验需更换新砂纸，在载荷为4.6 Kg，转速为120 r/min的条件下，对各试样先进行预磨后再进行正常试验．试验前后均用酒精洗净试样并吹干，用型号为DT-100(精度为0.0001 g)光电天平称量，得到磨损前后的试样质量，其质量差值为失重量．实验结果列于表4．

表4　磨损实验结果

由表4可以看出，本试验设计的高铬铸铁失重量最低，其耐磨性是Crl5高铬铸铁的1.46倍，是Mnl3高锰钢的2.11倍，具有良好的耐磨损性能．

3　工业应用

以本文试验条件研制的塔式搅拌磨机高铬铸铁衬板已于2013年6月起，在攀钢集团矿业有限公司白马选矿厂爱立许生产的ETM1500型塔式搅拌磨机上使用，设备及工艺相关参数列于表5．

本次研制的高铬铸铁衬板经过在攀钢集团矿业有限公司白马选矿厂同一型号设备上正常使用了3个周期后，与进口衬板(日本原产)的使用效果进行了对比，其结果列于表6．由表6可知，研制的高铬铸铁衬板其性价比明显优于进口衬板，深受用户好评，已作为替代进口衬板在生产中全面使用．

表5　ETM1500爱立许塔磨机性能及工艺参数

表6　国产制研衬板与日本进口衬板性价比比较

4　结　论

(1)试验设计的塔式搅拌磨机高铬铸铁衬板经合适的热处理工艺处理后，可得到一种马氏体+M7C3+残余奥氏体+二次碳化物的显微组织，从而使衬板具有宏观硬度60HRC以上且断裂韧性好的力学性能．

(2)该高铬铸铁材料淬透性能好，完全满足厚度120 mm衬板的淬透性要求．

(3)该高铬铸铁材料的抗磨性能优良，是Crl5高铬铸铁的1.46倍，是Mnl3高锰钢的2.11倍．

(4)试验研制的塔式搅拌磨机高铬铸铁衬板性价比明显优于同类进口衬板，可替代同类进口产品，以及推广使用．

[1] 周宏喜，卢世杰，杨俊平，等．立式螺旋搅拌磨机选型试验研究[J]．矿山机械，2015，43(4)：74-78．

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Research and application of high chromium alloy cast iron liner for tower mixing mill

XIAN Weiquan

GuangdongTransformationCenterforIndustrialandTechnologicalAchievements，Guangzhou510650，China

In this paper, the high chromium alloy cast iron cleading used in the tower mill were developed fromsuch parameters, composition, melting techniques, casting process and heat treatment method. The hardness, impact toughness, hardenability and wear resistance of the high chromium alloy cast iron cleading were investigated. The results show that through the rational design of material composition and production process, the hardness of the sample can be as high as the 60 HRC. The toughness and hardenability of the samples is good and the wear resistance of high chromium cast iron is 1.46 times higher than Cr 15, and the 2.11 times than that of high manganese steel Mn13. The value for money of production is better than other products, so it should be promoted.

tower mill cleading；high chromium alloy cast iron；hardness；hardenability；wear resistance

2016-04-30

省政府特定任务建设专项(2013B061800055)；广东省科技计划项目(2015B090926009)

冼卫泉(1964-)，男，广东高要人，高级工程师.

1673-9981(2016)02-0116-06

TG255

A