金属陶瓷复合磨辊的研制与应用分析

时秋杰 钱兵 曾红斌 吴贞林

（1.桐乡磊石微粉有限公司，浙江 嘉兴 314599；2.南通高欣耐磨科技股份有限公司，江苏 南通 226000）

0 引言

我国是矿储藏量最丰富的国家之一[1]。随着基础材料科学的发展，对矿石粉料的需求量逐年提升。矿石粉料的制备工艺较多，立式磨系统在当今已是十分常见的粉磨工艺，广泛应用在水泥、建材、矿山、电力、玻纤等行业。矿石通过立式磨中磨辊和衬板共同作用被粉碎碾磨成微米级甚至纳米级的粉料。在粉碎碾磨行为持续的过程中，磨辊表面也遭受物料的反作用力而磨损，不仅导致金属材料的大量磨蚀，还会导致粉磨功能下降，产量下降，增加维护维修以及更新磨辊的费用。目前，立式磨中的磨辊常采用高铬铸铁材质整体铸造成型或者堆焊高铬铸铁材质，虽然其运行稳定性有着不错的表现，但是依然存在着台时产量低、耐磨性不足等问题，没有满足人们追求更低资源消耗的期望值。所以开发新型材料制作新型磨辊显得尤为重要[2-4]。本文就立式磨中金属陶瓷复合磨辊的研制进行简单介绍，并结合案例分析其应用效果。

1 国内外耐磨磨辊研制与应用概况

磨辊作为立式磨中的主要碾磨部件，不仅要求具有较高的硬度，同时也需要具有一定的韧性。在耐磨材料的发展历程中，先后经历了高锰钢、镍硬铸铁、高铬铸铁[5]三个阶段。高锰钢常用于具有冲击载荷的工况下，但其不能充分硬化，耐磨性极其有限。镍硬铸铁因其具有良好的淬透性，在铸态时即可形成硬且耐磨的马氏体+M3C 型碳化物组织，这种共晶组织可以很好地抵抗物料对基体的犁削，但其韧性不足，应用范围比较小。高铬铸铁是继高锰钢、镍硬铸铁发展起来的第三代耐磨材料，与普通铸铁相比，高铬铸铁具有高韧性、耐热性和耐磨性等性能。

在矿石粉磨等行业中，随着设备运转速度的不断提升，高铬铸铁这种材质的耐磨性也会显得不足。国外耐磨材料研究集中在以ZTA 陶瓷颗粒和WC 陶瓷颗粒作为增强相的金属基复合材料上。其中以比利时Magotteaux 和印度的VEGA 耐磨材料公司为代表的复合材料制备厂家，通过此类材料制备的金属陶瓷复合磨辊及衬瓦，其工作面具有高硬度、高耐磨等特点。金属陶瓷复合磨辊和衬瓦在国外已大量应用在水泥、火电、矿石等行业，显著提高了立式磨的运行时间，缩减了立式磨的非正常检修。但是进口金属陶瓷磨辊价格高且供货周期长，性价比不高，国内市场对国产金属陶瓷磨辊十分期待。国内外磨辊特性对比如表1[6]所示。

表1 国内外磨辊材料特性对比

近年来国内研究机构针对此类复合材料开展大量工作，但大多都处于实验阶段。中国巨石集团旗下桐乡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备的金属陶瓷复合磨辊，取得了良好的使用效果。

2 金属陶瓷复合材料的制备

针对金属陶瓷复合材料的研究，我国耐磨界做了很多研究和实践，成果也不少，为国产金属陶瓷复合磨辊奠定了理论基础。

2.1 复合材料的制备工艺

金属陶瓷复合材料是由陶瓷颗粒和金属基体两部分组成。复合材料中陶瓷颗粒作为主要的耐磨承受者，在复合材料使用过程中起着至关重要的作用，而金属基体可以卸载复合材料在使用过程中陶瓷颗粒承受的作用力[7，8]。通过铸渗法制备金属陶瓷复合材料，可以避免生产周期长、能耗高、成本高等缺点。

张嘉毅等[9]采用ProCAST 仿真软件模拟了ZTAp/高铬铸铁基复合材料在浇注温度为1350℃、1450℃、1550℃、1650℃，浇注速度为3.0kg/s、3.5kg/s、4.0kg/s 的工况下的应力情况，并通过试验对模拟结果进行验证。结果表明，在砂型重力铸造下，在浇注速度为3.5kg/s、浇注温度为1550℃时复合效果较好，并且能够保证预制体在复合过程中有良好的结构完整度。王晓杰等[10]采用负压铸渗法制备了ZTA 陶瓷增强高铬铸铁基复合材料，通过在ZTA 陶瓷表面镀Ni 和包覆Cr 粉，在高温熔体中利用元素扩散改善界面润湿性，促进浸渗效果和增大结合力。Hongbin Zeng 等[11]采用无压浸渗铸造工艺制备了微米级氧化锆增韧氧化铝颗粒增强高铬铸铁基复合材料，解决了微米级陶瓷颗粒预制件在渗流条件下融合不良的问题，系统地研究了ZTAp增强高铬铸铁基复合材料预制件中微粉末含量对其微观结构和力学性能的影响。

2.2 复合材料组织的特点

金属陶瓷复合材料通过适当的制备工艺在基体中产生大量马氏体，同时分布有六方形初生M7C3碳化物。从而减缓基体金属的磨损速率，最大程度地保护ZTA陶瓷颗粒，最终达到高耐磨性的效果。

张凯等[12]采用定向凝固技术制备具有过共晶组织的高铬铸铁，研究了淬火、回火对基体组织、硬度、韧性和耐磨性的影响。在1050℃淬火+450℃回火工艺下，高铬铸铁组织为M7C3+马氏体，存在少量的残余奥氏体，基体具有高冲击功和高耐磨性。于洪军等[13]对不同热处理条件下的亚共晶高铬铸铁的微观结构进行表征及性能测试，发现亚共晶高铬铸铁的硬度和冲击吸收功随着淬火温度的升高和保温时间的延长先升高后下降，淬火回火后的最大硬度可达到58HRC，最大冲击吸收能量可达到15J。张业炜等[14]研究了热处理工艺对共晶高铬铸铁的显微组织及力学性能的影响，共晶区间含碳量范围随Cr 含量的升高而下降，近似呈线性关系，在400～500℃回火会出现二次硬化现象，硬度迅速升高，磨损失重大幅度减小。

2.3 复合材料结构的设计

随着金属基耐磨复合材料研究的深入，根据产品工作面使用情况和出力要求，对复合材料构型进行优化设计。目前金属陶瓷复合区域制备成三维立体网格状，此种结构可以有效避免金属熔体收缩过程中产生的应力。保证金属陶瓷复合材料制备和使用过程中不会产生裂纹、断裂等缺陷。另一方面，网格状金属陶瓷复合区在磨损过程中会产生凹凸结构，可有效“抓住”矿块送进磨辊与衬板之间物料破碎区。

种晓宇等[15]基于有限元分析软件，模拟了铸造过程中ZTA 陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合材料的温度场和热应力。应用热弹塑性力学模型精确地描述了不同结构预制体铸件的热应力分布。最终表明，热应力会随着预制体孔边数的增加而减小，即蜂窝孔为圆形时，热应力最小。卢德宏等[16]结合冲击磨料磨损工况下材料的失效机理，分析得出在无冲击磨料磨损工况下，构型陶瓷/钢铁复合材料耐磨性的提高取决于陶瓷颗粒的硬度和韧性的综合性能、基体硬度以及陶瓷/基体的界面结合强度；在冲击磨料磨损工况下，构型陶瓷/钢铁复合材料耐磨性的提高主要取决于陶瓷颗粒韧性、基体硬度以及陶瓷/基体的界面结合强度。

3 金属陶瓷复合磨辊的制造和应用

在国内外金属陶瓷复合材料研究成果的基础之上，我们采用铸渗法制造ZTA 陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合磨辊，并将其应用在相关材料的粉磨中。

3.1 金属陶瓷复合磨辊结构设计及制造工艺概述

首先对陶瓷颗粒表面进行合金化处理，将处理后的ZTA 陶瓷颗粒与高铬合金粉按比例进行混合后放入石墨模具中并压实。通过高温真空烧结成型制备得到陶瓷预制体，预制体形态如图1 所示，其中网格孔壁比为（1.5～1.8）∶1。

图1 金属陶瓷预制体

将预制体依次排列固定至型腔内部，预制体在金属中排列方式如图2 所示。通过重力铸渗的方式浇注高铬铸铁熔体，温度为1550℃。保温72h 后取出得到金属陶瓷复合磨辊。

图2 陶瓷预制体在金属磨辊三维空间的排布

3.2 金属陶瓷复合磨辊运行效果

我公司的金属陶瓷复合磨辊已经成功用在玻纤行业中的工况中，表2 所示即为常规高铬铸铁与金属陶瓷磨辊粉磨玻纤的数据对比。早期使用的是常规铸造高铬铸铁磨辊，台时产量为11t，在总产量达到1.2 万t后磨辊表面磨损厚度为45～50mm。此时台时产量急剧下降无法满足生产要求。使用金属陶瓷复合磨辊之后，每小时出料稳定在13t 以上，比常规高铬铸铁磨辊出料提高18%。双面使用可达6 万t，是常规高铬铸铁磨辊总产量的5倍。从表2中的数据分析得到，使用金属陶瓷复合磨辊可以节约能源、降低能耗、减少不可再生资源的浪费。

表2 常规高铬铸铁与金属陶瓷磨辊运行数据对比

图3 是金属陶瓷复合磨辊在不同运行阶段的磨损情况。可以看出陶瓷颗粒呈突出网格状分布，在运行过程中将物料“抓”进磨辊碾磨区域，提高粉料产量。图4 是磨辊工作面在不同产量下的磨损厚度，可以看出磨辊工作面在磨损前期磨损速率比较快。

图3 金属陶瓷磨辊磨损状态

图4 不同材质磨辊工作面磨损的厚度

这是因为前期的“磨合过程”（陶瓷没有全力进入工作状态）导致损耗增大。随着磨辊继续使用，金属陶瓷复合区域全力进入工作状态，磨损速率逐渐趋于平稳。由表2 的数据看出，金属陶瓷复合磨辊的耐磨性远远高于常规高铬铸铁磨辊。

3.3 经济效益分析

在相同的使用周期内，使用金属陶瓷复合磨辊无需进行堆焊，不仅能降低采购成本、减少检修次数，还能大幅降低生产成本。

表3 是金属陶瓷复合磨辊与高铬磨辊经济性对比。以HRM1700 立式磨粉机为例，常规高铬铸铁运行寿命在1000h 左右，总产量为1.2 万t，市场价格每套12万元左右，拆装维修费用为0.32万元，磨辊平均吨粉成本10.27 元，每吨粉耗电成本40 元，单套高铬铸铁磨辊吨粉总计50.27 元。更改为金属陶瓷复合磨辊及衬板运行寿命在4600h 左右，总产量为6 万吨，市场价格每套25 万元左右，拆装维修费用为0.32 万元，磨辊平均吨粉成本4.22 元，每吨粉耗电成本38 元，单套高铬铸铁磨辊吨粉总计42.22 元。单台立磨按一年10 万t 产量来计算，每吨粉节省采购磨辊成本6.05元，节省电费成本2 元，每年可降低采购成本费用60.5 万元，节约电费约20万元。

表3 金属陶瓷复合磨辊与高铬磨辊经济性对比

4 结束语

综上所述，我国耐磨界针对金属陶瓷复合材料的研究，取得不少成果，为国产金属陶瓷复合磨辊奠定了理论基础。采用铸渗法制备的金属陶瓷复合磨辊应用于中国巨石集团旗下桐乡磊石微粉有限公司玻纤制粉设备中，节能降耗效果明显：

（1）使用金属陶瓷复合磨辊相较于单金属耐磨材料，其台时产量可提高18%；

（2）在同等磨损工况下，金属陶瓷复合磨辊的体积磨损量降低30%～35%，可将磨辊整体使用寿命延长至3～5倍；

（3）减少检修次数6 次，每年可降低采购成本费用60.5万元，节约电费约20万元；

（4）降低能耗，使用金属陶瓷复合磨辊平均每吨粉耗电量降低3%。