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无锡市东方抗磨工程有限公司 (编号 20047) http://www.anti-wear.com
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球磨机衬板和磨球的选择
作者:无锡市东方抗磨工程有限公司 陈长顺
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给煤机, 采煤机, 除铁器, 浮选机/风选机, 磁选机, ...
摘要:球磨机衬板和磨球的正确选择是提高产量、降低成本最重要的工艺手段。高锰钢不适宜做球磨机衬板,水泥磨机衬板优先选择高合金类衬板,电厂磨煤机在中、高碳合金钢和Cr15、Cr18类合金铸铁中选择,而矿山湿磨的衬板优先选择中、高碳合金钢。水泥、电厂干磨工艺中高铬铸铁磨球有巨大的经济优势,而矿山类湿磨大多采用高碳及合金类磨球。
关键词:衬板磨球 双介质淬火铬钼合金钢 铬钼铸铁

球磨机是国内外火电厂、水泥、矿山、化工、冶金等行业生产中主要粉碎研磨设备,衬板和磨球则是球磨机正常运转中的最主要工作部件。随着现代化生产的发展,球磨机的直径越来越大,直径五米左右的磨机在生产中已广泛应用,因此对衬板和磨球的质量要求越来越高。由于衬板和磨球长期处在严酷的工况中,维修量和更换量都相当大,不仅浪费人力、物力、财力,且直接影响生产效率,影响现代化企业的文明生产。因此,研究新型抗磨材质的衬板、磨球,创造球磨机最佳工作状态,是提高产量、降低消耗、争取良好经济和文明环境的重要途径。

一、 关于衬板

传统的高锰钢不适宜做球磨机衬板,这已经是众所周知的了,高锰钢衬板的缺点是:容易发生蠕变和延展、表面相变会引起的反弓变形,在球磨机工况中不可能得到理想的加工硬化。前者是漏粉和断螺栓的根本原因,而后者则表明无法实现想象中的抗磨性能:这里必须说明的一句是即使得到部分加工硬化,也不能作为抗磨程度的一种标志,因为这里的加工硬化是一种“破坏”后的硬化,它和衬板的初始硬度是有区别的。

硬就意味着耐磨,这是不容置辩的。七、八十年代,国内外推出大批高硬度衬板、磨球材质,如高铬铸铁、镍硬铸铁、高碳合金钢、马氏体球铁和一些中碳合金钢等,但是由于这些材料的韧性值都比较低,有的ak值仅有5J左右。受传统衬板形式的束缚,都没有得到广泛的推广应用。衬板的断裂已成为高硬度、高抗磨材质应用的最大障碍。

传统衬板设计的根本错误已不能适应抗磨材料的发展。

传统衬板安装结构主要有两种形式,一种是火电厂广泛采用的“燕尾槽咬合、拧紧楔固定”;一种是矿山、水泥、化工和国内外大型火电厂广泛采用的每块衬板都用螺栓分别固定在筒体的方式。

燕尾槽的配合是否理想,我们且不谈,但拧紧楔高于衬板会首先被磨损,拧紧楔全部功能来自一个“吊螺栓”,吊螺栓是最不稳定的一种紧固方式,由最不稳定的吊螺栓和首先被磨损的拧紧楔去稳定磨机的所有衬板,这毫无疑问是个错误设计。

那么衬板直接用螺栓固定呢?我们不谈磨机制造过程中打上一千个孔是否合理、是否麻烦,也不谈一千颗螺栓制造了一千个泄漏点,工人拧一千个大螺栓是否辛苦;只讨论抗磨件上是否应当搞一个孔?这个孔在铸造和热处理过程中会产生千百个裂纹源,孔是这个工件的最危险最薄弱的位置,用衬板中最危险最薄弱的位置固定整块衬板,去承受几十吨、一百多吨磨球在长期运转中的巨大作用力,那是极不合理的设计。国内外证明衬板的断裂是衬板失效的主要原因。而断裂的绝大部分是通过螺孔发生的。

针对高硬度材质的特点,我们分析比较了几十种衬板的结构形式及他们磨损失效的原因,设计出“组合自固无螺栓球磨机衬板”—陈氏衬板!这是近百年来球磨机衬板的划时代产品!

照片中是淮北发电厂320/580磨煤机使用了三十九个月的组合衬板、表面光滑、整齐、漂亮,几乎看不见磨损。而端衬板采用的是传统高锰钢,大部分已经磨穿。

组合的含义有两个方面:一是指衬板结构形式,二是指衬板安装的整体形式;自固的意义同样是指两方面:一是衬板本身自我强化,二是安装后的自我紧固。

组合衬板的设计中,衬板分别由板体和铆板两个或三个独立部分组成。板体的功用为抗磨,材质为高硬度合金;铆板为韧性合金,功用为稳定板体并向板体施加予应压力。

组合自固衬板利用磨机本身几何形状,采用力学结构进行双金属组合,利用球磨机生产运行中磨球的作用,进行预应力自固,实现衬板的整体强化,从而保证高硬度、低韧性材质衬板的稳定性和可靠性。

组合自固衬板的制造工艺和安装工艺都比传统衬板简单。对正在应用的球磨机不需作任何改造。

二十多年来,组合衬板经电厂、水泥、矿山、磷肥等行业直径4米以下球磨机的长期生产应用证明,稳定性和可靠性都大大超过传统衬板,彻底消除了漏粉和断螺栓现象,维修量几乎为零,并为降低噪音提供了最有利的条件。生产文明了,工人从最繁重的劳动中解放出来了。

目前组合衬板已在国内二十多个省市得到广泛应用,其中江苏、上海、湖北、河北、广州、安徽、山西、辽宁等省的大多数电厂已全部采用组合衬板。组合衬板的最大长处是:能充分发挥所采用材质的最大淬火硬度——最大抗磨性能,且维修量几乎为零。最有效地利用了地球上的有限资源,应称为:“绿色衬板”。

组合衬板的材质适应高铬铸铁、镍硬铸铁、高、中碳合金钢,中、低铬铸铁,马氏体球体等一切高硬度材质,以获得最佳抗磨性能。

另外,衬板还有一个很重要的选择,那就是工作面的表面形状。工作面表面形状和磨球的相互配合决定了磨机内研磨介质的活跃度,并决定球磨机最大研磨能力的发挥。

例如电厂磨煤机和矿山球磨机的波纹衬板有利于研磨介质的活跃,但却没有考虑衬板与磨球之间最大研磨能力;水泥厂传统的阶梯衬板也没考虑衬板与磨球之间的最大研磨能力,也没使磨机内研磨介质的活跃度调整到较理想的状态。

我们认为电厂、水泥厂的衬板其表面形状应该是组合形式的。因为自入料端到出料端的物料细度的变化是非常大的。因此,从入料端到出料端研磨介质的运动方式也应随之改变,运动方式的改变是通过磨机衬板的表面形状而决定的。因此,电厂磨煤机和水泥筒式磨衬板的表面形状的选择应该是组合形式的。入料端应该是粉碎与研磨的结合,出料端相对突出研磨。

电厂、水泥厂球磨机衬板的材质,应选择那些含碳量较高的铬钼合金钢或高铬铸铁之类的材质。这里要注意的一个问题是“工况适用”的概念。并不是合金化越高越好!

1987年以来,我们通过对数百台水泥磨机的改造均获得5%以上的提高,最高达到了20%左右,而噪音降低了3-5分贝。5%产量的提高效益是惊人的,因为它的成本几乎只是原材料。
衬板表面形状的选择目的只有一个:选择理想的磨球工作状态,追求球磨机的最大研磨能力。

关于水泥磨中衬板的材质:应优先推荐高合金类。例如:Cr12、Cr15、Cr18、Cr20、Cr24等等,依据磨机的工况和企业的经济情况进行选择。使用这些高硬度、高耐磨材质的衬板,不仅仅是减少维修、减轻工人劳动强度,更重要的是这些高耐磨材质衬板能够较长时间地保持设计状态,较长时间的保持最佳工作状态,最大范围地提高产量,创造最大经济效益。特别是近年来,随着磨前辊压机的应用,水泥磨中最大磨球直径已下降到φ30左右,这给高硬度高合金衬板的应用,提供了最好的工况条件。

双介质淬火中、高碳铬钼合金钢衬板在水泥磨中也有着很好的费效比,使用寿命一般在两年左右。在φ2.2的水泥磨中,作为隔仓板的使用寿命也达到了十八个月,比较理想。

我们即使在电厂磨煤机中也不主张使用高锰钢衬板。由于煤质比较松散,绝大部分电厂磨机中最大磨球为φ60,因此在煤磨中高锰钢衬板是很难得到较好加工硬化的,无法发挥出应有的抗磨性能。电厂磨煤机理想的衬板为中、高碳的铬钼合金钢或Cr18以上的高铬铸铁。我们生产的高铬铸铁衬板在淮北发电厂320/580磨机中,使用了十四年,获得了极好的经济效益。

矿山中使用的磨机一般为短粗形状。如32/36、43/63等等。衬板的厚度也相对比较厚。由于矿山磨机较大,磨球也大,且大部分采用湿法工艺。因此衬板的运行条件十分严酷。我们建议在可靠性得到保证的前提下,尽量采用一些高硬度材质。硬就意味着耐磨。例如0.4~0.9%碳的铬钼合金钢或10~18%铬的铸铁材质,其硬度都在HRC50以上。在金矿直径四米左右的磨机采用Cr18材质。即使在十分恶劣的工况下,其使用寿命也能在6个月以上。

矿山中大型的磨机、自磨机或半自磨机,从稳定可靠的角度出发大多数选用介稳定奥氏体高锰钢衬板。

二、 关于磨球

目前国内外广泛使用的为高碳高合金类铸造磨球和高碳低合金类锻造或铸造磨球,在火电厂、水泥行业等干法生产中,绝大多数使用高、低铬铸铁类磨球。而矿山类的湿法工艺中多应用高碳低合金类磨球。

国内磨球的种类比较多,由于市场经济的不完善,磨球的使用不是根据工艺效益来决定的,随意性很大。主要品种有铬系高合金铸铁类。如:Cr8、Cr12、Cr15、Cr18、Cr24、Cr26等,低铬铸铁如:Cr2和马氏体球铁类。马氏体球铁和低铬铸铁就抗磨性而言是同一级的。它们的区别在生产工艺上。而高合金类的铸铁具有优秀的抗磨性能,合金越高,抗磨性能越好,同时具有良好的经济效益。有人曾有误解,高铬球水泥磨应用的好,而电厂不适应,实际上国内外的火电厂都有大量使用高铬球的良好纪录,例如:无锡、邹县、岳阳、邢台、衡阳、马头等电厂都使用高铬球,而不再希望使用其它球。高铬铸铁磨球在电厂正迅速普及。在电厂、水泥厂等干磨工艺中高铬球的吨磨耗只有15~50克,使用高铬球不仅仅节约成本、减少工人劳动、降低磨机电耗,同时也降低了人类有限资源的浪费。应当毫不客气的说:高铬球可称为环保磨球、绿色磨球。

锻球和轧球的品种主要为高碳铬钼合金类和中、低碳锰合金类。锻球和轧球工艺简单,制造成本低,考虑经济效益矿山类湿法工艺目前一般采用低铬合金磨球,其在铁矿、铜矿、钼矿中磨耗一般在500~700克左右。提高低铬合金球的硬度是降低磨耗最有效的方式。我们曾把低铬球的硬度提高到HRC55左右,其在铜矿的磨耗在550克左右。由于生产工艺的原因,锻球的质量应当比轧球略好一些。

但直径大于110mm时建议采用高碳铬钼低合金锻球,主要是考虑到大直径铸球破碎率可能会高些。锻球的碳含量一般在1%左右,铬小于2% 。低铬铸球硬度一般应在HRc48左右,应尽可能的提高低铬铸铁球的硬度,以提高经济效益。我们和印度厂合作生产的低铬铸铁磨球硬度高达HRc55,且心部和表面硬度相差很少。无论电厂、矿山、水泥都具有很好的费效比。火电厂的磨球直径一般不要大于φ60mm。水泥和矿山应依据磨机直径、衬板的表面形状和入料粒度进行球径级配。级配原则只有一个:尽可能降低磨球的直径,因为球磨机是研磨机,如果靠它去承担破碎作用哪怕仅仅是一小部分的,那也是十分不妥当的。

在材质选定的前题下,磨球的级配是十分重要的。理想的磨球级配加上理想的衬板表面形状能使磨机获得最大的工作效率。而正确选择的材质则是理想磨球级配、理想衬板表面形状长期保持最佳状态的根本保证。

三、衬板与磨球

长期以来,一种不太正确的说法流传较广,即:“磨球的硬度比衬板高HRc3~5。”问其原因,却无所适从。

衬板和磨球毫无疑问是个配合关系,和物料共同形成三体磨料磨损。但究竟怎么为好?应当说借用机械设计中的“基孔制”或“基轴制”概念理解最好。就球磨机而言衬板对生产的影响比磨球大的多,那么应当是“基板制”。因此在衬板和磨球的选择之中,首先应决定的是衬板,必须保证衬板的使用寿命在两个大修期以上,并且尽可能的不要维修。优先选择那些可靠性好、抗磨程度高的衬板。例如:组合自固高铬铸铁衬板,其电厂煤磨使用寿命可达二十年,水泥磨寿命十年,且几乎不用维修。双介质淬火中合金钢衬板在电厂煤磨使用寿命八年以上,水泥磨三年左右,铁矿约十个月。即使是双介质淬火低铬合金钢衬板在电厂煤磨的寿命也能在六年以上,水泥磨在两年左右,在铁矿磨的使用寿命也在八个月以上。

衬板和磨球的硬度应在HRc50以上,这主要因为磨料中的硬质相的硬度为莫氏硬度六、七,估算接近HRc60,理论上研磨介质硬度大于或等于磨料硬度的百分之八十,才具有理想的抗磨效果。

衬板决定后磨球就容易选了,只要衬板的使用寿命保证两个大修期,那么应当主张磨球的抗磨性能最好的即是优先选择的。假如说衬板和磨球都可以十年不换的话,那当然是很理想的。一个原则:降低成本、减轻工人劳动强度,提高运转率。

在“基板制”的前提下,“允许磨球比衬板硬度高HRc3~5”,这一般指应该淘汰的高锰钢衬板而言的,和流传的说法概念上是根本不同的。

四、结论:

a) 高锰钢材质和传统的球磨机衬板形式都是不适宜的,组合自固衬板的划时代设计有极大的优越性,彻底解决了断螺栓、漏粉问题使维修量减少98%以上;组合衬板能充分发挥各种高硬度材质的淬火硬度,使其发挥出最理想的抗磨性能。

b) 在干法工艺中,电厂、水泥厂应优先选择双介质淬火中、低铬合金钢衬板或高铬铸铁、高铬铸钢衬板,选择高硬度的高铬铸铁磨球。双介质淬火中、低铬合金钢有很好的经济效益;在矿山湿法工艺中从经济角度考虑,优先采用高、中碳合金钢衬板或Cr10~20左右含碳量较低的铸铁衬板和高硬度的低铬合金磨球。但直径大于110mm的磨球应考虑用高碳合金钢锻球。

c) 衬板和磨球的匹配应以“基板制”的观点,在衬板的使用寿命保证两个大修期的前提下,磨球的抗磨性能应选择最好的。

衬板的硬度应大于HRc50,铬钼合金铸造磨球的硬度应大于HRc52,锻造合金钢磨球硬度应大于HRc55。一般尽可能选择抗磨性能最优秀的磨球。

作者简介:
陈长顺
中国机械工程学会材料委员会 理 事
中国金属学会耐磨材料学委会 委 员
中国铸造学会耐磨材料学委会 委 员
无锡市东方抗磨工程有限公司 总经理

通讯地址:江苏无锡锡山区东湖塘镇中窑 214197
电话:0510-88798440
传真:0510-88791954
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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (6/20/2009)
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