HGJMN高抗磨合金衬板在大型水泥磨机上的应用.doc

GHJMn高抗磨合金衬板在大型水泥磨机上的应用

邹伟斌 中国建材工业经济研究会水泥专业委员会 100831
卫建胜 华新水泥股份有限公司 435000
曹祥云 鄂州市杨叶高锰钢铸造有限责任公司 436055

摘要：本文论述了GHJMn高抗磨合金材质衬板及其在大型水泥磨机上的应用过程；并以ZGMn13为基准参照材料，对比了其机械性能；探讨了GHJMn衬板的磨损机理以及综合提高高锰钢材料耐磨性与使用寿命的技术途径。
关键词：GHJMn ZGMn13 磨料磨损 使用寿命。
1、导言
自1882年英国工程师R·A·哈特菲尔德发明标准奥氏体高锰钢（ZGMn13）以来，由于这种韧性较好的耐磨材料，自身具备加工硬化（冷作硬化）的机械性能，诱发A M相变，可获得高强度、高硬度（HB500以上），从而提高材料耐磨性和使用寿命的特性。所以，一直能够沿用至今。
现代化水泥工业中的大型管磨机，一般多采用磨耗低（≤50g/t-c）、破损率小（＜1.0%）的高硬度（HRC≥55）合金研磨体。在与普通高锰钢（ZGMn13）衬板配副使用过程中，显示出衬板材料的耐磨性差，环境温度较高时产生塑性流变，易破损，最终导致其使用寿命降低。同时，由于ZGMn13材料耐温度变化的能力较差，用其制成的衬板不能长期在250℃及以上温度环境中使用。否则，高锰钢中的奥氏体基体组织极易析出碳化物，导致材料局部脆化，受研磨体连续冲击时产生破损。
普通高锰钢（ZGMn13）材料由于含有较多的奥氏体（Ar）组织，其韧性虽为其它材料所不能比拟，但因初始硬度较低（HB200左右），抵抗硬质磨料磨损能力较差。为了扬长避短，进一步提高材料的机械性能，现已引入合金化变质处理的概念。在铸造熔炼过程中选择加入适量的Cr、V、Ni、Mo、W、B、Ti、Re等合适元素，使材料基体保持良好冲击韧性的同时，获得呈弥散化分布的高硬度高抗磨合金碳化物组织，籍以提高其耐磨、耐蚀及耐温性能与使用寿命，这已成为优化高锰钢材料机械性能的主要发展方向。〔1〕
为此，我们与鄂州市杨叶高锰钢铸造有限责任公司合作，共同开发研制出具有优良机械性能的新品种GHJMn高抗磨合金锰钢衬板，并将其用于大型水泥磨机，GHJMn材料耐磨性和使用寿命比普通高锰钢（ZGMn13）提高3~5倍，且破损率极低，在使用过程中取得了良好的技术经济效果。现将研制、应用过程及相关技术经济分析总结如下。文中谬误之处，尚望各位同仁予以批评指正。
2、开发研制技术思路
在普通高锰钢（ZGMn13）中引入部分合金元素，通过提高材料的锰碳比（Mn/c），使基体组织中保持一定数量的高抗磨硬质相—合金碳化物，可显著改善材料的机械性能，提高基体的初始硬度及耐磨性。
新研制的GHJMn材料的主要金相组织仍为奥氏体，但通过实施合金化变质处理后，已成为高抗磨合金锰钢。合金元素的选择与匹配见表1。
表1 GHJMn高抗磨合金锰钢合金元素的选择与匹配
合金
元素
作 用
质量百分数（%）
C
确保奥氏体的最基本、最重要元素，C增加，材料基体硬度增加
1.3~1.8
Mn
稳定奥氏体元素；Mn增加奥氏体稳定性增强
15~18
Cr
形成适量铬铁碳化物，提高材料基体硬度及耐磨性
1~3
Ti
细化晶粒，同时形成碳化钛硬质相，提高抗磨性能
0.1~0.6
Re
净化钢液，细化晶粒，提高材料基体韧性
少量
W、B
形成碳化钨，碳化硼硬质相，提高抗磨性能
少量
2.1 GHJMn高抗磨合金锰钢铸造及热处理工艺。
GHJMn高抗磨合金锰钢铸造及热处理工艺与ZGMn13的生产工艺基本相同：采用自控升温的工业电炉熔炼，砂模浇铸成型。再入自动控温的工业电阻炉在1050~1100℃处理，然后进行“水韧处理”。处理后的试件再经过一定的时效处理。〔2〕
2.2 GHJMn高抗磨合金锰钢的机械性能
GHJMn高抗磨合金锰钢材料制成的衬板，经过热处理与时效处理后，其机械性能见表2。
表2 GHJMn高抗磨合金锰钢机械性能
测 试 项 目
机 械 性 能
硬度（HRC）
≥50
冲击韧性（αK）
＞180J/cm2
适用范围
耐磨料磨损及冲击、凿削磨损
耐磨性
是ZGMn13的3倍以上
金相组织：奥氏体（Ar ）+Cr7 C3合金碳化物+其它合金碳化物。
3、应用过程分析
3.1 用于φ2.7×4m二组一级水泥磨衬板。
华新水泥公司φ2.7×4m水泥粉磨系统系进口粉磨设备，在φ3.5×145m湿法回转窑未拆除前粉磨湿法窑熟料（熟料显微硬度HV650左右），生产P.O525R、P.O425、P.O525水泥。磨内研磨体采用高铬合金白口铸铁磨球，硬度HRC≥58，冲击韧性2K3-7J/ cm2。该磨机采用φ90-φ60四级配球，平均球径DCP=77mm，研磨体填充率52.02%，装载量40T。
该磨机一级磨及二级磨原采用ZGMn13材质阶梯衬板，使用寿命为一年，改用GHJMn高抗磨合金锰钢阶梯衬板后，仍采用高铬合金研磨体与衬板配副。一级磨衬板使用寿命为四年，二级磨衬板使用寿命达十年。
表3 GHJMn与ZGMn13衬板使用性能对比
项目
ZGMn13
GHJMn
水泥产量（t）
184749
550654
运转时间（h:min）
7547：20
22475：40
台时产量（t/h）
24.48
24.50
衬板使用周期（月）
13
37
磨损量（kg）
7721.2
7721.2
磨耗量（kg）
0.042
0.014
该套GHJMn衬板已用10年，而ZGMn13衬板已于当年淘汰。
由表3可知：GHJMn衬板的耐磨性是ZGMn13衬板的3倍以上。ZGMn13衬板淘汰后，GHJMn衬板的在继续使用。
3.2 用于华新水泥公司φ4.2×11.5m水泥磨机进料端衬板、隔仓板，经过九个月的正常生产运行中跟踪检测，进料端衬板平均磨损量只有6mm，且无一破损，一仓所用相同材质GHJMn阶梯衬板，连续使用三年效果良好。
3.3 用于江西万年青水泥公司φ3.5×11m水泥磨机一仓阶梯衬板。原采用ZGMn13材质阶梯衬板时，使用寿命为一年。改用GHJMn材质阶梯衬板后，连续使用三年以上。
3.4 GHJMn材质篦条用于石灰石矿山MB50/75单转子锤式破碎机（21根，计1260kg），经过两个月的运行，碎石产量为209311吨，磨损量为0.145g/t，使用寿命是ZGMn13篦条的3倍以上。
4、GHJMn高抗磨合金锰钢材料性能及抗磨损机理分析
水泥磨机粗磨仓（一仓）衬板的磨损失效形式主要是受研磨体小能量多冲击荷载下产生的磨料磨损机制。其具体表现为衬板工作表面因受球体冲击和切向滑动加剧疲劳磨损而造成剥落、撕裂或形成犁沟（环形沟槽），并出现不规则的凿削坑。衬板的表面积越大，所受冲击功越强，越易加剧冲蚀磨损。铸造过程中材料的杂质含量越高、试件内部结构疏松多孔及热处理方式选择不当等，同样会引起衬板在使用中产生严重蚀损。
水泥粉磨过程的工艺特点是物料易磨性差、粉磨温度高、衬板及研磨体磨耗量大、破损率高。普通高锰钢（ZGMn13）材料在较高温度环境下使用，易产生塑性流变，导致衬板之间延展、挤压变形严重。同时，奥氏体组织表层因受热而析出碳化物结晶体，造成衬板材料局部出现脆化，当接触硬质研磨体连续冲击时极而产生碎裂、破损现象而缩短其使用寿命。即使在较低温度环境下使用，由于普通高锰钢（ZGMn13）衬板初始硬度较低，当受到硬质磨料产生的切削应力和交变应力作用时，衬板工作表层因得不到充分的加工硬化而产生微观切削，伴随着材料疲劳剥落的同时，导致磨损加剧，最终降低其使用寿命。
由材料学理论分析可知：材料硬度越高，磨耗量越低，耐磨性能越好。但同时又必须赋予其良好的抵抗冲击破坏的能力（冲击韧性），使材料的硬度与韧性指标兼顾，以减少在使用过程中的破损，才能大幅度提高其使用寿命。高锰钢材料最显著的机械性能特点是能够借助于外界应力促使其自身产生“加工硬化”，体中奥氏体组织随外部冲击力和摩擦力的增加，不断诱发Ar M的位错马氏体相变，马氏体（或合金马氏体）硬度高，具有良好的抵抗磨料磨损的能力，而经过合金化变质处理的高抗磨合金锰钢（GHJMn）材料，其初始硬度，强度塑性和冲击韧性以及加工硬化能力比ZGMn13进一步提高，机械性能更为优良。当引入合金元素时，基体组织中所含的硬质耐磨相——Cr7C3型合金碳化物以及TiC、BC、WC等高硬度、高抗磨合金碳化物的存在，使基体硬度显著提高，充分体现出合金材料的高抗磨、高韧性以及抵抗温度变化能力的优势。同时，硬质相与强韧性奥氏体晶格类型相近，晶格之间良好地穿插、联接、镶嵌、相互交叉庇护，从而赋予了材料优良的抵抗冲击破坏和抗磨料磨损能力，显著增强了材料的耐磨性，大幅度提高了衬板的使用寿命。使用后的GHJMn衬板工作表层光滑呈亮白色，光洁度好，无破损及粘灰现象，经测试衬板表面平均硬度HRC＞55，充分说明材料的耐磨性能优良。〔3〕
水泥磨机细磨仓内所使用的高硬度合金研磨体（HRC≥55）的平均尺寸一般较小（≤20mm）。粉磨设备大型化后，筒式磨机的工作转速随直径的增大而降低，磨内研磨体被提升、抛落的高度受到一定的制约，对物料的作用力方式多以研磨为主，最外层研磨体与衬板之间产生切向滑动现象较为严重。在此工况条件下，细磨仓内衬板随磨料磨损和塑性变形两种失效机制以及在较高粉磨温度下低应力划伤磨损的叠加效应，从而导致衬板的使用寿命明显缩短，尤其是初始硬度低的衬板材料，这一缺陷更为突出。
鉴于水泥磨机细磨仓衬板的磨损机制与粗磨仓（一仓）不同，故在选择衬板时，应选用高硬度的合金抗磨材料，可有效抵抗磨料磨损低应力划伤磨损，延长衬板的使用寿命，达到稳定提高粉磨效率的目的。GHJMn材质同时具备高硬度（抗磨损）和高韧性（抗破损）性能，在使用过程中的保留了产生二次加工硬化的机械特性。所以，GHJMn衬板在细磨仓内使用寿命达到十年已成为不争的事实。
由于GHJMn高抗磨合金衬板的磨损量极低，可以在较长时间内保持其工作表面形状，从而能够使磨机保持较高而稳定的粉磨效率和较低的粉磨电耗。虽价格高于普通高锰钢（ZGMn13）的1.4倍以上，但其综合磨耗成本仍显著低于普通高锰钢材料。
5、技术经济分析
在大型水泥磨机上使用GHJMn衬板，相对于普通高锰钢（ZGMn13）材质衬板而言，有以下显著的技术经济特点：
5.1 虽然GHJMn材料价格（9800元/t）为ZGMn13材料（6800元/t）的1.4倍以上，但在相同的工况条件下服役，其使用寿命为ZGMn13的3倍以上。若以3倍寿命取值分析，使用GHJMn衬板每年的磨耗费用仍比ZGMn13低2倍以上，具有优良的性能价格比。
5.2 由于GHJMn材料具有优良的机械性能，磨耗量低，破损率极低，使用中减少了停机更换衬板时间和工人的劳动强度。在提高设备运转率的同时，可稳定增产，降低生产成本。
5.3 使用GHJMn衬板，由于衬硬度高、冲击韧性好，衬板工作表面光洁度高，可使磨机在较长时间内保持较高而稳定的粉磨效率，运行成本显著降低。
6、结束语
6.1 GHJMn材料机械性能优良：初始硬度HRC≥50，冲击韧性2K＞180J/cm2，加工硬化能力良好，提高了材料的耐磨性。在相同工况条件下，使用寿命是普通高锰钢（ZGMn13）的3倍以上，使用后的GHJMn衬板工作表面平均硬度HRC＞55，光洁度高，不粘灰。与硬质合金研磨体（HRC≥58）配副，可获得显著的技术经济效果。
6.2 高锰钢材料经过合金化变质处理，同时采用自控升温的工业电阻炉进行严格的“水韧处理”工艺，是获得优良机械性能，提高耐磨性及使用寿命最有效的技术途径。
6.3 普通高锰钢（ZGMn13）衬板，由于初始硬度低，易产生塑性流变、挤压变形而导致破损，使用寿命降低，故不宜与高硬度合金研磨体配副。
6.1 GHJMn材料可广泛用于水泥、电力、冶金、耐火材料、选矿、玻璃等行业的磨机衬板、隔仓板等磨内抗磨件以及破碎机护板、锤头等易损件的制作，大面积推广应用后，具有显著的经济效益和巨大的社会效益。
参 考 文 献
1、邹伟斌等《HJGMn衬板与高铬铸球配副的试验研究》、《水泥技术》2002、增刊。
2、张清《金属磨损和金属耐磨材料手册》冶金工业出版社 1991年
3、《第八届耐磨材料学术会议论文集》中国金属学会耐磨材料学术委员会 中国建材装备杂志社 1997年