礦山耐磨材料的選擇

隨著科技及工業(yè)的快速發(fā)展，大型機(jī)械設(shè)備零部件磨損速率顯著增加，嚴(yán)重影響了磨礦效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界 1/3 能源消耗于摩擦磨損，80% 零件因磨損而失效。磨粒磨損作為較為普遍的磨損失效形式，占比高達(dá) 50%。礦山行業(yè)屬于耐磨件高消耗行業(yè)，伴隨著礦山企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、礦石品位逐年降低，破碎、粉磨設(shè)備的生產(chǎn)能力成為提高產(chǎn)能的關(guān)鍵因素，物料粉碎過程中能量消耗和鋼材消耗等問題也變得更加突出。

1 選材原則

目前市場(chǎng)上耐磨材料種類繁多，且各有其優(yōu)越性和局限性，需要根據(jù)實(shí)際工況合理選材，充分發(fā)揮材料特性，才能提高耐磨件使用壽命。對(duì)于礦山設(shè)備，耐磨材料選擇一般遵循如下原則。

1.1 工藝流程

因地理位置及巖石成形機(jī)理不同，礦物的組成成分之間機(jī)械性能亦不同，使得礦石的破碎研磨難易程度存在差異性。受礦山規(guī)模、采礦方式及投資運(yùn)營(yíng)成本等因素影響，碎磨工藝流程呈現(xiàn)多樣化。選礦廠往往根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行工藝流程的設(shè)計(jì)與選擇，工藝流程分布不同，同時(shí)存在干、濕磨礦的生產(chǎn)方式，需要根據(jù)具體工況條件選用不同的耐磨材料。

1.2 碎磨設(shè)備

礦石碎磨過程主要包括破碎作業(yè)和磨礦作業(yè)。破碎設(shè)備是破碎作業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，主要包括圓錐破碎機(jī)、鄂式破碎機(jī)、旋回破碎機(jī)以及高壓輥磨機(jī)、盤旋式破碎機(jī)等。破碎作業(yè)處于碎磨工藝流程中上游環(huán)節(jié)，主要作用是破碎開采的大塊礦石，為磨礦作業(yè)提供符合粒度要求的物料。因此，破碎機(jī)襯板承受強(qiáng)烈沖擊和高接觸應(yīng)力，需要外硬內(nèi)韌的耐磨材料以抵抗強(qiáng)沖擊和強(qiáng)大壓力。

磨礦設(shè)備主要有半自磨機(jī)、自磨機(jī)、球磨機(jī)和攪拌磨機(jī)等。自磨機(jī)、半自磨機(jī)與球磨機(jī)的工作原理基本相同，只是自磨機(jī)以物料本身作為磨礦介質(zhì)，以此達(dá)到礦石粉碎的效果。自磨機(jī)襯板遭受大塊物料的研磨和較小的沖擊，高硬度、高耐磨性且保持一定韌性的耐磨材料是不錯(cuò)的選擇，高鉻鑄鐵材質(zhì)襯板現(xiàn)已嘗試在大型自磨機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用。半自磨機(jī)以一定比例的磨料作為磨礦介質(zhì)，利用磨料、物料以及襯板間的碰撞、沖擊和摩擦，形成有效粉碎。半自磨機(jī)襯板遭受磨料、物料強(qiáng)烈的沖擊和研磨，并以沖擊磨損較為嚴(yán)重。因此，材料選擇更關(guān)注材料的強(qiáng)韌性、硬韌性，以此保證磨機(jī)運(yùn)行中襯板的安全可靠性和使用壽命，防止襯板發(fā)生早期斷裂，一般可選用高韌性低合金鋼、新型高錳鋼以及復(fù)合材料。球磨機(jī)磨球規(guī)格小，物料填充率高，磨體被提升后對(duì)襯板沖擊作用弱，襯板以研磨為主，宜選用高硬度、耐磨性好，并兼顧一定韌性的材料，如馬氏體耐磨鋼、高鉻鑄鐵或復(fù)合材料等。攪拌磨作為細(xì)磨和超細(xì)磨設(shè)備，它是利用內(nèi)部攪拌器帶動(dòng)磨礦介質(zhì)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)有效粉碎物料以及對(duì)復(fù)雜礦物進(jìn)行有效篩選的目的。攪拌磨基本的磨碎作用是磨剝而不是沖擊作用，襯板在磨介及物料作用下，表面受到高應(yīng)力的研磨，耐磨材料一般選用鉻系抗磨白口鐵。

隨著磨礦技術(shù)、磨礦工藝的發(fā)展，碎磨設(shè)備的規(guī)格越來越大，可處理物料的塊度增大，設(shè)備比破碎率增加，處理能力增強(qiáng)，因而碎磨設(shè)備用耐磨襯板幾何形狀變大，截面增厚，質(zhì)量增加，承受相當(dāng)強(qiáng)烈的碰撞、擠壓、沖擊和摩擦，對(duì)耐磨材料的韌性、強(qiáng)度、淬透性等性能提出了更高的要求。

1.3 磨損規(guī)律

磨損即為相互接觸的物體，因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而造成表面材料的丟失或轉(zhuǎn)移。根據(jù)磨損產(chǎn)生的機(jī)制，一般將磨損分為黏著磨損、表面疲勞磨損、磨料磨損和化學(xué)磨損 4 種類型。其中磨料磨損較為嚴(yán)重，尤其在濕態(tài)工況條件下，因存在腐蝕介質(zhì)，同種材料的磨損率是干態(tài)下的數(shù)倍 (酸性介質(zhì)中尤其嚴(yán)重)。因此，襯板材料應(yīng)具備較高的硬度和屈服強(qiáng)度，以抵抗磨粒磨損的同時(shí)抑制腐蝕對(duì)磨損的加速作用。

因礦石屬性的差異、碎磨工藝流程的多樣化以及碎磨設(shè)備工作原理的不同，襯板的磨損規(guī)律也不盡相同。即使在相同工況條件下，同一破磨設(shè)備內(nèi)不同部位的磨損程度也不相同，存在高磨損區(qū)域、高沖擊區(qū)域以及低磨損、低沖擊區(qū)域。在高沖擊區(qū)，強(qiáng)韌性良好的合金鋼是不錯(cuò)的選擇；在高磨損區(qū)，可選用馬氏體耐磨鋼、貝氏體鋼等耐磨材料；在低磨損、低沖擊區(qū)，一般選用橡膠或鋼-橡膠復(fù)合材料，起到研磨作用又有減重效果。因此，只有掌握磨損類型及磨損規(guī)律，才能進(jìn)行差異化選材，實(shí)現(xiàn)襯板更換，節(jié)省成本，提高磨礦效率。

1.4 襯板結(jié)構(gòu)

襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是磨機(jī)性能的關(guān)鍵因素，決定物料在磨機(jī)內(nèi)的拋落軌跡，影響磨礦效果。

襯板結(jié)構(gòu)形式多樣，大體可分為平滑襯板和不平滑襯板。平滑襯板提升作用小，磨料滾動(dòng)和滑動(dòng)作用強(qiáng)，磨削作用強(qiáng)，多用于細(xì)磨；不平滑襯板提升作用大，減少了磨料的滑動(dòng)，加劇磨料對(duì)物料的沖擊作用，有利于碎礦，多用于粗磨?，F(xiàn)代磨礦設(shè)備多采用非平滑型襯板，主要包括波形襯板、壓條襯板、L 形和梯形等凸棱襯板。波形襯板多用于球磨機(jī)，屬于較簡(jiǎn)單的不平滑襯板，一定厚度的波峰可提升磨料高度，以撞擊底部物料，同時(shí)其表面呈圓弧形，磨料對(duì)物料產(chǎn)生滑動(dòng)磨削，兼顧粗磨與細(xì)磨效果，因此，結(jié)合磨機(jī)規(guī)格，波形襯板材料可選用硬度、耐磨性優(yōu)異的馬氏體組織合金鋼、高鉻鑄鐵以及復(fù)合材料等。凸棱結(jié)構(gòu)襯板多用于自磨機(jī)、半自磨機(jī)，襯板提升作用強(qiáng)，高能量多頻次碰撞，沖擊破碎粗磨效果明顯，尤其在大型磨機(jī)中表現(xiàn)尤為突出，宜采用高韌性、高硬度的合金鋼、改性高錳鋼、貝氏體鋼或耐磨鋼鐵復(fù)合材料。襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮工藝性要求，這樣能夠非常大限度發(fā)揮材料特性，滿足生產(chǎn)制造和使用性能要求。

1.5 材料性能

在濕磨工況下，礦漿一般偏酸性或呈中性，礦石硬度高，隨著礦用磨機(jī)規(guī)格逐漸增大，磨料等研磨介質(zhì)直徑變大，耐磨襯板在服役過程中承受劇烈的沖擊和磨料磨損，使用中后期磨損加劇，甚至發(fā)生斷裂失效，其安全可靠性變得尤為重要。因此，設(shè)計(jì)大型耐磨襯板材料時(shí)應(yīng)考慮以下性能指標(biāo)。

(1)高淬透性、高淬硬性 粉磨設(shè)備大型化，耐磨襯板截面變得愈加厚大，高淬透型和淬硬性能夠保證耐磨件淬硬層深度，保證材料在大尺寸范圍內(nèi)組織和性能的均勻性。

(2)良好的綜合力學(xué)性能 良好的塑韌性能夠較好吸收強(qiáng)沖擊工況下的沖擊能量，有效阻止裂紋的萌生和擴(kuò)展，有助于抵抗斷裂失效和剝落磨損；較高的硬度能夠抵抗高硬度礦石切削磨損；較高的屈服強(qiáng)度能夠防止大載荷沖擊工況下材料的宏觀塑性變形。

(3)高耐蝕性 高耐蝕性保證處于腐蝕介質(zhì)中的磨機(jī)襯板能夠抵抗腐蝕，利于提高襯板耐磨性。

(4)高耐磨蝕性 在濕磨條件下，腐蝕與磨損并非簡(jiǎn)單的疊加，其交互加速作用促使襯板的快速失效，高耐磨蝕性是濕磨工況下耐磨襯板重要的技術(shù)指標(biāo)。

因此，耐磨襯板不能單一追求某一種材料特性，耐磨材料應(yīng)具有較好的綜合力學(xué)性能，高淬透性、淬硬性、高耐蝕性和高耐磨蝕性。

1.6 生產(chǎn)成本

耐磨鑄件在服役環(huán)境中，在滿足安全可靠性能的前提下，所選耐磨材料的合金化元素應(yīng)盡量選用富有的、價(jià)格低廉的鐵合金進(jìn)行合金化，并實(shí)施與之相適宜的制造工藝。這樣不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且合理利用了現(xiàn)有資源，同時(shí)可以保證產(chǎn)品具有較高的使用壽命。這種性價(jià)比高的耐磨產(chǎn)品，較能獲得客戶的青睞，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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