矿山耐磨材料的选择

2021-05-12 16:39:29 | 作者: 世邦集团

随着科技及工业的快速发展，大型机械设备零部件磨损速率显著增加，严重影响了磨矿效率。据统计，全世界 1/3 能源消耗于摩擦磨损，80% 零件因磨损而失效。磨粒磨损作为较为普遍的磨损失效形式，占比高达 50%。矿山行业属于耐磨件高消耗行业，伴随着矿山企业规模不断扩大、矿石品位逐年降低，破碎、粉磨设备的生产能力成为提高产能的关键因素，物料粉碎过程中能量消耗和钢材消耗等问题也变得更加突出。

1 选材原则

目前市场上耐磨材料种类繁多，且各有其优越性和局限性，需要根据实际工况合理选材，充分发挥材料特性，才能提高耐磨件使用寿命。对于矿山设备，耐磨材料选择一般遵循如下原则。

1.1 工艺流程

因地理位置及岩石成形机理不同，矿物的组成成分之间机械性能亦不同，使得矿石的破碎研磨难易程度存在差异性。受矿山规模、采矿方式及投资运营成本等因素影响，碎磨工艺流程呈现多样化。选矿厂往往根据自身特点进行工艺流程的设计与选择，工艺流程分布不同，同时存在干、湿磨矿的生产方式，需要根据具体工况条件选用不同的耐磨材料。

1.2 碎磨设备

矿石碎磨过程主要包括破碎作业和磨矿作业。破碎设备是破碎作业稳定运行的关键，主要包括圆锥破碎机、鄂式破碎机、旋回破碎机以及高压辊磨机、盘旋式破碎机等。破碎作业处于碎磨工艺流程中上游环节，主要作用是破碎开采的大块矿石，为磨矿作业提供符合粒度要求的物料。因此，破碎机衬板承受强烈冲击和高接触应力，需要外硬内韧的耐磨材料以抵抗强冲击和强大压力。

磨矿设备主要有半自磨机、自磨机、球磨机和搅拌磨机等。自磨机、半自磨机与球磨机的工作原理基本相同，只是自磨机以物料本身作为磨矿介质，以此达到矿石粉碎的效果。自磨机衬板遭受大块物料的研磨和较小的冲击，高硬度、高耐磨性且保持一定韧性的耐磨材料是不错的选择，高铬铸铁材质衬板现已尝试在大型自磨机上进行应用。半自磨机以一定比例的磨料作为磨矿介质，利用磨料、物料以及衬板间的碰撞、冲击和摩擦，形成有效粉碎。半自磨机衬板遭受磨料、物料强烈的冲击和研磨，并以冲击磨损较为严重。因此，材料选择更关注材料的强韧性、硬韧性，以此保证磨机运行中衬板的安全可靠性和使用寿命，防止衬板发生早期断裂，一般可选用高韧性低合金钢、新型高锰钢以及复合材料。球磨机磨球规格小，物料填充率高，磨体被提升后对衬板冲击作用弱，衬板以研磨为主，宜选用高硬度、耐磨性好，并兼顾一定韧性的材料，如马氏体耐磨钢、高铬铸铁或复合材料等。搅拌磨作为细磨和超细磨设备，它是利用内部搅拌器带动磨矿介质旋转，实现有效粉碎物料以及对复杂矿物进行有效筛选的目的。搅拌磨基本的磨碎作用是磨剥而不是冲击作用，衬板在磨介及物料作用下，表面受到高应力的研磨，耐磨材料一般选用铬系抗磨白口铁。

随着磨矿技术、磨矿工艺的发展，碎磨设备的规格越来越大，可处理物料的块度增大，设备比破碎率增加，处理能力增强，因而碎磨设备用耐磨衬板几何形状变大，截面增厚，质量增加，承受相当强烈的碰撞、挤压、冲击和摩擦，对耐磨材料的韧性、强度、淬透性等性能提出了更高的要求。

1.3 磨损规律

磨损即为相互接触的物体，因相对运动而造成表面材料的丢失或转移。根据磨损产生的机制，一般将磨损分为黏着磨损、表面疲劳磨损、磨料磨损和化学磨损 4 种类型。其中磨料磨损较为严重，尤其在湿态工况条件下，因存在腐蚀介质，同种材料的磨损率是干态下的数倍 (酸性介质中尤其严重)。因此，衬板材料应具备较高的硬度和屈服强度，以抵抗磨粒磨损的同时抑制腐蚀对磨损的加速作用。

因矿石属性的差异、碎磨工艺流程的多样化以及碎磨设备工作原理的不同，衬板的磨损规律也不尽相同。即使在相同工况条件下，同一破磨设备内不同部位的磨损程度也不相同，存在高磨损区域、高冲击区域以及低磨损、低冲击区域。在高冲击区，强韧性良好的合金钢是不错的选择；在高磨损区，可选用马氏体耐磨钢、贝氏体钢等耐磨材料；在低磨损、低冲击区，一般选用橡胶或钢-橡胶复合材料，起到研磨作用又有减重效果。因此，只有掌握磨损类型及磨损规律，才能进行差异化选材，实现衬板更换，节省成本，提高磨矿效率。

1.4 衬板结构

衬板结构设计是磨机性能的关键因素，决定物料在磨机内的抛落轨迹，影响磨矿效果。

衬板结构形式多样，大体可分为平滑衬板和不平滑衬板。平滑衬板提升作用�。チ瞎龆突饔们浚ハ髯饔们浚嘤糜谙改ィ徊黄交陌逄嵘饔么螅跎倭四チ系幕泳缒チ隙晕锪系某寤髯饔茫欣谒榭螅嘤糜诖帜�。现代磨矿设备多采用非平滑型衬板，主要包括波形衬板、压条衬板、L 形和梯形等凸棱衬板。波形衬板多用于球磨机，属于较简单的不平滑衬板，一定厚度的波峰可提升磨料高度，以撞击底部物料，同时其表面呈圆弧形，磨料对物料产生滑动磨削，兼顾粗磨与细磨效果，因此，结合磨机规格，波形衬板材料可选用硬度、耐磨性优异的马氏体组织合金钢、高铬铸铁以及复合材料等。凸棱结构衬板多用于自磨机、半自磨机，衬板提升作用强，高能量多频次碰撞，冲击破碎粗磨效果明显，尤其在大型磨机中表现尤为突出，宜采用高韧性、高硬度的合金钢、改性高锰钢、贝氏体钢或耐磨钢铁复合材料。衬板结构设计需考虑工艺性要求，这样能够非常大限度发挥材料特性，满足生产制造和使用性能要求。

1.5 材料性能

在湿磨工况下，矿浆一般偏酸性或呈中性，矿石硬度高，随着矿用磨机规格逐渐增大，磨料等研磨介质直径变大，耐磨衬板在服役过程中承受剧烈的冲击和磨料磨损，使用中后期磨损加剧，甚至发生断裂失效，其安全可靠性变得尤为重要。因此，设计大型耐磨衬板材料时应考虑以下性能指标。

(1)高淬透性、高淬硬性粉磨设备大型化，耐磨衬板截面变得愈加厚大，高淬透型和淬硬性能够保证耐磨件淬硬层深度，保证材料在大尺寸范围内组织和性能的均匀性。

(2)良好的综合力学性能良好的塑韧性能够较好吸收强冲击工况下的冲击能量，有效阻止裂纹的萌生和扩展，有助于抵抗断裂失效和剥落磨损；较高的硬度能够抵抗高硬度矿石切削磨损；较高的屈服强度能够防止大载荷冲击工况下材料的宏观塑性变形。

(3)高耐蚀性高耐蚀性保证处于腐蚀介质中的磨机衬板能够抵抗腐蚀，利于提高衬板耐磨性。

(4)高耐磨蚀性在湿磨条件下，腐蚀与磨损并非简单的叠加，其交互加速作用促使衬板的快速失效，高耐磨蚀性是湿磨工况下耐磨衬板重要的技术指标。

因此，耐磨衬板不能单一追求某一种材料特性，耐磨材料应具有较好的综合力学性能，高淬透性、淬硬性、高耐蚀性和高耐磨蚀性。

1.6 生产成本

耐磨铸件在服役环境中，在满足安全可靠性能的前提下，所选耐磨材料的合金化元素应尽量选用富有的、价格低廉的铁合金进行合金化，并实施与之相适宜的制造工艺。这样不仅可以降低生产成本，而且合理利用了现有资源，同时可以保证产品具有较高的使用寿命。这种性价比高的耐磨产品，较能获得客户的青睐，提高经济效益和社会效益。

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