[破碎機(jī)錘頭]大型石灰石破碎機(jī)錘頭的選材與失效分析

大型石灰石破碎機(jī)錘頭材質(zhì)選擇與失效分析

隨著新型干法水泥設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)5 000t/d，10 000t/d大型干法水泥生產(chǎn)線正在增加。作為水泥生產(chǎn)的主要原料，石灰石采用大型單級轉(zhuǎn)子錘式破碎機(jī)（臺(tái)灣生產(chǎn)400~1），以確保充足的供應(yīng)。 200t/h，應(yīng)用于破碎或粗破碎）進(jìn)行破碎，外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。將破碎的石灰石研磨成球磨機(jī)，研磨至一定細(xì)度后，將石灰石粉磨成旋轉(zhuǎn)狀。窯爐和其他輔助材料。在高溫下煅燒后，它變成水泥熟料，熟料被高溫冷卻粉碎。儲(chǔ)存和儲(chǔ)存熟料用輥壓機(jī)粉碎，然后研磨成球磨機(jī)。研磨至一定細(xì)度后，研磨的細(xì)粉直接作為水泥成品出售。

水泥廠使用的大部分石灰石是露天爆破，原始塊體尺寸非常大（500~1）。 500mm），通過叉車或裝載機(jī)倒入筒倉，通過鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)輸送到破碎機(jī)進(jìn)料口，石灰石通過阻尼裝置落到進(jìn)料輥上，兩個(gè)相同方向旋轉(zhuǎn)的進(jìn)料輥將石灰石進(jìn)入轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。錘子以更高的線速度（30-50 m/s）撞擊石灰石，同時(shí)壓碎或拋出塊體，拋出的塊撞擊反擊板或碰撞并再次破碎，然后錘頭進(jìn)入破碎板和卸料筏的工作區(qū)域繼續(xù)被擊打和壓碎，直至小于絎縫尺寸（套筒25~75mm），并從機(jī)腔下部排出，材料壞了。該比例高達(dá)1:20至1:60，表明大型石灰石破碎機(jī)的工作條件非常差。

大型石灰石破碎機(jī)的關(guān)鍵易磨部分的錘頭需要承受工作過程中散裝材料的強(qiáng)烈沖擊，并且需要良好的沖擊韌性和高硬度。由于水泥制造商的石灰石質(zhì)量，轉(zhuǎn)速，進(jìn)料尺寸和綜合含水量的巨大差異，相同材料的錘子的使用壽命差異很大，磨損在幾天內(nèi)完成，并且操作幾年后很好?？梢钥闯?，在成本最低和效率最高的情況下，選擇適合于破碎機(jī)狀態(tài)的錘子是非常重要的。

大型石灰石破碎機(jī)的重量約為80-150kg，形狀如圖2所示。目前常用的錘頭材料主要包括三種高錳鋼，超高錳鋼和雙金屬液體熱復(fù)合材料，以及通過特殊的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)10多種材料。如高錳鋼（Mn13），合金高錳鋼（Mn13CrMo），高錳鋼工作面堆焊耐磨層，高錳鋼鑄造高鉻合金鑄鐵，高錳鋼鑄鋼接頭硬質(zhì)合金，超高錳鋼（Mn18CrMo） ），超高錳鋼工作面堆焊耐磨層，超高錳鋼鑄造高鉻合金鑄鐵，超高錳鋼鑄鋼接頭硬質(zhì)合金，雙金屬液體熱復(fù)合。

1　高錳鋼類錘頭及適應(yīng)工況條件

1.1　高錳鋼

高錳鋼是一種傳統(tǒng)的耐磨材料，已有100多年的歷史。高錳鋼的鑄態(tài)組織是奧氏體和碳化物的一部分。當(dāng)碳化物的量很大時(shí)，它將在晶界上以網(wǎng)絡(luò)的形式出現(xiàn)，這嚴(yán)重破壞了基體結(jié)構(gòu)并降低了基體結(jié)構(gòu)的韌性。但是，經(jīng)過水韌化處理后，基體結(jié)構(gòu)完全奧氏體化，塑性和韌性得到很大提高，化學(xué)成分見表1。在大沖擊或接觸應(yīng)力的作用下，高錳鋼的表面奧氏體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷相變硬化和加工硬化。原始硬度從HB180迅速增加到200到HB450到500，并且耐磨性大大提高。

外部載荷越高，高錳鋼的表面硬化程度越高;但是從表面向內(nèi)的變形程度逐漸減小，加工硬化程度逐漸降低;因此，加工硬化層的下側(cè)仍然是奧氏體結(jié)構(gòu)，其與硬化層牢固。地面組合具有良好的抗磨犁耐磨性能和良好的抗沖擊疲勞性。當(dāng)表面硬化層逐漸磨損時(shí)，硬化層在強(qiáng)外力作用下連續(xù)向內(nèi)發(fā)展，始終保持穩(wěn)定的硬化層，具有更好的抗磨性能。

1.2　合金化高錳鋼

為了進(jìn)一步提高高錳鋼的耐磨性，在保持足夠韌性的前提下對高錳鋼進(jìn)行了合金化，開發(fā)了改性合金高錳鋼。如果單獨(dú)或組合添加Cr，Mo，V等，則提高高錳鋼的屈服強(qiáng)度，奧氏體加工硬化能力，晶粒細(xì)化程度和分散強(qiáng)化程度，以及高錳鋼的使用壽命進(jìn)一步改進(jìn)。

Cr是強(qiáng)擴(kuò)散元素，其影響碳的擴(kuò)散過程并改善奧氏體的穩(wěn)定性，屈服強(qiáng)度和淬透性。 Cr是強(qiáng)碳化物形成元素（與Mn相比），可以形成比（Fe·Mn）3C更穩(wěn)定的（Fe·Cr）3C型合金滲碳體。當(dāng)Cr含量超過2.5％時(shí)，基質(zhì)結(jié)構(gòu)的韌性急劇下降。在高溫下，Mo固溶體奧氏體在冷卻和凝固后部分固溶于體內(nèi)，部分分布在碳化物中，改善了奧氏體沿樹枝狀晶體發(fā)展的趨勢，抑制了過冷奧氏體的分解，并增加了奧氏體。穩(wěn)定性。對合金化高錳鋼進(jìn)行析出強(qiáng)化熱處理，晶粒細(xì)化，奧氏體晶界基本上不含碳化物。雖然在基材上存在一些碳化物，但它們以細(xì)顆粒的形式均勻分散，這是奧氏體基體的強(qiáng)化相，這極大地提高了合金高錳鋼的耐磨性。

1.3　高錳鋼工作表面堆焊耐磨層

隨著表面堆焊技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出高錳鋼工作面的耐磨層錘。在堆焊過程中，在高溫脆性區(qū)域，在晶界周圍容易產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶，如Fe + FeS（熔點(diǎn)985℃），F(xiàn)eS + FeO（熔點(diǎn)940℃）和Fe + Fe3P（熔點(diǎn)1）。 050°C）等。由于高錳鋼的線性膨脹系數(shù)高（約為低碳鋼的1.3倍），導(dǎo)熱系數(shù)低（約為低碳鋼的1/5），易產(chǎn)生大的熱應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)力在焊接過程中，很容易發(fā)生。過熱;降低焊接接頭和焊縫的韌性，并且易于產(chǎn)生熱裂紋。

當(dāng)奧氏體基體結(jié)構(gòu)被加熱到300℃以上時(shí)，碳化物將沿晶界析出，破壞奧氏體結(jié)構(gòu)的完整性，晶界碳化物的聚集將使高錳鋼變脆。為了避免高錳鋼基體性能的下降，基本采用“冷焊”工藝，即在焊接過程中采用各種方法使高錳鋼基板保持在較低的溫度，襯底在300℃以上的停留時(shí)間減少。為了降低高錳鋼錘頭焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，堆焊層的微觀結(jié)構(gòu)逐漸過渡（基底金屬+中間過渡層+耐磨層）。復(fù)合材料堆焊技術(shù)解決方案可確保焊接接頭和焊縫具有足夠的韌性。在堆焊后，耐磨層金屬的硬度（耐磨層厚度約為5至10mm）為HRC 55-60，并且使用壽命大大提高。

1.4　高錳鋼鑲鑄高鉻合金鑄鐵、鑲鑄鋼結(jié)硬質(zhì)合金

高錳鋼具有高韌性和高抗沖擊性。高鉻合金鑄鐵合金含量高，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，其組織為：M7C3型碳化物+馬氏體+分散二次碳化物+殘余奧氏體，宏觀硬度可達(dá)HRC60，抗磨損能力強(qiáng)。鋼結(jié)硬質(zhì)合金是一種復(fù)合材料，采用粉末冶金法，以難熔金屬碳化物（主要為TiC，WC）為硬質(zhì)相，碳鋼為粘結(jié)相。其組織特征是細(xì)硬質(zhì)相顆粒均勻分散在碳鋼基體中，具有高耐磨性。為了充分發(fā)揮高錳鋼的優(yōu)異抗沖擊性和高鉻合金鑄鐵（或鋼結(jié)硬質(zhì)合金）的高抗磨性能，鑲嵌鑄造生產(chǎn)工藝如圖3所示，兩種材料是有機(jī)結(jié)合的。經(jīng)過水韌化處理，獲得了一種綜合性能和耐磨性能高的新型復(fù)合材料。

具體的鑄錠生產(chǎn)工藝為：在型腔的某一部分預(yù)澆鑄高鉻合金鑄鐵或鋼結(jié)合硬質(zhì)合金，然后將具有良好韌性的母液倒入型腔（高錳鋼），通過母液的強(qiáng)熱作用，使插入物和母液之間的界面處于熔融或溶解狀態(tài)一段時(shí)間，并發(fā)生元素的相互擴(kuò)散和冶金反應(yīng)。冷凝后，插入物處于與母體金屬相同的狀態(tài)。熔焊是一體化的。

綜上所述，高錳鋼，合金高錳鋼，高錳鋼工作面堆焊耐磨錘錘適用于高石灰石質(zhì)量（石灰石中硅含量≤2％，抗壓強(qiáng)度≤120MPa），錘線高速（35~40m/s），大進(jìn)給尺寸（800~1） 000mm），材料具有高綜合水分（≥2％）的條件。高錳鋼鑄造高鉻合金鑄鐵，鑄鋼結(jié)硬質(zhì)合金錘適用于石灰石質(zhì)量（石灰石中硅含量≥2％，抗壓強(qiáng)度≥120MPa），低速（30~35m/s），進(jìn)料尺寸小（500~800mm），物料綜合低水分（≤2％）工作條件。

2　超高錳鋼類錘頭及適應(yīng)工況條件

2.1　超高錳鋼類錘頭

近年來，通過在普通高錳鋼（Mn13）的標(biāo)準(zhǔn)組成的基礎(chǔ)上增加碳和錳的含量，開發(fā)了超高錳鋼。將錳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）增加至14％至18％，并添加1％至3％的Cr和適量的Ti，V，Mo等合金強(qiáng)化元素?；瘜W(xué)成分和性能如表2所示。超高錳鋼比普通高錳鋼具有更好的變形強(qiáng)化能力（加工硬化率）。在相同形狀變量下，超高錳鋼比普通高錳鋼具有更高的變形硬度。如果變形為20％，普通高錳鋼的變形硬度約為360HB，超高錳鋼的變形硬度為400HB。超高錳鋼的使用壽命是普通高錳鋼在磨損或強(qiáng)沖擊和高壓下的鑿磨損方面的1.5至2倍。

超高錳鋼具有顯著的加工硬化特性。鑄態(tài)超高錳鋼是水合韌化，形成單一奧氏體結(jié)構(gòu)，硬度僅為170-220HB。然而，在變形之后，發(fā)生顯著的加工硬化，并且在微觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)許多微結(jié)構(gòu)，甚至出現(xiàn)晶體。晶粒扭曲，滑帶彎曲或滑動(dòng)步驟，變形層的硬度可達(dá)500-800HB，硬化層的深度可達(dá)10-20mm。

曲線的深度和形狀與沖擊載荷，化學(xué)成分和機(jī)械性能有關(guān)。硬化層的高硬度和良好的韌性賦予其優(yōu)異的抗磨損性能。

為了進(jìn)一步提高超高錳鋼的耐磨性，在保持足夠韌性的前提下，超高錳鋼工作面堆焊耐磨層，超高錳鋼鑄造高鉻合金鑄鐵和超高錳鋼是先后發(fā)展起來。鑄鋼結(jié)硬質(zhì)合金錘具有與相應(yīng)的高錳鋼錘相似的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)工藝。

2.2　適應(yīng)工況條件

綜上所述，超高錳鋼和超高錳鋼工作面堆焊耐磨層錘頭適用于高石灰石質(zhì)量（石灰石中硅含量≤2％，抗壓強(qiáng)度≤120MPa），高錘線速度（ 40~50m/s），飼料尺寸非常大（1 000?1 500mm），材料的條件具有高綜合水分（≥2％）。超高錳鋼鑄造高鉻合金鑄鐵，鑄鋼粘結(jié)硬質(zhì)合金錘石灰石質(zhì)量（石灰石含銀量≥2％，抗壓強(qiáng)度≥120MPa），高速（35~40m/s），進(jìn)料尺寸大（800~1） 000mm），材料的綜合水分低（≤2％）。

3　雙金屬液熱復(fù)合錘頭及適應(yīng)工況條件

3.1　雙金屬液熱復(fù)合錘頭

為了解決單一材料韌性和硬度之間的矛盾，提高錘頭的抗磨性能，開發(fā)了一種新型抗磨材料 - 雙金屬液體熱復(fù)合錘頭?；瘜W(xué)成分和性能如表3所示。雙金屬液熱復(fù)合鑄造生產(chǎn)工藝用于成功地將高鉻合金鑄鐵（錘擊工件）與高硬度和鑄鋼（錘頭）相結(jié)合，具有良好的韌性和可加工性。使用單一金屬材料難以實(shí)現(xiàn)的優(yōu)異耐磨性和抗沖擊性的整體綜合性能。

采用雙金屬液熱復(fù)合鑄造工藝 公司生產(chǎn)的高鉻合金鑄鐵/ZG35雙金屬破碎錘已成功應(yīng)用于強(qiáng)沖擊條件，取得了良好的效果。鑄造工藝如圖3所示。雙金屬液體熱復(fù)合鑄造工藝生產(chǎn)過程的關(guān)鍵控制是將兩種金屬熔化而不混合;同時(shí)，形成最大可能的融合區(qū)域，增加兩種材料的粘合程度。為此，采取了以下措施：在最大截面A處取出接合面，在底部放置U形冷鑄鐵，以確保ZG35的自下而上凝固順序;提供溢流口B以確保接頭表面的位置不變;為了防止高鉻合金鑄鐵的澆注，ZG35混合，高鉻合金鑄鐵澆口設(shè)置在C和D，以確保頭部穩(wěn)定。

雙金屬液態(tài)復(fù)合鑄造工藝成功的關(guān)鍵在于界面熔合和兩種金屬的熔合強(qiáng)度。界面融合狀態(tài)分為冶金融合和機(jī)械融合。由于冶金熔合強(qiáng)度遠(yuǎn)高于機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度，因此通常追求冶金熔合狀態(tài)，但在許多情況下冶金熔合和機(jī)械熔合共存。界面熔合狀態(tài)的特征在于冶金熔合速率，即冶金熔合發(fā)生的界面面積占總界面面積的百分比。只要冶金熔合速率大于臨界值，就可以認(rèn)為熔合是良好的。融合狀態(tài)的判斷具有很多主觀性和專業(yè)性。如何定量和定量表征界面融合狀態(tài)需要深入細(xì)致的研究。

3.2　適應(yīng)工況條件

綜上所述，雙金屬液態(tài)復(fù)合錘適用于石灰石質(zhì)量（石灰石中硅含量≥2％，抗壓強(qiáng)度≥120MPa），低錘線速度（30~35m/s），進(jìn)料尺寸較?。?00~800mm），該材料具有較低的綜合水分（≤2％）工作條件。

4　錘頭失效分析與整改措施

4.1　化學(xué)成分

當(dāng)主要元素（C，Cr，Si，Mn）不合理匹配或有害元素（S，P）含量超標(biāo)時(shí)，錘子的力學(xué)性能大大降低，磨損嚴(yán)重，錘子被打破。在實(shí)際生產(chǎn)和制造過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制原料的有害成分，優(yōu)化主要元素的化學(xué)成分，以獲得優(yōu)異的綜合性能。

4.2　生產(chǎn)工藝

如果鑄造過程沒有得到適當(dāng)?shù)目刂疲N頭的表面或內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)鑄件缺陷，如夾渣，收縮孔，裂縫等，這會(huì)降低錘頭的機(jī)械性能，導(dǎo)致錘頭破裂。很嚴(yán)重采取平面垂直澆注（或傾斜澆注），合理使用外冷鐵和熱冒口等措施，嚴(yán)格控制澆鑄溫度和澆鑄速度，形成良好的凝固順序和進(jìn)給條件，以獲得致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

當(dāng)熱處理工藝配置不當(dāng)時(shí)，大量的網(wǎng)狀碳化物沉淀在錘頭的基體中，嚴(yán)重分離了基體結(jié)構(gòu)，大大降低了基體的抗沖擊性，并使錘頭在嚴(yán)重時(shí)斷裂。根據(jù)錘頭的材料特性，合理選擇淬火溫度，保溫時(shí)間和淬火介質(zhì)，嚴(yán)格控制加熱速率和冷卻速度。在確保錘頭具有足夠的沖擊韌性的前提下，可以均勻地分散一定量的高硬度。硬質(zhì)合金作為基體的強(qiáng)化相，大大提高了錘子的耐磨性。

4.3　使用工況

當(dāng)石灰石質(zhì)量，錘線速度，進(jìn)料粒度，物料綜合水分等工況變化很大時(shí)，錘料不及時(shí)調(diào)整，磨損嚴(yán)重，錘子破碎。在生產(chǎn)和運(yùn)行過程中，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)子石灰石質(zhì)量，轉(zhuǎn)速，進(jìn)料尺寸，物料綜合水分等工作條件的變化程度及使用壽命及時(shí)調(diào)整錘頭材料。應(yīng)該延長錘頭的長度。

5　結(jié)　語

（1）石灰石破碎機(jī)的錘頭需要在工作過程中承受散裝物料的強(qiáng)烈沖擊，并且要求良好的沖擊韌性和高硬度。

（2）由于石灰石質(zhì)量，轉(zhuǎn)速，進(jìn)料尺寸和材料綜合含水量的差異，同一材料的錘子的使用壽命差別很大，因此選擇合適材料的錘子非常重要。

（3）石灰石破碎機(jī)錘頭主要由高錳鋼，超高錳鋼和雙金屬液熱復(fù)合材料組成。特殊生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的材料十余種。

（4）石灰石破碎錘頭的失效主要是由化學(xué)成分，生產(chǎn)過程和工作條件三個(gè)因素造成的。