无损检测技术在浮选机加工制造中的应用

郭延常，王 鹏

中铁资源集团鹿鸣钼矿、中铝TOROMOCHO铜钼矿、紫金集团和厄瓜多尔米拉多铜矿和南非Palabora矿业公司等大型矿山企业中北矿机电公司的320 m超大型浮选机的运用，标志着我国大型选矿设备在国际矿物加工领域达到了领先水平。近期，笔者公司的680 m浮选机的工业试制已经成功，中国大型浮选设备在世界选矿行业实现了从“追随者”到“引领者”的巨大飞跃。浮选机的超大型化、自动化等发展的趋势对浮选机的加工制造提出了更高的要求；同时对浮选机的安装、运行的安全系数也提出了巨大考验。无损检测技术作为先进的检测手段，可以有效地控制零部件的加工质量，科学可靠地把控安全性能，为浮选机设备的加工制造质量保驾护航。

1 无损检测技术的基本原理

笔者公司在实际生产过程中通过对多种无损检测技术的应用，实现了对加工制造前期原材料的检测；对加工过程中的缺陷进行有效地监控。公司在浮选机的加工制造中主要运用了磁粉检测、渗透检验、超声波检测三种无损检测技术，以下对三种技术进行简述。

（1）磁粉检测（MT）

铁磁性材料被磁化后，由于缺陷处存在不连续性，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场[1]，吸附施加在工件表面的磁粉，在适当的光照条件下，显现出缺陷位置和形状，对这些磁粉的堆积加以观察和解释，就实现了磁粉检测。

（2）渗透检测（PT）

渗透探伤技术是将渗透液涂敷在工件表面，通过毛细管作用渗入表面缺陷中，然后清洗掉表面的渗透液，将缺陷中的渗透液保留下来，通过施加显示剂进行显象，渗透检测操作简单、费用低廉、缺陷显示直观，具有相当高的灵敏度，能发现宽度1μm以内的缺陷。但此方法只适用于表面开口缺陷，非开口性缺陷无法检出[2]。

（3）超声检测（UT）

超声波检测技术是通过超声波进入工件后的传递状况来判断是否存在缺陷，超声波的传递方式和光的传递方式类似，当超声波进入介质后也会产生反射、折射，遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，即可精确判断出缺陷的位置与大小。该检测手段对平面型缺陷[3]如未熔合、分层等具有极高的探伤灵敏度；如果采用脉冲法检测时，有一个检测面就可以进行检测；缺陷厚度方向尺寸和缺陷深度测量优于其他探伤方法。缺点是不易检查形状复杂、粗糙、形状不规则、非常小而薄的工件。

2 无损探伤技术在浮选机加工制造中的应用

2.1 浮选机轴承体中无损探伤的运用

浮选机主轴部件运转的平稳性，直接影响到整台设备的质量和使用性能，而构成主轴部件的核心部位就是轴承体[4]。在轴承体内部装有主轴、轴承、各种油封、挡环、压盖等。就本公司的320 m浮选机的轴承体而言，组织材料为HT250，自身重达约4.3吨，铸造工艺相对复杂，质量和体积比较大，铸造过程中容易出现缺陷，影响工件的质量。大型的轴承体在浇注过程中需要大量的金属液，在最后冷却的位置由于体积收缩，金属液补充不足，导致产生疏松，缩孔；另外金属液中的各种掺杂和炉壁上的耐火材料会有脱落导致夹杂；熔融的金属液在冷却的过程中会有一部分残留气体无法逸出，形成气孔；金属冶炼的化学成分分布不均匀产生偏析，导致热裂纹。大型浮选机中轴承体加工难度大成品合格率低，机加工困难、周期长等。如果出现内部缺陷造成出废品，给公司造成很大的经济损失，延误宝贵的时间。为了检出轴承体的铸造缺陷，公司采取渗透检测法与超声波检测法相结合的复合型检测方法。

渗透检测用来检查轴承体表面上的各种开口缺陷，如表面裂纹、表面针孔等肉眼难以发现的缺陷。将具有高渗透能力渗透剂喷洒在轴承体的截面突变处和轴承位等受力位置，几分钟后渗透剂渗入到开口缺陷内，快速擦去表面渗透液层，再将易干的显像剂喷洒到铸件表面上，待将残留在开口缺陷中的渗透剂吸出来后，显示剂就被着色，从而可以反映出轴承体表面缺陷的形状、大小和分布情况。

超声波检测作为一种应用比较广泛的无损检测手段，在公司的实际运用中不受工件存放位置的约束，高效可靠携带简便；且具有极大的穿透能力，对于轴承体这种大型的工件非常适用。超声检测用于检查轴承体内部较深的缺陷，当选择合适的灵敏度时，用排除法、比较法、辨别疏松、缩孔等缺陷就会非常容易；此外在实际的检测中发现对深处的气孔、裂纹等缺陷的检测也极其灵敏。

2.2 浮选机传动轴中无损探伤的运用

传动轴作为浮选机中传递扭矩、连接轴承与叶轮的重要部件，在整个浮选机部件的正常运转中发挥着至关重要的作用。公司小型浮选机中传动轴是由45钢实心轴与45钢空心无缝管焊接后机加工而成，图1我公司某型号浮选机主轴的焊接示意图。

在实际加工中，环形焊缝“1”处容易出现夹杂、层间未熔合、未焊透、裂纹等缺陷[5]。加强孔“2”处由于焊接手法与深度较大导致气体保护不足，会出现未熔合、密集型气孔等缺陷；另外，传动轴轴承位需进行磨削加工，磨削时零件表面的温度可能高达820℃～840℃或更高，产生微裂纹后，以及磨粒刮出的微裂纹，后续的循环应力将为裂纹扩展开来形成宏观裂纹。不论哪种缺陷都会对浮选机传动轴产生一定程度的危害，轻则降低主轴的力学性能和使用寿命；重则产生脆断，带来不可挽回的灾难性后果。公司在对这类焊接传动轴的检测方法主要就是采用超声波探伤法[6]与磁粉探伤法结合的复合型检测。在焊接完成48 h以后对焊缝及周围母材进行打磨，对焊缝进行超声波检测，保证在焊接区域内部没有夹杂、层间未熔合、未焊透、裂纹等缺陷的前提下方可转入机加工车间进行机加工；待最后一道工序磨削加工完成后，进一步使用磁粉检测对传动轴轴承位和焊接区域进行复检，保证传动轴无焊接缺陷和磨削裂纹。磁粉检测是用来检测表面及近表面的缺陷，先将反差增强剂喷在传动轴表面，待其干燥后使用手持式探伤仪进行磁化，同时施磁悬液并观察。磁化设备使铸件表面以及近表面缺陷处产生漏磁场，当喷上悬浮液时，磁悬液中的铁粉就会被吸附在漏磁场的位置，从而显示出缺陷的存在。当缺陷的方向越接近于与磁力线垂直时于缺陷的显示就会越明显，对于平行于磁力线的长条型缺陷则显示不出来操作时使用90°交叉法，以保证能够检查出未知方向的缺陷。

图1 焊接示意图

除此之外，公司生产的大型浮选机的传动轴是由上下部轴螺栓连接构成。上部轴的组织成分是ZG34CrNiMo，在其法兰过渡的位置产生截面突变，存在应力集中。如在此位置存在超出标准允许范围的缺陷可能会产生断裂，发生危险。ZG34CrNiMo在铸造的过程中容易产生疏松、晶粒粗大等问题。以下是对上部轴残次品进行破坏性试验后的金相分析：断裂处具有明显的脆性断口，断口齐平，无塑性变形现象，有明显的金属光泽，并具有脆性断裂的宏观形貌。用超声波探伤法对断轴进行检测，依据疏松缺陷波参差不齐、有一定宽度、反射波比其他缺陷波弱的特征，判断出存在疏松缺陷[7]。对断裂部分进行取样，用3%的硝酸酒精进行了腐蚀，采用×50倍、和×100倍金相显微镜观察，见图2、图3。从金相照片上看基体应为块铁素体及极少量珠光体，晶粒甚是粗大，属铸造状态的组织结构，有明显的铸造疏松，铸造疏松呈黑色孔洞状，在其周围珠光体含量较高，灰色颗粒状为夹杂物，并存在严重的偏析现象[8]。由此可见无损检测在分析事故原因方面也能发挥一定的作用。

图2 ×50倍彩色金相照片

图3 ×100倍黑色金相照片

3 结语

综上所述，无损检测技术在合理操作的情况下具有良好的可靠性，能够有效减少事故的发生；无损检测技术在浮选机加工制造中的应用可以在不破坏工件的基础上使检测效率得到提高，具有明显的经济效益。渗透检测、磁粉检测和超声检测三者有机结合起来对于检测浮选机重要零部件的表面以及内部的缺陷判定提供了科学的理论基础，为我国大型复选设备更好地开拓国际市场与研发水平的进步发挥着积极的作用。