新型耐磨低合金钢衬板的研究与应用

庄巧玲

（金堆城钼业集团有限公司，陕西华县 714102）

矿山中使用的磨机一般为短粗形状，衬板的厚度也相对比较厚。由于矿山磨机较大，磨球也大，且大部分采用湿法工艺，因此衬板的运行条件十分严酷。矿山中大型的磨机、自磨机或半自磨机，从稳定可靠的角度出发大多数选用稳定奥氏体高锰钢衬板。衬板以粉碎为主时，要求衬板对研磨体的推举能力较强，同时衬板应具有良好的抗冲击性能。高锰钢ZGMn13 有足够的抗冲击韧性，但不耐磨且易变形，在国内，球磨机的衬板高锰钢已部分被中合金钢代替。

某公司进行选矿工艺升级改造以来，选用ø5.5mm×8.5mm 大型溢流型球磨机，与以前运行的格子型球磨机有了很大的不同，为适应新型球磨机，衬板的结构形状及材质都发生了变化。本文通过对合金成分设计，熔炼、铸造、热处理工艺试验，合金组织分析、力学性能测试等，以求获得适合于矿山湿式磨机衬板使用的新型台金。

1 化学成份设计

球磨机衬板材质的耐磨性与磨机直径、衬板形状结构、物料种类及硬度、研磨介质以及粉磨工艺有关，寻求各种条件的最佳配合，是设计衬板合金成分的关键，该衬板的化学成份设计如下。

碳是决定钢的硬度和耐磨性的主要元素。铬可提高钢的淬透性,固溶强化基体提高钢的耐磨性、细化晶粒和提高钢的回火稳定性[1]。硅有固溶强化作用并使钢的回火脆性温度移向高温，使钢的回火温度提高获得较高的韧性[2]。锰能提高淬透性及强度，超过1%时显著增加残余奥氏体并增大钢的过热与回火脆性倾向[3]。钼可细化晶粒，提高淬透性，改善高温高压抗腐蚀作用，降低过热敏感性，降低或消除回火脆性，改善韧性。微量的铜能固溶在α-Fe 中使钢固溶强化，提高钢基体的电极电位，减少腐蚀介质中的微电池作用，有效降低腐蚀磨损速度。钛元素可脱氧、细化晶粒，溶于固溶体时提高淬透性，形成碳化物时降低淬透性。综上所述，本试验钢的化学成分如表1 所示。

2 制造工艺

2.1 熔炼工艺

试验采用3t 电弧炉以氧化法熔炼。熔炼材料必须选用15#钢或者含碳量较低的废钢。钢的成份根据炉料的化学成份以及各种铁合金的吸收率进行配料计算，严格按配料单称重。废钢、铬铁随炉料入炉，熔清加入钼铁及铜。熔炼过程中要进行两次造渣。第一次造渣是在大部分炉料溶化后加入造渣材料造渣。全部炉料熔清后降功率倾炉扒渣再第二次造渣。硅铁、锰铁分别在出钢前5～10min 加入沉淀脱氧及调整成份。出钢时用纯铝在炉内脱氧，按每吨钢水加入1kg 铝计算。插铝后加入粒度为1～8mm 的钛铁，加入量约0.2%。钢水在1600～1620℃除渣，停电出钢。在钢水浇入钢水包不到四分之一时将稀土与硼铁混合包冲入钢水包中。

表1 新型低合金钢化学成分 ωB/%

由于此钢种属于铬锰钼系钢，其晶粒度易粗大，钢的导热性较差。入炉材料必须干燥，冶炼中要做到高温氧化、活跃沸腾，出钢温度为1660～1690℃，浇注温度为1560～1590℃。

2.2 铸造工艺

该钢种按消失模铸造工艺进行生产，铸造线收缩率为2%。

（1）工艺流程

该工艺主要流程为：模型制作→混制涂料→涂刷涂料→烘干→埋箱→浇注。其中模型采用聚苯乙烯泡沫板材，密度要求为0.905g/cm3，发气量为105cm3。涂料自主配置,采取浸涂和涂刷的刷制方法，涂刷次数控制在3 次左右，涂料厚度控制在1.0～1.5mm。

（2）造型工艺

采用一箱三件埋箱造型，见图1 所示，埋箱过程中累计震动砂箱时间约为1.5～3min，浇注前10～15min 提前开启负压泵，为浇注做好准备，浇注过程中负压泵管道压力控制在0.045～0.06MPa，浇注完负压持续时间约为5～10min。

2.3 热处理工艺

图1 造型工艺

图2 热处理工艺曲线

该低合金钢衬板采取正火+淬火+回火的热处理工艺，使用设备为台车式电阻炉。热处理工艺曲线如图2 所示。衬板装炉要垫高不少于20mm，衬板之间间隙不少于30mm。水量为铸件重量的10 倍以上，要能循环流动冷却，最高水温小于40℃。入水时间不超过40 秒。铸件在水中要上下左右（或前后）摆动，淬火介质水温一般控制在40℃以内。铸件在水中冷透至水温或120℃出水后在空气中冷却至小于100℃。回火入炉不超过180℃，回火保温时间宜长不宜短。热处理测温仪表以及热电偶要核对准确。热电偶在插入炉中的孔隙处要用保温棉填充以避免使热电偶冷端受热。

3 性能检测及分析

铸件化学成份按熔炼炉次逐炉检验。所测试样均从衬板本体破坏后取得，冲击韧性试样加工成10mm×10mm×55mm 的无缺口条形样。

图3 金相组织

3.1 力学性能

从衬板不同位置获取的试样，具体力学性能指标如表2 所示。

3.2 金相组织

经观察金相组织均为马氏体，组织不均匀，主要是由于枝晶偏析所致，在100 倍、400 倍、1000倍下进行微观组织拍照，结果如图3 所示。

表2 力学性能指标

从以上测试结果可以看出：试样洛氏硬度≥50HRC,冲击韧性≥20J/cm2，金相组织为针状马氏体，各项测试指标均达到了设计要求。

4 工业试验

将试制的新型合金钢衬板安装至ø5.5m×8.5m 球磨机，同机安装高锰钢衬板进行工业化对比试验。球磨机经运转时间5353h，高锰钢衬板出现磨漏现象，试制的低合金衬板没有任何铸造缺陷，残余的最小厚度达到4cm，按照磨损率计算至少还可以继续使用30 天，即使用寿命可以达到6073h，和原来的高锰钢衬板相比较，使用寿命提高了13.4%。

5 结论

（1）根据球磨机、磨矿环境等，寻求各种条件的最佳配合，设计出低合金钢衬板的化学成分范围。

（2）提出和研究了衬板的制造工艺，具体对冶炼工艺、铸造工艺和热处理工艺进行了研究确定。

（3）通过性能和组织检测，所研制低合金钢衬板的硬度≥50HRC,冲击韧性≥20J/cm2，金相显示主要为马氏体组织，是一种高硬度高韧性的耐磨钢。

（4）新型耐磨低合金钢衬板是一种生产成本低的热处理水淬产品，性价比较高。工业化试验显示，与高锰钢衬板产品相比较，使用寿命提高了13.4%。