矿山耐磨材料的选择与应用

刁晓刚，李 卫，王春民，沈 闯，张志勇，姬建钢

1中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

2暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院 广东广州 510632

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[1]。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。磨粒磨损作为最为普遍的磨损失效形式，占比高达 50%[2]。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[3]。

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[4]。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[5]。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[6-8]。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[9]。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[10]。半自磨机衬板遭受磨料、物料强烈的冲击和研磨，并以冲击磨损最为严重。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[11]，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[12]，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[13-14]。其中磨料磨损最为严重，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)[15]。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[16]。平滑衬板提升作用小，磨料滚动和滑动作用强，磨削作用强，多用于细磨；不平滑衬板提升作用大，减少了磨料的滑动，加剧磨料对物料的冲击作用，有利于碎矿，多用于粗磨[17-18]。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[19]，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，这样能够最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[20-21]。

(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，最能获得客户的青睐，提高经济效益和社会效益。

2 应用现状

国内外科技工作者对耐磨材料进行了广泛而深入的研究，国际间科技交流与合作极大地推动了耐磨材料及耐磨铸件产业的发展。目前，铸造耐磨材料主要分为奥氏体锰钢、耐磨合金钢 (非锰系)、抗磨白口铸铁、抗磨球墨铸铁以及耐磨损复合材料 5 大类[22]。

2.1 高锰钢

在实践中研究者发现，高锰钢在静载磨损和低能量冲击磨损下，会出现由于加工硬化不足而导致耐磨性不佳的情况。鉴于此，科研工作者通过合金化及变质改性处理发展了改性高锰钢、奥氏体介稳定易加工硬化中锰钢；同时针对厚大断面铸件，为保持芯部全马氏体组织，提高加工硬化能力，发展了一系列超高锰钢 (Mn15、Mn17/Mn18、Mn20、Mn25)[23]。改性高锰钢是以常规高锰钢为基础，添加适量铬、钼、钛、钒、铌等元素，通过变质处理获得弥散分布的碳化物，以此提高铸件力学性能和耐磨性。中锰钢是在常规高锰钢基础上通过调整 C、Mn 含量，提高加工硬化能力，获得较高耐磨性，适用于中、低冲击载荷工况。

强冲击载荷工况下，高锰钢加工硬化能力增强，铸件表面获得较高硬度和耐磨性，同时具有良好的韧性，能够抵抗冲击磨损。特别是 Mn13Cr2 和Mn17Cr2 系列高锰钢具有较高的屈服强度及耐磨性，在矿山破碎机上获得广泛应用[24-25]。

在磨矿设备中，高锰钢最早应用于小型球磨机衬板，使用效果较好。随着高锰钢材料以及磨机大型化快速发展，改性高锰钢、中锰钢逐渐在大型球磨机、半自磨机衬板中展开应用。但因实际工况、磨机规格等因素的变化，高锰钢衬板的使用效果表现不一。尽管高锰钢具有优异的韧性，但其屈服强度相对较低，服役过程中衬板受到磨料和物料的不断冲击而表面发生相变，造成衬板局部延展变形，紧固螺栓被剪断，衬板脱落，筒体漏浆，严重时甚至引起磨机筒体变形，引发安全事故。

2.2 非锰系耐磨合金钢

非锰系耐磨合金钢分为低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金和低碳高合金等。非锰系耐磨合金钢一般含有一定量的 Cr、Mo，有的含有较高的 Si、Mn，热处理后组织可分为回火马氏体或珠光体及碳化物[26]。

非锰系耐磨合金钢通过合金化、适宜的热处理可获得较高强度、硬度和韧性，硬韧性匹配性良好，应用前景广阔。近年来，水泥厂和火电厂球磨机衬板，特别是冶金矿山设备大型自磨机、半自磨机以及球磨机衬板等大量选用非锰系耐磨合金钢。低合金珠光体钢硬度 300～400HB，可经得起反复冲击，尺寸稳定性好，不易变形，拆卸方便。自 2003 年至今，以中信重工机械股份有限公司为代表的矿山设备制造企业已自主研发了φ5.0～12.2 m 系列半自磨机，与之配套的是珠光体耐磨钢衬板，因其抗冲击、耐磨损、性能稳定及高性价比优势，获得良好的市场口碑。

实践表明，在冲击磨料磨损工况下，单一追求高硬度而忽视材料的韧性将使得衬板开裂率增大，同时表面产生的微裂纹造成基体剥落而加速磨损。因此，非锰系合金钢的发展方向是在提高强度和硬度的同时，改善韧性，进而全面提高钢的抗冲击和耐磨损能力[27]。

2.3 抗磨白口铸铁

国外抗磨白口铸铁经历了 3 个发展阶段，从普通白口铸铁发展至 Ni-Hard，到目前具有主流地位的高铬铸铁。目前，高铬铸铁已形成 Cr12、Cr15、Cr20和 Cr26 系列，因其优异的耐磨性而获得了工业化应用。

作为矿用磨机衬板，高铬铸铁的使用范围受到一定的限制。虽然高铬铸铁具有高硬度、高耐磨性，但其韧性相对较差。高铬铸铁不适用于强冲击载荷工况，比较适用于冲击能量小，以研磨为主的工况，能够充分发挥高耐磨性的特点。如自磨机高铬铸铁进料端衬板较其他材质使用寿命提高约 1 倍，φ5 m 球磨机高铬铸铁筒体衬板寿命长达 2 年。尽管如此，高铬铸铁因其较高的生产成本、生产制造及使用过程极易开裂、性价比不高等特点，制约了制造商和采购商的选择，发展空间较为有限。

2.4 抗磨球墨铸铁

目前市场上抗磨球墨铸铁有马氏体耐磨球铁和贝氏体-马氏体耐磨球铁。这 2 种耐磨球铁通过淬火处理均可获得高硬度及较好韧性。等温淬火球铁 (ADI)因其高强度、一定韧性和良好加工硬化特性，在国内外已被用于磨机磨料、齿轮、凸轮轴和汽车牵引钩等磨损件。

2.5 耐磨损复合材料

近些年来，国内外耐磨材料研究开发的热点主要有钢铁基耐磨复合材料和陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料。

在钢铁基耐磨复合材料方面，国外 MAGOTTEAUX 公司研制出“Bimetal”钢铁双金属复合技术、“Duocast”复合技术及“Xwin”技术。针对 WC、TiC、Al2O3、SiC 等陶瓷颗粒特性，研究了其与钢铁(液)冶金结合效果及表面复合材料技术，在此基础上开发了多种陶瓷颗粒增强钢铁基表面复合材料。耐磨损复合材料可分为双液双金属材料、高铬铁-钢镶铸材料、高铬铁-钢机械组合材料等。双液双金属复合材料具有高硬度、一定的冲击韧性和抗冲击磨损性能，已应用于破碎机锤头、破碎机衬板等耐磨件。实践表明，破碎机双液双金属复合衬板使用效果良好，使用寿命大幅提升，达到高锰钢衬板 2 倍以上。

与此同时，国内外一些大型粉磨设备设计制造公司发明了橡胶金属复合衬板。钢-橡复合衬板结合了高性能合金钢、橡胶和普通钢等材料的优点，获得优良综合性能[25]。钢-橡复合衬板现已应用于自磨机及半自磨机低磨损区域 (进、出料端盖局部仓位)，因其质量轻，成本低，有利于降低磨机运行功率而不影响磨矿效果，工业化效果良好。

3 展望

(1)大型化 磨矿装备技术的进步促使磨矿设备正朝着大型化、高效智能化发展。中信重工机械股份有限公司生产的规格为φ12.2 m×11.0 m 自磨机，自2010 年成功应用于澳大利亚 Sino 铁矿，装机功率达到 28 MW，目前仍是世界最大的自磨机。世界超大规格直径φ12.2 m×7.9 m 半自磨机正在秘鲁特罗莫克铜矿运行，装机功率达到 28 MW，与之配套的 2 台φ8.53 m×12.80 m 球磨机为目前世界最大球磨机，磨机处理能力超越 10 万 t/d。未来半自磨机规格将达到13.7 m，装机功率可达到 36 MW；球磨机直径达到 9 m 以上，装机功率也将达到 25～30 MW。

在大型乃至超大型磨矿设备逐渐应用的背景下，与之配套的耐磨钢铁件也具有大型化、厚重化、结构复杂化等特点。耐磨材料面临前所未有、极其严峻的挑战，这将成为制约大型和超大型设备稳定运行的关键所在。如何抵抗大规格磨介和物料的巨大冲击和高产能带来的快速磨损，将成为当下及未来耐磨材料的发展方向。

(2)高纯净、高致密耐磨材料 国内耐磨件内与国外相比在质量上还存在较大差距，缺少高品质产品，开发高纯净、高致密度的耐磨材料对大型化发展意义重大，已引起科研单位及企业的高度重视。目前，国内科研工作者经过大量调研与研究，现已制定了中国铸造耐磨材料技术发展路线图，对砂型及特殊铸造成型技术、熔炼与炉前处理技术、铸造耐磨钢铁件热处理技术等做了中长期研发规划并详细梳理了相关研究方向。可以预测，这些最新的研究及新型设备投入将在未来极大改善钢水纯净度、细化晶粒，有助于获得健全、均质、致密钢铁耐磨材料铸件，明显提高耐磨材料及厚大耐磨件的使用寿命。

(3)先进复合材料 近几年，金属基复合材料发展迅猛，全球市场增长率达到 6% 左右。目前，国内已开展了双液双金属复合、固态金属镶铸及机械组合等钢铁基耐磨复合材料和陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料的相关研究，取得系列成果并投入应用。多种复合技术的快速发展与应用，将会使复合材料性能得到逐步提升。在未来，复合材料的发展前景更加充满活力，将促使更多新型复合材料的诞生。

(4)新型耐磨材料 随着科技的进步，新材料、新技术、新工艺将继续得到深入细致的研究，将会产生高性能新型耐磨材料和低成本耐磨材料，如废弃耐磨材料循环再生利用技术，低合金低成本耐磨材料，超高耐磨性材料，高硬、高韧性、高性价比耐磨材料等。同时要求耐磨材料兼具其他功能，以用于特殊工况条件，如超高 (低)温耐磨材料、超强耐磨蚀的合金材料、快速导热耐磨材料、自润滑耐磨材料、自修复耐磨材料等。由此可见，未来新型耐磨材料将蓬勃发展而具有生命力。