半自磨机衬板材料组织和性能研究

刘东海,付晓虎,张洪生

(1. 中国第一重型机械股份公司铸锻钢事业部,齐齐哈尔 黑龙江 161000;2.天津重型装备工程研究有限公司,天津 300457)

21世纪开始,半自磨球磨流程成为我国应用广泛的高效磨矿工艺流程,半自磨机作为核心设备不仅具有冲击破碎和研磨的特点,还能有效处理各种不同硬度的矿物,且其规格及处理能力也日益增大,最大的半自磨机直径在12 m以上。采用半自磨机搭配球磨机的方式进行矿石粉碎,矿石破碎效率大幅度提升。大型半自磨机衬板既要有较好的耐磨性也要有一定的韧性,以避免在磨矿过程中发生衬板断裂。在矿石破碎的过程中,半自磨机衬板更换最为频繁,且每次更换时间较长,对产量造成了制约。这种大型磨机的作业率往往会在很大程度上影响到整个矿山的运行成本,因此应尽量减少磨机的停机时间[1]。

半自磨机衬板多采用ZG70Cr3Mo材质,但该材质的淬透性相对较差,在机械设计过程中,可以根据钢的淬透性,选择最佳的钢种,以确定最适当的截面尺寸[2-4]。钢的淬透性已经成为冶金、机械及热处理中钢种选择、成分设计和工艺制定的主要依据之一[5-6],因此在产品制造过程中要同时兼顾成分设计和工艺设计两部分,以达到衬板的最佳使用效果。

1 材质选择

对于衬板使用厂家来说,其主要关心的是衬板的磨矿量和使用周期,对于材料的化学成分并不在意,因此每个制造厂家均根据自己对材料的理解进行材质的选择和与之配套的工艺设计。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[7]。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。主流的半自磨机衬板采用ZG70Cr3Mo或相近材质的低合金珠光体钢,其表面硬度为300～400 HB,可经得起反复冲击,尺寸稳定性好,不易变形,拆卸方便[8]。70Cr3Mo作为锻钢支承辊用材料,已经有近三十年的的产品制造经验,具有较好耐磨性、抗疲劳性,但其淬透性相对较差。在作为支承辊材料使用时,仅对表层50～100 mm进行淬透,由表面至心部的组织会逐渐由混合组织转变为珠光体。由于材料特性问题,制造厂家难以将70Cr3Mo材质的组织有效转变为马氏体,因此采用珠光体为基体的此类材料进行衬板制造,难以发挥出材料的最优性能。鉴于此情况,本文拟开发一种新型的材料,在合理的工艺下,以达到硬度更高、硬度降更低、冲击韧性更好,延长半自磨机耐磨衬板的使用周期。衬板材料的成分设计见表1。

表1 衬板材料化学成分 (质量分数,%)

2 试验方法

采用真空感应炉冶炼ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb钢锭,并在钢锭的锭身中部取样进行成分检验。成分检验合格后,将钢锭进行650 ℃退火,并加工成金相、硬度和冲击试样,如图1所示。

图1 钢锭解剖图

根据不同的正火、回火工艺在SXF-15-10B模拟程控炉中进行热处理模拟试验,并加工成标准冲击和硬度试样,采用CBD 500电子式摆锤冲击试验机进行冲击试验,采用660 RLD/T洛氏硬度计进行硬度测试。

3 试验结果及分析

3.1 退火态

由于材料硬度较高,在铸态下难以加工,需进行650 ℃×10 h退火处理。退火态试样的金相组织如图2和图3所示,退火后试样的硬度,见表2。

表2 退火后试样硬度

图2 退火态ZG70Cr3Mo试样的金相组织

由图2和图3可知,ZG70Cr3Mo试样和ZG35CrSiMnMoNb试样的组织分别为珠光体+碳化物和贝氏体回火组织+少量碳化物,ZG35CrSiMnMoNb材料的淬透性明显优于ZG70Cr3Mo。两种材料在铸态下均在晶界处存在条形的碳化物,此类碳化物对基体存在割裂作用,且在凝固过程中存在偏析(见图3(a)),因此需要重新奥氏体化,溶解晶界处碳化物并消除偏析。

3.2 热处理模拟试验

对ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb材料进行热处理模拟试验,ZG70Cr3Mo衬板通常采用950 ℃×2 h正火、回火,鼓风方式冷却。通过软件模拟计算400 mm截面衬板近表面、1/4壁厚位置和1/2壁厚位置的冷速,在实验室条件下通过对不同冷速的控制,分析实际衬板不同壁厚位置的组织和性能。对ZG35CrSiMnMoNb材料采用910 ℃×2 h正火、回火,油冷,通过软件模拟计算近表面、1/4壁厚位置和1/2壁厚位置的冷速。热处理模拟试验结果见表3和表4。

表3 ZG70Cr3Mo材料热处理模拟检验结果

表4 ZG35CrSiMnMoNb材料热处理模拟检验结果

由表3和表4可知,随着回火温度升高,在相同的冷速下, ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb材料的硬度无明显的变化;但相同回火温度下,ZG70Cr3Mo材料的硬度明显低于ZG35CrSiMnMoNb材料。随着模拟壁厚深度的增加,两种材料均出现明显的硬度降, ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb材料的最大硬度降分别为11和5 HRC。对比标准V口冲击试样的冲击韧性,发现ZG35CrSiMnMoNb材料的冲击韧性更佳。

图4为 ZG70Cr3Mo和ZG35CrSiMnMoNb材料在不同壁厚处的金相组织。ZG70Cr3Mo材料模拟热处理后,近表层组织为珠光体+贝氏体回火组织+少量回火马氏体+少量碳化物,1/4壁厚及1/2壁厚位置的组织均为珠光体+少量碳化物,见图4(a)、4(c)和4(e)。ZG35CrSiMnMoNb材料模拟热处理后,近表层、1/4壁厚及1/2壁厚位置的组织均为回火马氏体+少量碳化物,见图4(b)、4(d)和4(f)。

(a)近表面,ZG70Cr3Mo;(b)近表面,ZG35CrSiMnMoNb;(c)1/4壁厚位置,ZG70Cr3Mo;(d)1/4壁厚位置,ZG35CrSiMnMoNb;(e)1/2壁厚位置,ZG70Cr3Mo;(f) 1/2壁厚位置,ZG35CrSiMnMoNb

4 结论

1)ZG35CrSiMnMoNb材料较ZG70Cr3M材料具有更好的淬透性;

2)热处理后ZG35CrSiMnMoNb材料较ZG70Cr3M材料具有着更优异的冲击韧性;

3)采用ZG70Cr3Mo材质生产的衬板,表面到心部呈现明显的组织变化,衬板心部硬度出现明显降低,从而导致耐磨性大幅下降,这是造成半自磨机耐磨衬板频繁更换的主要原因;

4)ZG70Cr3Mo材料与ZG35CrSiMnMoNb材料的冲击韧性相当,但ZG35CrSiMnMoNb材料的硬度更高、硬度降更低。因此,ZG35CrSiMnMoNb材料可作为ZG70Cr3Mo的改进材料在半自磨机耐磨衬板上进行试用。