球磨機磨球的材質研究及應用

摘 要：球磨機磨球的磨損率是所有研磨介質中最高的，針對這一問題，闡述了磨球的研制歷程、現狀與熱點，分析了磨球的材質要求，并介紹了材質測定方法。研究結果指出磨球材質的研制始終圍繞著磨球的鑄造工藝性能、熱處理性能與力學性能等方面展開，如何提高磨球的綜合性能，有效延長其使用壽命，具有重要的現實意義。

關鍵詞：球磨機；磨球；性能；材質；鑄造

冶金、礦山、建筑、火電廠等領域中涉及粉磨作業的關鍵設備是球磨機，而球磨機最常用的研磨介質——磨球的磨損率最高，消耗量最大，在我國其消耗總量達100萬t/a左右[1]，占總耗損的半數以上，屬于易耗品。磨球按其材質構成可分為：金屬磨球，包括鋼球、鐵球；非金屬球，包括無機非金屬材料（SiO2、SiC等合成材料）和有機高分子材料（C2F4等）兩類。按照生產方式，金屬磨球分為鑄球、軋球和鍛球，其中鑄球應用較為廣泛[2]。由于磨球易耗，構成復雜，且對其性能有較高的要求，因此關于球磨機磨球的材質研究及應用一直以來為業界所關注。顯然，如何提高磨球的綜合性能，有效延長其使用壽命，具有重要的現實意義。

1 磨球材質研制的發展歷程與現狀

磨球材質的發展與材料科學的發展是與時俱進的，從最初采用的河卵石發展到使用鑄鐵球和鋼球，以及合金與納米材料的應用。追求較好的鑄造工藝性能、較高的力學性能和良好的熱處理性能，以最大限度減少沖擊時對物料的磨損，是專家們研究的重點。國內外關于磨球材料的研制工作從未停止，并積極進行。20世紀60年代對于磨球材料的發展具有劃時代的意義，之前西方發達國家主要使用鍛鋼球、普通白口鑄鐵磨球，而在這期間高鉻鑄鐵磨球、鎳硬鑄鐵磨球開始得到應用，之后到了70年代則被普及，廣為使用[3]。在80年代，隨著我國改革開放的不斷深入，科學技術的國際交流得到迅猛發展，我國對磨球材質的研究取得了巨大進展，從主要使用的低碳鋼鍛（軋）磨球、普通白口鑄鐵磨球、中錳稀土鑄鐵磨球發展到鉻合金類鑄鐵磨球、多元低合金類鑄鐵磨球、各類中高碳低合金余熱淬火鋼磨球、貝氏體空冷鍛軋鋼磨球以及復相基體球鐵磨球等，取得了驚人矚目的研制成果，這些新的磨球材質已被廣泛用于相關行業的生產中。目前，國外常用的是高鉻白口鑄鐵磨球，此外還有美國地鎳硬鑄鐵、中碳低合金鋼、高碳低合金鋼磨球、德國的高鉻鑄鋼、低合金鋼磨球，日本的高鉻鋼球、低鉻鋼球等[4]。

2 影響磨球磨損的因素

磨球的磨損實質上就是磨球幾何尺寸或者說是體積變小，其原有的功能降低，甚至完全喪失。如果繼續使用，則會產生隱患，出現安全事故。一般而言，磨球的磨損有磨粒切削磨損、沖擊疲勞磨損、沖擊磨粒磨損三種磨損形式，影響磨球磨損的主要因素有磨機（類型、直徑、速度）、介質質量（硬度、形狀、尺寸、合金質量分數、碳質量分數）、接觸性（角度、速度）、回路（貫穿、循環）、料漿（黏度、腐蝕）、礦石（硬度、密度、耐磨性）、粒徑（粒度，形狀）等。

3 磨球的材質要求與測定

球磨機磨球的運行屬于小能量頻繁沖擊，其磨損是個系統問題，影響因素很多，其中材質強度是影響磨球沖擊性能的主要因素。為此，我國相繼出臺了相關的國家與行業標準：GB/T 17455-2009《鑄造磨球》，YB/T 092-2005《合金鑄鐵磨球》，JC/T 533-2004《建材工業用鉻合金鑄造磨球》，DL/T 681-2012《燃煤電廠磨煤機耐磨件技術條件》等。在這些標準中對磨球的材質進行了規定[5]：高鉻鑄鐵磨球的含鉻量>10%，共品碳化物主要為（Cr，F）7C3；中鉻鑄鐵磨球的含鉻量5%～10%，共品碳化物主要為（Cr，F）7C3和（Cr，F）3C；低鉻鑄鐵磨球的含鉻量<5%，共品碳化物主要為（Cr，F）3C；貝氏體球墨鑄鐵磨球的基體組織中主要是貝氏體的球墨鑄鐵。各材料的含量測定分別是：管式爐內燃燒后氣體容量法測定碳含量，高氯酸脫水重量法測定硅含量，電位滴定或 視滴定及高碘酸鈉（鉀）光度法測定錳含量，可視滴定或電位滴定法測定鉻含量，硫氰酸鹽分光光度法測定鉬含量，硫代硫酸鈉分離-碘敏法測定銅含量，丁二酮肟分光光度法測定鎳含量，二安替比林甲烷磷鉬酸重量法測定磷含量，次甲基藍分光光度法、重量法測定硫含量。鑄造磨球在選礦、冶金、電力等行業中應用最多，其材質的主要化學成分是：

球墨鑄鐵磨球：碳質量分數為3.2%～3.8%，硅質量分數為2.0%～3.5%，錳質量分數為0.5%～3.0%。其牌號分別為ZQQTB、ZQTM。

鉻合金鑄鐵磨球：碳質量分數為2.0%～3.6%，硅質量分數為1.2%～2.2%，錳質量分數為0.3%～1.5%，鉻質量分數為1.0%～30.0%，鉬質量分數為0～3.0%，銅質量分數為0%～1.2%，鎳質量分數為0～1.5%，磷質量分數≤0.10%，硫質量分數≤0.06%～0.10%。其牌號分別為ZQCr26、ZQCr20、ZQCr15、ZQCr12、ZQCr8、ZQCr5、ZQCr2。

鑄造磨球瀑落式下滑沖擊過程中，球與球、球與物料之間的相互摩擦與撞擊必然要求磨球具有較高的硬度，具體見表1。

鑄造磨球的表面硬度的測定要在磨球的下方3mm之內進行，執行的國家標準是GB/T 230.1～230.3。

磨球的大小與尺寸直接影響球磨機的工作方式和生產效率。鑄造磨球的規格是用公稱直徑來表示的，測定量具要求精度>0.1mm。具體見表2。

關于磨球的直徑和硬度檢驗都是按批進行的，每批抽取3個進行檢測，倘若有1個未能通過要求，則要再隨機抽取同批次的同樣數量的磨球進行復檢。2次取樣不合格的樣球數量≥2，就判定為不合格。磨球硬度不能達到國家標準要求的可重復熱處理。

4 結束語

磨球的材質及性能對球磨機工作效率的影響是極為顯著的，科學地運用摩擦學、材料磨損與腐蝕方面的知識，設計與制作鑄造工藝、力學性能、熱處理性能優良的磨球，無疑能產生巨大的經濟效益。磨球的制作與生產在嚴格按照國家與行業標準的要求下，還要綜合考慮復雜的工作環境，并要結合先進的生產工藝，運用大數據、云計算等手段，實現磨球質量的飛躍發展。

參考文獻

[1]王定祥.我國磨球生產的高速發展[N].中國建材報，2009-12-15.

[2]潘繼勇.我國鑄造磨球的生產及研發現狀[J].鑄造，2013，62（3）：210-221.

[3]李衛，周平安，陳華輝.耐磨新材料新技術研究開發與耐磨材料產業化[J].鑄造，2004，53（7）：503-510.

[4]王鐵重.我國磨球的生產及使用狀況[J].水利電力機械，2005（6）：32-33.

[5]GB/T 17455-2009.鑄造磨球[S].

作者簡介：李維強，男，紫金礦業集團股份有限公司。