幾種高磨蝕性物料的研究與分析

幾種高磨蝕性物料的研究與分析

Research and Analysis of High Abrasive Material

杜鑫，魏洪曉，聶文海，石光，王維莉，張文謙

在對現有技術資料整理分析的基礎上，從輥磨磨損機理出發，通過對幾種高磨蝕性物料化學成分、礦物組成的分析，以及輥磨運行現場的調研，筆者認為：fSiO2含量高是葉臘石、鉛鋅尾礦磨蝕性高的主要原因，礦渣、鋼渣、鎳渣中金屬鐵的含量是影響其磨蝕性的關鍵因素。

磨蝕性；輥磨；粉磨磨損

1 背景

輥磨采用料床粉磨原理，相比球磨機具有明顯的節能優勢，近年來輥磨粉磨技術在水泥、冶金、礦山等領域得到了廣泛的應用。其粉磨原理是通過磨輥和磨盤襯板間的擠壓和剪切作用力，將物料顆粒不斷減小，然后通過風力分選獲得合格的產品。因此在粉磨過程中輥套和磨盤襯板經常發生磨損，而選粉機靜葉片、轉子、下料溜槽、擋料圈蓋板、風環等部位由于受到混合物料的熱風持續沖刷，也經常發生磨損。

磨輥和磨盤襯板的磨損，會導致研磨區結構形式的變化，使得輥磨粉磨效率降低，最終導致產量降低或產品質量下降、生產成本增加，而耐磨件的堆焊也是一個費時、費料、費力的過程，因此在耐磨件磨損程度和最佳的經濟效益之間必須找到一個平衡點[1]。其他部件的磨損也會影響設備的正常使用，在必要時需要對其加以維修維護。

有研究表明：在輥磨使用過程中，磨輥和磨盤常采用耐磨堆焊，一般磨輥輥套磨損到原重量的40%、磨盤襯板磨損到原重量的25%時，需要重新對耐磨件進行堆焊[2]。通過現場對磨輥和磨盤的簡單測量，可以大致判斷出磨損的程度，再考慮是否需要重新堆焊。

影響耐磨件壽命的因素有很多，輥磨、輥套和磨盤的磨損程度主要取決于物料的磨蝕性[3]。一般而言，水泥行業使用的輥磨耐磨件的磨損范圍是3～10g/t，最大范圍可達0.2～20g/t。F.L.Smidth、Polysius、天津水泥工業設計研究院有限公司等粉磨設備制造企業對水泥生料中fSiO2對耐磨材料壽命的影響進行了研究，一致認為：隨著生料中fSiO2含量的增加或粒徑的增大，輥磨、輥套壽命將逐漸縮短[4，5，6]。比較明顯的是，用輥磨粉磨石英微粉，其耐磨材料磨耗約為生料粉磨的10倍[7]。

也有研究認為，物料中每增加0.1%的鐵，額定磨損率將增加10%，尤其對于礦渣，當原料中游離鐵含量＞1%時，粉磨系統的使用壽命下降約30%以上[8]。另外，有實踐表明，相同材質不同關鍵元素的微量差別也會導致耐磨材料使用壽命的重大區別[9，10]。根據物料粉磨磨蝕性特征和使用環境的差異性，國內外學者開發了不同種類、多種規格的耐磨材料，以提高耐磨件使用壽命，降低企業生產成本[11]。

在充分調研我公司輥磨耐磨部件使用壽命的基礎上，從入磨原料的角度分析造成磨損的關鍵因素，為輥磨粉磨設備和工藝的持續優化改進提供建議，以實現有效解決或降低磨損。

2 輥磨磨損的機理分析

材料磨損是兩個以上的物體摩擦表面在法向力的作用下相對運動及有關介質、環境溫度的作用使其發生形狀、尺寸、組織和性能變化的過程。磨損是一個廣泛的領域，其分類方式有很多，輥磨的設備磨損屬于磨粒磨損范圍。磨粒磨損按磨損表面的數量可分為兩體磨損和三體磨損。兩體磨損的特點是硬質顆粒直接作用于被磨材料的表面上。三體磨損的特點是硬質顆粒處于兩個被磨材料的表面之間。顯然，輥磨的輥套和磨盤襯板磨損屬于三體磨損，選粉機靜葉片、導風葉片、風環等部位屬于兩體磨損。

目前，普遍采用拉賓諾維奇（Rabinowicz）提出的磨粒磨損簡化模型來討論磨粒磨損問題[12]。

模型計算假設條件：磨粒磨損中的磨料為圓錐體，被磨材料為不產生任何變形的剛體，磨損過程為滑動過程。磨粒在載荷P的作用下，被壓入較軟的金屬材料中，并在切向力作用下沿較軟的金屬表面滑動（距離為L），犁出一道溝，其深度為t。那么單位滑動距離磨損掉的金屬材料體積，即被遷移的溝槽體積，用下式可以算出：

式中：

V——磨損掉的體積，mm3

r——磨粒圓錐體的半徑，mm

t——磨粒壓入金屬材料的深度，mm

L——滑動距離，mm

可以得出：

因為磨料壓入金屬材料內的深度取決于壓力的大小和材料硬度的比值，所以：

式中：

θ——磨粒圓錐體夾角

P——法向載荷

H——金屬材料的硬度

可以得到：

令磨料磨損系數：

則：

式（7）表明，在一定磨料條件下，單位距離內磨損體積與外加載荷和滑動距離成正比，而與材料的硬度成反比，并且可以看出，θ角越小，磨粒越尖銳，磨損越嚴重。

但是，上式中磨損系數Kabr為理論值，僅考慮到磨粒的形狀系數，并且假定所有的磨料都參加切削、犁出的溝槽體積全部成為切屑。實際上，在磨損過程中所發生的現象是十分復雜的，包括外部載荷、磨粒硬度、相對運動、迎角與環境以及材料的組織和性能等，因此磨損系數應該是上文幾個因數與比例常數的乘積。實際比例常數是在所有磨粒中能產生磨損碎屑的比例分數。對于三體磨損，磨粒大約有90%的時間處于滾動狀態而不發生磨損，10%的時間是在滑動并磨損表面。

對于輥磨，磨輥處于施力、與磨盤相對運動的狀態，加劇了磨粒磨損，尤其是當原料中存在難磨顆粒時，易使難磨顆粒在磨盤富集，能產生磨損碎屑的比例分數明顯變大，耐磨材料磨損加速。從生產實踐中也可以看到，在生料粉磨中，當物料中石英砂（SiO2）的比例比較高時，堆焊耐磨層磨損快。

3 化學組成對磨蝕性的影響

在水泥生產中我們?？吹剑篺SiO2或原料中金屬鐵含量高，物料磨蝕性高，粉磨設備耐磨件使用壽命短。然而，在冶金廢渣資源化處理等輥磨粉磨技術推廣時，我們發現部分物料的磨蝕性很高，為此我們對物料進行了化學分析，以期找到導致物料磨蝕性偏高的原因。

從表1和表2中可以看出，葉蠟石和鉛鋅尾礦中fSiO2含量較高，均在15%以上。從工業生產的實際情況來看，在采用輥磨粉磨水泥生料時，磨輥輥套和磨盤襯板的磨損一般在2～5g/t，而粉磨葉臘石的磨損在40～50g/t，粉磨鉛鋅尾礦的磨損在20～30g/t。在這兩種物料中，金屬鐵的含量偏低，因此，fSiO2含量高是造成其磨蝕性高的主要原因。

對于礦渣和鋼渣，從表1可以看出，兩種物料中fSiO2含量較低，但金屬鐵的含量較高。礦渣中金屬鐵以金屬鐵粒的形式存在，在粉磨過程中，通過簡單布置除鐵器，即可將其中的金屬鐵除去，礦渣粉中的金屬鐵在0.5%以下，從大量生產統計數據來看，礦渣生產時金屬磨耗在6～9g/t。鋼渣中金屬鐵以“渣包鐵、鐵包渣”的形式存在，因此在鋼渣粉磨時需要特殊的除鐵工藝設計。我公司自2005年就開始了鋼渣輥磨的粉磨技術開發工作，2014年第一臺鋼渣輥磨在南通融達新材料股份有限公司投產運行，從生產運行情況來看，在合理的破碎、粉磨除鐵工藝布置條件下，鋼渣生產時的金屬磨耗也在6～9g/t，與礦渣生產時相當[13]。當然這也與鋼渣的生產處理工藝有關，廠里采用的為熱燜鋼渣。從表1和表2可以看出，對于礦渣和鋼渣，金屬鐵含量是影響其磨蝕性高低的關鍵因素。

對于鎳渣而言，從表1和表2中可以看出，其中fSiO2含量在1%左右，這對輥磨不會造成明顯的磨損[2]；鎳渣中金屬鐵含量在1%左右，這與入磨的鋼渣原料的金屬鐵含量相當，但從工業生產情況來看，鎳渣輥磨的磨蝕性要比鋼渣高很多，因此對于鎳渣的磨蝕性仍需進一步分析。在此基礎上，我們對比分析了不同物料的化學組成，希望能從化學成分的角度對磨蝕性進行分析。不同物料的化學組成見表3。

對于不同的物料以含量最多的5種氧化物（5種氧化物之和＞90%）為研究對象，從表3中可以看出，對于不同的物料采用化學成分含量的高低均不能表示出物料磨蝕性的高低，即物料化學組成與磨蝕性高低無明顯的相關性。以Fe2O3為例，其在鋼渣中的含量最高，但粉磨鋼渣的輥套和襯板的磨蝕性卻低于鉛鋅尾礦、鎳渣，而礦渣中Fe2O3含量最低，但其磨蝕性卻高于熟料、爐渣、粉煤灰。因此，仍不能確定造成鎳渣磨蝕性高的原因。

表1 物料中fSiO2含量

表2 物料中金屬鐵含量

4 礦物組成對磨蝕性的影響

對于鋼渣而言，從礦物組成來看，有研究認為：當其堿度低時，鋼渣礦物組成有橄欖石（CaO·RO· SiO2）、薔薇輝石（3CaO·RO·2SiO2）、RO相（MgO、MnO、FeO的固熔體）；當其堿度高時才有硅酸二鈣（2CaO·SiO2）和硅酸三鈣（3CaO·SiO2）等。通過鋼渣輥磨粉磨試驗，我們發現當入磨鋼渣原料金屬鐵含量從1.9%降低至1.2%時，輥磨磨蝕從150～160g/t降低至90～95g/t（鑄鋼材質）。

表3 幾種物料的化學組成*

鎳渣是鎳鐵合金生產過程中產生的廢棄物，冶煉溫度高達1 600℃，鎳渣按照其形成的方法可分為干渣和水渣。干渣多為塊狀，是在鎳鐵液上層慢慢變冷凝固的塊狀渣；水渣是將熱電爐中的融化狀態鎳渣淬水處理形成的細小顆粒（見圖1）。本試驗采用的原料為淬水處理的鎳渣。

用我公司XRD檢測設備對鎳渣進行了礦物分析。設備為德國布魯克（bruker）公司的d8 advance型XRD衍射儀，測角儀工作方式為θ/2θ方式，Cu靶X光管電壓≤40kV、電流≤40mA，測角儀精度0.000 1°、準確度≤0.02°。此次衍射角為10°～70°，掃描速率為10°/min。測試結果見圖2。

圖1 鎳渣原料

圖2 鎳渣XRD圖譜

從圖2中可以看出，試驗用鎳渣中主要礦物為：Mg2SiO4（鎂橄欖石）和Fe（少量），國內大量的學者也對不同工藝處理的鎳渣做了研究[14，15]，認為鎳渣中主要礦物有橄欖石、玻璃相、藍鐵礦、游離二氧化硅、金屬鐵等，在這些礦物中以游離二氧化硅和金屬鐵對磨蝕性的影響最大。

表4 不同礦物的莫氏硬度值

圖3 鉛鋅尾礦XRD圖譜

對于鉛鋅尾礦，通過XRD檢測發現其含有大量的石英，這與游離二氧化硅的測定結果相吻合（圖3）。

眾所周知，不同物料是由不同的礦物材料組成，而礦物材料的硬度更大程度上影響了物料的易磨性，與物料的磨蝕性相關性很差。因此，也很難從礦物組成和物料易磨性等方面來判斷其磨蝕性。

為了更好地了解造成鎳渣粉磨磨損嚴重的原因，我們又從設備角度出發進行了分析，發現當擋料圈高度為230mm時，磨機排渣量小，合金在磨盤上富集，輥套磨損大，外循環物料管道式除鐵器除鐵效果欠佳。當擋料圈高度降低至200～210mm時，磨機外循環量增加，難磨物料被有效排出，有效降低了輥套磨損；另外，將外循環物料管道式除鐵器更換為滾筒干式磁選機，可有效去除外循環物料中的含鐵料，降低回料入磨鐵含量，對于降低輥套和襯板磨損非常有益。所以，通過上述分析，我們發現金屬鐵含量的高低依然是影響鎳渣磨蝕性高低的關鍵因素。

5 結語

在分析輥磨磨損機理的基礎上，通過對物料化學成分、礦物組成的檢測以及輥磨運行現場的調研，我們認為：fSiO2含量高是葉臘石、鉛鋅尾礦磨蝕性高的主要原因，礦渣、鋼渣、鎳渣中金屬鐵的含量是影響其磨蝕性的關鍵因素，在新物料的設備選型設計時需著重考慮fSiO2和金屬鐵含量。

[1]張昆謀，武洪明.輥磨磨輥、磨盤襯板磨損修復[J].中國水泥，2006，（11）：78-79.

[2]楊連城.物料對磨輥磨耗之研究[J].新世紀水泥導報，1997，（2）：30-32.

[3]Lucas R.D.Jensen,Erling Fundal,Per M? ller,Mads Jespersen. Wear mechanism of abrasion resistant wear parts in raw material vertical roller mills[J].Wear,2011,(271):2 707-2 719.

[4]楊連城.磨輥磨耗的初探[J].四川水泥，1995，（5）：1-3.

[5]趙乃仁.輥式磨粉磨的運行機理及其選型原則的探討[J].水泥工程，2004,（1）：4-11.

[6]Lucas R.D.Jensen,Henrik Friis,Erling Fundal,Per M? ller,Per B. Brockhoff.Influence of quartz particles on wear in vertical roller mills. Part I:Quartz concentration[J].Minerals Engineeringm,2010,(23): 390-398.

[7]孔金山，張敏，肖威.輥磨在石英微粉加工中的應用[J].中國非金屬礦工業導刊，2011，（4）：42-46.

[8]張昆謀，鄭國良，彭新橋.淺談輥磨磨輥機磨盤表面耐磨堆焊技術[J].新世紀水泥導報，2005，（6）：47-48.

[9]杜榮鵬，楊文生，李曉軍.輥磨輥套磨損的原因分析及結果[J].水泥，2012，（8）：39-40.

[10]田大標.礦渣輥磨磨輥堆焊焊絲的選擇及應用[J].水泥，2011，（7）：37-38.

[11]中國機械工程學會磨損失效分析與抗磨技術專業委員會.輥磨用耐磨材料與抗磨技術[C].2009全國水泥輥磨技術和裝備研討會論文集，北京：中國建材工業出版社，2009：13-18.

[12]王振廷，孟君晟.摩擦磨損與耐磨材料[M].黑龍江：哈爾濱工業大學出版社，2013：10-100.

[13]杜鑫，聶文海，柴星騰，等.TRMG32.2鋼渣輥磨粉磨鋼渣和礦渣生產實踐分析[C].2015中國水泥技術年會暨第十七屆全國水泥技術交流大會論文集，北京：中國科學文化出版社，2015：155-161.

[14]何緒文，石靖靖，李靜，等.鎳渣的重金屬浸出特性[J].環境工程學報，2014，（8）：3385-3389.

[15]張勇.鎳渣作為混合材在水泥膠凝材料中的應用研究[D].湖北：武漢理工大學碩士學位論文，2013:1-25.■

TQ172.639

A

1001-6171（2017）01-0025-05

天津市科技小巨人領軍企業培育重大項目（14ZXLJGX00540）

中材裝備集團有限公司，天津300400；

2016-05-12；編輯：趙蓮