大紅山銅礦二選廠球磨機專用耐磨鑄鋼球、襯板的設計

吳金福

【摘要】分析了球磨機選礦工藝，設計成一種應用于大紅山銅礦低品位銅鐵選礦廠球磨機新型多元低合金耐磨鑄鋼球、襯板，設計并分析了化學成分，制定了熱處理工藝，并進行了磨損性能工業試驗。結果表明，這種耐磨鋼球的相對耐磨性是普通耐磨鋼球、襯板的2倍，節約了磨料及維修成本的投入。

【關鍵詞】球磨機選礦工藝耐磨鑄鋼球；襯板低合金化學分析熱處理工藝分析；應用前景分析

大紅山銅礦自1997年7月投產以來，已消耗了地質貯量近1800萬t，至2005年末仍保有礦石量7099萬t，銅金屬量54.5萬t，品位0.768%。如實行銅鐵合采，低品位資源進行綜合利用，礦量將增加，延長礦山服務年限。但出礦品位大幅下降至0.4%左右，生產成本明顯提高。為了確保當期生產和利潤水平，提高升選礦設備性能，延長選礦設備開機時間，以增加礦石處理量，實現以產量降單位成本。

磨礦設備是選廠的主要設備，大紅山銅礦二選廠采用Φ3600×4500格子型球磨機和溢流型球磨各一臺作兩段磨礦設備，Φ2700×4500溢流型球磨機作鐵粗精礦再磨設備。

1球磨機選礦工藝分析

銅礦選礦設備作業流程的第二個環節就是磨礦環節，磨礦設備主要是球磨機，銅礦選礦設備中的球磨機可以分為粗選，精選，掃選等磨礦方式。球磨機粗選尾礦還不能作為最終尾礦廢棄，往往還需進入下一步作業處理，這一作業稱為掃選。為了提高金屬的回收率，有時需要經過多次掃選才能得出最終尾礦。礦石經過選別作業處理后，除去了大部分的脈石與雜質，使有用礦物得到富集的產品稱之為精礦。精礦是選礦廠的最終產品，有時也叫最終精礦，一般作為冶煉的原料。最終精礦要使其主要成分及雜質含量都達到國家標準，才能稱為合格精礦。對于精礦，中礦，尾礦，每次浮選后精礦和尾礦之外的就叫中礦。一原礦經過選別作業處理后，其主要成分已在精礦中富集，有的經過綜合處理后，礦石的次要成分或其他伴生金屬也得到回收。所以剩余的部分產物則含有用成分很低，這部分產物稱之為尾礦，或叫最終尾礦。應當指出，在尾礦中仍然含有受目前技術水平限制而難于提取的有用成分，但將來有可能成為再利用的原料。因此，一般都將尾礦堆放在尾礦庫保存在選別過程中得到的中間產物稱為中礦。中礦的有用成分含量一般介于精礦和尾礦之間。在選別過程中，中礦一般需要返回適當作業地點處理，或者進行單獨處理。銅礦選礦設備高產能的訣竅大紅山銅礦是云南最大的銅礦，每年因采掘、磨礦、選礦等各工序消耗各種耐磨件費用達人民幣3000萬多元。其中，球磨機鋼球、襯板作為主要的消耗件，每年耗量在3t以上。長期以來，球磨機主要使用ZGMn13高錳鋼襯板，部分使用價格昂貴的進口合金鋼襯板。一個時期以來，所使用的高錳鋼襯板耐磨性能較差，使用壽命短，停機檢修頻繁，嚴重影響磨礦生產，如大紅山銅礦二選廠的Φ3600X4500格子型球磨機、Φ3600X4500溢流型球磨機 、Φ2700X4500溢流型球磨機ZGMn13襯板使用壽命僅為3000h左右，而三種球磨機國外進口合金鋼襯板使用壽命則在9000h左右。針對大紅山銅礦的工況條件，研制新型球磨機襯板、鋼球耐磨鋼，對于立足國產、節能降耗，提高碎礦、磨礦效率，具有現實意義。

2專用耐磨鑄鋼球、襯板工況及對材質性能的要求

2.1性能要求

一般干磨條件下工作的球磨機襯板主要失效形式是宏觀斷裂、整體變形和磨料（鋼球）磨損引起的材料損耗。對于大紅山銅礦而言，選礦采用濕磨工藝，球磨機在濕磨條件下工作，礦石硬度在普氏溫度6-8之間，含S量約2%左右，礦漿PH值約為4-5，與通常建材、煤炭行業使用的球磨機相比，礦石硬度高，礦漿具有磨蝕性。因此，設計的耐磨鋼應具有以下性能：①高硬度。硬度在一定程度上反映材料的耐磨性能。為了抵抗硬度較高的有色金屬礦山磨料的磨削作用，球磨機襯板在運轉硬化后工作面的硬度應不低于HRC50②高淬透性。大紅山銅礦球磨機襯板尺寸較大，厚度一般在150mm以上。為保證組織與性能的均勻，設計的耐磨鋼應具有較高的淬透性③好的耐蝕性能。大紅山銅礦球磨機均工作在磨蝕性濕磨條件下，磨損過程中腐蝕與磨損在交互作用會大大加快襯板的失效。在進行材料設計時 ，應適當添加有利于提高材料耐蝕性的元素，以提高其抗腐蝕磨損的能力④合適的韌性。濕磨工況條件下，由于漿料在襯板表面形成一層涂覆層，阻止磨球與襯板之間相互接觸，使得濕磨條件下，襯板所承受的小能量多次沖擊載荷遠比在干磨時小，襯板在運行過程中直接受磨球沖擊的機會極少，由于韌性不足導致的宏觀斷裂并不常見。過高地要求材料的韌性或通過犧牲硬度追求過度韌性是不可取的，因為那樣往往會導致耐磨性能大幅度下降，這就是高錳鋼襯板在此條件下不耐磨的原因。經分析認為，在保證鑄件質量的前提下，大紅山銅礦應用的球磨機襯板材料的沖擊韌度值不低于15J/cm2即可。

2.2 襯板材料的化學成分設計分析

2.2.1 碳（C）

碳是影響淬透性的最主要元素，對鋼的組織和力學性能的影響十分明顯。在其它元素不確定的前提下，含碳量較低時（<0.3%），其淬火后的顯微組織為板條馬氏體+殘余奧氏體，或板條馬氏體+貝氏體+殘余奧氏體隨著碳含量增加，淬火組織逐漸轉變為隱針馬氏體+殘余奧氏體+碳化物，或隱針馬氏體+殘余奧氏體+貝氏體+碳化物。從力學性能來看，隨著碳含量的增加，強度、硬度不斷提高，因而抵抗切削及犁溝的能力增加，耐磨性提高然而，隨著碳含量的進一步增加，硬度越來越高，塑性及韌性變差。但是，有研究指出，在含有（%）：0.8-1.2 Si、1.0-1.5Mn、1.5-2.5 Gr、0.3-0.5 Mo的低鉻鑄鋼中，碳含量即使是增加到0.9%以上，在適當的熱處理工藝條件下，硬度>HRC65的同時，韌性仍可在28J/cm2，這對球磨機襯板耐磨性有極大的提高。碳含量提高后另一個直接好處是鑄鋼熔點的降低。這對于節約能源，提高流動性與充型能力有重要

2.2.2鉻

鉻能提高鋼的淬透性、增加鋼的回火穩定性，對于鋼鐵材料在濕磨工況下的耐磨性的提高有較好作用。研究表明，組織同樣為馬氏體+貝氏體的低溫回火組織，在硬度相當的條件下，pH值為2-9的范圍內，含鉻量由0.68%提高至3.48%時，腐蝕磨損速度將下降至原來的59%-29%。

2.2.3 鎳

鎳是非碳化物形成元素，以固溶形式存在于鋼中，與鉻配合使用時，少量的鎳（0.2%-0.3%）可顯著提高鋼的淬透性和強度，同時細化晶粒，有利于韌性的提高。綜合考慮成本因素，鎳含量定為0.3%-0.5%。

2.2.4鉬

少量鉬可細化晶粒，提高強度，提高鋼的淬透性及回火穩定性。它與鉻元素在鋼中形成硬度較高的M7C3型合金碳化物，可以提高耐磨性。一般含鉬量大于0.3%即可。

2.2.5銅

銅在鋼中形成固溶體，可改善鋼的韌性，增加鋼的抗腐蝕性。用于濕式磨礦作業時能起到提高襯板抗腐蝕磨損的作用。一般含銅0.3%-0.5%時即有明顯作用。

2.2.6硫與磷

在所研制的低合金耐磨鑄鋼中，硫與磷作為有害因素須嚴格加以控制，使含量≤0.06%.根據以上分析，所研制的低合金耐磨鑄鋼的成分確定為（%）：0.7-0.9C、0.2-0.4 Si、0.3-0.5Mn 、2-4 Cr、0.3-0.5 Ni、0.4-0.6 Mo、0.3-0.5 Cu、P<0.06、S<0.06。

3 研制試驗及結果

3.1 臨界相變點的確定

為了掌握耐磨鋼的相變特性，為后續熱處理工藝提供理論依據，使用Gleeble 1500熱模擬儀，按照GB5057-85試驗標準測定了其臨界相變.

3.2 淬透性

考慮到研制的耐磨鑄鋼應用于大紅山銅礦大型球磨機襯板，為直接反映實際工件的淬火后組織的均勻性，沒有按臨界淬火直徑法或末端淬火法進行淬透性試驗，而是分別使用?150mm×300mm圓柱和?3.2m×3.1m球磨機襯板實物（重263kg，最大厚度125mm）考察CHMe鋼的淬透性。它們經950℃×3h奧氏體化淬火后的最大橫截面處的硬度.

可見，此鑄鋼的淬透性良好，?150mm×300mm圓柱模擬試樣和?3.2m×3.1m型球磨機襯板實物的最大斷面上的硬度分布均勻，能保證襯板使用過程中的耐磨性能穩定。

3.3 熱處理工藝與力學性能

使用中頻繁感應電爐，使設計的成分將耐磨鋼溶清后澆鑄成標準Y形試試，參照GB/T5680-1998《高錳鋼鑄件》進行試樣制備，以測定的相變點為參考，設計熱處理工藝，考察工藝參數對力學性能的影響。硬度測定在HRC-150A型硬度計上按GB/T230-1991《金屬洛氏溫度試驗方法》完成，抗拉強度按GB/T228-1991《金屬拉伸試驗方法》在Material Test Star 810型萬能液壓試驗機上進行，沖壓韌度參考GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》，選用10mm×10mm×55mm無缺口非標準試樣進行試驗。

3.3.1 淬火溫度的影響

考慮到該鑄鋼的沸點為810℃，添加較多的碳化物形成元素，選擇850℃、900℃、950℃、1000℃ 4種淬火溫度，考慮淬火溫度對力學性能的影響，結果如圖4所示?？梢?，在900-950℃左右奧氏體化淬火后的綜合力學性能最佳。圖一所示為950℃淬火后的組織，此時顯微組織為馬氏體+貝氏體+殘余奧氏體+少量顆粒狀碳化物，這些碳化物顆粒的存在.

3.3.2 回火溫度的影響

950℃淬火后的試樣分別經過450℃、550℃、650℃回火后的力學性能見表5.可見，550℃左右回火后耐磨鋼的綜合力學性能較好。此時組織中回火馬氏體與貝氏體的形態與取向仍基本保持回火前淬火馬氏體與貝氏體的形態與取向，而殘余奧氏體基本已轉變為回火屈氏體，碳化物顆粒彌散分布.這種回火馬氏體+貝氏體+回火屈氏體+殘余奧氏體+彌散碳化物的組織有利于綜合力學性能和抗磨性能的提高。根據以上的試驗結果，耐磨鋼的熱處理工藝確定為：950℃空淬+（500-550℃）×2h回火。

3.4 磨料磨損試驗

為了進一步考察抗磨性能，在MLD-10型動載磨料磨損試驗機上分別對熱處理后組織為貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體+少量顆粒碳化物的耐磨鋼和經過水韌處理后組織為奧氏體的ZGMn13進行了磨損試驗。磨損試驗試樣的尺寸為10mm×10mm×30mm，配對下的下試樣均采用直徑為?50mm、硬度為HRC42的40Cr圈環，轉速為200r/min，磨料為20-40目精制石英砂，磨料流量10kg/h，沖擊頻率100/min，沖功3.2J。試驗結果如表6所示，可見，所研制的耐磨鋼的磨耗僅為原高錳鋼的3/4倍左右。

4結束語

應用專用耐磨鑄鋼球、襯板可以節省大量的成本投入，節約了成本，取得的很好的經濟效益。

參考文獻：

[1] 張洪建、李秀芬等，大紅山銅礦低品位銅鐵資源綜合利技改擴建工程第二選礦廠初步設計

[2] 揚可楨，機械設計基礎，第三版，高等教出版社，1985年5月

[3] 劉鴻文，材料力學，第三版，高等教育出版社，1991年5月

[4] 夏立芳，金屬熱處理工藝學（修訂版），哈爾濱工業大學出版社，2008年5月