高鉻鑄鐵在大型自磨機襯板中的應用

中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

磨 機襯板用來保護磨機筒體免受研磨體和物料的直接沖擊和摩擦，同時提升物料和研磨體，增強研磨體對物料的粉碎和研磨作用[1]。

隨著選礦工藝的進步，磨機大型化已成為磨礦設備的主要發展趨勢，襯板也日益大型化、復雜化，市場對襯板的使用壽命和磨礦效率都提出了更高的要求。隨著筒體直徑增大，磨機運行時礦石和鋼球位能變大，襯板的磨損和沖擊碎裂加劇，襯板服役周期縮短。傳統磨礦系統設備運轉率通常在 90%～95%，而許多半自磨機+球磨機磨礦系統設備運轉率僅為80%[2]。襯板維修不僅增加材料和人工成本，同時襯板磨損加劇還會嚴重影響磨機生產效率。

礦山工況條件不同，磨機襯板的使用特點及失效形式亦有差別，襯板材料對磨礦效果有直接影響，進而對礦山收益有重要影響，因此合理選擇大型自磨機襯板材質對磨礦作業具有重要意義。

1 襯板材質選擇

常用襯板材質主要有高錳鋼、低合金耐磨合金鋼和白口鑄鐵等。

高錳鋼因其顯著的加工硬化效果，廣泛應用于各種磨損工況。高錳鋼是以奧氏體為主的組織結構，在高沖擊載荷下表面組織轉變為馬氏體，易實現加工硬化；在低沖擊載荷或低應力下，由于加工硬化不足，高錳鋼的耐磨性低于非錳系耐磨合金鋼；在沖擊較大的場合，高錳鋼易發生流變，造成襯板變形量大拆卸困難，嚴重時將螺栓拉斷。這是因為高錳鋼屈服強度低，使用過程中受物料和磨球的不斷沖擊，襯板表面發生相變，造成局部體積增大和切向尺寸變大。

低合金耐磨合金鋼金相組織為典型的板條狀馬氏體結構，板條狀馬氏體具有高密度位錯的亞結構，因此有較高的硬度及強度，有利于提高耐磨性。

白口鑄鐵的代表材料為高鉻鑄鐵，Cr 含量通常高于 12%。高鉻鑄鐵是一種優良的耐磨材料，組織中M7C3型碳化物硬度高達 1 200～ 1 800HV，同時 M7C3型碳化物呈桿狀孤立分布，碳化物對基體的破壞作用減小，高鉻鑄鐵的韌性明顯改善[3]。高鉻鑄鐵不適用于強沖擊載荷工況，比較適用于沖擊能量小、以研磨為主的工況，可充分發揮高耐磨性的特點[4]。

試驗表明[5]，在低應力沖擊載荷下，高鉻鑄鐵抗磨性能最好，低合金鋼次之，高錳鋼最差。

2 襯板現場應用情況

筆者公司自主研制的 6 臺φ12.2 m×11.0 m 自磨機于 2016 年在某礦陸續投產運行，耐磨合金鋼襯板年消耗總量超過 10 800 t，襯板采購成本居高不下。該礦自磨機耐磨合金鋼襯板壽命普遍約 5 個月，每條生產線每年更換襯板 2.5 次，每次停機約 7 d，6 條生產線因更換襯板全年累計停機時間超過 100 d，直接減少 315 萬 t 原礦處理量，同時還要承擔高昂的人工成本。

針對該礦現場的工況條件，開展高鉻鑄鐵在大型自磨機襯板上的應用研究，開發出與之匹配的襯板，具有十分重要的現實意義。

3 高鉻鑄鐵襯板工藝設計

3.1 高鉻鑄鐵成分分析

目前高鉻鑄鐵研究集中于亞共晶或共晶范圍。亞共晶高鉻鑄鐵中存在初生奧氏體樹枝晶，在具有良好抗磨性能的同時還具備較高的韌性[6]。基于高耐磨性與良好韌性相匹配的原則，經綜合考慮，高鉻鑄鐵材料設計為接近共晶點的亞共晶成分，其化學成分分析如表 1 所列。

表1 襯板化學成分分析Tab.1 Chemical composition analysis of liner w/%

3.2 鑄造工藝

根據磨機結構特點，優化后的襯板結構如圖 1 所示。

圖1 襯板結構Fig.1 Structure of liner

襯板采用砂型鑄造方式，開放式澆注系統截面積較大，鋼液充型快而平穩。依據鑄件結構特點，通過熱節圓直徑計算冒口規格，冒口選用頂部縮頸保溫明冒口。因該襯板具有截面厚、長寬比較大、質量重等特點，鑄造收縮大，有明顯的熱裂及冷裂傾向。為確保鑄件獲得良好的補縮以及優異的內部致密結構，采用冒口+直接明冷鐵的鑄造工藝，同時采用計算機模擬技術對襯板凝固過程中的氣孔、熱裂、縮孔縮松以及應力變形等鑄造缺陷進行模擬和預測，進而優化鑄造工藝[7]。

圖2 鑄件凝固過程模擬Fig.2 Simulation of casting solidification process

圖2 所示為鑄件凝固過程模擬，可以看到襯板鑄件整體溫度場分布層次清晰，由下而上順序凝固，高溫區最終出現在冒口部位，鑄件的縮孔主要集中在保溫冒口內部，鑄件本體上沒有出現縮孔等鑄造缺陷，因此該襯板鑄造工藝設計是可行的。

3.3 熱處理工藝

高鉻鑄鐵熱導率差，僅為灰鑄鐵的 1/3，易受熱開裂，且合金含量高，易形成殘余應力，因此鑄件在鑄型中保溫至 70 ℃ 以下開箱。

結合筆者公司實際生產經驗和高鉻鑄鐵材質特性，選擇淬火+回火熱處理工藝。淬火工藝設定鑄件加熱至 1 000～1 030 ℃，保溫 6～ 8 h，出爐空冷；回火工藝設定鑄件加熱至 230～250 ℃，保溫 10～ 12 h，隨爐冷卻。熱處理過程按照工藝操作，同時采取必要的防護措施。試塊熱處理后的硬度為 58～ 60HRC，沖擊功為 4.5～ 4.8 J。經檢測，熱處理后的襯板硬度為 56～59HRC。

4 應用效果分析

選擇某礦φ12.2 m×11.0 m 自磨機中圈襯板為研究對象，現場襯板安裝如圖 3、4 所示。圖 3 中深色區域為高鉻鑄鐵試件襯板，其余區域仍使用耐磨合金鋼襯板。襯板提升條高度為 450 mm，底板高度為 86 mm。在襯板使用周期內，其累計處理礦量達到 4 553 662 t。

圖3 襯板安裝示意Fig.3 Installation sketch of liner

圖4 現場高鉻鑄鐵襯板安裝照片Fig.4 Photo of installed high-chromium cast iron liner in site

為了進一步驗證高鉻鑄鐵襯板的耐磨性及應用效果，采用激光三維掃描技術[8]對其進行磨損檢測。首先通過 3D 掃描儀完成磨損數據的測量與采集，然后通過 Geomagic 軟件對檢測結果進行處理，可得到磨機襯板服役過程中不同時期的磨損數據。激光三維掃描采集到的數據是大量三維點坐標的集合，由于點數量巨大，其數據被形象地稱為云點數據[9]。

由于云點數據存在較多噪點，因此首先利用Geomagic 的降噪、取樣、刪除體外孤點等功能，過濾掉云點數據多余的點；掃描儀掃描磨機內部襯板的表面輪廓后，建立一個襯板背部輪廓理想模型，在Geomagic 軟件中與云點空間對齊，通過 3D 比較功能計算理想模型與掃描云點的偏差，獲得所有掃描襯板的整體厚度云圖；再根據襯板的安裝部位，將云點數據分成若干個子文件，通過調整 3D 云圖的色譜顯示，可快速準確定位整套襯板的高危磨損區域；然后針對危險區域進行 2D 剖切，利用 2D 標注功能直接得到高危區域的剩余厚度以及剖切面方向的分布規律和磨損趨勢。基于 Geomagic 軟件的襯板優化方法，尤其適用于工作環境惡劣、磨損較快的大型半自磨機和自磨機襯板[10]。圖 5 從整體上反映了進料端襯板提升條和底板各處的當前厚度，根據云圖上的顏色即可判斷此處襯板磨損是否過快。

圖5 進料端中圈襯板整體厚度云圖Fig.5 Overall thickness contours of middle liner at feeding end

圖6 進料端中圈耐磨合金鋼襯板截面厚度Fig.6 Cross-section thickness of middle wear-resistant alloy steel liner at feeding end

圖7 進料端中圈高鉻鑄鐵襯板截面厚度Fig.7 Cross-section thickness of middle high-chromium cast iron liner at feeding end

進料端中圈耐磨合金鋼襯板、高鉻鑄鐵襯板提升條和底板厚度變化情況分別如圖 6、7 所示。圖 6、7中表面各點距離襯板底面的高度，反映了中圈襯板不同部位的厚度變化情況。進料端中圈 2 種材質襯板使用后平均剩余厚度對比情況如表 3 所列。由表 3 可以看出，高鉻鑄鐵襯板提升條中心剩余厚度比耐磨合金鋼襯板厚約 16.45%，底板中心剩余厚度兩者差別不大。由此可以看出，不同材質對襯板提升條中心磨損影響較大，而對底板中心磨損影響較小。

表3 進料端中圈襯板截面剩余厚度對比Tab.3 Comparison of residual thickness of middle liner cross-section at feeding end mm

激光三維掃描技術能準確采集襯板輪廓云數據，通過強大的后處理分析技術，實現對襯板的磨損規律的量化表述，進料端中圈 2 種材質襯板使用情況如表4 所列。通過分析磨損數據發現，在襯板整個壽命周期內，與耐磨合金鋼襯板相比，高鉻鑄鐵試制襯板在剩余厚度、平均磨損速率以及預測處理礦量等方面表現更為優異，最薄處剩余厚度比耐磨合金鋼厚 98 mm，平均磨損速率降低 28.3%。當襯板厚度達到失效標準 90 mm 時，預測總處理礦量可達到 6 608 710 t，處理礦量可提高 39.5%。應用結果表明，高鉻鑄鐵襯板具有很明顯的優勢。

表4 進料端中圈襯板應用情況對比Tab.4 Comparison of middle liner at feeding end in application status

5 結語

通過對高鉻鑄鐵耐磨襯板化學成分分析，鑄造工藝及熱處理工藝的設計改進，獲得了比傳統合金鋼更為優異的力學性能，在大型自磨機上獲得了成功應用，大幅提升了磨礦產量。

目前，礦山企業對磨礦裝備生產能力有較高的要求，礦物粉碎過程中能耗及材料消耗成為科研工作者及企業研究的重點。今后應不斷優化高鉻鑄鐵成分及熱處理工藝，提高材料的耐磨性，同時須兼顧研制成本，減少貴重金屬的使用量，適量添加諸如硼、鈦、鈮等微量元素，降低生產制造成本。高性價比抗磨白口鑄鐵耐磨襯板將會在低沖擊、強磨剝的自磨機、球磨機、立式攪拌磨上獲得更為廣泛的應用，可有效提高大型礦用裝備的運行效率及綜合盈利能力，助力裝備大型化、高效化發展。