復合耐磨材料在甲瑪選礦廠的應用與實踐

解釗，白麗萍，劉明實，郭偉，王海青

（西藏華泰龍礦業開發有限公司，西藏 拉薩 850000）

1 實施背景

選礦廠生產過程中因與高硬度的礦石高頻接觸，材料和備件的磨損損失巨大。磨損是材料失效的三種主要方式之一，據統計，我國每年消耗金屬耐磨材料達300 萬 t 以上，造成經濟損失約400 億元。為減少磨損，可從兩方面入手：一是改善零件的服役條件，二是提高材料本身的耐磨性[1-2]。對于傳統行業選礦廠來講，零件的服役條件難以改變，因此就需要提高材料本身的耐磨性，而不同的材料耐磨性有差異且對工作環境的適應有差異，如何將好的耐磨材料應用在不擅長的工作環境里，就需要對所有的材料屬性進行研究，發揮不同材料的自身特長，做到不同材料的復合使用，達到減少材料磨損損失的目的。

甲瑪礦區海拔4000～5407 m，高寒缺氧，工業基礎極其薄弱，選廠生產所用的材料備件均自內地采購，為提高工作效率，提高工藝指標，降低工人勞動強度，降低生產成本，必須用新科技技術代替傳統的生產技術。單一耐磨材料更換頻繁，高原人工勞動強度大，成本居高不下，選礦廠的生產成本中，材料成本大約占到37%，提高材料耐磨性，降低材料成本對選廠的生產成本降低意義重大。 自2011 年起，復合耐磨材料興起，耐磨材料的研究取得突破性進展，復合耐磨材料銷售連年增高，以20%的速率增長，復合耐磨材料的使用對降低材料成本，提高產值效果非常顯著，復合耐磨材料代替傳統材料已是大勢所趨。

2 技術研究路線

研究各種耐磨材料的使用條件和使用范圍，實驗在不同服役條件下使用合理的復合材料，通過研究和創新，在合適的位置應用理想的復合材料，并歸納總結經驗。選礦廠材料磨損方式分為材料與材料之間磨損和材料與物料之間的磨損，材料與物料之間的磨損分為干物料與材料的磨損和濕物料（礦漿）與材料的磨損，以及單一材料強度變弱后的磨損破壞損失，其中干物料與材料的磨損分為高沖擊磨損和低沖擊滑動磨損兩種方式，低沖擊滑動摩擦在選廠是常見材料磨損方式。

2.1 干物料與材料的低沖擊滑動磨損

選廠通常用單一的合金耐磨鋼材予以解決，如高錳鋼，通過研究，碳化鎢堆焊鋼板較單一高錳鋼板優勢顯著，可提高使用周期5～12 倍，碳化鎢堆焊板中，碳化鎢顆粒以其自身硬度高、耐磨性高的特點，對高錳鋼基體以良好的保護作用，隨著沖擊功的增大，高錳鋼的形變作用增大，對顆粒提供了更好的支撐，使堆焊板表現出更好的耐磨性。其優點是卓越的耐磨性、優越的熔接強度、耐磨層硬度分布均勻、優越的耐熱性、易于其他構建相熔接、表明光滑。目前應用位置：各大礦倉轉運溜槽、所有給料機邊板底板、圓盤給料機內襯底板、振動篩篩片、顎式和圓錐破碎機邊板、各布料小車邊板底板，目前該材料在我廠使用面積達300 余m2，涵蓋了選廠所有干物料與材料的滑動磨損區域。

2.2 濕物料與材料的滑動磨損（學名為漿體沖蝕磨損）

因礦漿不為中性，往往伴隨腐蝕磨損，常用材料為耐磨鋼管、鋼絲纏繞PE 管、鋼內襯陶瓷管，單一鋼管耐磨性和耐腐性均較差，鋼絲纏繞PE 管耐腐蝕但易變形且耐磨性不理想，鋼內襯陶瓷管耐腐蝕且耐磨性強但在高原大溫差下容易炸裂脫瓷，結合選廠和高原生產實際，提供設計圖紙由管道生產廠家代工生產---鋼內襯橡膠陶瓷片復合管，試用范圍：所有濃度管道，濃度越大優勢越明顯如：旋流器沉砂管、旋流器上漿管、尾礦管、泵的軟連接，拓展使用，研制鋼骨架橡膠陶瓷復合浮選機定子轉子蓋板，優點是使用周期提高6 倍，葉輪蓋板間隙穩定，浮選穩定。延伸的應用有，鋼骨架橡膠復合泵過流件和鋼骨架橡膠陶瓷過流件等。

2.3 單一材料強度變弱后的磨損破壞

采用鋼絲網和橡膠復合的皮帶解決1#輸送皮帶被鋼釬扎撕問題，使用周期延長4 倍,事故率幾乎降為零——采用鋼絲和橡膠復合的皮帶解決3#皮帶易撕裂問題，使用周期延長6 倍，事故率幾乎為零——用鋼骨架和膠復合的旋篩代替中信原廠旋篩，使用周期提高4 倍——用滾筒包膠鋼復合材料的方式解決滾筒使用壽命短，拉濕物料易打滑的毛病。

3 實施方案

3.1 干物料與材料的滑動磨損

3.1.1 碳化鎢堆焊板的耐磨性能研究

碳化鎢（WC）是一種鎢和碳組成的化合物，硬度極高，摩氏硬度為8.5-9，熔點達到2870℃，是耐磨行業解決局部惡劣磨損的有效物質[3]。設備、備件等完全采用碳化鎢制造，則成本過于高昂，在選廠實際生產中只需要增加局部磨損部位的耐磨強度就能很好的解決問題，且全部的碳化物設備、備件也難以實現與耐磨部位的有效拼接。在鑄件表面加碳化鎢-基體復合層，并保證該復合層與基體金屬為冶金結合，就能使材料的耐磨性大大提高。堆焊與一般焊接方法不同，不是為了連接工作，而是對工件表面進行改性，以獲得所需的耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的熔敷層，因此在選礦廠采用碳化鎢堆焊板代替傳統的鋼板，在耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能上有了很大的提高。

3.1.2 碳化鎢堆焊板在低沖擊高磨損部分的應用實踐

材料與干物料間的低沖擊滑動磨損（學名為沖蝕磨損）是選廠主要材料損失方式之一，選廠常用單一的合金耐磨鋼材予以解決，如高錳鋼，碳化鎢顆粒/耐磨鋼基復合材料（后簡稱碳化鎢堆焊板）是最佳材料，卓越的耐磨性、優越的熔接強度、耐磨層硬度分布均勻、優越的耐熱性、易于其他構建相熔接、表明光滑。

目前在選廠應用位置：所有大中小礦倉轉運溜槽、所有給料機邊板底板、圓盤給料機內襯底板、振動篩篩片、顎式和圓錐破碎機邊板、各布料小車邊板底板等——使用周期延長12 倍。目前碳化鎢堆焊板在我廠應用面積約200 m2，平均使用周期提高約12 倍，有效的降低了檢修頻率，很大程度上降低了檢修所用的碎礦停產時間，間接的提高了選廠整體設備運轉率約1%。具體參數及成本對比如下：

（1）直接材料成本節約值

從表1 得出，直接材料成本年節約126 萬元。

表1 碳化鎢堆焊板和高錳鋼耐磨鋼板的使用對比Table 1 Comparison of the use of tungsten carbide surfacing plate and high manganese steel wear-resistant steel plate

（2）產值增加值

選廠設備運轉率提高1 個百分點，提高原礦處理量約2.5 萬t，多回收銅金銀金屬量約為200 t、8 kg、450 kg。其產值=4.5 萬元/t×200 t×0.82+360元/g×8×1000 g×0.78+3.7 元/g×450×1000 g×0.78=1092.51 萬元。

3.2 濕物料與材料的滑動磨損

3.2.1 陶瓷橡膠鋼復合材料的耐磨性能研究

耐磨陶瓷是以Al2O3為主要原料，以稀有金屬氧化物為熔劑，經1700 度高溫焙燒而成的特種剛玉陶瓷，再分別有特種橡膠和高強度的有機/無機粘合劑組合而成的產品。它的性能特點是：1、硬度大；2、耐磨性能極好；3、重量輕，僅為鋼鐵的一半，可大大減輕設備負荷；4、粘接牢固、耐熱性能好，可直接粘貼在設備內壁；5、適用范圍廣。

陶瓷橡膠復合材料與普通耐磨鋼板相比，結合了橡膠的延展性和陶瓷片的高耐磨性，其目前主要應用于各泵口的軟連接、高濃度上漿管路、高濃度沉砂管、高濃度尾礦管和浮選機葉輪蓋板，其在各部分的作用不同，耐磨周期提高4～10 倍不等，例如：西藏晝夜溫差大，夏日溫差在20 度左右，冬季溫差在30 度左右，尾礦管路因為外部的高溫差和高壓力致使管路伸縮度很大，普通的耐磨復合管路為鋼和橡膠復合或者鋼和陶瓷復合，因鋼和陶瓷的延展性差異很大，高溫差及高壓力環境下易致使陶瓷片脫落影響管路耐磨性，鋼和橡膠的耐磨管可以克服延展性差異的缺點，但是橡膠的耐磨性又遠不如陶瓷，為綜合各耐磨材料的優點，創造并使用了陶瓷橡膠鋼的復合管路，具體為橡膠粘連在鋼管上，無數個陶瓷片粘連在橡膠上，其耐磨周期成倍數上升。

選礦廠的濕物料在不同作業段其濃度、粒級組成和輸送壓力差異性很大，因浮選作業的要求，濕物料中又加入了調整劑、抑制劑、浮選劑和起泡劑等多種藥劑，濕物料礦漿物理化學性質復雜，對輸送管道及浮選機定轉子等直接接觸材料的要求極高，普通的單一材料或者常規的復合材料，不能滿足選礦廠濕物料的連續沖蝕磨損[4]。常用的礦漿輸送材料有：耐磨鋼管道、耐磨鋼襯瓷管、鋼絲纏繞PE 管。上述材料和陶瓷橡膠鋼復合材料的對比見表2。

表2 優缺點對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages

3.3 陶瓷橡膠鋼復合管道代替傳統管道的應用

選礦廠的上漿管、尾礦管等因承擔輸送量大、壓力大、濃度高、粒度粗等原因，其使用周期短，更換頻繁。通過合作研發陶瓷橡膠鋼復合管代替傳統管道，提高了其耐磨和耐腐蝕性，延長管道使用壽命。其具體參數和示意見圖1。

圖1 陶瓷橡膠鋼復合管道剖面Fig.1 Sectional view of ceramic rubber steel composite pipe

陶瓷片10 mm×10 mm 為方形大小，厚度2 mm，間隙為0.5 mm，鑲嵌在橡膠中，管壁厚度為40 mm。

因尾礦管在選廠仍在使用常規的鋼襯陶瓷管，其他無壓或低壓礦漿輸送管道應用普通耐磨管效果尚佳，成本分析只做已經推廣的旋流器上漿管和沉砂彎管等，直接成本節約見表3。從表3 得知，直接材料成本年節約27.3 萬元。

表3 陶瓷橡膠鋼復合管道和普通管道的使用對比Table 3 Comparison of the use of ceramic rubber steel composite pipes and ordinary pipes

3.3.1 陶瓷橡膠鋼復合定轉子在浮選機中的應用

定轉子的完好性是影響浮選機工作性能的重要因素之一，定轉子磨損嚴重，間隙變大會導致浮選液面翻漿，影響浮選穩定性，從而降低有價金屬回收率。在浮選機直流槽（吸漿槽應用不成功）采用陶瓷橡膠鋼復合定轉子后，耐磨性和耐腐性提高，延長了其周期，對穩定提升浮選指標意義重大。具體參數見圖2，直接成本見表4。

圖2 陶瓷橡膠鋼復合定轉子剖面Fig.2 Sectional view of ceramic rubber steel composite stator and rotor

陶瓷片18 mm×18 mm 為方形大小，厚度4 mm，間隙為1 mm，鑲嵌在橡膠中，葉片厚度為40 mm。

從表4 得出，直接材料成本年節約47.6 萬元

表4 陶瓷橡膠鋼復合定轉子和普通橡膠鋼復合定轉子對比Table 4 Comparison of ceramic rubber steel composite stator and rotor and ordinary rubber steel composite stator and rotor

浮選機定轉子耐腐耐磨使得其周期延長，穩定運轉對可適當提升有價金屬回收率，做保守估計按照有價金屬銅金銀分別提升0.3%計算，其效益值=22000 t×0.3%×0.82×4.5 萬/t+360元/g×1000 kg×1000 g×0.3%×0.78+3.7 元/g×64000 kg×0.3%×1000 g×0.78=381.19 萬元。

3.4 單一材料強度變弱后的破壞磨損

選廠常用的一些備品備件承料面或者受力面因材料單一，被外力破壞或者集中磨損而帶來備品備件壽命急劇下滑現象普遍，如何用復合材料增加其強度提升其整體壽命是實踐研究方向，列舉實例兩處，見表5。

表5 普通尼龍帶和復合皮帶的對比Table 5 Comparison of ordinary nylon belt and composite belt

3.4.1 碎礦使用耐磨皮帶的改造研究

為了解決碎礦車間1#皮帶劃傷問題、3#皮帶因為仰角高、負荷大造成皮帶撕裂問題，現將1#皮帶更換較原來加厚的鋼絲網狀帶，3#皮帶換成鋼絲帶。改造后不但有效解決1#皮帶劃傷、劃裂等問題及3#皮帶撕列問題，而且延長了皮帶的使用壽命，節約成本。

改造前1#皮帶與3#皮帶使用周期為1 年，改造后在1#皮帶和3#皮帶使用壽命提高至2 年和3 年，年節約維修安裝費4 萬元，累計年節約成本11.79 萬元。

3.4.2 滾筒的包膠處理改造

碎礦車間3#皮帶仰角14°，運輸距離170 m，皮帶自重45 kg/m，每小時輸送礦量900 t，為了滿足布料需求，皮帶頭部呈“S”狀，配套的滾筒和改向滾筒磨損嚴重，若維護保養及時，滾筒和改向滾筒不會因為內部損壞而報廢，多因外部滾筒面磨穿而報廢，更換用時高達7 小時，費工費時。解決方法一是直接在滾筒外部掛膠，延長其使用壽命，缺點是膠層磨損后需要拆下再次掛膠；二是制作鋼和橡膠的復合材料，一片片焊接在滾筒表面，復合材料磨損后，可以不拆卸直接二次焊接，實現滾筒重復使用。

3#皮帶有各類滾筒5 個，現場執行第二個方案，普通滾筒一年一個（2 萬元/個），每年共需要5 個，滾筒包膠處理后，使用周期提高以3 倍計，滾筒包膠處理的成本為2000 元/個，直接材料節約成本值為9 萬元。

4 效益分析

4.1 經濟效益

表6 經濟效益Table 6 Economic benefits

4.2 生態效益

選礦一廠采用復合耐磨材料代替傳統材料，年節約鋼材約340 t。生產1 t 鋼錠需500 kg 左右的焦煤，鑄造成產品形狀需200 kg 焦煤，1.33 t 煤炭生產1 t 焦煤，每噸煤炭會釋放出2.66 t 二氧化碳，每噸二氧化碳治理費用約為80 元，由此每年減少碳排放量為：340×（0.5+0.2）×1.33×2.66=842.00 t

4.3 社會效益

（1）該項目的改造投入少，見效快，降低直接生產運行成本。

（2）此技術的應用克服了普通材料耐磨效果不理想，使用壽命短，檢修頻繁的問題，確保了設備的高運轉率。

（3）礦山企業尤其是黃金礦山多處偏遠地區且大部分為老礦山，復合耐磨材料應用推廣前景很大，對一些資源漸貧化的企業提高盈利能力意義重大。

（4）公司經濟效益提高，增加了西藏地區財政收入，有益于提高西藏地區居民生活水平，促進民族團結與邊疆穩定。