耐磨材料在选粉机上的应用
摘要：选粉机机件的磨损和防磨损是一个矛盾体，掌握常用耐磨材料各自的特点，再根据不同部位的磨损性质和工作条件，有针对性地选择适宜的耐磨材料和防磨方法，才能有效提高选粉机的综合抗磨损能力，从而提高设备的整体寿命的可靠性。
0引言
金属磨损，绝大多数从表面开始，因而采用表面防护措施控制和延缓表面的破坏，成为解决磨损问题的有效方法，促使各种表面防磨工程技术和耐磨材料应运而生。
作为粉体分选设备之一，选粉机从诞生起，就始终在面对磨损的考验。由于它所处理的物料是各种粒度、硬度不一的颗粒状和粉状体，这些物料在选粉机内部运动，与各部分的机体不停地形成摩擦、冲刷、撞击机体磨损在所难免。这里面既有粗颗粒物料滑动造成的磨粒磨损，也有由高浓度含尘气流高速冲刷造成的风蚀磨损。据统计，在选粉机失效的机械零部件中约有86.3%属于金属磨损所造成的直接或间接后果。金属磨损会造成设备运转效率降低、工件更换或维修频繁、能耗增加等。在如此恶劣的工作环境下，如何选用适宜的耐磨材料和抗磨方式，有效提高选粉机的抗磨损能力，从而提高设备寿命和可靠性，始终是选粉机技术走向成熟的主要发展方向之一。
1常用耐磨材料
在几十年的发展进程中，耐磨材料的研究创新从未停止过，市场上不断出现各种高技术含量、高性能耐磨材料，选粉机上曾采用和正采用的耐磨材料和抗磨方式主要有以下几种：
1.1 料垫
这应该是在专门的耐磨材料之前就已投入应用的古老的抗磨方式了。基本原理是利用挡料板或料箱等构造，设法在需保护的部位形成一定厚度的物料垫层，这样在后续的使用过程中，这层物料就代替机件承受来自其他物料的冲刷和摩擦，并能在磨损或脱落后自然得到修补更新。这样的方式不仅耐磨效果可靠、寿命长、成本低廉，而且在用于冲击较大的大粒度物料时还具有其他耐磨材料所不具备的优点——利用物料互相碰撞、压缩空隙的缓冲效应来吸收冲击能量，在防磨的同时吸收对机件的冲击力，减小了噪音。因此，这种简单有效的抗磨方式至今仍广泛应用，尤其是冲击较大的块状物料。不过由于需要形成和保持稳定的料垫才能起到应有的作用，它不适合用于运动部件或是流动性太好的细粉物料。
1.2铸石
铸石属于非金属耐磨材料，在早期的粗粉分离器以及离心式选粉机等静态选粉机上得到了大量应用，成本较低且易于采购。但由于其自身的物理特性：厚度较厚，重量太重，韧性低，耐冲击性能差，易突发内应力破坏事故，对于弧面、锥面等异形面也难以成形。铸石衬板多数是采用水泥砂浆或粘胶剂粘贴在机壳内，由于韧性差，运输或吊装过程中机壳的轻微变形或是在运行中的振动都很容易导致脱落或碎裂，并且由于不能现场切割和焊接，安装和维修都不方便。现在铸石衬板主要用于风管、静态选粉机等冲击震动小、耐磨要求不是很高的位置。
1.3锰钢板
这也是一种应用很广泛的耐磨材料，主要以较高含量的锰元素来获得较高的硬度以实现耐磨，常用的有16Mn、20
Mn、40 Mn、65 Mn等牌号，尤以价廉的16
Mn最为常见。由于与普通碳钢材料性能接近，能方便地进行切割和焊接，安装和维修难度低。但耐磨性能一般，不能用于恶劣工况。虽然随着锰含量的提高，耐磨能力有一定增强，但其弯曲和焊接性能却随之显著下降，它们之间始终是一对难解的矛盾。
1.4 耐磨铸铁
一般以含碳量在2.4%以上的白口铸铁或Mn含量高于
5.5%的中锰抗磨球墨铸铁为主，也有高铬型的铸铁。由于含碳量高以及较高的合金含量，硬度值都在HRC38-58之间，有相当不错的耐磨性能。然而，铸铁的固有缺点也无法摆脱，如需制作模具、铸造费时、不适宜复杂形状、厚度厚重量重等，而且由于硬度高，切割、弯曲、焊接等性能都很差，无法进行现场加工，韧性差也导致了容易脆裂，因此不适合于形状复杂、需后续加工以及冲击较大的场合。
1.5 堆焊（堆焊耐磨复合钢板）
采用专用的耐磨合金焊条或粉末，用堆焊的方式在钢材表面形成一层耐磨的合金层。合金层厚度一般为4-10mm，金相组织为过共晶高铬合金+大量弥散分布的碳化铬，宏观硬度HRC50-60。其中碳化铬的微观硬度为HV1400-1800，高于沙石中石英的硬度。堆焊处理的材料耐磨性能优异，且保持了母材的各种机械性能，切割、弯曲、打孔等加工性能也很好，但母材稀释率一般在10%-15%，合金利用率较低，且堆焊过程产生的焊接应力和裂纹仍难以避免，有局部崩裂的情况，堆焊层的厚度均匀性和表面粗糙度控制较难，母材的焊接变形较大，需要大量的后续校形，其应用仍有一定的局限性。现在市场上已出现了采用整张碳素钢作母材经过堆焊、校平、打磨而生产的各种规格的耐磨复合钢板，使用较为方便。
1.6 热喷涂
热喷涂是利用由燃气或电弧等提供的能量，经喷枪将丝（棒）状或粉末状喷涂材料加热到熔化或软化状态，并通过高速气流使其进一步雾化、加速，然后喷射到工件表面形成涂层的一种表面处理方法。用作耐磨涂层时，喷涂材料一般选用碳化钨（WC）的镍基自熔合金粉末，形成的保护层硬度可以达到HRC60以上，与堆焊相比，母材稀释率较低，热变形也较小。其缺点是成本较高，涂层厚度较薄（0.2-0.8mm），且其喷涂质量和涂层性能受喷涂材料、喷涂方法及相关参数、被喷涂工件表面制备情况以及应用范围选择是否得当等因素的影响而有很大的差别，涂层可能产生分层、夹渣、凸起及过烧等缺陷。
1.7 渗碳
全称为渗碳淬水，这是一种表面热处理工艺，工作在固体、气体或液体渗碳介质中进行900-950℃保温使其表面增碳，然后进行淬火使表面形成针状回火马氏体及二次渗碳体，硬度为HRC58-65，而心部组织随母材不同而呈低碳马氏体、屈氏体或索氏体等组织，硬度HRC20-45。该工艺能获得均匀的硬化层，几乎不受零件形状复杂程度的限制，且具有较高的抗弯疲劳性能。渗碳层深度可以达4-10mm，硬度分布曲线比较平缓，受冲击时不易剥落，心部材料仍能保持韧性和塑性。但一般仅适用于含碳量为0.15%-0.25%的低碳钢及低合金钢，且渗碳层厚度太薄易引起表面疲劳剥落、太厚则不能承受较大的冲击；由于需要进行淬火，零件变形不易控制，对于热处理装备条件也有一定的要求。
1.8 离子注渗
把介质金属的原子电离成密度很高的离子并使其获得高的能量，高速射入被渗金属的表面，发生一系列物理、化学、冶金反应后快速扩散到被渗金属基体中去，形成具有特殊组织的表面，这就是离子注渗技术。耐磨方面应用较多的主要是采用碳化钨作为注渗介质，在零件表面形成0.3-0.5mm的耐磨性很好的碳化钨富集层和1-1.5mm的碳化钨硬化层，表面硬度可在HRC45-64之间，且形成的冶金结合没有宏观界面，心部保持了母材原有的强度和韧性。零件形状和尺寸基本不受限制，也不会破坏工件原有的光洁度。但目前该技术受所需加工装备和原材料的限制，便捷性和经济性尚不是很好，尤其是现场修补的可行性很小。
1.9 耐磨钢板
耐磨钢板最早来自于国外，德国和瑞典的钢铁公司率先开发和生产。这种钢板在化学成分上与普通钢板并无太大差别，含碳量为0.14%-0.48%，合金元素含量也很低，通过严格控制各种化学成分的比例和有害杂质含量，并利用专门的轧制淬火设备进行水淬，却能获得高硬度、高强度、高韧性的良好的综合性能。其突出的优点在于无须高合金含量或高含碳量，就能获得HB400-600的硬度，并且整个厚度上硬度一致，整个寿命里磨损速率基本不变，而不象其他材料那样一旦硬化层出现局部破坏就进入快速磨损期。由于同时具有优良的强度和韧性，并且加工性很好，既可以与机体通过焊接或螺栓连接作为保护衬板，也可直接作为结构材料制造设备的零部件。虽然该材料的耐磨能力并不算很突出，而且焊接、切割等热加工方式还会造成局部退火而硬度下降，但凭借良好的综合性能，还是得到了广泛的应用。
1.10 耐磨陶瓷片
耐磨陶瓷片主要成分为致密的AL2O3，莫氏硬度大于9，是优良的耐磨材料。但其硬而脆，与机体的连接只能使用树脂胶粘贴，需要一套复杂的粘贴工艺：首先在需要对使用表面除锈、打毛、丙酮清洗、调配环氧树脂胶，然后进行粘贴。对于被粘贴的机件表面处理和粘贴的操作工艺要求较高，任何一个环节的缺陷都会导致其容易脱落，其次在运输和安装过程中陶瓷片在碰撞时也容易碎裂或脱落，增加了额外的工作量。由于陶瓷片之间存在较多的缝隙，用来粘贴陶瓷片的树脂胶在工作环境下易老化，不耐温也不耐磨，因此在正常使用一段时间后陶瓷片就容易脱落。尽管陶瓷片的耐磨性能优良，但粘贴工艺制约了它的可靠性和使用寿命。
1.11 耐磨陶瓷涂料
耐磨陶瓷涂料又叫耐磨陶瓷砂浆，是一种以无机聚合技术制成的粉状陶瓷材料为主体的非金属胶凝材料。在施工现场，加入液体无机胶水搅拌后采用人工或机械方式涂抹在设备内衬或表面，经过一系列的化学反应，在常温下达到类似于陶瓷的结合强度和硬度。耐磨陶瓷涂料主要有骨料和超细结合粉两相组合，颗粒紧密堆积，因而没有较大的宏观缺陷，常温下强度可达150MPa以上。原料主要采用离子化合物和部分人工合成共价化合物，采用复合强化措施形成化学结合，所以强度和刚度很大，可有效抵御物料的高速冲击力和剪切应力，性能稳定，不会和介质发生反应，因而可有效抵御环境介质作用和各种化学腐蚀。无定向钢纤维和定向钢网增加双重措施的耦合进一步改善了韧性，增加了使用可靠性，有效防止冲击力造成的破损和剥落。耐磨陶瓷涂料具有较低的膨胀系数，使其体积稳定，极少产生裂纹，因而整体性能优异。采用无接缝的施工方法，可适应各种形状的表面，修补也很方便，应用前景广泛。其局限性在于对施工工艺有一定要求，厚度较厚且不太适合运动部件使用。
由此可见,各种耐磨材料各有所长，同时又都有各自的局限性，为便于比较和选择，在此将它们集中概括于表1，仅供参考。
2选粉机上耐磨材料的合理选用
尺有所短，寸有所长。常用的耐磨材料都有各自的优点和缺点，不可能面面俱到，目前还没有哪一种耐磨材料能称作完美。针对选粉机的应用需求，面对如此众多的耐磨材料，就需要根据具体情况合理选用，以尽可能达到更好的抗磨损效果。
2.1进/出风口和选粉区外围部分壳体
进/出风口和选粉区外围部分的壳体处风速很高(18-30m/s)，大量粉尘被气流夹带高速冲刷壳体造成风蚀磨损。最初曾使用16Mn甚至65Mn钢板作衬板，由于硬度不足，使用3-4个月左右就很快出现较深的风蚀痕。后改为采用硬度高得多的非金属材料——耐磨陶瓷片，其理论寿命可达10年以上，但由于此处壳体形状大多不规则，需要粘贴固定的耐磨陶瓷片易发生局部脱落，实际应用效果不佳目前更适宜的材料是耐磨陶瓷涂料，它对于壳体形状的适应能力很强，没有尖角和缝隙，且能有效抵抗粉尘的高速冲刷。值得推广。
灰斗中的物料是分选出的粗颗粒，风速很低，以颗粒物料滑动造成的磨粒磨损为主，这样的工况采用料垫最合适。具体的做法一般是用扁钢按一定的间距在灰斗内壁焊成若干个挡料圈以积存一定的物料形成料垫，但扁钢高度和间距设置要合理，需要根据物料的堆积角和灰斗斜度确定，以能保证形成不间断的料垫且厚度在50-80mm为宜，厚度太低则料垫稳定性不好，太高会造成较大的附加灰载，同时需要注意不影响灰斗底部最狭窄处的通过能力以免造成堵料。
2.2 导向叶片
导向叶片处的风速一般也不低于15m/s，且在此处要强制气流变向，磨损情况比较严重，由于要求叶片厚度薄，且存在气流波动引起的振动，耐磨陶瓷片和耐磨陶瓷涂料都不适宜。对于生料、煤粉等磨蚀性不强的物料，采用耐磨钢板即可以达到合适的使用寿命，加工制作也比较方便；对于水泥、矿石渣等高磨蚀性物料，即使是采用HB500耐磨钢板制作的叶片，一般也仅能使用5个月左右，16Mn钢板寿命更低，因此需要采用堆焊耐磨复合钢板属于单面防护，安装时要注意使堆焊耐磨层的一面处于迎风面。
2.3 转子叶片
转子叶片处的气流基本与叶片平行，磨损情况要比导向叶片好，但在运动中，（线速度15-25n/s）受离心力和振动的影响，同样不能采用耐磨陶瓷片或耐磨陶瓷涂料等，而且叶片两面都要承受磨损，堆焊耐磨复合钢板也不适用。因此，开始设计一般都选择在转子下部，中隔板，上隔板处和叶片进行镍基碳化钨合金粉末热喷涂处理的方法。但这样的处理成本较高且涂层分层、夹渣、凸起及过烧等缺陷难以避免，工作受热变形也很难控制，现在应用已较少。目前较适宜的材料是耐磨钢板，其可加工性和可堆焊性都较好，并且是全厚度同等硬度，可以抵御两面的同时磨损，即使磨损厚度很大只要满足机械强度要求就仍可继续使用，材料利用率高于50%。
2.4 护套管
主轴轴承的拉杆、油管、气管、测温管线从出风道中横穿出来，也需要耐磨防护，一般都在其外面加护套管。由于护套管直径小，且检修时需要装拆调整，耐磨陶瓷片或耐磨陶瓷涂料易脱落而不适宜选用。曾用16Mn材质的钢管但耐磨效果不佳但采用镀硬铬的办法，成本高且镀厚度小、可靠性差，一旦有局部磨穿就很快扩散。现在较可行的是采用20钢管进行渗碳处理，渗碳层深度可以达到2-4mm，使用效果较好，但随着设备的大型化，长于1.2m的钢管受渗碳炉尺寸的限制，处理难度也加大了。
2.5 撒料盘
撒料盘主要承受的是块状和颗粒状物料的冲刷、撞击，耐磨的同时能抗冲击。堆焊和耐磨铸铁均有不错的效果，只是堆焊耐磨层在强冲击下有局部崩裂或脱落的可能，需要注意硬度梯度不可太大，以保证耐磨层与基材间有足够的结合强度。
2.6 溜槽
溜槽中的物料主要是块状和颗粒状，冲刷和撞击速度不太大，因此在空间容许的情况下一般使用复合钢板、耐磨钢板或是16Mn钢板制作可换式衬板利用螺栓或塞焊与壳体连接。而对于空间条件不允许更换的部位，可直接采用复合钢板或耐磨钢板直接制作溜槽或壳体。在不影响物料流动顺畅性的前提下，尽可能采用类似于灰斗的结构形成料垫，代替衬板来达到防磨损的目的，这样的方式经济性和可靠性都很好。
3 结束语
综上所述，处于恶劣工作环境下的选粉机机件的磨损和防磨损是一个有机的系统，根据不同部位磨损性质、工作条件的不同，通过针对性地选择适宜的耐磨材料和防磨方法，“区别对待，对症下药”，就可以有效提高选粉机的综合抗磨损能力，延长备件更换和设备检修周期，从而提高设备的整体寿命和可靠性。 |
