bb贝博西甲平台:技术 金属基陶瓷复合辊套及衬瓦在立磨中的应用

  介绍了金属基ZTA陶瓷复合材料的结构设计、制备方法、组织特点和金属基陶瓷复合辊套及衬瓦的运行效果，以及应用经济效益分析。结果显示：金属基陶瓷复合辊套及衬瓦的耐磨性是高铬合金堆焊辊套的2.5倍以上；与其他材料相比，此类金属基复合材料不但性能好价格低，且能延长立磨的检修周期。

  立磨是水泥和电力行业制粉系统的重要设备，辊套及衬瓦是立磨的核心部件，属于消耗品，它的寿命直接影响生产线的安全稳定运行。目前，国内立磨辊套和衬瓦多采用高铬合金焊丝堆焊而成，在实际运行中的正常常规使用的寿命为7 000~8 000 h，一旦当煤质变化比较大时，有的仅能使用6 500 h（如图1所示），个别甚至有磨穿现象，同时表面会出现凹孔、犁沟，使立磨电耗增加，振动明显增大，磨煤出力降低达5%~10%以上，致使多次更换辊套，从而加大了立磨的检修维护成本。因此，改善立磨辊套及衬瓦的耐磨性以满足水泥和电力行业长周期检修的要求是水泥和电力行业亟待解决的问题。

  国外耐磨材料研究集中在以ZTA陶瓷和WC陶瓷为增强相的金属基复合材料上，其中以比利时Magotteaux和印度的VEGA 耐磨材料公司为代表的复合材料制备厂家，形成了Duocast、Xwin、Nexo等系列化产品，并具有大量的知识产权。此类新型材料、新型工艺的复合金属陶瓷耐磨辊套及衬瓦，工作面具有硬度高、耐磨性能好、磨损后期的表面均匀的特点，可延长单面常规使用的寿命。复合材料制备的辊套及衬瓦在国外已大量运用在水泥和火电等行业，显著延长了立磨的运行时间，从而避免了立磨的非正常检修，减少了检修次数和时间，使用期内可节约多次立磨检修费用。然而，进口陶瓷辊套价格高且供货周期长，性价比不高，在国内很难推广。

  近年来国内研究机构针对此类复合材料也开展了大量的工作，但大多都处于实验室阶段，因此，耐磨材料行业也将它定为中长期发展趋势。郑州机械研究所有限公司自2010年到2014期间一直在攻克复合材料制备的关键技术环节，2015年之后通过中试试验与近年来的批量应用，已将此类陶瓷复合辊套与衬瓦实现产业化，能够完全满足水泥和电力行业提高立磨耐磨性能，延长检修周期的要求。

  如图2所示，金属基复合材料由陶瓷颗粒预制体与高铬合金组成，陶瓷颗粒预制体作为骨架，呈多孔状，高铬金属作为陶瓷颗粒体的基体材料，在复合材料中陶瓷颗粒作为增强相，高铬金属作为基体。制备过程如下：首先，制备陶瓷颗粒体预制成形；其次，采用液态模锻方法将高铬金属压入颗粒预制体内；最后，保持一定浸渗压力，高铬金属与陶瓷颗粒在压力下凝固成形。陶瓷颗粒选用ZTA陶瓷颗粒，颗粒尺寸集中在1~1.5 mm左右，显微硬度HV1 400~2100，根据颗粒大小、形状、颗粒表面处理情况，在制备复合材料时调整浸渗压力。高铬金属化学成分KmTbCr26在国家标准范围。

  复合材料剖面如图3所示。白域为陶瓷颗粒，灰黑域为高铬铸铁基体，图4所示为在XTL-3400D型体视显微镜下观察到深灰色陶瓷颗粒与浅灰色高铬金属呈相间分布的状态，陶瓷颗粒与金属基体界面结合致密，并没有裂纹出现，无疏松气孔，界面处未见有裂纹等缺陷。陶瓷颗粒在金属基体中分布比较均匀，熔融金属液渗入预制体后将陶瓷颗粒间隙填充完全。从工艺角度来说，只有在液态模锻工艺条件适当的情况下，复合材料才能做到陶瓷与金属的兼容性，使之不出现裂纹、气孔等缺陷。

  高铬合金液相渗透温度确定在1 450~1 500 ℃。高铬金属液与陶瓷颗粒复合，金属凝固后的金相组织如图5所示，组织为马氏体+奥氏体+M7C3共晶碳化物+M7C3初生碳化物。金相中呈现六方形初生碳化物与菊花状的共晶碳化物，基体通过热处理强化工艺得到足够多的高碳马氏体量，使其高铬金属硬度大于HRC60，只有这样足够硬度的金属基体才能起到保护陶瓷颗粒的作用，才能延缓整体复合材料的磨损速度。

  复合材料中陶瓷增强体结构设计是根据耐磨面的使用以及出力要求灵活调整，能确定耐磨加强面的位置，从而确定陶瓷分布的区域与厚度，如图6所示。比如ZGM与MPS型“轮胎”辊套大部分电厂不再换面使用，只用一面，因此陶瓷增强相只分布在这一个面上，如图6（a和b）所示。根据工况，其磨损厚度各个厂家使用的情况也有所区别，因此能据此调整陶瓷预制体的厚度，如图6（c）所示，HP型的锥形辊，大部分用户在离大孔端面的一些范围内要增加一定的耐磨层厚度，以满足实际工况的要求。陶瓷增强体采用鳞型与蜂窝型孔结构，这种结构如同“轮胎”上安装的“防滑链”，可以有很大效果预防辊套在碾磨过程中打滑，为磨机的稳定出力提供有力支撑。部分磨机辊套尺寸较大，比如ZGM133G型，磨机运行时磨辊受到高频的低冲击力，辊套采用“西瓜瓣”式结构，如图6（d）将分瓣组合后的金属基体浇铸为球墨铸铁，主要是充分的利用球墨铸铁在小能量多次冲击下表现出的优异机械性能。

  陶瓷复合辊套和衬瓦的安装方法和堆焊的安装方法没有区别，如图7所示。复合材料在不同机型下磨损形态都表现出优异的抗磨性能，如图8所示。陶瓷复合材料是在高铬合金内注入陶瓷颗粒形成陶瓷金属复合材料，其中高铬合金经过热处理，其硬度一般在HRC60以上，综合下来常规使用的寿命是高铬合金堆焊材料的2~2.5倍以上。陶瓷材料的耐磨性和高铬合金的机械性能有机地结合起来，这种结合使整个结构在运行期间有充足的抗磨强度。通常煤灰分中主要含二氧化硅硬度为HV1 800~1 900，目前所使用的绝大多数高铬铸铁和堆焊材料的基体硬度为HV750~900，碳化物硬度HV1 400~1 600，而陶瓷颗粒的硬度为HV2 100。此项技术可根据原磨损曲线有明确的目的性地制作“铠甲”，在最大磨损区域采用陶瓷层，利用高硬度的陶瓷对煤灰中的硬质相产生碾磨，在较长时间内使其表面磨损程度保持一致，使磨机出力更加稳定。

  在陶瓷复合材料磨损后期，能够准确的通过母体材料的使用情况，确定堆焊修复方案，实现陶瓷辊套的修复（如图9所示），再次延缓陶瓷辊的常规使用的寿命，提高复合材料辊套的性价比。

  经济效益可分为两部分：一是直接经济效益，通过提高常规使用的寿命，延长辊套和衬瓦的使用时间，降低备品备件的使用数量和延长立磨检修周期，减少立磨检修次数所产生的效益；二是间接经济效益，通过提高立磨出力，降低能耗，增加产量，提高效率所产生的节能降耗效益。

  国家电投集团河南电力有限公司开封发电分公司2×630 MW机组，正常运行10台磨煤机。我们以2×630 MW机组配套ZGM113G磨煤机来举例说明，常规的耐磨堆焊磨辊辊套和磨盘衬瓦常规使用的寿命在6 500 h左右，一套的市场行情报价30万元左右，更换一次的费用13万元左右。改为复合材料辊套和衬板后，常规使用的寿命在16 000 h左右，一套价格70万元左右，更换一次的费用13万元左右。一台使用常规堆焊磨辊磨盘的磨机每年的维修维护费用为30+13=43（万元）左右，使用陶瓷复合磨辊磨盘的磨机每年的维修维护费用为（70+13）/2.5=33.2（万元）左右，每台磨机年节约备品备件费用为近10万元，每年节省备品备件费用10万/台×10台=100万元。

  陶瓷复合辊套在水泥生料磨上同样表现出了良好的耐磨性能。国内某水泥厂使用的生料立磨为莱歇磨，使用的磨辊为锥形辊，磨损情况如图10所示，陶瓷复合辊套磨耗与产量的关系见表2。

  陶瓷复合辊套的寿命约14 000 h（大约2年），堆焊辊套的寿命约5 200 h，约为堆焊的2.7倍。该生料磨一个陶瓷复合辊的价格为39.2万元，一个堆焊辊的价格为62.7万元，一次堆焊费用约为21万元，两年内堆焊辊的堆焊费用为21×2.7=56.7（万元），两年内一个堆焊辊的费用合计约为62.7+56.7=119.4（万元），一个陶瓷复合辊套的费用约为39.2万元。因此，一个陶瓷复合辊套每年节约费用（119.4-39.2）/2=40.1（万元），一台生料立磨4个陶瓷辊每年节约费用约为4×40.1=160.4（万元）。

  （1）金属基陶瓷复合耐磨辊套工作表面磨损程度比较均匀，表面的特殊凹坑结构减少了它们与物料间的相对滑动，增加了立磨对物料的适应能力。工作面的磨损曲线可以在很长一段时间保持平滑，保证足够的研磨面积，可以使立磨的出力在长时间内稳定在一个较高的水平，稳定立磨的产量。

  （2）在正常适用磨料情况下，金属基陶瓷复合磨辊辊套及磨盘衬瓦的常规使用的寿命达到16 000~19 000 h，是传统的高铬合金堆焊技术的2.5倍以上，每年停机检修次数能够大大减少1~2次。

  （3）综合看来，金属基陶瓷复合辊套及衬瓦具有较高的性价比，在水泥和电力行业有广泛的应用价值。

  作者单位：郑州机械研究所有限公司，国家电投集团河南电力有限公司开封发电分公司返回搜狐，查看更加多