姜永濤,陳宏偉,徐鴻鈞,趙玉良
礦渣輥磨的抗磨損設(shè)計
Anti-Wear Design of the Slag Roller Mill
姜永濤1,陳宏偉2,徐鴻鈞1,趙玉良1
針對礦渣輥磨的磨損特點和實際使用情況,深入分析了磨機各部件的磨損機理,并對各部分耐磨材料的性能要求和當前耐磨材料的使用做了探討。結(jié)合中國重型機械研究院所研制的LXZM46.2+2礦渣輥磨,選配了磨機各部位的耐磨材料。
礦渣;輥磨;耐磨材料;抗磨損設(shè)計
以料床擠壓原理粉磨物料的輥磨,有效功是球磨機的2.5倍,是一種高效節(jié)能的粉磨設(shè)備,故近些年來得到了廣泛的應(yīng)用。
按粉磨產(chǎn)品的不同,輥磨可以分為煤磨、生料磨、水泥磨、礦渣磨等。輥磨設(shè)備集烘干、粉磨、分級多重功能于一體,因而對粉磨高濕度和有著高細度要求的礦渣更具優(yōu)勢。但因礦渣中含有0.5%以下的包裹鐵,磨蝕性較大,故對設(shè)備的耐磨性要求也較高。據(jù)統(tǒng)計在輥磨失效的零部件中約有80%是由于金屬磨損所造成的。金屬磨損會導(dǎo)致設(shè)備的運轉(zhuǎn)效率降低、零部件維修頻繁、能耗增加等。因此,如何合理進行輥磨的抗磨損設(shè)計,進而選擇合適的耐磨材料和抗磨方式,有效提高輥磨的抗磨損能力,延長維修周期,穩(wěn)定產(chǎn)量,降低運行成本,提高設(shè)備運行的可靠性,就成為廣泛關(guān)注的問題。
由于結(jié)構(gòu)及工作方式的不同,輥磨不同部位的磨損形式和機理大相徑庭,對材料的耐磨性能的要求也各不相同。本文以中國重型機械研究院有限公司(簡稱中國重型院)研制的LXZM系列礦渣輥磨為例,對輥磨各個部位的磨損機理進行分析探討,并對各部位耐磨材料和抗磨方式作出合理選擇。
輥磨內(nèi)部的零部件不僅承受塊狀、粒狀物料的沖擊、擠壓、摩擦,還承受著含塵氣流的沖刷,同時受工作溫度的影響,材料的性能有所變化,造成磨機各部件磨損十分嚴重,尤其對于礦渣輥磨,磨損已經(jīng)成為影響設(shè)備經(jīng)濟技術(shù)指標的重要因素。
磨機內(nèi)最易發(fā)生磨損的零部件或部位主要為:磨盤襯板、磨輥襯套、殼體內(nèi)壁、選粉機葉片、噴口環(huán)、下料錐斗、下料管、產(chǎn)品出口等。
按照磨損的形式,主要有以下三個部分:磨盤和磨輥、選粉機、殼體。
粉碎是一個使用外力克服固體物料的內(nèi)聚力使物料破碎,使其粒徑減小,表面積增大的過程。工作時,通過液壓加壓裝置給磨輥以很大的壓力,壓向磨盤,磨輥和磨盤之間不直接接觸形成料床,磨輥始終在磨盤的碾壓滾道上碾壓物料。物料層在磨輥與磨盤之間除主要受壓力作用之外,還受一定的剪切力及因拱架而產(chǎn)生的彎曲力,物料每通過磨輥一次,就要受到一次擠壓和剪切作用。當物料顆粒與磨輥之間及物料顆粒之間的接觸應(yīng)力、剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力超過物料本身的強度極限時,物料顆粒就發(fā)生破碎。
以LXZM46.2+2礦渣輥磨為例,輥磨采用錐形磨輥和平面磨盤結(jié)構(gòu)形式,磨輥小徑端的作用是粗破碎和均勻料層,由于進磨輥小徑端是最粗物料,此區(qū)域僅是點接觸,接觸的是大顆粒原料,線速度較慢,表面磨損以敲擊磨損為主,因此小徑端部磨損不嚴重。而大徑端部是以擠壓、剪切為主,線速度較快,磨損較小徑端大。尤其是粉磨礦渣,鐵顆粒堆積在擋料圈內(nèi)側(cè),堆積的顆粒在熱風(fēng)的烘烤下一邊翻轉(zhuǎn)一邊移動,通過相互研壓作用使磨輥大徑端磨損較快。
礦渣在材料表面反復(fù)進行犁溝、碾壓,導(dǎo)致裂紋形成和擴展,最后以片狀磨屑斷裂脫落,該過程屬于切削磨損、塑性疲勞磨損。磨盤、磨輥襯板因磨損失效導(dǎo)致的形狀的改變,使輥磨的粉磨效率下降,引起產(chǎn)量降低和產(chǎn)品質(zhì)量的變化。磨盤、磨輥的使用壽命是輥磨的重要經(jīng)濟技術(shù)指標,選擇高性能的耐磨材料是必要的。
選粉機是保證產(chǎn)品細度的重要部件,其結(jié)構(gòu)特點是采用筒形動葉片轉(zhuǎn)籠、靜葉片轉(zhuǎn)籠相結(jié)合,動、靜葉片傾斜一定的角度。一般情況下動、靜葉片相向配置。靜葉片的主要作用是導(dǎo)向,使裹帶物料的氣流均勻地進入動葉片轉(zhuǎn)籠內(nèi),提高物料分離效率。由于氣流不是水平均勻地進入動葉片轉(zhuǎn)籠,因此氣流阻力較大,在承受一定物料沖刷的同時,運動中還受離心力和振動的影響,因此葉片磨損較嚴重。
物料沖刷角度對磨損影響很大,經(jīng)試驗?zāi)p峰值在仰角為15~35°的范圍內(nèi),同時物料的速度和濃度對磨損的影響也十分明顯。工作中選粉機葉片雙側(cè)受沖刷,同時以>100r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),葉片的磨損和變形對產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備的安全運行影響很大,故對葉片的耐磨性和強度提出更高的要求。
磨機殼體用于將粉磨過程和外部空間隔離。磨內(nèi)為負壓,空氣夾雜細粉的高濃度粉塵流在磨內(nèi)以螺旋形式向出料口高速流動。殼體內(nèi)側(cè)承受風(fēng)環(huán)吹出的夾帶粉塵的氣流的沖刷磨損,以及少量物料顆粒撞擊造成的磨損。
輥磨所處理的物料是各種粒度、硬度的組合,這些物料在輥磨內(nèi)運動,不停地對輥磨各部分殼體產(chǎn)生摩擦、沖刷和撞擊。殼體的磨損原因比較復(fù)雜,既有粗顆粒物料滑動造成的磨粒磨損,也有由高濃度含塵氣體高速沖刷造成的風(fēng)蝕磨損,還有由粗顆粒物料甚至磨機碎片等異物高速撞擊造成的沖擊損壞。
據(jù)使用中觀測,直徑小的顆粒比直徑大的顆粒更容易受到旋轉(zhuǎn)流動和彎頭內(nèi)的二次流動的影響,在一些情況下,小顆粒引起的磨損更加嚴重。隨著粉料濃度的增加,在彎頭局部區(qū)域的磨損更加集中,進而加快了失效速度。對器壁磨損量影響最大的因素是氣流速度。
磨盤以上2m內(nèi)區(qū)域,不但被粉塵氣流沖刷而且有大塊顆粒物料撞擊,磨損嚴重;選粉機上部出料口處,空間截面變化較大,受高濃度粉塵氣流的沖刷磨損也十分嚴重。殼體磨損形式為磨內(nèi)含塵氣流沖刷和撞擊的單側(cè)磨損,同時殼體并非一靜止件,工作中還要承受磨機的振動。
磨損對磨機的使用和維修帶來不利的影響,降低了設(shè)備的使用壽命,增加了維修成本和時間,故對磨機各個磨損部分采用合理的耐磨材料則尤為重要。耐磨材料分為鑄造類、耐磨鋼板、復(fù)合鋼板、硬面堆焊、表面熱處理、耐磨陶瓷片、耐磨陶瓷涂料、超高分子量聚乙烯板、環(huán)納復(fù)合板等。
在上世紀60年代以前,由于輥磨結(jié)構(gòu)不太完善,特別是它的易磨件材料太差,只能用于磨軟的物料,如煤等,其壽命也不長。隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展,輥磨的機械結(jié)構(gòu)不斷完善,同時采用新的耐磨材料制造易磨件,大大提高了其壽命。當前應(yīng)用較廣的是鑄造和堆焊磨輥磨盤。
3.1.1 鑄鐵
以高鉻鑄鐵為材質(zhì)鑄造新品為目前最常用的方法,通常其碳含量約為3%,鉻含量約為21%。此二者在高溫下生成Cr7C3嵌埋在鐵基(奧氏體或馬氏體)中,形成一種非常耐磨的結(jié)構(gòu)組織,其洛氏硬度約為56HRC。高鉻鑄鐵最大的風(fēng)險就是斷裂問題,斷裂的主要原因有:
(1)硬度過高。碳及鉻的含量越高則硬度也會越高且越耐磨,但斷裂的可能性也增高。
(2)硬度的均勻問題。當高鉻鑄鐵澆鑄后并以熱處理的方法來提高其硬度時,如果硬度的均勻度差異太大(一般維氏硬度HV差不能>30),就會產(chǎn)生斷裂。所以隨著物件體積增大,均勻度越難控制,斷裂的可能性也就越大。這也就是目前國內(nèi)如LM56.2+2或UM50.4磨輥新品斷裂時有所聞的原因之一。
在鑄造襯板的金相組織中,萊氏體的顯微硬度較低,碳化物的顯微硬度只有608~720HV,而且顆粒呈無序分布,在機體損傷時易于破碎脫落。由于組織中顯微硬度不同引起磨輥宏觀硬度不同,表面宏觀硬度52~56HRC,而且碳化物在基體中分布形式的差異,鑄造應(yīng)力不可能完全消除,在使用過程中容易出現(xiàn)整體開裂現(xiàn)象,造成鑄造襯板使用壽命短。
由于鑄造襯板為提高硬度需要進行熱處理,但熱處理有一個淬硬深度的問題,也就是說鑄造襯板表面耐磨性好,但是一旦磨去表面淬硬層后,耐磨性降低而且很快磨損,而堆焊襯板在堆焊層的耐磨性能里外一致,磨損速度均勻。鑄造類磨盤襯板和磨輥襯套正逐步被堆焊襯板取代。
3.1.2表面堆焊
以中碳鋼為材質(zhì)鑄造預(yù)留磨耗部分,再以硬面焊材實施硬面堆焊,此種方法完全沒有斷裂的風(fēng)險。而且因為硬面堆焊的耐磨層硬度較高,約為60~64HRC(一般含碳量約為5%,含鉻量約為27%),且Cr7C3、M3C2、M7C3、VC等金相組織較佳,所以相對于新品高鉻鑄鐵更耐磨。
堆焊襯板的金相組織為復(fù)雜的碳化物+萊氏體+殘余奧氏體,組織晶粒細小,萊氏體的顯微硬度較高,表面宏觀硬度可達到60~64HRC,組織中碳化物多呈多角形,微觀硬度高達1056~1766HV,且碳化物在基體中呈較強的方向性,垂直于磨損面,為條狀有序分布,與基體的結(jié)合強度高,對提高耐磨性更加有利。堆焊不存在鑄造應(yīng)力,而且堆焊應(yīng)力可以通過堆焊焊道出現(xiàn)的均勻的小龜裂消除,很少出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,這種組織具有良好的耐磨性。
磨損后的磨盤襯板和磨輥襯套還可以進行堆焊修復(fù)。將磨損后的磨輥及磨盤襯板以硬面焊絲(或焊條)堆焊修復(fù)至原始尺寸,此法由于具有較耐磨且成本低的優(yōu)勢,目前已廣泛地被廠家采用。堆焊修復(fù)襯板是鑄造新品成本的50%~70%,使用壽命卻是2倍關(guān)系,而且無論是鑄造襯板還是堆焊襯板,磨損后都可以繼續(xù)堆焊修復(fù),重復(fù)使用,提高經(jīng)濟效益。
堆焊最大的風(fēng)險就是耐磨層的剝落。之所以產(chǎn)生剝落的情況,一是耐磨層與母材中碳鋼剝離,二是耐磨層之間剝離。一般耐磨層越厚剝落的可能性越高,剝落勢必造成停機,損失巨大。若要想做到耐磨且不剝落取決于以下因素:焊絲的選擇、施工工藝、員工敬業(yè)精神。這三者同等重要,如疏忽其中之一均會產(chǎn)生嚴重的后果。
通過上述論證,堆焊襯板的綜合效益遠遠高于鑄造襯板,這也是堆焊修復(fù)發(fā)展很快的主要因素。況且對于礦渣輥磨,由于礦渣的高磨蝕性,目前堆焊材料能更好地滿足要求。LXZM46.2+2礦渣輥磨磨輥和磨盤采用鑄鋼表面堆焊的技術(shù),使用壽命能達到2000~3000h。堆焊磨輥如圖1所示。
選粉機動葉片處于粗粉物料和細粉物料的主要分離區(qū)域,在承受一定物料沖刷的同時,運動中還受離心力和振動的影響。耐磨陶瓷片和耐磨陶瓷涂料受粘接劑性能的限制,承受振動和沖擊性能較低,因此目前較適宜的材料是耐磨鋼板。靜葉片轉(zhuǎn)籠單側(cè)承受沖刷,耐磨陶瓷和耐磨鋼板均能滿足要求。
耐磨鋼板分為整體式和復(fù)合式。整體式耐磨板是通過特殊的熱處理實現(xiàn)全厚度同等硬度,可以抵御兩面的同時磨損,即使磨損厚度很大,只要滿足機械強度要求就可以繼續(xù)使用,材料利用率高于50%,使用壽命是一般是16Mn鋼的3倍以上。耐磨復(fù)合板是在基板表面堆焊一層高鉻合金而成,硬面層表面密布許多小裂紋,其作用是釋放焊接應(yīng)力同時為彎曲提供可能。復(fù)合鋼板硬度高,耐磨性優(yōu)異,宏觀硬度達58~62HRC,耐磨性能是整體式耐磨鋼板的4倍左右。但由于其耐沖擊韌性較差,受焊絲質(zhì)量、施工工藝影響較大,在承受沖擊和振動時堆焊層可能產(chǎn)生脫落。復(fù)合鋼板應(yīng)用于殼體內(nèi)襯性能優(yōu)異,應(yīng)用于選粉機葉片存在一些不足,但由于其高耐磨性和相對低的成本,也有大量廠家采用。
LXZM46.2+2礦渣輥磨動靜態(tài)高效選粉機轉(zhuǎn)子葉片采用整體式耐磨合金鋼板,具有很好的耐沖擊韌性和工件曲率半徑較小時要求的彎曲性能,因此用它制作配件很少有開裂等損壞,同時整體式耐磨合金板焊接和切割性能都高于復(fù)合耐磨板,硬度能達到400~600HB。如瑞典的HAR?DOX板及法鋼JFE板,性能數(shù)據(jù)如表1所示。選粉機靜葉片采用表面堆焊復(fù)合耐磨鋼板,安裝如圖2所示。
輥磨內(nèi)部為負壓,殼體磨損會造成漏風(fēng),影響壓差,降低產(chǎn)量,增加設(shè)備的能耗,故殼體需要好的密封性。對于礦渣輥磨,由于礦渣的高磨蝕性,運行中對殼體內(nèi)表面的沖刷磨損嚴重。磨損嚴重的部位主要是以下三個:
(1)下殼體部分,主要承受因粗顆?;亓系氖占a(chǎn)生的表面滑擦磨損,同時該處溫度接近300℃,對材料的性能影響較大,磨損情況如圖3所示。
(2)中殼體部分,磨盤以上2m內(nèi)區(qū)域,粉塵濃度大、流速快,不但沖刷嚴重而且有大塊顆粒物料撞擊,磨內(nèi)溫度大于200℃,襯板內(nèi)外側(cè)溫度不相等。磨損情況如圖4所示。
圖1 堆焊磨輥
圖2 選粉機靜葉片復(fù)合鋼板安裝示意圖
表1 耐磨合金鋼板性能
(3)選粉機殼體上部出粉口,受到的磨損比較單一,為高濃度含塵氣流沖刷所造成的風(fēng)蝕磨損。該處截面變化較大,形狀不規(guī)則氣體流阻大。
在氣固兩相沖刷磨損條件下,耐磨材料的選擇與沖刷角度有關(guān)。小沖刷角時以切削為主,應(yīng)提高材料的硬度,此時選擇陶瓷材料比較合適;大沖蝕角時,應(yīng)提高材料的韌性或變形能力,以吸收其沖擊,此時選擇高硬度金屬材料或橡膠為宜。
輥磨殼體都是單側(cè)受磨,且均不是運動部件,由于各個部位的襯板形式不盡相同,故多種材料均有應(yīng)用,較典型的是高鉻鑄鐵、復(fù)合耐磨鋼板和陶瓷材料。
在磨盤以上2m以內(nèi)磨損嚴重,有多個國外廠家采用帶波紋溝槽的鑄造襯板,如圖5所示。其原理是運用二次流動,利用溝槽結(jié)構(gòu)降低流速和改變氣流方向,同時還利用到料墊原理以此減少金屬的磨損量,據(jù)實際使用情況,該襯板能有效地抗磨損,但由于其制造難度和成本均較高,正逐步被復(fù)合耐磨鋼板取代。
表面堆焊式復(fù)合耐磨鋼板由于其硬度高,耐磨性優(yōu)異,宏觀硬度達58~62HRC,其耐磨性能是16Mn鋼的十幾倍,正得到廣泛的應(yīng)用。尤其是對于礦渣輥磨,由于礦渣的強磨蝕性,采用表面堆焊耐磨復(fù)合鋼板能很好地解決殼體磨損問題。
耐磨陶瓷材料種類繁多,目前所稱的“耐磨陶瓷”一般指以Al2O3為主要原料生成的以獲取其耐磨性能的陶瓷。在輥磨設(shè)備中,當前較常用的是陶瓷片和陶瓷涂料。
耐磨陶瓷片的特點是:
(1)硬度高,能達到67~73HRC;耐磨性好,耐磨性達到碳鋼的20倍以上。
(2)重量輕(密度約為3.6g/cm3),表面光滑,摩擦系數(shù)小,不易粘粉料。
(3)熔點高達2000℃,抗高溫性能好。
耐磨陶瓷片理論壽命能達到10年以上。但陶瓷材料也有局限性,其韌性較差,不能承受大沖擊。使用時需要粘貼固定,輥磨磨內(nèi)溫度高于100℃,部分位置高于200℃,粘接劑高溫下會很快老化(AD-504A膠<110℃,無機硅膠<350℃),影響其使用的可靠性。
耐磨陶瓷涂料是一種膠凝材料,經(jīng)化學(xué)反應(yīng)常溫下形成高的強度和硬度,達到陶瓷的結(jié)合強度標準。耐磨陶瓷涂料由骨料和結(jié)合劑組成,骨料由高鋁釩土熟料、剛玉和碳化硅組成,耐磨性能非常優(yōu)異。結(jié)合劑通常選擇高標號的高鋁水泥和純鋁酸鈣水泥。
高性能陶瓷涂料耐壓強度可達160~180MPa,抗折強度可達35~40MPa,耐磨性能是16Mn鋼的5倍。它兼有陶瓷的耐磨性和金屬材料的韌性,在使用溫度高、工件形狀復(fù)雜的情況下,具有很大的優(yōu)勢。但陶瓷涂料也存在抗沖擊性能較差的缺點,應(yīng)用場合受到限制。
由于耐磨陶瓷材料的價格較高,一次性投資大;粘接劑受熱易老化;韌性差不耐沖擊等原因,制約了耐磨陶瓷在輥磨中的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進步,同時應(yīng)用粘膠加螺釘雙重固定等方式,耐磨陶瓷材料將會受到更多的青睞。
圖3 下殼體磨損情況
圖4 中殼體磨損情況
圖5 中殼體鑄造襯板
LXZM46.2+2礦渣輥磨根據(jù)殼體各個部位的磨損機理,對比各種耐磨材料的優(yōu)缺點和礦渣的磨蝕性能,對殼體耐磨材料做了合理的匹配。
(1)下殼體部分,因回料收集產(chǎn)生沖擊和摩擦,此處采用堆焊復(fù)合耐磨鋼板。
(2)中殼體部分,磨盤以上2m以內(nèi),由于溫度較高,承受一定的沖擊,磨損嚴重,此處采用堆焊復(fù)合耐磨鋼板和耐磨陶瓷片均能滿足要求,陶瓷片初期投資相對高一些,但使用壽命較長,可以根據(jù)用戶的需求選擇。
(3)選粉機殼體出粉口,此處結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,截面變化大,流阻大。堆焊復(fù)合鋼板和陶瓷涂料比較適合,可以根據(jù)用戶的需求選擇。
殼體部分采用表面堆焊耐磨鋼板的安裝圖片如圖6所示。
單一的金屬或非金屬耐磨材料在粉體設(shè)備中已得到廣泛的應(yīng)用,但隨著設(shè)備向大型、高速、高技術(shù)方向發(fā)展,以及對工況要求更高、成本更低,普通單一的耐磨材料有時不能滿足人們的需要,為此人們早已著手研究各種復(fù)合材料,兼有高耐磨的硬度和防裂韌性的復(fù)合材料有以下幾類:金屬材料相互復(fù)合、金屬與非金屬復(fù)合、非金屬與非金屬復(fù)合。
圖6 中殼體耐磨鋼板襯板
雙金屬耐磨材料的工作層為硬度高的材料,如高鉻鑄鐵、特殊焊材,非工作面為碳鋼或低合金鋼等。兩種金屬結(jié)合方式有冶金結(jié)合、堆焊結(jié)合、機械結(jié)合等。采用此種方式能充分發(fā)揮工作層的耐磨性和非工作層好的焊接加工性能。當前應(yīng)用的分體式磨盤,堆焊磨輥均是金屬材料復(fù)合形式。未來的發(fā)展是耐磨層的性能提升和雙金屬結(jié)合性能的提高。
金屬基陶瓷復(fù)合磨盤磨輥,制作工藝目標是將陶瓷的耐磨性和鑄造合金的機械性有機地結(jié)合在一起。做法有將陶瓷顆粒(HV2100)均勻地分布在高鉻鑄鐵表層的蜂窩狀結(jié)構(gòu)中。陶瓷硬度HV2100遠高于水泥熟料HV600~800、石英顆粒HV1800~1900、高鉻鑄鐵或其他硬質(zhì)合金HV900的硬度。如馬科托公司X-win技術(shù)應(yīng)用于輥磨時,耐磨件壽命提高1~3倍。
對SiC鋼表面復(fù)合材料,WC、TiC、SiC都可以為材料的增強粒子,一般陶瓷粒子與金屬結(jié)合一起生成陶瓷—金屬復(fù)合材料,SiC鋼表面復(fù)合材料采用消失模鑄滲法制備,基材為45鋼。SiC硬度莫氏體為8.5,大于石英砂(HV1800~1900),具有較好的抗沖蝕能力。
磁性襯板屬于一種特殊的復(fù)合材料,磁性材料(陶瓷永磁片)永磁鐵使襯板一側(cè)牢固地吸附于筒體上,另一側(cè)吸住磁性礦渣或礦石顆粒,以此形成耐磨層,經(jīng)磨粒剝落后又吸住新的磁粒,往復(fù)循環(huán)以達到抗磨的目的。
應(yīng)用兩種以上非金屬材料結(jié)合在一起,充分發(fā)揮各自的性能以達到高耐磨性。如陶瓷橡膠一體碳化材料,將其制成襯板比常規(guī)錳鋼、低合金鋼、復(fù)合鋼板都更耐沖擊和磨損。
本文以中國重型機械研究院有限公司設(shè)計的LXZM系列礦渣輥磨耐磨材料的選用為例,對礦渣輥磨各個關(guān)鍵部件的磨損機理和抗磨要求做了詳盡的分析,對耐磨材料的選用做了一些探討和貼合工程實際的選擇,對于礦渣輥磨各部分耐磨材料的選用有一定的幫助。
磨損是一個復(fù)雜的過程,對于不同的磨損機理采用不同的耐磨材料,以此提高磨機的使用壽命,減少維修時間和費用是一項長期而持續(xù)的工作。希望越來越多的高性能耐磨材料得以開發(fā)生產(chǎn)并應(yīng)用于輥磨。
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