毛 蓉，張 萍

（金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西華縣 714102）

低成本新型耐磨鑄球生產(chǎn)工藝研究與應(yīng)用

毛 蓉，張 萍

（金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西華縣 714102）

通過對(duì)磨球樣品硬度、沖擊韌性的性能測(cè)試及金相組織的觀察，研究了在不同化學(xué)成分配比、熱處理溫度等條件下鑄球性能的差異。采用正交實(shí)驗(yàn)法代替固定變量法，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了一種性能良好、生產(chǎn)成本低、工序簡(jiǎn)單的磨球生產(chǎn)工藝。

耐磨鑄球、化學(xué)成分、熱處理

0 引言

球磨機(jī)是水泥、電力、礦山等行業(yè)研磨工序的主要設(shè)備，磨球是球磨機(jī)主要易損件之一[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全國(guó)磨球消耗超過200萬噸，其中冶金礦山企業(yè)消耗超過70%。鑄鐵合金磨球是其中一類應(yīng)用最為廣泛的材料。其中，高鉻、中鉻合金球因其較高的宏觀硬度，良好的耐磨性能，無需特殊熱處理工藝等特點(diǎn)，廣受電力、水泥等行業(yè)的歡迎。低鉻合金球雖然在性能上略差，但具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在礦石濕磨作業(yè)中受到廣泛應(yīng)用[2-3]。大量的市場(chǎng)需求催生了對(duì)低成本、高性能磨球的研究熱潮。如何在不影響磨球使用性能的基礎(chǔ)上，研發(fā)出成本更低廉的磨球制備工藝，成為當(dāng)前磨球生產(chǎn)企業(yè)的首要難題。

本文在設(shè)備和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用最少、實(shí)驗(yàn)周期最短的原則基礎(chǔ)上，采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，通過正交試驗(yàn)方法，對(duì)磨球的化學(xué)成分配比、熱處理溫度進(jìn)行研究。并在工業(yè)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，探索得到硬度、沖擊等性能好、生產(chǎn)成本低、工序簡(jiǎn)單的磨球生產(chǎn)工藝。

1 方案設(shè)計(jì)及樣品制備

1.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

C元素的含量對(duì)鑄球耐磨性的影響很大，一般來說，C含量越高硬度越大，耐磨性越好，但鑄球的脆性隨之增加，使用過程中容易破碎。Cr元素可以改善白口鑄鐵中碳化物的相結(jié)構(gòu)，改變基體和碳化物的分布形態(tài)，使磨球具有較好的機(jī)械性能。C/Cr是磨球成分設(shè)計(jì)中最重要的部分。Mn元素可以促進(jìn)珠光體和萊氏體的形成，并且細(xì)化珠光體，提高鑄球的強(qiáng)度和硬度。Mo元素可以細(xì)化晶粒，提高淬透性，改善磨球韌性。Cu元素是一種非碳化物形成元素，能固溶在α-Fe中，提高基體的電極電位，減少腐蝕介質(zhì)中的微電池作用，有效降低腐蝕磨損速度[4-6]。參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，本文各元素的變化范圍如表1。

表1 新型鑄鐵磨球?qū)嶒?yàn)元素配比 %

實(shí)際生產(chǎn)操作中原料Si含量往往較高，利用硅鐵來改變Si含量時(shí)，容易引起其他成分的變化，故Si含量不作為實(shí)驗(yàn)變化因素，保持在1.4%~1.6%。稀土元素可以有效凈化鐵液，改善晶界狀況，實(shí)際生產(chǎn)中多用于提高磨球的韌性，但價(jià)格很高，為降低產(chǎn)品成本，本文采用微量的Mo、Cu聯(lián)合作用代替稀土元素，由于添加量極少，不作為實(shí)驗(yàn)變化因素，Mo控制在0.004%~0.006%，Cu控制在0.003%~0.005%。為更好的探索提高磨球性能與能耗成本的平衡點(diǎn)，本文中每組樣品分別進(jìn)行不熱處理和熱處理兩組對(duì)比試驗(yàn)，熱處理溫度主要控制在350 ℃、450 ℃和550 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)附近。采用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案如表2。

1.2 樣品制備

采用750 kg快速中頻感應(yīng)電爐熔煉，冶煉溫度為1 550~1 650 ℃，確保整個(gè)冶煉過程實(shí)現(xiàn)最佳溫度起伏及濃度起伏；出爐溫度控制在1 650 ℃左右（通過熱電偶檢測(cè)），使鐵液含渣、含氣量最少，確保高品質(zhì)試驗(yàn)?zāi)デ虻漠a(chǎn)出。澆注溫度1 350~1 380 ℃，除凈爐渣，澆包內(nèi)加入合金，注入鐵液后充分?jǐn)嚢?，以防止成分偏析。之后加入集渣材料，使鐵液充分潔凈，整個(gè)澆注過程必須注意檔渣，避免雜質(zhì)卷入鑄型，采用先慢、中快、后慢的原則。熱處理由室溫起，以50 ℃/h的速度升溫至實(shí)驗(yàn)方案要求熱處理溫度，保溫2h，后隨爐空冷至室溫。

表2 具體實(shí)驗(yàn)方案

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

樣品取三個(gè)點(diǎn)做化學(xué)成分分析，結(jié)果取平均值，各方案樣品化學(xué)成分如表3。通過表3可以看出，化學(xué)成分基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。行力學(xué)性能分析。根據(jù)硬度值及沖擊韌性數(shù)據(jù)分別繪制硬度趨勢(shì)圖，如圖1；沖擊韌性趨勢(shì)圖，如圖2。

表3 方案樣品化學(xué)成分

觀察圖1，整體來看，2#實(shí)驗(yàn)的硬度值相對(duì)較低，3~9#實(shí)驗(yàn)硬度值較高，并且變化較小，特別是熱處理后樣品（圖1，紅色曲線）3~9#硬度趨勢(shì)幾乎是直線。比較兩條曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，4~9#實(shí)驗(yàn)中，未熱處理樣品的硬度值略高于熱處理后樣品。

圖1 硬度趨勢(shì)圖

圖2 沖擊韌性趨勢(shì)圖

觀察圖2，整體來看，9#實(shí)驗(yàn)的沖擊韌性性能明顯優(yōu)于1~8#實(shí)驗(yàn)。比較兩條曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，熱處理樣品的沖擊韌性略好于未熱處理樣品，但除4#實(shí)驗(yàn)外，優(yōu)勢(shì)并不明顯。可見，熱處理溫工藝在一定范圍內(nèi)可以提高樣品的沖擊韌性，但程度有限。從節(jié)約電耗、簡(jiǎn)化工序、降低人工操作難度等角度出發(fā)，可以考慮不采用熱處理。

綜合兩項(xiàng)測(cè)試，可以得出，9#實(shí)驗(yàn)樣品性能較好，可以考慮新型磨球成分配比采用w(C)=4.5%～5.5%，w(Mn)=1.5%～2.0%，w(Cr)=3.5%～4.0%。

2.3 金相組織

為探究9#實(shí)驗(yàn)樣品性能優(yōu)異的微觀原因，本文對(duì)9#進(jìn)行金相組織分析，以排除偶然性。圖3為9#實(shí)驗(yàn)樣品未熱處理樣品金相實(shí)驗(yàn)照片。圖3.a可以看出，樣品中碳化物組織主要成網(wǎng)絡(luò)狀，分布均勻，沒有明顯雜質(zhì)；圖3.b進(jìn)一步放大可以看出，樣品組織主體是萊氏體，并伴有細(xì)針狀珠光體和少量塊狀碳化物。C含量的升高有利于樣品組織趨于萊氏體化，Cr元素促使樣品中形成(Cr、Fe)7C3型碳化物，其形狀分布和硬度都優(yōu)于M22C6、M3C型碳化物。同時(shí)，Mo、Cu等元素對(duì)晶界有一定的凈化作用，提高了晶界強(qiáng)度，提高了樣品的沖擊韌性。這些因素共同作用下，使得9#樣品具有了較好的物理性能。

圖3 9#未熱處理實(shí)驗(yàn)樣品金相照片

圖4 為9#實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)過350℃熱處理后的金相實(shí)驗(yàn)照片。分別對(duì)比圖3與圖4可以發(fā)現(xiàn)，熱處理工藝沒有明顯改變樣品的組織形態(tài)，但在微觀上通過破壞萊氏體網(wǎng)絡(luò)狀形態(tài)，碳化物趨于孤立、分散的小塊狀，組織在一定程度上得到了細(xì)化。當(dāng)樣品受到?jīng)_擊時(shí)，這樣的組織對(duì)應(yīng)力集中起到了緩沖作用，有效的提高了沖擊韌性。金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，9#實(shí)驗(yàn)樣品性能優(yōu)良是由于最佳成分配比和合理的冶煉工藝，使樣品具有理想的組織結(jié)構(gòu)，排除偶然性，為9#實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)。

圖4 9#熱處理實(shí)驗(yàn)樣品金相照片

3 工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

按照9#實(shí)驗(yàn)工藝進(jìn)行大量生產(chǎn)，并投入選礦廠φ3.6×4.0 M濕型1#球磨機(jī)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，確定磨球工況適應(yīng)性。新型磨球加入運(yùn)行三個(gè)月后，1#球磨機(jī)的平均單耗為0.69 kg/t礦，不但低于該球磨機(jī)平均水平0.73 kg/t礦，而且低于同時(shí)期同系列2#球磨機(jī)的平均單耗0.71 kg/t礦。

可見，新型磨球在實(shí)際工況條件下應(yīng)用，相對(duì)單耗水平較低，并且磨損后不失圓、不破碎的、且磨損均勻，具有較好鑄造品質(zhì)及綜合性能指標(biāo)。工業(yè)性試驗(yàn)進(jìn)一步佐證了新型磨球生產(chǎn)工藝是產(chǎn)品成本和保證產(chǎn)品性能的最佳平衡點(diǎn)。

4 小結(jié)

（1）通過實(shí)驗(yàn)分析和工業(yè)試驗(yàn)，確定新型磨球的最佳成分為：C 4.5%～5.5%；Si 1.4%~1.6%；Mn 1.5%~2.0%；Cr 3.5%～4.0%；Mo 0.004%~0.006%；Cu 0.003%～0.005%；不進(jìn)行熱處理。

（2）該工藝每噸磨球產(chǎn)品僅主材一項(xiàng)至少可節(jié)約155元，同時(shí)可節(jié)約熱處理費(fèi)用120元，共275元/噸產(chǎn)品，按車間年產(chǎn)量3 000 t計(jì)算，每年可節(jié)約成本82.5萬元，效果顯著。

（3）上述工藝方法，不需要熱處理，對(duì)設(shè)備和員工素質(zhì)要求低，降低車間設(shè)備購(gòu)買、維護(hù)費(fèi)用和員工技術(shù)要求，并節(jié)省了能源消耗。

[1] 方斌.高鉻鑄鐵磨球的生產(chǎn)工藝[J].中國(guó)鑄造設(shè)備與技術(shù),2011(1):23-24.

[2] 潘繼勇.我國(guó)鑄造磨球的生產(chǎn)及研發(fā)現(xiàn)狀[J].2012年中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集[C]:340-354.

[3] 唐琳琳,王盟.常用耐磨材料及表面耐磨保護(hù)方法簡(jiǎn)介[J].煤炭加工與綜合利用,2011(3):52-54.

[4] 宮成立.高鉻鑄鐵的耐磨性應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(3):80-81.

[5] X.H.Tang,R.Chung,D.Y.Li,B.Hinckley,K.Dolman. Variations in microstructure of high chromium cast irons and resultant changes in resistance to wear, corrosion and corrosive wear[J]. wear,2009(267):116-121.

[6] L.Ribeiro,A.Barbosab,F.Vianaa,A.MonteiroBaptista C.Dias,C. A.Ribeiro. Abrasion wear behaviour of alloyed and chilled cast irons[J]. wear,2011(270):535-540.

[7] 朱國(guó)慶,鄭中甫,張茂勛.鉻對(duì)低碳高鉻鑄鐵性能的影響[J].熱加工工藝,2008(37):15-17.

Study on production process of low-cost new wear-resistant cast ball

MAO Rong，ZHANG Ping
(Jinduicheng Molybdenum Mining Group Co.,Ltd,Huaxian 714102, Shaanxi, China)

The effects of chemical composition and heat treatment on properties of wear-resistant cast ball were studied through hardness and impelling strength test, metallographic structure analysis. The study used orthogonal test instead of fi xed variable method for a shorter experimental cost and time. The experimental results show that, the wear-resistant cast ball shows the best integrative properties, the lowest cost, and lest production diffi culty.

wear-resistant cast ball; chemical composition; heat treatment

TG250；

A；

1006-9658（2017）02-0026-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.009

2016-10-09

稿件編號(hào):1610-1547

毛蓉（1985—），女， 工程師 . 主要從事耐磨材料研究工作.