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球磨机用的高铬铸铁磨球铸造工艺方法

球磨机是冶金矿山、建材水泥、电力化工等行业粉料生产与加工的主要设备,球磨机工作过程中,其磨球作为终端产品,属于主要易磨损件,其使用量大,对使用成本影响极大,一直备受人们的关注。据不完全统计,仅国内每年消耗磨球量就达到150万t左右,而且每年的需求量在以15%的速度递增;国际市场每年磨球需求量在500万t以上。因此,研制出性能稳定、磨耗低和长寿命磨球,不仅可以提高生产效率,而且还能有效地降低生产成本和能耗,节约有限资源,具有极高的经济价值和社会效益。

1、磨球失效形式

1。1、磨球的性能要求

就磨球在球磨机的运动方式来看,其主要运动有滚动和撞击。即磨球在球磨机运转过程中,承受小能量多次冲击疲劳与磨料磨损。根据磨球工况服役特点,在材质选择上应综合考虑如下要求:

(1)磨球必须有较长的使用寿命,材料就应具有较高的抗磨性能,即材料具有较高的硬度;

(2)磨球在球磨机转动过程中,随物料上升到一定高度后下落,直接冲击到其他磨球。为防止磨球破碎,材料应具较好的冲击韧性;

(3)磨球主要承受小能量多次冲击的冲击疲劳,必须防止磨球剥落和开裂,材料应具有较好的冲击疲劳抗力。

综合现有的技术文献和现场使用调研可知,磨球的发展方向:①应减少B、Mo、Ni、W、Cu等合金元素比重,降低生产成本;②通过降低含碳量来获得较好的韧性和亚共晶铸铁,以提高高铬铸铁的抗冲击性能。通过对高铬铸铁优选材料配方,调整铸造熔炼工艺,结合合理的热处理方法,是保证产品质量、降低生产和使用成本的有效工艺措施。

1.2、磨球失效形式

通过对磨球的实际使用现场的调研分析可知,造成磨球失效的主要原因如下:

(1)在磨球工作过程中,由球磨机的破碎原理可知,其主要是通过球磨机自身的旋转引起装于内部磨球滚动和相互冲击来对物料进行破碎。因此,对磨球来讲主要承受小能量多次冲击以及因磨球球体破碎、剥落下的硬度较高的碎片与磨球之间冲击和摩擦,产生冲击疲劳磨损和磨料磨损;

(2)受球磨机设备本身结构尺寸影响,球磨机自身直径越大,磨球之间冲击势能越大。磨球和磨球、磨球与球磨机内部的衬板的冲击程度越严重,磨球也越容易发生冲击疲劳磨损和破碎。因此,对于提高磨球抗冲击疲劳能力并不是只是提高材料强度、韧性和塑性,而是综合调整强度、韧性和塑性之间的关系;

(3)球磨机在运转过程中,磨球和磨粉料在磨球机下半部分形成混合物料,在离心力的作用下,混合物料贴着衬板,沿着球磨机转动方向到达一定高度后,抛砸到球磨机底部磨球和粉料,粉料受到冲击磨损;部分磨球在向上过程中较早沿着衬板下滑,产生切削和凿削磨损;混合物料底部产生挤压磨损。显然,磨球磨料磨损是多种磨损机理的组合。

总之,磨球在工作过程中,其主要的失效形式有破碎、剥落失圆和磨损。

2、磨球的铸造方法

2。1、化学成分的选择

(1)碳:含碳量是决定高铬铸铁磨球硬度和韧性的重要因素。在一定范围内,含碳量越高,碳化物体积百分比就越大,硬度越高,耐磨性能越好。但碳量过高,碳化物粗大,造成磨球的韧性差,其抗冲击疲劳能力降低,容易造成磨球破碎。同时,磨球在磨料滚动和滑动的作用下,易于产生切削和碾压形成细微裂纹,随着裂纹萌生并不断扩展,最终就会导致磨球材料剥落。因此含碳量过高,磨球耐磨性能反而下降。一般应将含碳量控制在2.0%~2.8%。

泊利彩票登陆(2)铬:铬含量主要决定碳化物类型和形态,它可以提高耐腐蚀磨损性能。铬和碳的含量只有控制其在合金中产生一定量的M7C3类型的碳化物,且以该类型碳化物为主体,才能获得高的耐磨性能。当Cr/C>4时,共晶碳化物大多数呈(Cr,Fe)7C3型。

当含碳量相同时,铬含量越高,共晶碳化物的数量越多,高铬铸铁磨球硬度就越高。但随着铬含量的提高,铁水的流动性降低,磨球冷裂倾向增大,韧性降低,磨球易破碎,同时铬属于贵重金属,过多地增加铬造成磨球成本提高,试验结果表明:铬含量一般应控制在12%~15%最佳。

(3)稀土元素:高铬白口铸铁经变质处理后可改变碳化物形态和分布,强化基体组织,提高高铬白口铸铁韧性。研究结果表明:在众多的变质剂材料中,稀土硅铁合金是一种最有效的变质剂,稀土硅铁合金能够改善高铬铸铁铸态组织,细化晶粒,提高材料的韧性。同时还具有很强的脱氧脱硫作用,对铁水起到净化作用,降低铁水中气体和有害夹杂物含量,提高铁水流动性和韧性。

稀土硅铁合金还具有细化初生奥氏体晶粒,细化碳化物的作用。经稀土元素变质处理后,碳化物形状由连续网状变成断网状或弧立粒状分布,从而使高铬铸铁冲击韧性提高1倍左右。稀土元素使共晶转变的相对过冷度增加,高铬白口铸铁共晶凝固范围增大,使碳化物呈团块状,组织性能得到提高。研究表明,稀土元素虽然对高铬白口铸铁中的碳化物的形态、数量及奥氏体晶粒间距无显著影响,但减少了杂质,改善了夹杂物的组成和形态。另外,适量的稀土还能净化晶界,削弱在晶界上偏聚的某些元素的不利影响,增强奥氏体和碳化物结合,提高磨球抗裂纹的萌生和延展的能力。生产中稀土硅铁合金最佳的控制范围应为0.5%~1.2%。

(4)硅:硅是非碳化物形成元素,硅固溶于基体组织中,使奥氏合格的含碳量降低,冷却后形成铁素体,显著降低了高铬铸铁的流传透性。但加入适量的硅铁合金,能够起到脱氧作用,同时硅铁的加入有利于增加铁水的流动性。因此一般应将硅控制在0.7%~1.0%。

(5)锰:锰和硅的作用正好相反,是一种强烈提高流传透性的元素,当它和钼元素同时使用时能显著提高合金淬透性。锰在合金中主要起到稳定碳化物的作用,同时它又能有效地稳定奥氏体元素,但如果含锰量过高,会明显阻碍奥氏体的转变,增加残余奥氏体含量,因此高铬白口铸铁必须严格控制残余奥氏体量。研究结果表明:锰含量必须控制在0.6%~0.9%。
(6)钼:钼能显著提高高铬铸铁的淬透性,对白口铸铁静态和淬火过程珠光体的形成起到抑制作用,改善耐磨性。同时少量的钼能细化晶粒和提高碳化物的显微程度。有资料指出,加入钼后,若体组织局部产生软相,硬度有所下降,而冲击韧性和耐磨性显著提高。在高铬铸铁中,通过加入钒强化碳化物,使得材料硬度提高,但冲击韧性下降,加入钼后,可以提高冲击韧性而弥补加入钒导致的性能下降。因此,钼是高铬铸铁比较理想的添加元素,一般将钼含量控制在0.5%~3.0%。

(7)钒:钒可稳定碳化物元素,减少粗大的柱状晶体组织,并可以使白口组织细化,达到增加白口深度。因此钒能明显提高高铬铸铁硬度耐降低韧性,通常为改善磨球性能在合金中加入0.1%钒。

(8)镍:镍在高铬铸铁中主要形成固深体,且不溶于碳化物,提高材料的淬透性。镍含量一般控制在0.7%~1.0%。

(9)铜:适量的铜能改变高铬铸铁碳化物的形态和分布,细化碳化物,从而显著提高材料硬度和韧性。同时铜还具有细化组织晶粒,强化基体的作用,使网状碳化物断裂,提高材料的强度、韧性、耐蚀性和耐磨性。当铜与钼一起使用时,能进一步提高淬透性,可以使钼含量降低。铜的含量一般控制在0.8%~1.2%。

2.2、铸造工艺简介

为了保证磨球质量,提高产品出品率,应制定合适的铸造工艺,本工艺采用金属型模具生产,具体生产规程如下:

泊利彩票登陆(1)出气孔的设置与模具预热

用5mm×5mm×7mm方条钢镶入金属型模具背面球模圆构成出气孔,它既可以排气又能防止铁水从气孔溢流金属液;也可用捻成φ4~6mm石棉绳来形成出气孔,其塞入长度约为出气孔长度的2/3,线绳不能塞得过紧,否则无法出气,也不能太松,防止铁水挤出。在生产之前,金属型模具应预热,预热温度为250~300℃,保温时间4h左右。

(2)制芯

制芯前应将型板和金属型球模砂粒清扫干净。制上芯时,型砂要与内浇道捣实,砂套部分要松而不散,外浇口型砂和金属型浇口需圆滑过渡,呈喇叭形,以利于铁水浇注;制下芯,只需将型砂捣固即可。

(3)涂料与喷涂

模具预热好后,用调配好的水基涂料(涂料和水按1:10~15比例混合搅拌),均匀地喷涂在球模内部球窝中,喷涂厚度以0.1~0.3mm为宜。将上述涂料用喷枪在适当距离进行雾状喷涂,以涂料均匀涂挂,无流淌为宜。在生产过程中,也可以乙炔气焰不完全燃烧进行烘烤,既可以提高模具温度,又相当于喷涂碳灰涂料。

(4)合箱

泊利彩票登陆喷完涂料后,应带温及时合箱。合箱时,检查上下模具平面结合处及下型腔球窝处是否有型砂,如有及时用压缩空气吹除,以防止合箱不严造成跑箱或浇注后磨球内部产生夹杂。

(5)熔炼

使用0.5t中频炉进行熔炼。先加入少量的铬铁和全部钼铁,再加入废钢和回炉料,待废钢等熔化后,最后加入经过加热的剩余铬铁。装填时注意填料应下紧上松原则,以利于塌料。熔炼温度应控制在1420~1480℃,要防止铬和碳过度烧损以及缩短炉衬寿命。由于高铬铸铁熔炼温度高,时间长,铁水氧化比较严重,因此需要在出炉前进行脱氧处理。出铁水前,迅速将温度提高到1500℃,先提前3~5min在炉中加入少量的锰铁和硅铁进行预脱氧,最后加入少量铝进行终脱氧。

(6)浇注

终脱氧处理结束后即可出铁水,浇包中加入0.5%稀土硅铁合金做冲入法变质处理,然后迅速在铁水上覆盖珍珠岩,铁水在浇包中应停留一段时间进行镇静,当温度降到1400~1450℃时浇注,浇注时应控制一定的速度,遵循慢-快-慢的原则,即刚开始时先以较小流量铁水进行固沙和排气,然后再均匀快速浇注,最后慢浇起到补缩作用,这样有利于废气逸出并防止产生冷隔和夹渣等铸造缺陷。

(7)开箱

一般待金属型浇口铁水成暗红色后方可开箱。开箱温度不宜过高,温度过高磨球补缩效果差;也不宜太低,否则磨球容易粘连球模导致模具损坏,同时也不利于涂料喷涂快干。落球时应置于干燥地表,不得有潮湿水分,防止高温磨球激冷破裂。

(8)打磨

落球后将磨球浇口部分敲击去除,在砂轮上对磨球断口修磨圆滑。

(9)模具维护

金属模具使用一段时间后,烧结的涂料残渣会在球模平面形成一道结痂,导致开箱不严,容易引起模具胀箱,造成磨球披缝过大,影响表面质量,同时造成磨球成胶囊形,影响磨球圆度,因此应对模具定期进行清理。模具平面层残留物可用腻灰刀铲除,球窝表面可用铜丝刷子进行清除。不得用碍质工具清理模具,以防损坏模具表面。清除完毕后,用压缩空气吹除。

3、结语

高铬铸铁磨球通过上述的工艺,既保证了高铬铸铁磨球的韧性,同时又减少贵重合金元素的使用,通过化学成分分析、金相组织和机械性能试验以及股役性能检测,磨球各项指标符合相关标准要求。具体结论有:

(1)球磨机中的磨球失效的主要形式:破碎、剥落失圆和磨损;

(2)对磨球综合性能产生影响的因素主要是磨球组织;

(3)高铬铸铁磨球最佳化学成分配比为:C的含量应为2。0%~2。8%、Si的含量应≤1%、Mn的含量应为0。5%~1。0%、Cr的含量应为13%~16%、Mo的含量应为0。5%~1。0%、Cu的含量应为0。5%~1。0%。

(4)熔炼温度应控制在1540~1560℃,镇静后,1500℃开始浇注,浇注速度采用先慢后快方式。

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