大红山铜矿二选厂球磨机专用耐磨铸钢球、衬板的设计

吴金福

【摘要】分析了球磨机选矿工艺，设计成一种应用于大红山铜矿低品位铜铁选矿厂球磨机新型多元低合金耐磨铸钢球、衬板，设计并分析了化学成分，制定了热处理工艺，并进行了磨损性能工业试验。结果表明，这种耐磨钢球的相对耐磨性是普通耐磨钢球、衬板的2倍，节约了磨料及维修成本的投入。

【关键词】球磨机选矿工艺耐磨铸钢球；衬板低合金化学分析热处理工艺分析；应用前景分析

大红山铜矿自1997年7月投产以来，已消耗了地质贮量近1800万t，至2005年末仍保有矿石量7099万t，铜金属量54.5万t，品位0.768%。如实行铜铁合采，低品位资源进行综合利用，矿量将增加，延长矿山服务年限。但出矿品位大幅下降至0.4%左右，生产成本明显提高。为了确保当期生产和利润水平，提高升选矿设备性能，延长选矿设备开机时间，以增加矿石处理量，实现以产量降单位成本。

磨矿设备是选厂的主要设备，大红山铜矿二选厂采用Φ3600×4500格子型球磨机和溢流型球磨各一台作两段磨矿设备，Φ2700×4500溢流型球磨机作铁粗精矿再磨设备。

1球磨机选矿工艺分析

铜矿选矿设备作业流程的第二个环节就是磨矿环节，磨矿设备主要是球磨机，铜矿选矿设备中的球磨机可以分为粗选，精选，扫选等磨矿方式。球磨机粗选尾矿还不能作为最终尾矿废弃，往往还需进入下一步作业处理，这一作业称为扫选。为了提高金属的回收率，有时需要经过多次扫选才能得出最终尾矿。矿石经过选别作业处理后，除去了大部分的脉石与杂质，使有用矿物得到富集的产品称之为精矿。精矿是选矿厂的最终产品，有时也叫最终精矿，一般作为冶炼的原料。最终精矿要使其主要成分及杂质含量都达到国家标准，才能称为合格精矿。对于精矿，中矿，尾矿，每次浮选后精矿和尾矿之外的就叫中矿。一原矿经过选别作业处理后，其主要成分已在精矿中富集，有的经过综合处理后，矿石的次要成分或其他伴生金属也得到回收。所以剩余的部分产物则含有用成分很低，这部分产物称之为尾矿，或叫最终尾矿。应当指出，在尾矿中仍然含有受目前技术水平限制而难于提取的有用成分，但将来有可能成为再利用的原料。因此，一般都将尾矿堆放在尾矿库保存在选别过程中得到的中间产物称为中矿。中矿的有用成分含量一般介于精矿和尾矿之间。在选别过程中，中矿一般需要返回适当作业地点处理，或者进行单独处理。铜矿选矿设备高产能的诀窍大红山铜矿是云南最大的铜矿，每年因采掘、磨矿、选矿等各工序消耗各种耐磨件费用达人民币3000万多元。其中，球磨机钢球、衬板作为主要的消耗件，每年耗量在3t以上。长期以来，球磨机主要使用ZGMn13高锰钢衬板，部分使用价格昂贵的进口合金钢衬板。一个时期以来，所使用的高锰钢衬板耐磨性能较差，使用寿命短，停机检修频繁，严重影响磨矿生产，如大红山铜矿二选厂的Φ3600X4500格子型球磨机、Φ3600X4500溢流型球磨机 、Φ2700X4500溢流型球磨机ZGMn13衬板使用寿命仅为3000h左右，而三种球磨机国外进口合金钢衬板使用寿命则在9000h左右。针对大红山铜矿的工况条件，研制新型球磨机衬板、钢球耐磨钢，对于立足国产、节能降耗，提高碎矿、磨矿效率，具有现实意义。

2专用耐磨铸钢球、衬板工况及对材质性能的要求

2.1性能要求

一般干磨条件下工作的球磨机衬板主要失效形式是宏观断裂、整体变形和磨料（钢球）磨损引起的材料损耗。对于大红山铜矿而言，选矿采用湿磨工艺，球磨机在湿磨条件下工作，矿石硬度在普氏温度6-8之间，含S量约2%左右，矿浆PH值约为4-5，与通常建材、煤炭行业使用的球磨机相比，矿石硬度高，矿浆具有磨蚀性。因此，设计的耐磨钢应具有以下性能：①高硬度。硬度在一定程度上反映材料的耐磨性能。为了抵抗硬度较高的有色金属矿山磨料的磨削作用，球磨机衬板在运转硬化后工作面的硬度应不低于HRC50②高淬透性。大红山銅矿球磨机衬板尺寸较大，厚度一般在150mm以上。为保证组织与性能的均匀，设计的耐磨钢应具有较高的淬透性③好的耐蚀性能。大红山铜矿球磨机均工作在磨蚀性湿磨条件下，磨损过程中腐蚀与磨损在交互作用会大大加快衬板的失效。在进行材料设计时 ，应适当添加有利于提高材料耐蚀性的元素，以提高其抗腐蚀磨损的能力④合适的韧性。湿磨工况条件下，由于浆料在衬板表面形成一层涂覆层，阻止磨球与衬板之间相互接触，使得湿磨条件下，衬板所承受的小能量多次冲击载荷远比在干磨时小，衬板在运行过程中直接受磨球冲击的机会极少，由于韧性不足导致的宏观断裂并不常见。过高地要求材料的韧性或通过牺牲硬度追求过度韧性是不可取的，因为那样往往会导致耐磨性能大幅度下降，这就是高锰钢衬板在此条件下不耐磨的原因。经分析认为，在保证铸件质量的前提下，大红山铜矿应用的球磨机衬板材料的冲击韧度值不低于15J/cm2即可。

2.2 衬板材料的化学成分设计分析

2.2.1 碳（C）

碳是影响淬透性的最主要元素，对钢的组织和力学性能的影响十分明显。在其它元素不确定的前提下，含碳量较低时（<0.3%），其淬火后的显微组织为板条马氏体+残余奥氏体，或板条马氏体+贝氏体+残余奥氏体随着碳含量增加，淬火组织逐渐转变为隐针马氏体+残余奥氏体+碳化物，或隐针马氏体+残余奥氏体+贝氏体+碳化物。从力学性能来看，随着碳含量的增加，强度、硬度不断提高，因而抵抗切削及犁沟的能力增加，耐磨性提高然而，随着碳含量的进一步增加，硬度越来越高，塑性及韧性变差。但是，有研究指出，在含有（%）：0.8-1.2 Si、1.0-1.5Mn、1.5-2.5 Gr、0.3-0.5 Mo的低铬铸钢中，碳含量即使是增加到0.9%以上，在适当的热处理工艺条件下，硬度>HRC65的同时，韧性仍可在28J/cm2，这对球磨机衬板耐磨性有极大的提高。碳含量提高后另一个直接好处是铸钢熔点的降低。这对于节约能源，提高流动性与充型能力有重要

2.2.2铬

铬能提高钢的淬透性、增加钢的回火稳定性，对于钢铁材料在湿磨工况下的耐磨性的提高有较好作用。研究表明，组织同样为马氏体+贝氏体的低温回火组织，在硬度相当的条件下，pH值为2-9的范围内，含铬量由0.68%提高至3.48%时，腐蚀磨损速度将下降至原来的59%-29%。

2.2.3 镍

镍是非碳化物形成元素，以固溶形式存在于钢中，与铬配合使用时，少量的镍（0.2%-0.3%）可显著提高钢的淬透性和强度，同时细化晶粒，有利于韧性的提高。综合考虑成本因素，镍含量定为0.3%-0.5%。

2.2.4钼

少量钼可细化晶粒，提高强度，提高钢的淬透性及回火稳定性。它与铬元素在钢中形成硬度较高的M7C3型合金碳化物，可以提高耐磨性。一般含钼量大于0.3%即可。

2.2.5铜

铜在钢中形成固溶体，可改善钢的韧性，增加钢的抗腐蚀性。用于湿式磨矿作业时能起到提高衬板抗腐蚀磨损的作用。一般含铜0.3%-0.5%时即有明显作用。

2.2.6硫与磷

在所研制的低合金耐磨铸钢中，硫与磷作为有害因素须严格加以控制，使含量≤0.06%.根据以上分析，所研制的低合金耐磨铸钢的成分确定为（%）：0.7-0.9C、0.2-0.4 Si、0.3-0.5Mn 、2-4 Cr、0.3-0.5 Ni、0.4-0.6 Mo、0.3-0.5 Cu、P<0.06、S<0.06。

3 研制试验及结果

3.1 临界相变点的确定

为了掌握耐磨钢的相变特性，为后续热处理工艺提供理论依据，使用Gleeble 1500热模拟仪，按照GB5057-85试验标准测定了其临界相变.

3.2 淬透性

考虑到研制的耐磨铸钢应用于大红山铜矿大型球磨机衬板，为直接反映实际工件的淬火后组织的均匀性，没有按临界淬火直径法或末端淬火法进行淬透性试验，而是分别使用?150mm×300mm圆柱和?3.2m×3.1m球磨机衬板实物（重263kg，最大厚度125mm）考察CHMe钢的淬透性。它们经950℃×3h奥氏体化淬火后的最大横截面处的硬度.

可见，此铸钢的淬透性良好，?150mm×300mm圆柱模拟试样和?3.2m×3.1m型球磨机衬板实物的最大断面上的硬度分布均匀，能保证衬板使用过程中的耐磨性能稳定。

3.3 热处理工艺与力学性能

使用中频繁感应电炉，使设计的成分将耐磨钢溶清后浇铸成标准Y形试试，参照GB/T5680-1998《高锰钢铸件》进行试样制备，以测定的相变点为参考，设计热处理工艺，考察工艺参数对力学性能的影响。硬度测定在HRC-150A型硬度计上按GB/T230-1991《金属洛氏温度试验方法》完成，抗拉强度按GB/T228-1991《金属拉伸试验方法》在Material Test Star 810型万能液压试验机上进行，冲压韧度参考GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》，选用10mm×10mm×55mm无缺口非标准试样进行试验。

3.3.1 淬火温度的影响

考虑到该铸钢的沸点为810℃，添加较多的碳化物形成元素，选择850℃、900℃、950℃、1000℃ 4种淬火温度，考虑淬火温度对力学性能的影响，结果如图4所示。可见，在900-950℃左右奥氏体化淬火后的综合力学性能最佳。图一所示为950℃淬火后的组织，此时显微组织为马氏体+贝氏体+残余奥氏体+少量颗粒状碳化物，这些碳化物颗粒的存在.

3.3.2 回火溫度的影响

950℃淬火后的试样分别经过450℃、550℃、650℃回火后的力学性能见表5.可见，550℃左右回火后耐磨钢的综合力学性能较好。此时组织中回火马氏体与贝氏体的形态与取向仍基本保持回火前淬火马氏体与贝氏体的形态与取向，而残余奥氏体基本已转变为回火屈氏体，碳化物颗粒弥散分布.这种回火马氏体+贝氏体+回火屈氏体+残余奥氏体+弥散碳化物的组织有利于综合力学性能和抗磨性能的提高。根据以上的试验结果，耐磨钢的热处理工艺确定为：950℃空淬+（500-550℃）×2h回火。

3.4 磨料磨损试验

为了进一步考察抗磨性能，在MLD-10型动载磨料磨损试验机上分别对热处理后组织为贝氏体+马氏体+残余奥氏体+少量颗粒碳化物的耐磨钢和经过水韧处理后组织为奥氏体的ZGMn13进行了磨损试验。磨损试验试样的尺寸为10mm×10mm×30mm，配对下的下试样均采用直径为?50mm、硬度为HRC42的40Cr圈环，转速为200r/min，磨料为20-40目精制石英砂，磨料流量10kg/h，冲击频率100/min，冲功3.2J。试验结果如表6所示，可见，所研制的耐磨钢的磨耗仅为原高锰钢的3/4倍左右。

4结束语

应用专用耐磨铸钢球、衬板可以节省大量的成本投入，节约了成本，取得的很好的经济效益。

参考文献：

[1] 张洪建、李秀芬等，大红山铜矿低品位铜铁资源综合利技改扩建工程第二选矿厂初步设计

[2] 扬可桢，机械设计基础，第三版，高等教出版社，1985年5月

[3] 刘鸿文，材料力学，第三版，高等教育出版社，1991年5月

[4] 夏立芳，金属热处理工艺学（修订版），哈尔滨工业大学出版社，2008年5月