煤用旋流器内衬磨损形式及材料选取研究

(煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院，北京 100013)

0 引 言

水力旋流器是选煤厂的主要分级(浓缩)设备，重介质旋流器是选煤厂主要的分选设备。2种旋流器均是以一定的压力将煤与介质的混合物泵入旋流器，使固液两相流在高压作用下于旋流器内产生离心旋转运动而将不同性质的物料分离。由于固液两相流高速旋转运动产生的摩擦、冲击等作用，旋流器内衬材料极易磨损，缩短了旋流器的使用寿命，降低了生产效率，增大了生产成本，因此旋流器内衬材料的耐磨性是选煤科技工作者研究和重点关注的问题之一。李坤等[1]对重介质旋流器的磨损部位和磨损过程进行了分析，利用微切削磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损的理论，分析了重介质旋流器的磨损机理。近年来，随着材料科学的发展，研发出用于旋流器内衬的新型耐磨材料，目的是为了提高旋流器内衬的使用寿命。曹晶晶等[2]简述了旋流器的磨损形式和旋流器内衬的选材,分析了氧化铝陶瓷内衬的磨损机理及存在的不足,提出了制备新型耐磨复合材料的新工艺。张力强[3]从用于旋流器内衬的氧化铝微观结构研究了粉体粒度对烧结制品致密性、耐磨性的影响。周彪等[4]介绍了旋流器内衬传统耐磨材料，包括高铬铸铁、聚氨酯、刚玉和碳化硅等材质的优缺点。

由于内衬材料价格差异较大，通过分析旋流器内衬磨损原因和不同内衬材料的特点，针对旋流器的规格和用途，有针对性地选用性价比高、经济合理的耐磨材料，对降低旋流器价格和生产费用具有重要意义。

1 旋流器的工作原理及造成磨损的原因

旋流器无论是用于浓缩还是分选，都是在泵的压力下，将以煤颗粒为主的物料和以水或以水和Fe3O4为主的介质形成的固液两相流泵入旋流器，在内部形成强烈的旋转运动，产生较大的离心力场并形成密度场，使物料沿内壁做螺旋运动和移动运动。由于离心力场和密度场作用，密度不同的固体物形成不同的层流，密度小的固体物形成中心层流产出轻产物。携带非煤固体杂物特别是密度较大的重杂物如矸石、铁器等，被抛掷到内壁形成外层流产出重产物，该外层流与旋流器内衬进行高速摩擦并伴有冲击破坏，加速了内衬的损坏和磨损。当旋流器内衬磨损及损坏到一定程度时，其结构参数发生变化，内部保持的稳定流场遭到破坏，导致回收率降低、分选精度下降。对于重介质旋流器，由于磨损导致底流口直径增大3 mm时，会造成严重的精煤损失[1]。

2 旋流器内衬磨损的影响因素及磨损形式

旋流器内衬磨损的影响因素主要有入料硬度、旋流器的入料压力、固液两相流的旋转速度、入料的冲击角度[5]、入料粒度及入料形状(入料颗粒本身的不规则性)等[6]，其中入料硬度是旋流器内衬磨损最主要的影响因素。入料压力越大，则磨损大。对于脆性材料，冲击角增大，磨损量随之增大;对于韧性材料，磨损量随着冲击角增大先增大，当达到最大值后，磨损量变小。入料粒度越大，冲击性越强，磨损越大。入料不规则特别是带有棱角尖锐的物料，对内衬造成的磨损越大。由于旋流器工作时为湿式旋转，物料的旋转速度对磨损度影响相对较小[2]。旋流器的内衬磨损分为以下4种形式[7]:

1)冲击磨损

高压作用下，大颗粒煤、矸石和其他重杂物具有很大的惯性力，这些惯性物体进入旋流器后对其内壁造成冲撞，从而造成内衬表面损坏，该磨损主要发生在导向筒的入料口处。

2)微切削磨损

因重介质悬浮液中Fe3O4铁粉和煤颗粒具有不规则性，随流体在旋流器内做螺旋运动，在内衬表面进行切磨。对于金属材料，可在其表面切削出沟痕;对于脆性材料，可将产品的微颗粒以整颗粒的形式切下。

3)表面疲劳磨损

旋流器长时间工作时，固液两相流与旋流器内衬交变摩擦产生应力，造成内衬表面疲劳。由于内部结构的不均匀性，强度较差的部分首先产生应力和变形，材料结构变松，在外力作用下起皮、掉渣，循环往复，直至大面积和深度损毁。

4)腐蚀磨损

入选物料、重介质悬浮液和旋流器的内衬长期接触并相对运动，产生温度变化而发生化学和电化学反应，长时间造成损坏[2]。

对某种耐磨材料，其物理属性是固定的。对于旋流器，其冲击磨损、微切削磨损是主要的损坏形式。因此在制造旋流器时，应综合考虑规格、所处理的物料性质及操作条件，选择经济性较高的耐磨材料。

3 旋流器常用的耐磨材料及其特性

目前旋流器内衬所用的耐磨材料可分为:金属和金属化合物、聚氨酯制品类和非金属耐磨材料类。

1)金属和金属化合物耐磨材料

代表性材料有高锰钢(ZGMn13)和高锰合金系列(ZGMn13Cr2MoRe)、抗磨系列(Cr15MoZCu)、耐磨合金钢系列(ZG40SiMnCrMo)等。高锰钢系列材料硬度较低(HB170-230)，在未硬化前耐磨性有限，如其表面充分硬化，则价格大幅提升;抗磨铬铸铁系列具有较好的抗耐磨性，但韧性较低，使用中如内部有铸造缺陷或出现开裂，磨损后由于其焊接性不好，难以维修。20世纪70年代前，由于选择受限，旋流器内衬材料多选用抗磨铸铁类和耐磨合金类材料或使用金属材料整体铸造，但金属材料的耐腐蚀性比非金属耐磨材料差。

2)聚氨酯类耐磨材料

典型的代表材料为聚氨酯化合物，其硬度较低，但具有较好的韧性和耐腐蚀性。当承受垂直或大角度的冲击时，会表现出较好的耐磨性;在浸没状态下，其耐磨性是硬质合金钢的8倍。但对于硬颗粒物和颗粒尖锐的物料，其抗切削磨损的性能变差。

3)非金属耐磨材料

非金属耐磨材料一般指陶瓷及其多相、多组分复合材料系列。该类型材料出现于20世纪90年代，其开发的系列产品种类较多，代表性的有三氧化二铝(刚玉，Al2O3)及增韧三氧化二铝、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硅结合碳化硅(Si3N4+SiC)及其多相、多组分复合耐磨材料等。该类型材料的特点为密度、强度均较大，密度可达3.50～6.05 g/cm3，抗弯强度可达285～1 000 MPa，并具有优良的耐腐蚀性、耐磨性(耐磨性相当于锰钢的266倍，高铬铸铁的171倍)、韧性和抗振性，可有效防止冲击造成的破损和剥落[8]。

4 旋流器内衬材料的选取原则

煤按属性可分为褐煤、烟煤、无烟煤及煤矸石，其显微硬度[9]和代表性耐磨材料的显微硬度见表1。

表1煤及耐磨材料的硬度比较
Table1Hardnesscomparisonofcoalandwearresistantmaterials

注：聚氨酯类由于是橡胶类材料，邵氏硬度为80～90，硬度较低。

由表1可以看出，煤中硬度最高的是无烟煤，耐磨材料中硬度较低的是聚氨酯材料和高锰合金，其他材料的显微硬度均远高于煤的硬度。由于材料越硬价格越高，从经济性、旋流器使用寿命、生产成本、内衬磨损因素并结合现场经验等方面考虑，旋流器内衬材料的基本选取原则是:旋流器处理无烟煤时，无论规格大小均应选用陶瓷耐磨材料;聚氨酯类材料难以承受大颗粒煤棱角的微切削，同时当入料速度大于1.97 m/s时，其耐磨性变差，可用于内径≤350 mm的煤泥重介质旋流器和内径≤500 mm的水力旋流器[9];高铬铸铁类材料由于韧性较差[10]，不适合用于大角度冲蚀工况下，建议在直径≤500 mm的浓缩旋流器上使用;而直径≤700 mm的旋流器由于入料粒度相对小，破坏形式主要为磨损，建议使用具有一定硬度且具有较好韧性的氧化铝类材料[11];对于直径800～1 000 mm的分选旋流器，由于入料粒度较大，最主要的内衬破坏形式为大颗粒物料造成的冲击磨损，其次是切削和表面疲劳磨损，建议使用增韧氧化铝或氮化硅陶瓷。随着大型选煤厂普遍化，入料上限提高，对大直径、大处理能力的旋流器需求量增加，对旋流器的可靠性要求提高，上述材料已不能满足直径1 200 mm及以上旋流器的要求，应使用硬度更高、韧性更强、耐磨性更好的氮化硅、碳化硅或氮化硅结合碳化硅材料[12]。

由于氮化硅、碳化硅、氮化硅结合碳化硅等材料价格较高，限制了此类材料的应用。近年来随着技术的进步，氮化硅、碳化硅及在此基础上研发的多组分材料的制作成本大幅下降，与增韧氧化铝价格接近，且氮化硅、碳化硅等材料已在耐磨管道、渣浆泵等产品上应用较成熟，具有作为旋流器内衬推广应用的条件。目前俄罗斯、乌克兰等国家已采用碳化硅材料作为旋流器内衬，使用效果理想。

由于旋流器入料口、底流口直径小，通过这2个部位的物料流速快，所以入料口与直段筒体结合部位、中心隔板及底流口受到的冲击大，其相对于直段筒体、锥体、溢流口、中心管的磨损量大[13]，建议使用性能更好的材料，可使旋流器达到较统一的全寿命周期，提高旋流器的整体经济性。

多相和多组分的复合陶瓷材料是耐磨材料的发展方向。旋流器研制单位应多关注其发展，并主动打破行业界限共同寻求合作，科学、合理地选用耐磨材料也是建设资源节约型、环境友好型社会的需要。

5 结 论

1)旋流器内高速旋转的固液两相流与旋流器内衬的高速摩擦并伴有冲击破坏，是旋流器磨损的主要原因。旋流器内衬磨损主要影响因素是入料硬度。旋流器内衬磨损是冲击磨损、微切削磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损等磨损形式共同作用的结果。

2)旋流器内衬所用的耐磨材料主要有:金属和金属化合物、聚氨酯制品类和非金属耐磨材料类，其性质不同，适用于不同的旋流器。旋流器内衬材料的选取原则为:处理无烟煤时，应选用陶瓷耐磨材料;聚氨酯类材料可用于内径≤350 mm的煤泥重介质旋流器和内径≤500 mm的水力旋流器;高铬铸铁类材料可在直径≤500 mm的浓缩旋流器上使用;而对于直径≤700 mm的旋流器，建议使用具有一定硬度且具有较好韧性的氧化铝类;对于直径800～1 000 mm的分选旋流器，建议使用增韧氧化铝或氮化硅陶瓷;对于直径1 200 mm及以上旋流器，应使用氮化硅、碳化硅或氮化硅结合碳化硅材料。

3)多相和多组分的复合陶瓷材料是旋流器内衬耐磨材料的重要发展方向之一。