劉 煜，鐘彥宇，王帶麗，朱先旺，郭 強(qiáng)，彭 玲

(長沙大學(xué)機(jī)電工程系，湖南長沙 410003)

車河選礦廠離心渣漿泵葉輪開裂原因初析＊

劉 煜，鐘彥宇，王帶麗，朱先旺，郭 強(qiáng)，彭 玲

(長沙大學(xué)機(jī)電工程系，湖南長沙 410003)

對(duì)華錫集團(tuán)車河選礦廠目前所用的進(jìn)口渣漿泵葉輪的失效特點(diǎn)和主要原因進(jìn)行了化學(xué)成分和金相組織等分析，發(fā)現(xiàn)其金相組織上存在較大的長條形碳化物，對(duì)基體存在較大的割裂，是葉輪失效的主要原因.通過磨損實(shí)驗(yàn)確定了在實(shí)驗(yàn)室分析條件下最佳砂漿比.

渣漿泵;高鉻白口鑄鐵;葉輪

渣漿泵廣泛用于礦山、電力、冶金、煤炭、環(huán)保等行業(yè)輸送含有腐蝕性固體顆粒的漿體.目前，在渣漿泵的應(yīng)用范圍中，80%左右都是用在礦山行業(yè)選礦廠.由于礦石初選工況較為惡劣，因此在這一工段，渣漿泵的使用壽命普遍較低.目前華錫集團(tuán)車河選礦廠所用的渣漿泵主要為進(jìn)口的WARMAN泵，用于在廠內(nèi)進(jìn)行原礦、精礦和尾礦的輸送.但由于所輸送的礦砂濃度大、硬度高、粒度大，渣漿泵葉片的使用壽命僅一周左右，每年在此配件的更換費(fèi)用就超過200萬元.本文主要針對(duì)此葉輪的失效問題進(jìn)行分析，找出葉輪的失效機(jī)制，以期對(duì)該類型渣漿泵葉輪的國產(chǎn)化提供依據(jù).

1 工況及失效宏觀形貌

此渣漿泵葉輪主要是在弱酸性條件下工作，葉輪直徑400mm，轉(zhuǎn)速1400r/min，揚(yáng)程45m，渣漿顆粒2.5～4mm，粒度粗且有尖銳棱角，葉輪和護(hù)套的使用壽命為一個(gè)星期左右，約在120－160小時(shí)之間.渣漿泵運(yùn)行到一段時(shí)間后因葉輪的嚴(yán)重磨損被迫停機(jī)檢查，如圖1所示.對(duì)失效的葉輪葉片端部仔細(xì)觀察，可以很容易發(fā)現(xiàn)在葉片上出現(xiàn)許多“魚鱗坑”，越靠近葉輪出口，魚鱗坑越多，如圖2所示，這是典型的固液兩相流的磨損結(jié)果［1］.葉片失效形式為厚度減薄嚴(yán)重，葉片下部靠出水邊呈魚鱗坑并有穿孔.

圖1 渣漿泵葉輪失效外貌

圖2 葉輪邊緣的魚鱗坑

對(duì)渣漿泵葉輪的失效形式和工況分析判斷的磨損機(jī)制主要為沖蝕磨損和磨粒磨損.沖蝕磨損是指材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象.其定義可以描述為固體表面同含有固體粒子的流體接觸做相對(duì)運(yùn)動(dòng)其表面材料所發(fā)生的損耗.在微觀上可以概括為以下幾個(gè)方面:沖擊粒子的切削作用、材料加工硬化最后發(fā)生斷裂、沖擊時(shí)表面唇狀物或其它凸起部分發(fā)生斷裂.由于沖蝕形成了極端不平的表面形貌，表面吸收大部分沖擊能都轉(zhuǎn)化為表面能耗散在材料內(nèi)部.從此渣漿泵葉片的失效特征上看，沖蝕磨損占主導(dǎo)地位.

2 化學(xué)成分及金相組織分析

采用化學(xué)法分析得到渣漿泵葉輪化學(xué)成分(wc%)，如表1所示.

表1 渣漿泵葉輪元素成分組成

由此元素成分可知WARMAN泵葉輪材料采用的是Cr26高鉻鑄鐵材料.通常工程上，根據(jù)需要先決定材料的含鉻量，然后再相應(yīng)地確定含碳量，此時(shí)應(yīng)遵循的原則是碳量必須低于共晶成份，亞共晶成份高鉻鑄鐵共晶點(diǎn)的碳量隨w(Cr)量的增加而降低，共晶碳量可參考下面的經(jīng)驗(yàn)公式.

式中，w(CE)—共晶碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，w(Cr)—含鉻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).

利用公式(1)可以計(jì)算出該葉輪的共晶碳量為:

此渣漿泵葉片的含碳量低于共晶碳量，因此可以從成分上判斷為亞共晶成份高鉻鑄鐵材料.

將從失效葉輪上截取的試塊制成金相試樣后通過磨制、拋光、浸蝕(硝酸酒精腐蝕)，最后在顯微鏡下觀察其顯微組織，結(jié)果如圖3所示.

顯微組織分析表明，失效葉輪的顯微組織由黑色馬氏體基體組織和白色M7C3型碳化物組成.當(dāng)承受較低沖擊載荷時(shí)，在抵抗沖擊磨粒磨損過程中起主要作用的是(Fe，Cr)7C3型碳化物，基體主要起支撐碳化物的作用［2－4］.如圖3(e)(f)所示，碳化物中出現(xiàn)了粗大的過共晶初生碳化物，這些初生碳化物在基體組織上呈板條狀、規(guī)則的六角形分布，菱形和六角形的初晶碳化物為粗條片碳化物的橫斷面，在某些初生碳化物上存在小孔洞和細(xì)小裂紋，且孔洞內(nèi)充盈了金屬.這種碳化物對(duì)抗磨料磨損和沖蝕磨損有不利影響，其脆性易導(dǎo)致其碎裂剝落.由于其碳化物明顯偏大，且存在較多板條狀碳化物，容易割裂馬氏體基體，影響材料的沖擊韌性.因此可以考慮加入適量釩鈦稀土復(fù)合變質(zhì)劑，可以細(xì)化基體，另外由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物擇優(yōu)長大的方向上，可使碳化物的形態(tài)有目前較多的長條形轉(zhuǎn)為彌散分布的團(tuán)塊狀，從而降低對(duì)基體材料的割裂作用，提高葉輪的綜合力學(xué)性能.

圖3 葉輪金相組織

也有文獻(xiàn)指出采用過共晶高鉻鑄鐵能得更好的宏觀硬度，良好的沖擊韌度，但C含量的提高降低了馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度和淬透性，殘余奧氏體量的增加和淬透性降低并不利于此較大尺寸的葉片零件［5］.

3 磨損試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步研究其磨損機(jī)理，篩選合適的抗磨蝕材料，必須把實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)真機(jī)試驗(yàn)研究結(jié)合起來，為此采用CMY－40型合金耐磨沖刷腐蝕強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)按ASTM B611－85標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件，確定對(duì)渣漿泵的實(shí)際工況進(jìn)行模擬所采用的最佳砂漿比.其中磨料采用棕剛玉沙粒，目數(shù)為30目，砂漿質(zhì)量濃度分別為40%、50%和60%.根據(jù)砂漿濃度比制備多份單位氧化鋁和水的混和液，倒入研磨液直到液面高度距鋼輪中心線為25mm時(shí)停止倒入.鋼輪轉(zhuǎn)數(shù)500轉(zhuǎn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在實(shí)驗(yàn)室條件下采用30%砂漿比的試驗(yàn)條件下，只有極少部分沙子攪動(dòng)到試樣表面，魚鱗坑及沙粒劃痕面積小，試樣表面沙粒的磨損量偏小，不符合實(shí)際工況條件;50%砂漿比試樣表面磨損較嚴(yán)重，如圖5所示磨損量大，但磨損面較光滑，由于沙粒不易被水流帶動(dòng)，進(jìn)入鋼輪和試樣之間磨損面，因此磨損量主要是由于鋼輪和試樣之間產(chǎn)生的，不符合實(shí)際工況.而40%砂漿比的基本能夠保證在試樣表面存在較多的沙粒沖蝕磨損，且與實(shí)際工況的礦漿質(zhì)量濃度為33%～41%較為接近，因此，可以確定此砂漿濃度為實(shí)驗(yàn)室模擬車河選礦廠的渣漿泵葉輪的試驗(yàn)條件，便于開展下一步的工作.

圖4 磨損試驗(yàn)機(jī)

圖5 磨損量和砂漿比的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)目前進(jìn)口的WARMAN渣漿泵葉片的成分是亞共晶成份高鉻鑄鐵，磨損機(jī)制主要為沖蝕磨損為主，并存在磨粒磨損.

(2)金相組織中存在較大的初生長條形碳化物，容易割裂馬氏體基體，影響材料的沖擊韌性，是葉輪失效的主要原因.可以考慮加入適量釩鈦稀土復(fù)合變質(zhì)劑來細(xì)化碳化物及改善其形貌，以提高使用壽命.

(3)按ASTM B611－85標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件，可以采用40%砂漿濃度為實(shí)驗(yàn)室模擬此渣漿泵葉輪的工況條件，為后續(xù)材料國產(chǎn)化提供實(shí)驗(yàn)支持.

［1］劉娟，許洪元，唐澍，等.固液沖蝕部件表面波紋狀磨損形貌的成因探討［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，(2):144－148.

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TG146.2

A

1008－4681(2012)02－0024－02

2012－02－14

2010年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2010－376);湖南省教育廳科研項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):10C0418);長沙市科技計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):K110707－11).

劉煜(1978－)，男，湖南長沙人，長沙大學(xué)機(jī)電工程系副教授，碩士.研究方向:材料成型及控制工程.

(作者本人校對(duì))