潘永泰 陳華輝

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

煤矸石分級(jí)破碎設(shè)備所用破碎齒材料的研究與效果評(píng)價(jià)

潘永泰 陳華輝

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

煤矸石是當(dāng)前我國排放量最大的工業(yè)固體廢物之一，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤矸石的資源化利用，變廢為寶，破碎作業(yè)是至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。本文針對(duì)具有先進(jìn)的工藝與技術(shù)性能的分級(jí)破碎設(shè)備的破碎齒材料所需的綜合機(jī)械性能，從材料設(shè)計(jì)、熱處理工藝確定、金相分析、機(jī)械性能檢驗(yàn)、耐磨試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)等多方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。最終得到了強(qiáng)度和韌性都很好的下貝氏體金相組織，在綜合機(jī)械性能得到全面提高的同時(shí)，耐磨性能較現(xiàn)用材料提高31%。

煤矸石 分級(jí)破碎設(shè)備 破碎齒材料 研究 效果評(píng)價(jià)

煤矸石是當(dāng)前我國排放量最大的工業(yè)固體廢物之一。從煤炭開采來看，生產(chǎn)煤炭1億t，排放矸石約1400萬t。從煤炭洗選加工來看，洗選煉焦煤1億t，排放矸石約2000萬t；洗選動(dòng)力煤1億t，排放矸石約1500萬t。按照國家統(tǒng)計(jì)局最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011年我國原煤產(chǎn)量為35.2億t，原煤入選率按照51%計(jì)算，每年將產(chǎn)生大量的煤矸石。煤矸石堆存占用土地、污染環(huán)境，但如果根據(jù)煤矸石的有用成分對(duì)其加以綜合利用，可以用于制磚、生產(chǎn)水泥、電廠發(fā)電等領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)變廢為寶，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤矸石的資源化利用。煤矸石的資源化利用過程中破碎作業(yè)是至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。

分級(jí)破碎是近些年來出現(xiàn)的一種全新理念的破碎技術(shù)。該技術(shù)通過對(duì)破碎齒型和齒的布置及安裝形式的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒度組成的入料進(jìn)行通過式、選擇性破碎，只對(duì)大于粒度要求的物料進(jìn)行破碎，而符合粒度要求的物料直接通過，從而達(dá)到破碎、分級(jí)同時(shí)完成的目的。

作為設(shè)備的核心部分破碎齒，既要求有較強(qiáng)的耐磨性、又要求有較好的韌性和可加工型。本文對(duì)破碎齒的材料配方及熱處理方案進(jìn)行深入研究，并模擬分級(jí)破碎設(shè)備在破碎煤矸石時(shí)的作用方式，設(shè)計(jì)制造模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)。

1 破碎齒失效形式分析

破碎齒輥向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)，利用剪切、擠壓、撕裂等破碎作用來破碎物料，破碎齒直接與煤炭、矸石、巖石等物料接觸，工作過程中承受剪切力、壓力以及較大的沖擊載荷，在這一過程中將受到一定的磨損，如圖1所示。

圖1 分級(jí)破碎機(jī)破碎齒輥內(nèi)（外）旋轉(zhuǎn)示意圖

1.1 破碎齒磨損

1.1.1 磨粒磨損

破碎齒在破碎物料過程中，煤矸石等礦物與破碎齒表面之間產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，帶有銳利棱角并且具有合適迎角的礦物能切削破碎齒的表面形成微切削；如果礦物不夠尖銳或刺入破碎齒表面的角度不適當(dāng)，則會(huì)在破碎的表面擠出犁溝，隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，礦物反復(fù)對(duì)破碎齒表面推擠，產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形流動(dòng)，使得表面下層塑性發(fā)生相互作用，導(dǎo)致塑變區(qū)內(nèi)位錯(cuò)密度增加，導(dǎo)致變形材料表面產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展，破碎齒表面形成薄片狀磨屑。

礦物中存在腐蝕性的介質(zhì)與破碎齒表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而造成表層腐蝕，機(jī)械性能下降，并使表層金屬與機(jī)體材料的結(jié)合力降低，也加快了材料表層的磨損。

1.1.2 熱疲勞磨損

破碎齒在破碎物料過程中，承受較大的沖擊載荷，為了分析其對(duì)破碎齒表層的破壞，可將沖擊載荷分解成法向力和切向力。法向力和切向力通過接觸點(diǎn)作用傳遞到破碎齒次表層，在這些力的作用下，破碎齒表面較硬的微凸點(diǎn)將發(fā)生變形，反復(fù)擠壓導(dǎo)致附近軟表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)并在破碎齒亞表面形成積累。同時(shí)破碎齒在破碎物料過程中，由于磨損發(fā)熱使破碎齒磨損表面產(chǎn)生一定的溫度，而破碎齒破碎物料過程是周期性的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故升溫是交變的，當(dāng)破碎齒接觸礦物時(shí)升溫，離開礦物時(shí)降溫，使破碎齒頂部產(chǎn)生回火，硬度下降，加速了破碎齒的磨損。由于破碎齒表層溫度不斷變化，材料表層進(jìn)一步軟化，導(dǎo)致塑變區(qū)內(nèi)出現(xiàn)波浪式塑性流動(dòng)和位錯(cuò)密度增加，反復(fù)的彈性變區(qū)，又使位錯(cuò)集中，繼而在表層出現(xiàn)微裂紋。

1.2 破碎齒折斷

破碎齒破碎物料時(shí)在沖擊載荷的作用下，表面處于高壓應(yīng)力狀態(tài)。若遇到礦物中堅(jiān)硬的物料，在破碎齒與礦物接觸不良處承受較高的剪應(yīng)力，處于拉應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)拉應(yīng)力超過破碎齒的許用強(qiáng)度時(shí)就容易引起齒身折斷或齒頭碎裂。尤其是破碎齒尖在線速度為3～5m/s的高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，遇到一些大型鐵器，破碎齒瞬時(shí)受到的折斷力非常大。另外，破碎齒內(nèi)部鑄造缺陷也是造成破碎齒折斷的主要原因。

2 材料設(shè)計(jì)

綜上所述，對(duì)于破碎齒的要求為：能承受較大的剪切、擠壓力，滿足破碎強(qiáng)度大于250MPa的物料時(shí)所需要的抗拉、抗剪等機(jī)械強(qiáng)度；保證在承受包括鐵器在內(nèi)等硬物料的強(qiáng)烈沖擊載荷的情況時(shí)破碎齒整體完好，不會(huì)出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象；破碎齒要具有很好的耐磨性能，最大限度地延長(zhǎng)其使用壽命；破碎齒要滿足所需的機(jī)加工性能和磨損后現(xiàn)場(chǎng)堆焊修復(fù)的要求。

2.1 組織確定

工作過程中，破碎齒尖部受到較大的沖擊滑動(dòng)磨粒磨損，齒尖部表面常出現(xiàn)各種犁溝、變形，造成表面材料磨損或脫落。因此，材料本身應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、硬度，還必須具有足夠的塑性和韌性。板條狀馬氏體和貝氏體都具有較高的強(qiáng)韌性配合，在硬度相同的情況下貝氏體組織的耐磨性明顯優(yōu)于馬氏體，貝氏體的力學(xué)性能取決于貝氏體的組織形態(tài)，因此貝氏體的強(qiáng)度和韌性與形成溫度有關(guān)，上貝氏體的強(qiáng)度和韌性低于下貝氏體，下貝氏體中鐵素體針細(xì)小、分布均勻，在鐵素體內(nèi)又析出細(xì)小、大量彌散的碳化物，加之鐵素體內(nèi)含碳量高，過飽和度大，有高密度的位錯(cuò)，因此，下貝氏體不但強(qiáng)度高，而且韌性也好。故下貝氏體是破碎齒材料的理想組織。

2.2 性能與成分的確定

20世紀(jì)30年代初，美國人E·C·Bain發(fā)現(xiàn)的貝氏體是低合金鋼在中溫等溫下獲得的，因此低合金鋼是我們研究的目標(biāo)，它具有較好的耐磨性和較高的強(qiáng)度及韌性。其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中除滿足力學(xué)性能、焊接性能、抗裂性、耐腐蝕、抗應(yīng)力等性能指標(biāo)外，還須注意選取適宜的合金成分，達(dá)到如下要求：足夠的淬透性以保證足夠的耐磨層深度；得到強(qiáng)而韌的貝氏體，尤其是下貝氏體；嚴(yán)格控制碳當(dāng)量，以免增加淬裂傾向；盡量減少使用貴金屬，以降低生產(chǎn)成本；抗拉強(qiáng)度Rm≥1500MPa，沖擊功KU2≥25J，伸長(zhǎng)率A≥4%，洛氏硬度HRC≥44。

為提高材料的綜合性能及焊接、耐腐蝕等性能，應(yīng)加入碳化物形成元素鉻（Cr）、錳（Mn）、鉬（Mo），同時(shí)這3種元素也能顯著提高材料的硬度和耐磨性；為提高材料的韌性、塑性和淬透性，降低斷面的敏感性，加入鎳（Ni）；為了改善加工性能及鐵水的流動(dòng)性，加入硅（Si）；為了細(xì)化晶粒和改善組織，達(dá)到提高材料性能的目的，向液態(tài)金屬中加入某些變質(zhì)劑，如錸（Re）、硼（B）等。

根據(jù)上述原則設(shè)計(jì)3組成分進(jìn)行力學(xué)、金相以及磨損等試驗(yàn)研究，采用相同的熱處理工藝，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果從中選擇最佳方案。

3 試樣制備

3.1 試樣鑄造

微合金元素在鋼中有很多重要作用，多元適量、復(fù)合加入會(huì)使鋼的性能得到更好的綜合效果，實(shí)驗(yàn)將綜合考慮Mn、Ni和稀土元素對(duì)鋼的綜合性能的影響。

將普碳鋼按計(jì)算成分進(jìn)行配料，該實(shí)驗(yàn)鋼在500kg中頻爐中熔煉，所有試樣經(jīng)感應(yīng)爐熔煉為合金鋼水并直接砂型鑄造制備基爾試塊，最終成分利用日本理學(xué)ZSX Primus II X射線熒光光譜儀進(jìn)行成分分析。力學(xué)性能試棒在基爾試樣上截取，制取沖擊及拉伸試樣，每種成分均制取3組試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。

3.2 加工前預(yù)熱處理

為降低硬度，改善加工性能以及消除鑄鋼組織中的偏析、晶粒粗大等缺陷，采用球化退火對(duì)低碳合金鋼鑄件進(jìn)行退火處理，其工藝為：先加熱至300℃，保溫1h；再加熱至600℃，保溫1h；然后繼續(xù)加熱到880±10℃，保溫4h；最后隨爐緩冷至500℃出爐空冷。

3.3 最終熱處理

鑄件退火后，粗加工，淬火回火：入爐先加熱至300℃，保溫1h；再加熱至600℃，保溫1h；最后升溫至890℃，保溫3h；淬油，360℃回火3.5h，冷卻后精加工到位。

經(jīng)球化退火得到的是球狀珠光體組織，內(nèi)部滲碳體呈球狀顆粒、細(xì)小、均勻，彌散分布在鐵素體基體上，和片狀珠光體相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加熱時(shí)，奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大，冷卻時(shí)工件變形和開裂傾向小，淬火后的強(qiáng)度提高。

4 力學(xué)性能

4.1 拉伸性能

拉伸試驗(yàn)在日本進(jìn)口島津AG－250高精度電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 3種材料試樣的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可見：3種材料的抗拉強(qiáng)度均超過了設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)用材料，1＃伸長(zhǎng)率不符合設(shè)計(jì)要求，該材料的韌性不夠理想，使用過程中容易折斷。

4.2 沖擊性能

沖擊試驗(yàn)為取3個(gè)U型缺口試樣：1＃、2＃和3＃，在2mm擺錘刀刃下做出的沖擊吸收能量數(shù)據(jù)，其沖擊功數(shù)據(jù)分別為26.5J、15J和29J。3個(gè)試樣的沖擊功數(shù)值相對(duì)于軋態(tài)樣品來講都不是很高，主要是因?yàn)樵嚇哟嬖阼T造缺陷，大型的夾雜物以及鑄造氣孔都可能是其性能降低的主要原因；其中2＃試樣的沖擊功數(shù)據(jù)不理想，韌性差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，除內(nèi)部存在鑄造缺陷外，與其Mn含量較高以及沒有添加稀土元素有關(guān)。另外兩種試樣符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 硬度

洛氏硬度是在美國力可公司生產(chǎn)的LR－1E洛氏硬度計(jì)上測(cè)得的，分別取3個(gè)式樣：1＃、2＃和3＃，每個(gè)試樣測(cè)量3次，分別取平均值為47.9 HRC、47.1HRC和48.8HRC。試樣硬度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但考慮到材料的機(jī)加工性能，可適當(dāng)延長(zhǎng)回火時(shí)間，以降低硬度，保證材料的可加工性能。

5 金相組織

5.1 金相組織及夾雜物分析

采用日本奧林巴斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為OLYMPUS－PMG3的金相顯微鏡和日本日立公司生產(chǎn)的型號(hào)為S－4800的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的金相組織，同時(shí)采用美國熱電公司生產(chǎn)的型號(hào)為Noran7的能譜儀對(duì)試樣夾雜物成分元素種類與含量進(jìn)行分析。3＃試樣金相組織×200見圖2，3＃試樣金相組織×200見圖3，3＃試樣夾雜物缺陷及成分分析見圖4。

由圖2～圖4可以看出，3＃樣品由于Mn、Ni組合適當(dāng)，其金相組織為較理想的下貝氏體組織，下貝氏體具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性，硬度和耐磨性也很高，缺口敏感性和脆性轉(zhuǎn)變溫度較低，是一種理想的淬火組織，具有很高的實(shí)用價(jià)值。稀土元素的加入改善了其夾雜物形態(tài)和上浮性能，從而使鑄造性能改善，是具有較高利用價(jià)值的熱處理工藝。

圖4 3＃試樣夾雜物缺陷及成分分析

5.2 斷口分析

為了分析研究材料破壞的原因，對(duì)沖擊和拉伸的斷口形貌進(jìn)行了宏觀和顯微分析，斷口宏觀形貌采用瑞士萊卡公司生產(chǎn)的型號(hào)為M125的體視顯微鏡觀察，微觀形貌采用日本日立公司生產(chǎn)的型號(hào)為S－4800的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察，同時(shí)采用美國熱電公司生產(chǎn)的型號(hào)為Noran7的能譜儀對(duì)韌窩夾雜物成分元素種類與含量進(jìn)行分析。3＃試樣沖擊斷口宏觀形貌見圖5，3＃試樣沖擊斷口微觀形貌SE（M）×4000見圖6，3＃試樣拉伸斷口宏觀形貌見圖7，3＃試樣拉伸斷口微觀形貌SE（M）×2000見圖8。

由圖5～圖8可看出，3＃樣品其拉伸和沖擊斷口形態(tài)正常，呈韌窩結(jié)構(gòu)，為韌性斷裂，夾雜物尺寸較少，呈球形，其下貝氏體組織使其具有良好的強(qiáng)韌性，稀土元素又使其鑄件性能改善，其工藝有較好的應(yīng)用前景。

6 磨損試驗(yàn)

6.1 磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦副形式見圖9。

煤矸石破碎機(jī)實(shí)際工況中破碎齒的磨損主要是煤矸石對(duì)其產(chǎn)生帶有沖擊的磨料磨損。現(xiàn)以MLG－130型干砂橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)為原型，進(jìn)行如下改造：取消磨料砂斗，采用砂輪代替橡膠輪與試塊摩擦，砂輪線速度為3～4m/s（變頻調(diào)速），基本相當(dāng)于破碎齒與煤矸石的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；伴有周期的沖擊（杠桿臂周期加力），主要是模擬煤矸石對(duì)破碎齒形成的沖擊。設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)機(jī)工作原理如圖10所示，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

磨損試驗(yàn)結(jié)果表明：3種配方材料的耐磨性都比現(xiàn)用材料有大幅度提高，其中3＃材料的壽命最好，比現(xiàn)用材料的耐磨性提高了31%。檢查磨損后的試樣，磨損正常、無裂紋、無變形。

表2 試樣磨損3分鐘后的結(jié)果對(duì)比

7 結(jié)論

（1）本文針對(duì)煤矸石分級(jí)破碎設(shè)備破碎齒的工作環(huán)境、作用方式和綜合性能要求，針對(duì)性地進(jìn)行了材料設(shè)計(jì)和工藝試驗(yàn)及試樣的耐磨性試驗(yàn)與評(píng)定。

（2）3＃試樣在材料配方方面，以適量的Mn、Si、Cr含量加以較高含量的Mo、Ni以及適量稀土元素，得到強(qiáng)度和韌性都很好的下貝氏體金相組織。試樣性能為：抗拉強(qiáng)度為1630MPa，沖擊功為29J，表面硬度為48.8HRC，耐磨性能通過對(duì)比耐磨試驗(yàn)，較現(xiàn)用材料提高31%，效果明顯。

A study on roll crusher material of coal refuses graded crushing equipment

Pan Yongtai，Chen Huahui
（School of Mechanical Electronic ＆Information Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Coal refuses is currently one of the industrial solid waste in largest emissions amount in China.To achieve the coal refuses resource utilization and making waste profitable，crushing operations play a critical role in technical aspects.This study is about the mechanical functions requirements of roll crusher of graded crushing equipment with advanced technology and technical performance.The research work from several aspects，include materials design，determination of heat treatment process，metallographic analysis，mechanical performance test and abrasion test results and evaluation.The result is lower bainite metallographic structure with more strength and ductility，which improve the overall mechanical functions and abrasion resistance increase 31%.

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TD451

B

潘永泰（1972－），男，河北雄縣人，研究員，博士后。主要從事分級(jí)破碎理論與設(shè)備及固體廢棄物破碎解離的研究工作。

（責(zé)任編輯 孫英浩）