徐海陽 龍波勇 吳金銷 曹 兵 周建華

（1.中鋼天源安徽智能裝備股份有限公司；2.湖南博云東方粉末冶金有限公司）

高壓輥磨機自20 世紀80 年代末問世以來，作為高效粉碎設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于礦山冶金、水泥建材、有色、陶瓷等行業(yè)的超細碎作業(yè)。高壓輥磨機是基于層壓粉碎原理發(fā)展的高效粉碎設(shè)備，物料通過兩輥輥縫時，在液壓系統(tǒng)的作用下兩輥子對物料施加靜載高壓，使物料間相互擠壓、破碎；通過多破少磨實現(xiàn)提產(chǎn)增效，具備破碎比大、粉碎效率高、工藝流程配置簡單、設(shè)備作業(yè)率高、能耗低的優(yōu)點。通常情況下，輥磨機的輥面分為堆焊、合金鑄造、柱釘輥面3種結(jié)構(gòu)形式，其中公認的使用效果最理想的是柱釘輥面，具有使用壽命長、免維護等特點。

目前，國內(nèi)外各大輥磨機廠家都推出了獨特設(shè)計的柱釘輥面，國內(nèi)鐵礦石硬度高、石英含量大，輥磨機柱釘輥面在金屬礦山應(yīng)用過程中不同程度的出現(xiàn)了柱釘斷裂、崩碎等非正常磨損及磨損問題［1］。為此，以國內(nèi)某堅硬磁鐵礦用高壓輥磨機硬質(zhì)合金柱釘?shù)倪x用為例進行應(yīng)用研究。

1 巖石性質(zhì)

國內(nèi)某磁性鐵礦巖石（圖1）宏觀形貌呈淺灰色致密塊狀結(jié)構(gòu)，將巖石切割成50 mm×50 mm×50 mm 標(biāo)準(zhǔn)測試樣，進行成分及抗壓強度分析，結(jié)果見表1。

由表1 可知，該磁鐵礦樣石英含量高達56%，單軸抗壓強度高達150.73 MPa，普氏硬度系數(shù)為15，屬于較堅硬巖石。

磁鐵礦樣可磨性試驗粗碎采用顎式破碎機，細碎采用輥式破碎機，磨礦采用JXGS-1A 三維高速振動球磨機，標(biāo)準(zhǔn)礦石為石英（SiO2含量99.95%，密度2.65 g/cm3，莫氏硬度7.0）。

將石英標(biāo)樣與磁鐵礦石分別用顎式破碎機及輥式破碎機破碎，按粒度大小逐級調(diào)節(jié)破碎機板間距，每破碎1 次，用1 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，取出大于1 mm 物料反復(fù)送入破碎機進行再破碎，直至全部通過1 mm篩。稱取1 mm 篩下樣品100 g 在磨礦設(shè)備中進行10 min 的球磨破碎，用標(biāo)準(zhǔn)篩對磨料進行篩析，然后過濾、烘干、稱重。經(jīng)可磨性測試后，磁鐵礦石和石英標(biāo)樣的磨礦粒度分布曲線見圖2。

將磁鐵礦石磨礦產(chǎn)品中≤0.074 mm 含量與標(biāo)準(zhǔn)礦物石英磨礦產(chǎn)品中≤0.074 mm 含量比值作為礦石可磨性的衡量指標(biāo)，由可磨性檢測結(jié)果（表2）可知，磁鐵礦石可磨性為1.84。

磁鐵礦石結(jié)晶致密，抗壓強度和硬度較高，可磨性較低，對高壓輥磨機硬質(zhì)合金柱釘磨損較大[2]。一般來說，硬質(zhì)合金的耐磨性與硬度有關(guān)，另外在高壓輥磨機擠壓粉碎礦料過程中，硬質(zhì)合金柱釘循環(huán)進出高壓力區(qū)域擠壓礦料，并帶有不規(guī)律的沖擊性［3］，硬質(zhì)合金柱釘受巨大的正壓力、切向力及交變應(yīng)力［4］，這種受力方式引起柱釘產(chǎn)生疲勞斷裂，這就要求高壓輥磨機硬質(zhì)合金柱釘應(yīng)具有較高的硬度和抗斷裂能力。

2 試驗方法及結(jié)果

采用Fsss粒度3.4 μm的市售WC粉按表3分別制備WC-11Co、WC-13Co、WC-15Co 硬質(zhì)合金（編號依次為A、B、C），WC 粉的外觀形貌見圖3，合金WC 平均晶粒度和物理性能見表4，合金金相組織見圖4，這3種合金金相組織中WC晶粒大小分布不均。

由表4 可知，3 種合金的WC 平均晶粒度為1.6 μm，隨Co 含量的增加，合金硬度、抗壓強度降低，抗彎強度變化趨勢無規(guī)律，斷裂韌性依次升高。

分別用A、B、C合金制作100個規(guī)格為φ16 mm×40 mm的柱釘在磁鐵礦的高壓輥磨機上進行現(xiàn)場試驗，經(jīng)過600 h 的帶料負荷運轉(zhuǎn)，柱釘長度磨損量和斷裂數(shù)量見表5。

由表5可知，A合金的長度磨損量為1.1 mm，是B合金長度磨損量的69%，是C 合金長度磨損量的55%，但A合金的斷裂數(shù)量為5個，是B合金柱釘斷裂數(shù)量的2.5倍，C合金的斷裂數(shù)量為0個。

綜上所述，在WC 平均晶粒度一致的情況下，隨著Co 含量的減少，合金的硬度增加，耐磨性增加，但合金斷裂韌性降低，合金在高壓輥磨機運轉(zhuǎn)過程中的斷裂數(shù)量大幅增加。為了提高磁鐵礦柱釘?shù)氖褂脡勖笾斈芡瑫r達到A合金的硬度和C合金的斷裂韌性。

通過高溫還原高溫碳化制備出Fsss 粒度為2.2 μm的WC粉，其外觀形貌見圖5。

由圖5 可見，與市售3.4 μm 的WC 粉相比，高溫還原高溫碳化制備出的WC 結(jié)晶更加完整［5］，粒徑大小均勻。

用高溫還原高溫碳化制備Fsss 粒度為2.2 μm的WC 粉，按WC 含量89%、Co 含量11%制備WC-11Co 合金（編號為D），D 合金晶粒度及物理性能見表6，D 合金的金相組織見圖6，在WC 平均晶粒度一致、Co 含量相同的情況下，D 合金相比A 合金硬度HRA 高0.1，抗彎強度高150 MPa，斷裂韌性高1.6 MPa·m1/2。

由圖6 可見，對比圖4（a）的A 合金金相，D 合金的WC晶粒大小分布均勻。

用D 合金制作100 件規(guī)格為φ16 mm×40 mm 的柱釘在高壓輥磨機上進行現(xiàn)場試驗，經(jīng)過600 h 的帶料負荷運轉(zhuǎn)，D 合金的長度磨損量為1.0 mm，斷裂數(shù)量為0，相比A 合金，耐磨性提高了近10%，抗斷裂性能大幅提高，未發(fā)生柱釘斷裂情況。A 合金和D 合金的裂紋擴展照片見圖7。

由圖7可見，因A合金的WC晶粒大小不均，裂紋沿著細小WC 的晶界擴展，而D 合金的WC 晶粒大小分布均勻，其裂紋的擴展路徑發(fā)生了多次穿晶斷裂。硬質(zhì)合金裂紋的擴展路徑分為穿晶斷裂和沿晶斷裂2種，其中沿晶斷裂主要有沿Co/Co界面、沿WC/Co界面和沿WC/WC 界面3 種形式，WC/WC 的界面結(jié)合強度最弱；穿晶斷裂是指裂紋遇到粗大晶粒時，WC 晶粒在裂紋作用下發(fā)生解離開裂，裂紋穿過粗大晶粒繼續(xù)延伸[6]，穿晶斷裂所需要的能量遠高于沿晶斷裂所需的能量，使得合金具有更高的斷裂韌性。

3 結(jié)論

（1）在WC 平均晶粒度為1.6 μm 的情況下，高壓輥磨機帶料負荷運轉(zhuǎn)中，對于硬質(zhì)合金柱釘?shù)哪p量，Co 含量11%的合金相比Co 含量13%的合金降低了31%，相比Co含量15%的合金降低了45%，隨著Co含量增加，柱釘硬度及耐磨性降低；對于硬質(zhì)合金柱釘?shù)臄嗔褦?shù)量，Co 含量11%的合金是Co 含量13%合金的2.5 倍，Co 含量15%的合金發(fā)生斷裂，隨著Co 含量增加，柱釘?shù)臄嗔秧g性及抗斷裂性能升高。

（2）在Co 含量11%、WC 平均晶粒度1.6 μm 的情況下，WC 晶粒大小分布均勻的硬質(zhì)合金柱釘相比WC晶粒大小分布不均勻的硬質(zhì)合金柱釘，硬度HRA提高0.1，斷裂韌性提高1.6 MPa·m1/2，柱釘?shù)哪湍バ院涂箶嗔研阅芏极@得了提高。

（3）對于f系數(shù)為15、石英含量56%的磁鐵礦，采用高溫還原高溫碳化、粒徑大小分布均勻的WC 制備的Co 含量11%的硬質(zhì)合金柱釘，在硬度HRA 達到88.4、斷裂韌性達到16.8 MPa·m1/2時，既能保證柱釘?shù)哪湍バ?，也能保證柱釘?shù)目箶嗔研阅堋?/p>