第１３卷第４期２００４年１２月
矿冶
ＭＩＮＩＮＧ＆ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
149aa
Ｖ０１．１３，Ｎｏ．４
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００４
文章编号：１００５—７８５４（２００４）０４—００５４—０３
晁建兵１，符寒光２
（１．长安大学工程机械学院，西安７１００６４；２．清华大学机械工程系，北京１０００８４）
摘要：在分析了水泥磨机对研磨体性能要求的基础上，提出了采用低铬抗磨铸铁制造水泥磨机磨 球，详细介绍了磨球化学成分、铸造工艺及热处理工艺。工业试验表明，所研制的磨球除含适量的碳、
硅、锰元素外。还加入少量的铬和微量的硼、稀土及碱土元素，这种低铬铸铁磨球的耐磨性达到锻钢磨球
的５倍，经济效益远高于锻钢球和高铬铸铁球。
中图分类号：ＴＧｌ４３．３：ＴＧｌ４３．９文献标识码：Ａ
ＳＴＵＤＹＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＬＯＷＣＨＲＯＭＩＵＭＣＡＳＴＩＲＯＮＢＡＬＬＳ
ＣＨＡＯＪｉａｎ—ｂｉｎ９１，ＦＵＨａｎ—ｇｕａｎ９２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｃｈａｎｇ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ，７１００６４，Ｃｈｉｎａ；
制作音箱
２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＢｅＯｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｃｅｍｅｎｔｍｉｌｌｆｏｒｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｒｉｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｔｉｓｐｒｏ—ｐｏｓｅｄｔｈａｔｌｏＷｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎｉＳｕｓｅｄｔｏｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｔｈｅｂａｌｌｓｏｆｃｅｍｅｎｔｒａｉｌｌ．ＴｈｅｌＯＷｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎｎｏｔｏｎｌｙｃｏｎｔａｉｎｓｓｕｉｔａｂｌｅａｍｏｕｎｔｓｏｆｃａｒｂｏｎ，ｓｉｌｉｃｏｎａｎｄｍａｎｇａｎｅｓｅ，ｂｕｔａｌｓｏｃｏｎｔａｉｎｓａｓｍａｌｌｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｃｈｒｏｍｉ—ｕｍａｎｄｔｒａｃｅｂｏｒｏｎ，ｒａｒｅｅａｒｔｈａｎｄａｌｋａｌｉｎｅｅａｒｔｈ．Ｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｔｅｓｔｓｈｏｗｓｔｈａｔａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｂａｌｌｓｉｓ５ｔｉｍｅｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｆｏｒｇｉｎｇｓｔｅｅｌｂａｉｌｓ，ａｎｄｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｂｅｎｅｆｉｔｓａｒｅｂｙｆａｒｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｆｏｒｇｉｎｇｓｔｅｅｌｂａｌｌｓａｎｄｈｉｇｈｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎｂａｌｌｓ．
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｌｏｗｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎｂａｌｌ；Ｈａｒｄｎｅｓｓ；Ｉｍｐａｃｔｔｏｕｇｈｎｅｓｓ；Ａｂｒａｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
引言
磨球是水泥工业用球磨机的主要消耗件，随着我国经济的快速发展，水泥行业对磨球的需求量越来越大。自２０世纪８０年代初期以来，我国开始研制和推广应用高铬铸铁磨球，高铬铸铁磨球具有优良的抗磨能力，并有良好的抗冲击疲劳能力，适用于制造水泥球磨机磨球。使用这种磨球可以降低球耗和电耗，提高产量和细度，深受水泥企业欢迎【１，２Ｊ。近年来，随着铬合金价格的持续上涨，高铬铸铁磨球价格也飞速上涨，许多水泥厂难以承受；此外，对于
收稿日期：２００４—０８—１１
作者简介：晁建兵，工程师。
符寒光，博士后。生产高铬铸铁磨球的厂家来说，生产高铬铸铁磨球需要消耗大量的铬铁，铬铁紧缺且价格昂贵，因此，也迫切需要开辟新的途径来开拓市场。在这种背景下，研制一种铬含量少、制造成本低、抗磨能力强、破碎率及剥落率低的磨球是非常必要的。
２水泥磨机对磨球材质性能的要求磨球在磨机内承受由磨球、衬板及研磨物料所组成的三体磨料磨损，磨球的磨损不仅与其本身的硬度有关，还与衬板及被磨物料的硬度有关。根据磨粒磨损基本原理【３］，当金属材料的硬度Ｈｕ比磨料硬度Ｈａ低得多时，则金属急剧磨损；当Ｈｕ＝０．８Ｈａ时，金属材料的磨损速度急剧下降。如果将耐磨系数ｅ作为硬度比Ｈｕ／Ｈａ的函数来研究［即￡＝
万方数据
晁建兵等：低铬铸铁磨球的研究及应用・５５・
厂（Ｈｕ／Ｈａ）］，结果发现：Ｋｔ＝Ｈｕ／Ｈａ＝０．８～１．３范围内，耐磨系数ｅ随磨球硬度提高而升高；Ｋｔ＞１．３时，磨球硬度再提高ｅ升高并不明明显，反而使磨球的韧性下降，破碎率增加。
水泥熟料的显微硬度为４５０～５８０Ｈｖ，混合矿渣中含有硬质颗粒，硬度在４５０～７００Ｈｖ之间，由此推算，选用磨球材质的硬度应在４１２～６７０Ｈｖ之间（相当于４３～５９ＨＲＣ）。此外，磨球除要求有足够的硬度外，还要有一定的韧性，使磨球在较高冲击力和反复冲击下不发生破碎；实践证明，冲击韧性ｎｋ≥６Ｊ／ａｍ２较好。我们研制的低铬抗磨铸铁磨球，设计其宏观硬度为５５～６０ＨＲＣ、口ｋ≥７Ｊ／ａｏ，其中共晶碳化物以（Ｆｅ，Ｃｒ），Ｃ为主，硬度为９００～１２００Ｈｖ，高于水泥熟料的硬度。选用低铬抗磨铸铁制造磨球，其使用寿命必然要比锻钢球、中锰球铁球高，同时与普通白口铸铁相比，它具有较高的强度和韧性。因此，从安全上讲它是可靠的，而且其制造成本介于高铬铸铁与普通锻钢之间，这从经济上讲也是合理的。 ３低铬铸铁磨球化学成分设计
为了使磨球具有一定的硬度并保证有良好的淬透性，磨球中除含有一定量的碳以外，通常还加入一定量的提高淬透性元素，如铬、镍、铜、钼等，通过合适的热处理使硬度和韧性达到最佳配合。但是，
随着全球资源的紧缺，铬、镍、铜、钼等合金价格飞速上涨，在磨球生产中大量加入铬、镍、铜、钼等合金元素将增大磨球生产成本；为此，我们根据磨球的服役条件，选择无镍、铜、钼，少量加入铬，另外还加入微量硼、稀土、碱土等元素来改善磨球的组织和性能。３．１磨球碳含量的选择
碳在低合金白口铸铁中大部分以Ｍ，Ｃ碳化物形式存在，碳含量越高，共晶碳化物数量越多，对耐磨性的提高有利，但冲击韧性将会下降。为保证磨球既具有一定的硬度、又具有一定的韧性，磨球中含碳量控制在２．５％～２．７％为宜。
３．２硅含量的控制
硅是非碳化物形成元素，在白口铸铁中主要固溶于奥氏体基体中，使基体的硬度增加，而韧性降低。硅量过高将对淬透性产生不利影响，因此将磨球硅含量控制在１．０％以下。
３．３锰含量的选择
锰是一种弱的碳化物形式元素。在合金白口铁中，选用锰作为合金元素，主要是为了提高淬透性。但锰在提高淬透性的同时，还能大幅度降低马氏体转变温度，故随着Ｍｎ含量的增加残余奥氏体量也增加。另外，由于锰含量的增加，碳化物也随之增加，使磨球容易碎裂，因此将锰含量控制在１．０％～１．５％。
超声波打磨机３．４铬含量的选择
铬是强碳化物形成元素，加铬后能防止游离石墨产生，保证获得完全白口铸铁组织。铬能使碳化物从普通型渗碳体（Ｆｅ，Ｃ）转变为合金渗碳体（Ｆｅ，Ｃｒ），Ｃ，显著提高碳化物的显微硬度，改善耐磨性。铬的加入亦有利于淬透性的提高，故磨球的铬含量控制在２．２％～２．５％。
３．５硼含量的选择
硼作为微量元素加入钢中，能显著提高钢的淬透性，添加０．００１％Ｂ对提高钢淬透性的效果就相当于添加２％Ｎｉ和０．２％Ｍｏｌ４ｊ。在低铬铸铁中，加入微量硼，可以显著提高铸铁淬透性，改善磨球耐磨性。但硼加入量过多，使材料的脆性增大，综合考虑将硼含量控制在０．００５％～０．０３０％。
３．６稀土一碱土元素加入量的选择
金属液体中夹杂物，特别是硫化物的形状、大小、分布及数量严重地影响金属材料的性能，尤其是塑性和韧性。未经稀土元素变质处理的低铬白口铸铁，夹杂物多为长条形并带有棱角，而且夹杂物数量较多。稀土元素加入金属熔液中具有脱硫、除气的作用，根据稀土夹杂物生成的热力学条件和应用实践，稀土元素与氧和硫的亲和力显著大于锰和铝等，稀土元素容易与氧、硫发生共轭反应，生成小球状的ＲＥ２０２５、ＲＥ２Ｓ３等稀土夹杂物，显著地改善低铬白ＶＩ铸铁性能【５－７３。
另外，铁一碳一铬合金中碳化物的主要类型有Ｍ３Ｃ、Ｍ７Ｃ３、Ｍ２３ｃ６、Ｍ３Ｃ２型。低铬铸铁中共晶碳化物属于Ｍ，Ｃ型，即（Ｆｅ，Ｃｒ），Ｃ具有渗碳体结构，属正交晶系，点阵内溶入部分铬原子。晶体形态为块状、网状，以菜氏体共晶形态存在。Ｍ３Ｃ型碳化物性质硬而脆，受冲击载荷可能发生穿晶断裂或沿晶断裂，这是决定低铬铸铁磨球使用性能的关键所在。对合金白口铸铁而言，改善韧性的关键除了减少和细化夹杂物外，改变共晶碳化物的分布及形态，使碳化物由连续网状分布转变为断续网状分布，由枝晶状形态转变为板条形态，也具有积极的意义。变质处理是改善碳化物形态和分布的重要手段，在变质剂的筛选方面，我们做了大量的研究工作。经过对稀土硅铁合金、钡硅铁合金、硅钙合金、锶钡铁合金、氮化铬铁等变质剂的６８次筛选试验后，确认碱土元
万方数据
・５６・矿冶
素及稀土元素复合变质处理效果最佳。稀土加人量０．１５％～０．２０％、碱土加入量０．１０％～０．１５％时，一次冲击韧性提高６８％，达到７．４Ｊ／ｃｍ２。
４低铬铸铁磨球生产与应用
４．１低铬铸铁磨球生产工艺
低铬铸铁采用冲天炉和电炉双连熔炼，根据现场要求，我们生产的低铬磨球尺寸为≯６０～９０ｒａｍ。低铬铸铁磨球的化学成分控制在下述范围内：２．５％～２．７％Ｃ，０．５％～１．０％Ｓｉ，１．０％～１．５％Ｍｎ，２．２％～２．５％Ｃｒ，０．００５％～０．０３０％Ｂ，０．１５％～０．２０％稀土元素，０．１０～０．１５％碱土元素，Ｐ、Ｓ＜０．０８％。铁水出炉温度１４５０～１４８０℃，出炉前向铁水中加入变质剂，磨球在湿砂型中铸造。
磨球热处理空淬后的金相组织，很大程度上取决于加热温度。加热温度高，二次碳化物的溶入速度将大于析出速度，大量的二次碳化物溶人基体将导致基体中碳含量及合金元素增高，从而导致淬透性增加。根据以上特点，采取９５０℃、９８０℃、１０００℃等不同加热温度进行空淬。当加热温度从９５０℃升高至９８０℃时，硬度稍有提高，冲击韧性上升比较明显，但超过９８０℃宏观硬度随之降低，而冲击韧性仍然有所提高。为了获得硬度和冲击韧性达到最佳配合的低铬铸铁磨球，其加热温度选择在９８０℃左右，其空淬后的组织为共晶碳化物＋马氏体＋弥散分布的二次碳化物。低铬铸铁磨球经９８０℃空淬后，采用２００℃回火４ｈ工艺，主要是消除因淬火而产生的内应力，稳定磨球的组织和性能。
４．２低铬铸铁磨球的工业试验
低铬铸铁磨球在西安某水泥厂磨粉车间的庐２．２ｍ×５．５ｍ开流磨机中进行工业性试验。根据现
场要求，粉磨的物料是水泥生料。磨球于２００４年４月６日装入磨机的粗磨仓，乒５０～９０ｍｍ磨球总重８．７ｔ，随后调整级配补加咖７０ｍｍ磨球５００ｋｇ，于６月７日清仓检查全部磨球，未发现破碎，也没有出现剥落现象，磨球外形保持圆整。随机从５种磨球（声５０、６０、７０、８０、９０ｒａｍ）中各取５０个球进行称重，求得单个平均质量，与装机时称得的新磨球单重（５０个球的平均值）相比较，求得每种磨球的磨损率（磨球失重／新磨球单重的比值），再根据每种磨球的装入量及级配比计算出全仓磨球的单耗为４０９／ｔ生料。
另外，我们对低铬铸铁磨球、高铬铸铁磨球及一般锻钢磨球的经济性进行了比较，具体数据如表１所示。粉磨生料时使用低铬铸铁磨球最经济，而且购买磨球的一次性投资费用也比较低，企业可以承受。与锻钢球相比，每吨低铬铸铁磨球价格高约１４００元，但粉磨生料时研磨体费用只有锻钢球的２９％，应用一段时间后，研磨体消耗量减小带来的经济效益即可弥补更换磨球的费用。此外，低铬磨球在使用中未见破碎、剥落及失圆现象。因此，除了提高粉磨效率、提高产量和降低电耗外，无需经常停机清仓拣球，能明显减轻工人劳动强度，这些优点将对水泥厂产生很大的吸引力。
蜂巢格室表１各种磨球的经济性比较
Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｃｏｎｔｒａｓｔｏｆａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｂａｌｌ磨球种类磨球／（ｇ．单耗ｔ－ｓ）鬻篇：。，鬻萎篙高铬铸铁２５８．００９５００２３８０．３８
pvb边角料低铬铸铁４０５．００４５００１８００．２９
锻钢磨球２００１．００３１００６２０１．００５结论
（１）采用２．５％～２．７％Ｃ、０．５％～１．０％Ｓｉ、１．０％～１．５％Ｍｎ、２．２％～２．５％Ｃｒ的低铬铸铁制造磨球，加入０．００５％～０．０３０％Ｂ、０．１５％～０．２０％稀土和０．１０％－－０．１５％碱土元素进行微合金化处理和变质处理，可提高磨球淬透性，改善磨球的组织和性能。
（２）低铬铸铁磨球应用于水泥磨机上，使用安全、可靠，球耗仅为锻钢球的２０％，粉磨生料时磨球费用只有锻钢球的２９％，具有很好的效果。
参考文献：
［１｝ＷｅｂｅｒＫ，ＲｅｇｅｎｅｒＤ，ＭｅｈｎｅｒＨ，ＭｅｎｚｅｌＭ．Ｃｈａｒａｅｔｅｒｉｚａ—ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈｉｇｈ－ｃｈｒｏｍｉｕｍｃａｓｔｉｒｏｎｓｕｓｉｎｇＭ０８ｓｂａｕｅｒｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，２００１，４６（５）：３９９—４０６．
［２］王均，沈保罗，孙志平，等．水泥磨机用高铬磨球的亚临界处理研究［Ｊ］．铸造设备研究，
２００３（６）：２０—２２．
［３］ＳｔａｃｈｏｗｉａｋＧＢ，ＳｔａｅｈｏｗｉａｋＧＷ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｎｔｈｒｅｅ－ｂｏｄｙａｂｒａｓｉｖｅｗｅａｒ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００１，２４９（３）：２０１—２０７．
［４］ＯｋａｄａＨ，ＭｕｎｅｋｉＳ，ＹａｍａｄａＫ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅ—ｍｅｎｔｓｏｎｃｒｅｅｐｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ９ｃｒ・３．３Ｗ一０．５Ｐｄ—Ｖ，Ｎｂ，Ｎ，Ｂｓｔｅｅｌｓ［Ｊ］．ＩＳＩＪＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００２，４２（１０）：１１６９—１１７４．［５】ＹａｎｇＱｉｎｇｘｉａｎｇ，ＣｕｉＺｈａｎｑｕａｎ，Ｌｉａｏ１３０．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒａｒｅｅａｒｔｈｅｌｅｍｅｎｔｓｏｎｇｒｏｗｔｈｄｙｎａｍｉｃｓｏｆａｕｓｔｅｎｉｔｅｉｎ６０ＣｒＭｎＭｏｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｊ．ｏｆＲａｒｅＥａｒｔｈｓ，１９９９，１７（１）：４６—４９．
［６］杜忠泽，符寒光．变质处理钨合金白口铸铁的研究［Ｊ］．矿冶，２００３，１２（２）：７７—７９．
［７］王琦，杜建铭．多元低合金贝氏体铸钢的研究和应用［Ｊ］．矿冶，２００４，１３（２）：５３—５６．
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