球磨機用的高鉻鑄鐵磨球鑄造工藝方法

球磨機是冶金礦山、建材水泥、電力化工等行業(yè)粉料生產(chǎn)與加工的主要設(shè)備，球磨機工作過程中，其磨球作為終端產(chǎn)品，屬于主要易磨損件，其使用量大，對使用成本影響極大，一直備受人們的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅國內(nèi)每年消耗磨球量就達到150萬t左右，而且每年的需求量在以15%的速度遞增；國際市場每年磨球需求量在500萬t以上。因此，研制出性能穩(wěn)定、磨耗低和長壽命磨球，不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且還能有效地降低生產(chǎn)成本和能耗，節(jié)約有限資源，具有極高的經(jīng)濟價值和社會效益。

1、磨球失效形式

1.1、磨球的性能要求

就磨球在球磨機的運動方式來看，其主要運動有滾動和撞擊。即磨球在球磨機運轉(zhuǎn)過程中，承受小能量多次沖擊疲勞與磨料磨損。根據(jù)磨球工況服役特點，在材質(zhì)選擇上應(yīng)綜合考慮如下要求：

（1）磨球必須有較長的使用壽命，材料就應(yīng)具有較高的抗磨性能，即材料具有較高的硬度；

（2）磨球在球磨機轉(zhuǎn)動過程中，隨物料上升到一定高度后下落，直接沖擊到其他磨球。為防止磨球破碎，材料應(yīng)具較好的沖擊韌性；

（3）磨球主要承受小能量多次沖擊的沖擊疲勞，必須防止磨球剝落和開裂，材料應(yīng)具有較好的沖擊疲勞抗力。

綜合現(xiàn)有的技術(shù)文獻和現(xiàn)場使用調(diào)研可知，磨球的發(fā)展方向：①應(yīng)減少B、Mo、Ni、W、Cu等合金元素比重，降低生產(chǎn)成本；②通過降低含碳量來獲得較好的韌性和亞共晶鑄鐵，以提高高鉻鑄鐵的抗沖擊性能。通過對高鉻鑄鐵優(yōu)選材料配方，調(diào)整鑄造熔煉工藝，結(jié)合合理的熱處理方法，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)和使用成本的有效工藝措施。

1.2、磨球失效形式

通過對磨球的實際使用現(xiàn)場的調(diào)研分析可知，造成磨球失效的主要原因如下：

（1）在磨球工作過程中，由球磨機的破碎原理可知，其主要是通過球磨機自身的旋轉(zhuǎn)引起裝于內(nèi)部磨球滾動和相互沖擊來對物料進行破碎。因此，對磨球來講主要承受小能量多次沖擊以及因磨球球體破碎、剝落下的硬度較高的碎片與磨球之間沖擊和摩擦，產(chǎn)生沖擊疲勞磨損和磨料磨損；

（2）受球磨機設(shè)備本身結(jié)構(gòu)尺寸影響，球磨機自身直徑越大，磨球之間沖擊勢能越大。磨球和磨球、磨球與球磨機內(nèi)部的襯板的沖擊程度越嚴重，磨球也越容易發(fā)生沖擊疲勞磨損和破碎。因此，對于提高磨球抗沖擊疲勞能力并不是只是提高材料強度、韌性和塑性，而是綜合調(diào)整強度、韌性和塑性之間的關(guān)系；

（3）球磨機在運轉(zhuǎn)過程中，磨球和磨粉料在磨球機下半部分形成混合物料，在離心力的作用下，混合物料貼著襯板，沿著球磨機轉(zhuǎn)動方向到達一定高度后，拋砸到球磨機底部磨球和粉料，粉料受到?jīng)_擊磨損；部分磨球在向上過程中較早沿著襯板下滑，產(chǎn)生切削和鑿削磨損；混合物料底部產(chǎn)生擠壓磨損。顯然，磨球磨料磨損是多種磨損機理的組合。

總之，磨球在工作過程中，其主要的失效形式有破碎、剝落失圓和磨損。

2、磨球的鑄造方法

2.1、化學(xué)成分的選擇

（1）碳：含碳量是決定高鉻鑄鐵磨球硬度和韌性的重要因素。在一定范圍內(nèi)，含碳量越高，碳化物體積百分比就越大，硬度越高，耐磨性能越好。但碳量過高，碳化物粗大，造成磨球的韌性差，其抗沖擊疲勞能力降低，容易造成磨球破碎。同時，磨球在磨料滾動和滑動的作用下，易于產(chǎn)生切削和碾壓形成細微裂紋，隨著裂紋萌生并不斷擴展，最終就會導(dǎo)致磨球材料剝落。因此含碳量過高，磨球耐磨性能反而下降。一般應(yīng)將含碳量控制在2.0%~2.8%。

（2）鉻：鉻含量主要決定碳化物類型和形態(tài)，它可以提高耐腐蝕磨損性能。鉻和碳的含量只有控制其在合金中產(chǎn)生一定量的M7C3類型的碳化物，且以該類型碳化物為主體，才能獲得高的耐磨性能。當Cr/C>4時，共晶碳化物大多數(shù)呈（Cr，F(xiàn)e）7C3型。

當含碳量相同時，鉻含量越高，共晶碳化物的數(shù)量越多，高鉻鑄鐵磨球硬度就越高。但隨著鉻含量的提高，鐵水的流動性降低，磨球冷裂傾向增大，韌性降低，磨球易破碎，同時鉻屬于貴重金屬，過多地增加鉻造成磨球成本提高，試驗結(jié)果表明：鉻含量一般應(yīng)控制在12%~15%最佳。

（3）稀土元素：高鉻白口鑄鐵經(jīng)變質(zhì)處理后可改變碳化物形態(tài)和分布，強化基體組織，提高高鉻白口鑄鐵韌性。研究結(jié)果表明：在眾多的變質(zhì)劑材料中，稀土硅鐵合金是一種最有效的變質(zhì)劑，稀土硅鐵合金能夠改善高鉻鑄鐵鑄態(tài)組織，細化晶粒，提高材料的韌性。同時還具有很強的脫氧脫硫作用，對鐵水起到凈化作用，降低鐵水中氣體和有害夾雜物含量，提高鐵水流動性和韌性。

稀土硅鐵合金還具有細化初生奧氏體晶粒，細化碳化物的作用。經(jīng)稀土元素變質(zhì)處理后，碳化物形狀由連續(xù)網(wǎng)狀變成斷網(wǎng)狀或弧立粒狀分布，從而使高鉻鑄鐵沖擊韌性提高1倍左右。稀土元素使共晶轉(zhuǎn)變的相對過冷度增加，高鉻白口鑄鐵共晶凝固范圍增大，使碳化物呈團塊狀，組織性能得到提高。研究表明，稀土元素雖然對高鉻白口鑄鐵中的碳化物的形態(tài)、數(shù)量及奧氏體晶粒間距無顯著影響，但減少了雜質(zhì)，改善了夾雜物的組成和形態(tài)。另外，適量的稀土還能凈化晶界，削弱在晶界上偏聚的某些元素的不利影響，增強奧氏體和碳化物結(jié)合，提高磨球抗裂紋的萌生和延展的能力。生產(chǎn)中稀土硅鐵合金最佳的控制范圍應(yīng)為0.5%~1.2%。

（4）硅：硅是非碳化物形成元素，硅固溶于基體組織中，使奧氏合格的含碳量降低，冷卻后形成鐵素體，顯著降低了高鉻鑄鐵的流傳透性。但加入適量的硅鐵合金，能夠起到脫氧作用，同時硅鐵的加入有利于增加鐵水的流動性。因此一般應(yīng)將硅控制在0.7%~1.0%。

（5）錳：錳和硅的作用正好相反，是一種強烈提高流傳透性的元素，當它和鉬元素同時使用時能顯著提高合金淬透性。錳在合金中主要起到穩(wěn)定碳化物的作用，同時它又能有效地穩(wěn)定奧氏體元素，但如果含錳量過高，會明顯阻礙奧氏體的轉(zhuǎn)變，增加殘余奧氏體含量，因此高鉻白口鑄鐵必須嚴格控制殘余奧氏體量。研究結(jié)果表明：錳含量必須控制在0.6%~0.9%。（6）鉬：鉬能顯著提高高鉻鑄鐵的淬透性，對白口鑄鐵靜態(tài)和淬火過程珠光體的形成起到抑制作用，改善耐磨性。同時少量的鉬能細化晶粒和提高碳化物的顯微程度。有資料指出，加入鉬后，若體組織局部產(chǎn)生軟相，硬度有所下降，而沖擊韌性和耐磨性顯著提高。在高鉻鑄鐵中，通過加入釩強化碳化物，使得材料硬度提高，但沖擊韌性下降，加入鉬后，可以提高沖擊韌性而彌補加入釩導(dǎo)致的性能下降。因此，鉬是高鉻鑄鐵比較理想的添加元素，一般將鉬含量控制在0.5%~3.0%。

（7）釩：釩可穩(wěn)定碳化物元素，減少粗大的柱狀晶體組織，并可以使白口組織細化，達到增加白口深度。因此釩能明顯提高高鉻鑄鐵硬度耐降低韌性，通常為改善磨球性能在合金中加入0.1%釩。

（8）鎳：鎳在高鉻鑄鐵中主要形成固深體，且不溶于碳化物，提高材料的淬透性。鎳含量一般控制在0.7%~1.0%。

（9）銅：適量的銅能改變高鉻鑄鐵碳化物的形態(tài)和分布，細化碳化物，從而顯著提高材料硬度和韌性。同時銅還具有細化組織晶粒，強化基體的作用，使網(wǎng)狀碳化物斷裂，提高材料的強度、韌性、耐蝕性和耐磨性。當銅與鉬一起使用時，能進一步提高淬透性，可以使鉬含量降低。銅的含量一般控制在0.8%~1.2%。

2.2、鑄造工藝簡介

為了保證磨球質(zhì)量，提高產(chǎn)品出品率，應(yīng)制定合適的鑄造工藝，本工藝采用金屬型模具生產(chǎn)，具體生產(chǎn)規(guī)程如下：

（1）出氣孔的設(shè)置與模具預(yù)熱

用5mm×5mm×7mm方條鋼鑲?cè)虢饘傩湍＞弑趁媲蚰A構(gòu)成出氣孔，它既可以排氣又能防止鐵水從氣孔溢流金屬液；也可用捻成φ4~6mm石棉繩來形成出氣孔，其塞入長度約為出氣孔長度的2/3，線繩不能塞得過緊，否則無法出氣，也不能太松，防止鐵水擠出。在生產(chǎn)之前，金屬型模具應(yīng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度為250~300℃，保溫時間4h左右。

（2）制芯

制芯前應(yīng)將型板和金屬型球模砂粒清掃干凈。制上芯時，型砂要與內(nèi)澆道搗實，砂套部分要松而不散，外澆口型砂和金屬型澆口需圓滑過渡，呈喇叭形，以利于鐵水澆注；制下芯，只需將型砂搗固即可。

（3）涂料與噴涂

模具預(yù)熱好后，用調(diào)配好的水基涂料（涂料和水按1:10~15比例混合攪拌），均勻地噴涂在球模內(nèi)部球窩中，噴涂厚度以0.1~0.3mm為宜。將上述涂料用噴槍在適當距離進行霧狀噴涂，以涂料均勻涂掛，無流淌為宜。在生產(chǎn)過程中，也可以乙炔氣焰不完全燃燒進行烘烤，既可以提高模具溫度，又相當于噴涂碳灰涂料。

（4）合箱

噴完涂料后，應(yīng)帶溫及時合箱。合箱時，檢查上下模具平面結(jié)合處及下型腔球窩處是否有型砂，如有及時用壓縮空氣吹除，以防止合箱不嚴造成跑箱或澆注后磨球內(nèi)部產(chǎn)生夾雜。

（5）熔煉

使用0.5t中頻爐進行熔煉。先加入少量的鉻鐵和全部鉬鐵，再加入廢鋼和回爐料，待廢鋼等熔化后，最后加入經(jīng)過加熱的剩余鉻鐵。裝填時注意填料應(yīng)下緊上松原則，以利于塌料。熔煉溫度應(yīng)控制在1420~1480℃，要防止鉻和碳過度燒損以及縮短爐襯壽命。由于高鉻鑄鐵熔煉溫度高，時間長，鐵水氧化比較嚴重，因此需要在出爐前進行脫氧處理。出鐵水前，迅速將溫度提高到1500℃，先提前3~5min在爐中加入少量的錳鐵和硅鐵進行預(yù)脫氧，最后加入少量鋁進行終脫氧。

（6）澆注

終脫氧處理結(jié)束后即可出鐵水，澆包中加入0.5%稀土硅鐵合金做沖入法變質(zhì)處理，然后迅速在鐵水上覆蓋珍珠巖，鐵水在澆包中應(yīng)停留一段時間進行鎮(zhèn)靜，當溫度降到1400~1450℃時澆注，澆注時應(yīng)控制一定的速度，遵循慢-快-慢的原則，即剛開始時先以較小流量鐵水進行固沙和排氣，然后再均勻快速澆注，最后慢澆起到補縮作用，這樣有利于廢氣逸出并防止產(chǎn)生冷隔和夾渣等鑄造缺陷。

（7）開箱

一般待金屬型澆口鐵水成暗紅色后方可開箱。開箱溫度不宜過高，溫度過高磨球補縮效果差；也不宜太低，否則磨球容易粘連球模導(dǎo)致模具損壞，同時也不利于涂料噴涂快干。落球時應(yīng)置于干燥地表，不得有潮濕水分，防止高溫磨球激冷破裂。

（8）打磨

落球后將磨球澆口部分敲擊去除，在砂輪上對磨球斷口修磨圓滑。

（9）模具維護

金屬模具使用一段時間后，燒結(jié)的涂料殘渣會在球模平面形成一道結(jié)痂，導(dǎo)致開箱不嚴，容易引起模具脹箱，造成磨球披縫過大，影響表面質(zhì)量，同時造成磨球成膠囊形，影響磨球圓度，因此應(yīng)對模具定期進行清理。模具平面層殘留物可用膩灰刀鏟除，球窩表面可用銅絲刷子進行清除。不得用礙質(zhì)工具清理模具，以防損壞模具表面。清除完畢后，用壓縮空氣吹除。

3、結(jié)語

高鉻鑄鐵磨球通過上述的工藝，既保證了高鉻鑄鐵磨球的韌性，同時又減少貴重合金元素的使用，通過化學(xué)成分分析、金相組織和機械性能試驗以及股役性能檢測，磨球各項指標符合相關(guān)標準要求。具體結(jié)論有：

（1）球磨機中的磨球失效的主要形式：破碎、剝落失圓和磨損；

（2）對磨球綜合性能產(chǎn)生影響的因素主要是磨球組織；

（3）高鉻鑄鐵磨球最佳化學(xué)成分配比為：C的含量應(yīng)為2.0%~2.8%、Si的含量應(yīng)≤1%、Mn的含量應(yīng)為0.5%~1.0%、Cr的含量應(yīng)為13%~16%、Mo的含量應(yīng)為0.5%~1.0%、Cu的含量應(yīng)為0.5%~1.0%。

（4）熔煉溫度應(yīng)控制在1540~1560℃，鎮(zhèn)靜后，1500℃開始澆注，澆注速度采用先慢后快方式。

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