大型石灰石破碎机锤头材质选择与失效分析

随着新型干法水泥设备技术的快速发展，国内5 000t/d，10 000t/d大型干法水泥生产线正在增加。作为水泥生产的主要原料，石灰石采用大型单级转子锤式破碎机（台湾生产400~1），以确保充足的供应。 200t/h，应用于破碎或粗破碎）进行破碎，外部结构如图1所示。将破碎的石灰石研磨成球磨机，研磨至一定细度后，将石灰石粉磨成旋转状。窑炉和其他辅助材料。在高温下煅烧后，它变成水泥熟料，熟料被高温冷却粉碎。储存和储存熟料用辊压机粉碎，然后研磨成球磨机。研磨至一定细度后，研磨的细粉直接作为水泥成品出售。

水泥厂使用的大部分石灰石是露天爆破，原始块体尺寸非常大（500~1）。 500mm），通过叉车或装载机倒入筒仓，通过链式输送机输送到破碎机进料口，石灰石通过阻尼装置落到进料辊上，两个相同方向旋转的进料辊将石灰石进入转子高速旋转。锤子以更高的线速度（30-50 m/s）撞击石灰石，同时压碎或抛出块体，抛出的块撞击反击板或碰撞并再次破碎，然后锤头进入破碎板和卸料筏的工作区域继续被击打和压碎，直至小于绗缝尺寸（套筒25~75mm），并从机腔下部排出，材料坏了。该比例高达1:20至1:60，表明大型石灰石破碎机的工作条件非常差。

大型石灰石破碎机的关键易磨部分的锤头需要承受工作过程中散装材料的强烈冲击，并且需要良好的冲击韧性和高硬度。由于水泥制造商的石灰石质量，转速，进料尺寸和综合含水量的巨大差异，相同材料的锤子的使用寿命差异很大，磨损在几天内完成，并且操作几年后很好。可以看出，在成本最低和效率最高的情况下，选择适合于破碎机状态的锤子是非常重要的。

大型石灰石破碎机的重量约为80-150kg，形状如图2所示。目前常用的锤头材料主要包括三种高锰钢，超高锰钢和双金属液体热复合材料，以及通过特殊的生产工艺生产10多种材料。如高锰钢（Mn13），合金高锰钢（Mn13CrMo），高锰钢工作面堆焊耐磨层，高锰钢铸造高铬合金铸铁，高锰钢铸钢接头硬质合金，超高锰钢（Mn18CrMo） ），超高锰钢工作面堆焊耐磨层，超高锰钢铸造高铬合金铸铁，超高锰钢铸钢接头硬质合金，双金属液体热复合。

1　高锰钢类锤头及适应工况条件

1.1　高锰钢

高锰钢是一种传统的耐磨材料，已有100多年的历史。高锰钢的铸态组织是奥氏体和碳化物的一部分。当碳化物的量很大时，它将在晶界上以网络的形式出现，这严重破坏了基体结构并降低了基体结构的韧性。但是，经过水韧化处理后，基体结构完全奥氏体化，塑性和韧性得到很大提高，化学成分见表1。在大冲击或接触应力的作用下，高锰钢的表面奥氏体结构经历相变硬化和加工硬化。原始硬度从HB180迅速增加到200到HB450到500，并且耐磨性大大提高。

外部载荷越高，高锰钢的表面硬化程度越高;但是从表面向内的变形程度逐渐减小，加工硬化程度逐渐降低;因此，加工硬化层的下侧仍然是奥氏体结构，其与硬化层牢固。地面组合具有良好的抗磨犁耐磨性能和良好的抗冲击疲劳性。当表面硬化层逐渐磨损时，硬化层在强外力作用下连续向内发展，始终保持稳定的硬化层，具有更好的抗磨性能。

1.2　合金化高锰钢

为了进一步提高高锰钢的耐磨性，在保持足够韧性的前提下对高锰钢进行了合金化，开发了改性合金高锰钢。如果单独或组合添加Cr，Mo，V等，则提高高锰钢的屈服强度，奥氏体加工硬化能力，晶粒细化程度和分散强化程度，以及高锰钢的使用寿命进一步改进。

Cr是强扩散元素，其影响碳的扩散过程并改善奥氏体的稳定性，屈服强度和淬透性。 Cr是强碳化物形成元素（与Mn相比），可以形成比（Fe·Mn）3C更稳定的（Fe·Cr）3C型合金渗碳体。当Cr含量超过2.5％时，基质结构的韧性急剧下降。在高温下，Mo固溶体奥氏体在冷却和凝固后部分固溶于体内，部分分布在碳化物中，改善了奥氏体沿树枝状晶体发展的趋势，抑制了过冷奥氏体的分解，并增加了奥氏体。稳定性。对合金化高锰钢进行析出强化热处理，晶粒细化，奥氏体晶界基本上不含碳化物。虽然在基材上存在一些碳化物，但它们以细颗粒的形式均匀分散，这是奥氏体基体的强化相，这极大地提高了合金高锰钢的耐磨性。

1.3　高锰钢工作表面堆焊耐磨层

随着表面堆焊技术的发展，开发出高锰钢工作面的耐磨层锤。在堆焊过程中，在高温脆性区域，在晶界周围容易产生低熔点共晶，如Fe + FeS（熔点985℃），FeS + FeO（熔点940℃）和Fe + Fe3P（熔点1）。 050°C）等。由于高锰钢的线性膨胀系数高（约为低碳钢的1.3倍），导热系数低（约为低碳钢的1/5），易产生大的热应力和微观结构应力在焊接过程中，很容易发生。过热;降低焊接接头和焊缝的韧性，并且易于产生热裂纹。

当奥氏体基体结构被加热到300℃以上时，碳化物将沿晶界析出，破坏奥氏体结构的完整性，晶界碳化物的聚集将使高锰钢变脆。为了避免高锰钢基体性能的下降，基本采用“冷焊”工艺，即在焊接过程中采用各种方法使高锰钢基板保持在较低的温度，衬底在300℃以上的停留时间减少。为了降低高锰钢锤头焊接过程中产生的热应力和结构应力，堆焊层的微观结构逐渐过渡（基底金属+中间过渡层+耐磨层）。复合材料堆焊技术解决方案可确保焊接接头和焊缝具有足够的韧性。在堆焊后，耐磨层金属的硬度（耐磨层厚度约为5至10mm）为HRC 55-60，并且使用寿命大大提高。

1.4　高锰钢镶铸高铬合金铸铁、镶铸钢结硬质合金

高锰钢具有高韧性和高抗冲击性。高铬合金铸铁合金含量高，经过适当的热处理，其组织为：M7C3型碳化物+马氏体+分散二次碳化物+残余奥氏体，宏观硬度可达HRC60，抗磨损能力强。钢结硬质合金是一种复合材料，采用粉末冶金法，以难熔金属碳化物（主要为TiC，WC）为硬质相，碳钢为粘结相。其组织特征是细硬质相颗粒均匀分散在碳钢基体中，具有高耐磨性。为了充分发挥高锰钢的优异抗冲击性和高铬合金铸铁（或钢结硬质合金）的高抗磨性能，镶嵌铸造生产工艺如图3所示，两种材料是有机结合的。经过水韧化处理，获得了一种综合性能和耐磨性能高的新型复合材料。

具体的铸锭生产工艺为：在型腔的某一部分预浇铸高铬合金铸铁或钢结合硬质合金，然后将具有良好韧性的母液倒入型腔（高锰钢），通过母液的强热作用，使插入物和母液之间的界面处于熔融或溶解状态一段时间，并发生元素的相互扩散和冶金反应。冷凝后，插入物处于与母体金属相同的状态。熔焊是一体化的。

综上所述，高锰钢，合金高锰钢，高锰钢工作面堆焊耐磨锤锤适用于高石灰石质量（石灰石中硅含量≤2％，抗压强度≤120MPa），锤线高速（35~40m/s），大进给尺寸（800~1） 000mm），材料具有高综合水分（≥2％）的条件。高锰钢铸造高铬合金铸铁，铸钢结硬质合金锤适用于石灰石质量（石灰石中硅含量≥2％，抗压强度≥120MPa），低速（30~35m/s），进料尺寸小（500~800mm），物料综合低水分（≤2％）工作条件。

2　超高锰钢类锤头及适应工况条件

2.1　超高锰钢类锤头

近年来，通过在普通高锰钢（Mn13）的标准组成的基础上增加碳和锰的含量，开发了超高锰钢。将锰含量（质量分数）增加至14％至18％，并添加1％至3％的Cr和适量的Ti，V，Mo等合金强化元素。化学成分和性能如表2所示。超高锰钢比普通高锰钢具有更好的变形强化能力（加工硬化率）。在相同形状变量下，超高锰钢比普通高锰钢具有更高的变形硬度。如果变形为20％，普通高锰钢的变形硬度约为360HB，超高锰钢的变形硬度为400HB。超高锰钢的使用寿命是普通高锰钢在磨损或强冲击和高压下的凿磨损方面的1.5至2倍。

超高锰钢具有显着的加工硬化特性。铸态超高锰钢是水合韧化，形成单一奥氏体结构，硬度仅为170-220HB。然而，在变形之后，发生显着的加工硬化，并且在微观结构中出现许多微结构，甚至出现晶体。晶粒扭曲，滑带弯曲或滑动步骤，变形层的硬度可达500-800HB，硬化层的深度可达10-20mm。

曲线的深度和形状与冲击载荷，化学成分和机械性能有关。硬化层的高硬度和良好的韧性赋予其优异的抗磨损性能。

为了进一步提高超高锰钢的耐磨性，在保持足够韧性的前提下，超高锰钢工作面堆焊耐磨层，超高锰钢铸造高铬合金铸铁和超高锰钢是先后发展起来。铸钢结硬质合金锤具有与相应的高锰钢锤相似的生产工艺和生产工艺。

2.2　适应工况条件

综上所述，超高锰钢和超高锰钢工作面堆焊耐磨层锤头适用于高石灰石质量（石灰石中硅含量≤2％，抗压强度≤120MPa），高锤线速度（ 40~50m/s），饲料尺寸非常大（1 000?1 500mm），材料的条件具有高综合水分（≥2％）。超高锰钢铸造高铬合金铸铁，铸钢粘结硬质合金锤石灰石质量（石灰石含银量≥2％，抗压强度≥120MPa），高速（35~40m/s），进料尺寸大（800~1） 000mm），材料的综合水分低（≤2％）。

3　双金属液热复合锤头及适应工况条件

3.1　双金属液热复合锤头

为了解决单一材料韧性和硬度之间的矛盾，提高锤头的抗磨性能，开发了一种新型抗磨材料 - 双金属液体热复合锤头。化学成分和性能如表3所示。双金属液热复合铸造生产工艺用于成功地将高铬合金铸铁（锤击工件）与高硬度和铸钢（锤头）相结合，具有良好的韧性和可加工性。使用单一金属材料难以实现的优异耐磨性和抗冲击性的整体综合性能。

采用双金属液热复合铸造工艺 公司生产的高铬合金铸铁/ZG35双金属破碎锤已成功应用于强冲击条件，取得了良好的效果。铸造工艺如图3所示。双金属液体热复合铸造工艺生产过程的关键控制是将两种金属熔化而不混合;同时，形成最大可能的融合区域，增加两种材料的粘合程度。为此，采取了以下措施：在最大截面A处取出接合面，在底部放置U形冷铸铁，以确保ZG35的自下而上凝固顺序;提供溢流口B以确保接头表面的位置不变;为了防止高铬合金铸铁的浇注，ZG35混合，高铬合金铸铁浇口设置在C和D，以确保头部稳定。

双金属液态复合铸造工艺成功的关键在于界面熔合和两种金属的熔合强度。界面融合状态分为冶金融合和机械融合。由于冶金熔合强度远高于机械结合强度，因此通常追求冶金熔合状态，但在许多情况下冶金熔合和机械熔合共存。界面熔合状态的特征在于冶金熔合速率，即冶金熔合发生的界面面积占总界面面积的百分比。只要冶金熔合速率大于临界值，就可以认为熔合是良好的。融合状态的判断具有很多主观性和专业性。如何定量和定量表征界面融合状态需要深入细致的研究。

3.2　适应工况条件

综上所述，双金属液态复合锤适用于石灰石质量（石灰石中硅含量≥2％，抗压强度≥120MPa），低锤线速度（30~35m/s），进料尺寸较小（500~800mm），该材料具有较低的综合水分（≤2％）工作条件。

4　锤头失效分析与整改措施

4.1　化学成分

当主要元素（C，Cr，Si，Mn）不合理匹配或有害元素（S，P）含量超标时，锤子的力学性能大大降低，磨损严重，锤子被打破。在实际生产和制造过程中，应严格控制原料的有害成分，优化主要元素的化学成分，以获得优异的综合性能。

4.2　生产工艺

如果铸造过程没有得到适当的控制，锤头的表面或内部会出现铸件缺陷，如夹渣，收缩孔，裂缝等，这会降低锤头的机械性能，导致锤头破裂。很严重采取平面垂直浇注（或倾斜浇注），合理使用外冷铁和热冒口等措施，严格控制浇铸温度和浇铸速度，形成良好的凝固顺序和进给条件，以获得致密的内部结构。

当热处理工艺配置不当时，大量的网状碳化物沉淀在锤头的基体中，严重分离了基体结构，大大降低了基体的抗冲击性，并使锤头在严重时断裂。根据锤头的材料特性，合理选择淬火温度，保温时间和淬火介质，严格控制加热速率和冷却速度。在确保锤头具有足够的冲击韧性的前提下，可以均匀地分散一定量的高硬度。硬质合金作为基体的强化相，大大提高了锤子的耐磨性。

4.3　使用工况

当石灰石质量，锤线速度，进料粒度，物料综合水分等工况变化很大时，锤料不及时调整，磨损严重，锤子破碎。在生产和运行过程中，应根据转子石灰石质量，转速，进料尺寸，物料综合水分等工作条件的变化程度及使用寿命及时调整锤头材料。应该延长锤头的长度。

5　结　语

（1）石灰石破碎机的锤头需要在工作过程中承受散装物料的强烈冲击，并且要求良好的冲击韧性和高硬度。

（2）由于石灰石质量，转速，进料尺寸和材料综合含水量的差异，同一材料的锤子的使用寿命差别很大，因此选择合适材料的锤子非常重要。

（3）石灰石破碎机锤头主要由高锰钢，超高锰钢和双金属液热复合材料组成。特殊生产工艺生产的材料十余种。

（4）石灰石破碎锤头的失效主要是由化学成分，生产过程和工作条件三个因素造成的。