潘永泰 陈华辉

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083）

煤矸石分级破碎设备所用破碎齿材料的研究与效果评价

潘永泰 陈华辉

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083）

煤矸石是当前我国排放量最大的工业固体废物之一，为了实现对煤矸石的资源化利用，变废为宝，破碎作业是至关重要的技术环节。本文针对具有先进的工艺与技术性能的分级破碎设备的破碎齿材料所需的综合机械性能，从材料设计、热处理工艺确定、金相分析、机械性能检验、耐磨试验效果评价等多方面进行了系统的研究。最终得到了强度和韧性都很好的下贝氏体金相组织，在综合机械性能得到全面提高的同时，耐磨性能较现用材料提高31%。

煤矸石 分级破碎设备 破碎齿材料 研究 效果评价

煤矸石是当前我国排放量最大的工业固体废物之一。从煤炭开采来看，生产煤炭1亿t，排放矸石约1400万t。从煤炭洗选加工来看，洗选炼焦煤1亿t，排放矸石约2000万t；洗选动力煤1亿t，排放矸石约1500万t。按照国家统计局最新统计数据显示，2011年我国原煤产量为35.2亿t，原煤入选率按照51%计算，每年将产生大量的煤矸石。煤矸石堆存占用土地、污染环境，但如果根据煤矸石的有用成分对其加以综合利用，可以用于制砖、生产水泥、电厂发电等领域，从而实现变废为宝，实现对煤矸石的资源化利用。煤矸石的资源化利用过程中破碎作业是至关重要的技术环节。

分级破碎是近些年来出现的一种全新理念的破碎技术。该技术通过对破碎齿型和齿的布置及安装形式的设计，实现对不同粒度组成的入料进行通过式、选择性破碎，只对大于粒度要求的物料进行破碎，而符合粒度要求的物料直接通过，从而达到破碎、分级同时完成的目的。

作为设备的核心部分破碎齿，既要求有较强的耐磨性、又要求有较好的韧性和可加工型。本文对破碎齿的材料配方及热处理方案进行深入研究，并模拟分级破碎设备在破碎煤矸石时的作用方式，设计制造模拟试验机进行耐磨性试验。

1 破碎齿失效形式分析

破碎齿辊向内或向外旋转，利用剪切、挤压、撕裂等破碎作用来破碎物料，破碎齿直接与煤炭、矸石、岩石等物料接触，工作过程中承受剪切力、压力以及较大的冲击载荷，在这一过程中将受到一定的磨损，如图1所示。

图1 分级破碎机破碎齿辊内（外）旋转示意图

1.1 破碎齿磨损

1.1.1 磨粒磨损

破碎齿在破碎物料过程中，煤矸石等矿物与破碎齿表面之间产生了较大的压应力，带有锐利棱角并且具有合适迎角的矿物能切削破碎齿的表面形成微切削；如果矿物不够尖锐或刺入破碎齿表面的角度不适当，则会在破碎的表面挤出犁沟，随着工作时间的延长，矿物反复对破碎齿表面推挤，产生严重的塑性变形流动，使得表面下层塑性发生相互作用，导致塑变区内位错密度增加，导致变形材料表面产生裂纹，裂纹扩展，破碎齿表面形成薄片状磨屑。

矿物中存在腐蚀性的介质与破碎齿表面发生化学反应，而造成表层腐蚀，机械性能下降，并使表层金属与机体材料的结合力降低，也加快了材料表层的磨损。

1.1.2 热疲劳磨损

破碎齿在破碎物料过程中，承受较大的冲击载荷，为了分析其对破碎齿表层的破坏，可将冲击载荷分解成法向力和切向力。法向力和切向力通过接触点作用传递到破碎齿次表层，在这些力的作用下，破碎齿表面较硬的微凸点将发生变形，反复挤压导致附近软表面产生塑性流动并在破碎齿亚表面形成积累。同时破碎齿在破碎物料过程中，由于磨损发热使破碎齿磨损表面产生一定的温度，而破碎齿破碎物料过程是周期性的回转运动，故升温是交变的，当破碎齿接触矿物时升温，离开矿物时降温，使破碎齿顶部产生回火，硬度下降，加速了破碎齿的磨损。由于破碎齿表层温度不断变化，材料表层进一步软化，导致塑变区内出现波浪式塑性流动和位错密度增加，反复的弹性变区，又使位错集中，继而在表层出现微裂纹。

1.2 破碎齿折断

破碎齿破碎物料时在冲击载荷的作用下，表面处于高压应力状态。若遇到矿物中坚硬的物料，在破碎齿与矿物接触不良处承受较高的剪应力，处于拉应力状态，当拉应力超过破碎齿的许用强度时就容易引起齿身折断或齿头碎裂。尤其是破碎齿尖在线速度为3～5m/s的高速旋转状态下，遇到一些大型铁器，破碎齿瞬时受到的折断力非常大。另外，破碎齿内部铸造缺陷也是造成破碎齿折断的主要原因。

2 材料设计

综上所述，对于破碎齿的要求为：能承受较大的剪切、挤压力，满足破碎强度大于250MPa的物料时所需要的抗拉、抗剪等机械强度；保证在承受包括铁器在内等硬物料的强烈冲击载荷的情况时破碎齿整体完好，不会出现断齿现象；破碎齿要具有很好的耐磨性能，最大限度地延长其使用寿命；破碎齿要满足所需的机加工性能和磨损后现场堆焊修复的要求。

2.1 组织确定

工作过程中，破碎齿尖部受到较大的冲击滑动磨粒磨损，齿尖部表面常出现各种犁沟、变形，造成表面材料磨损或脱落。因此，材料本身应具有较高的强度、硬度，还必须具有足够的塑性和韧性。板条状马氏体和贝氏体都具有较高的强韧性配合，在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于马氏体，贝氏体的力学性能取决于贝氏体的组织形态，因此贝氏体的强度和韧性与形成温度有关，上贝氏体的强度和韧性低于下贝氏体，下贝氏体中铁素体针细小、分布均匀，在铁素体内又析出细小、大量弥散的碳化物，加之铁素体内含碳量高，过饱和度大，有高密度的位错，因此，下贝氏体不但强度高，而且韧性也好。故下贝氏体是破碎齿材料的理想组织。

2.2 性能与成分的确定

20世纪30年代初，美国人E·C·Bain发现的贝氏体是低合金钢在中温等温下获得的，因此低合金钢是我们研究的目标，它具有较好的耐磨性和较高的强度及韧性。其设计准则中除满足力学性能、焊接性能、抗裂性、耐腐蚀、抗应力等性能指标外，还须注意选取适宜的合金成分，达到如下要求：足够的淬透性以保证足够的耐磨层深度；得到强而韧的贝氏体，尤其是下贝氏体；严格控制碳当量，以免增加淬裂倾向；尽量减少使用贵金属，以降低生产成本；抗拉强度Rm≥1500MPa，冲击功KU2≥25J，伸长率A≥4%，洛氏硬度HRC≥44。

为提高材料的综合性能及焊接、耐腐蚀等性能，应加入碳化物形成元素铬（Cr）、锰（Mn）、钼（Mo），同时这3种元素也能显著提高材料的硬度和耐磨性；为提高材料的韧性、塑性和淬透性，降低断面的敏感性，加入镍（Ni）；为了改善加工性能及铁水的流动性，加入硅（Si）；为了细化晶粒和改善组织，达到提高材料性能的目的，向液态金属中加入某些变质剂，如铼（Re）、硼（B）等。

根据上述原则设计3组成分进行力学、金相以及磨损等试验研究，采用相同的热处理工艺，根据试验结果从中选择最佳方案。

3 试样制备

3.1 试样铸造

微合金元素在钢中有很多重要作用，多元适量、复合加入会使钢的性能得到更好的综合效果，实验将综合考虑Mn、Ni和稀土元素对钢的综合性能的影响。

将普碳钢按计算成分进行配料，该实验钢在500kg中频炉中熔炼，所有试样经感应炉熔炼为合金钢水并直接砂型铸造制备基尔试块，最终成分利用日本理学ZSX Primus II X射线荧光光谱仪进行成分分析。力学性能试棒在基尔试样上截取，制取冲击及拉伸试样，每种成分均制取3组试样，实验结果取平均值。

3.2 加工前预热处理

为降低硬度，改善加工性能以及消除铸钢组织中的偏析、晶粒粗大等缺陷，采用球化退火对低碳合金钢铸件进行退火处理，其工艺为：先加热至300℃，保温1h；再加热至600℃，保温1h；然后继续加热到880±10℃，保温4h；最后随炉缓冷至500℃出炉空冷。

3.3 最终热处理

铸件退火后，粗加工，淬火回火：入炉先加热至300℃，保温1h；再加热至600℃，保温1h；最后升温至890℃，保温3h；淬油，360℃回火3.5h，冷却后精加工到位。

经球化退火得到的是球状珠光体组织，内部渗碳体呈球状颗粒、细小、均匀，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小，淬火后的强度提高。

4 力学性能

4.1 拉伸性能

拉伸试验在日本进口岛津AG－250高精度电子万能材料试验机上进行，试验数据见表1。

表1 3种材料试样的拉伸试验数据

由表1可见：3种材料的抗拉强度均超过了设计要求及现用材料，1＃伸长率不符合设计要求，该材料的韧性不够理想，使用过程中容易折断。

4.2 冲击性能

冲击试验为取3个U型缺口试样：1＃、2＃和3＃，在2mm摆锤刀刃下做出的冲击吸收能量数据，其冲击功数据分别为26.5J、15J和29J。3个试样的冲击功数值相对于轧态样品来讲都不是很高，主要是因为试样存在铸造缺陷，大型的夹杂物以及铸造气孔都可能是其性能降低的主要原因；其中2＃试样的冲击功数据不理想，韧性差，试验数据远小于设计数据，除内部存在铸造缺陷外，与其Mn含量较高以及没有添加稀土元素有关。另外两种试样符合设计要求。

4.3 硬度

洛氏硬度是在美国力可公司生产的LR－1E洛氏硬度计上测得的，分别取3个式样：1＃、2＃和3＃，每个试样测量3次，分别取平均值为47.9 HRC、47.1HRC和48.8HRC。试样硬度均达到设计要求，但考虑到材料的机加工性能，可适当延长回火时间，以降低硬度，保证材料的可加工性能。

5 金相组织

5.1 金相组织及夹杂物分析

采用日本奥林巴斯公司生产的型号为OLYMPUS－PMG3的金相显微镜和日本日立公司生产的型号为S－4800的场发射扫描电镜观察试样的金相组织，同时采用美国热电公司生产的型号为Noran7的能谱仪对试样夹杂物成分元素种类与含量进行分析。3＃试样金相组织×200见图2，3＃试样金相组织×200见图3，3＃试样夹杂物缺陷及成分分析见图4。

由图2～图4可以看出，3＃样品由于Mn、Ni组合适当，其金相组织为较理想的下贝氏体组织，下贝氏体具有优良的强韧性，硬度和耐磨性也很高，缺口敏感性和脆性转变温度较低，是一种理想的淬火组织，具有很高的实用价值。稀土元素的加入改善了其夹杂物形态和上浮性能，从而使铸造性能改善，是具有较高利用价值的热处理工艺。

图4 3＃试样夹杂物缺陷及成分分析

5.2 断口分析

为了分析研究材料破坏的原因，对冲击和拉伸的断口形貌进行了宏观和显微分析，断口宏观形貌采用瑞士莱卡公司生产的型号为M125的体视显微镜观察，微观形貌采用日本日立公司生产的型号为S－4800的场发射扫描电镜观察，同时采用美国热电公司生产的型号为Noran7的能谱仪对韧窝夹杂物成分元素种类与含量进行分析。3＃试样冲击断口宏观形貌见图5，3＃试样冲击断口微观形貌SE（M）×4000见图6，3＃试样拉伸断口宏观形貌见图7，3＃试样拉伸断口微观形貌SE（M）×2000见图8。

由图5～图8可看出，3＃样品其拉伸和冲击断口形态正常，呈韧窝结构，为韧性断裂，夹杂物尺寸较少，呈球形，其下贝氏体组织使其具有良好的强韧性，稀土元素又使其铸件性能改善，其工艺有较好的应用前景。

6 磨损试验

6.1 磨损试验机的设计

现有磨损试验机的摩擦副形式见图9。

煤矸石破碎机实际工况中破碎齿的磨损主要是煤矸石对其产生带有冲击的磨料磨损。现以MLG－130型干砂橡胶轮磨损试验机为原型，进行如下改造：取消磨料砂斗，采用砂轮代替橡胶轮与试块摩擦，砂轮线速度为3～4m/s（变频调速），基本相当于破碎齿与煤矸石的相对运动速度；伴有周期的冲击（杠杆臂周期加力），主要是模拟煤矸石对破碎齿形成的冲击。设计好的试验机工作原理如图10所示，试验结果见表2。

磨损试验结果表明：3种配方材料的耐磨性都比现用材料有大幅度提高，其中3＃材料的寿命最好，比现用材料的耐磨性提高了31%。检查磨损后的试样，磨损正常、无裂纹、无变形。

表2 试样磨损3分钟后的结果对比

7 结论

（1）本文针对煤矸石分级破碎设备破碎齿的工作环境、作用方式和综合性能要求，针对性地进行了材料设计和工艺试验及试样的耐磨性试验与评定。

（2）3＃试样在材料配方方面，以适量的Mn、Si、Cr含量加以较高含量的Mo、Ni以及适量稀土元素，得到强度和韧性都很好的下贝氏体金相组织。试样性能为：抗拉强度为1630MPa，冲击功为29J，表面硬度为48.8HRC，耐磨性能通过对比耐磨试验，较现用材料提高31%，效果明显。

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，河北雄县人，研究员，博士后。主要从事分级破碎理论与设备及固体废弃物破碎解离的研究工作。

（责任编辑 孙英浩）