CN101912804B - 水泥工业管磨机用新型衬板结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水泥工业管磨机用的新型衬板结构及其制作方法。本发明高性能新型衬板的制作方法有三种技术方案：本发明高性能新型衬板的制作方法有三种技术方案：1)金属衬板，2)陶瓷衬板，3)组合式衬板；组合式衬板的制作方法是将金属衬板与筒体结合的凹凸空间里衬置刚玉陶瓷衬板，然后将衬板用所述的固化物镶砌、粘贴，以及用局部焊接的方式安装在磨筒体钢板内。这种新型组合式衬板的使用寿命可得到进一步强化和延长，这是现行任何形式的衬板都无法做到的。本发明在相同基准条件下衬板重量在现有基础上减轻50％，节省钢材消耗50％以上，衬板的使用寿命提高一倍达到15000～20000小时。

Description

水泥工业管磨机用新型衬板结构及其制作方法
技术领域
本发明属于机械领域，涉及一种工业管磨机，尤其涉及一种水泥工业管磨机用的新型衬板结构及其制作方法。
现有技术
现有水泥工业管磨机内衬板的工作条件是中低压，中低冲击力。往复受力失效频数小于10的7次方，属低循环疲劳。磨损类型为中低应力擦伤式磨粒磨损。这种工作条件统称为“小能量、多次重复冲击”的工作条件。
迄今为止，国内外水泥工业用管磨机的衬板制造都是运用电弧炉、工频炉等炼钢设备，经过配料、熔炼，并同时将衬板做出沙型或金属型，然后浇铸、出型、热处理而成的铸造钢铁耐磨材料衬板。其机械物理性能指标为：洛氏硬度HRC在55～60左右；冲击值αk在4～8J/cm2；金相组织为马氏体加碳化物。其碳化物的亚微观形态为连续网状，在钢铁材料内部起到的作用是微裂纹的破坏作用。网状碳化物只有在破网的条件下，衬板材料的机械物理性能才会有较大幅度的改善和提高。这也是科技工作者长期奋斗的目标，但至今收效甚微。这也是钢铁耐磨材料使用寿命不佳的技术关键之一。
因此，现行水泥工业管磨机衬板都采用大铸造厚度来保证理想的维修周期和合适的使用寿命。
例如：Φ3.8×13m管磨机衬板厚度都在65mm以上，内衬装置总重量达105T。由于衬板厚，重量大，其在磨筒体内的固定方法只能采用螺栓连接固定，则在筒体上的钻孔总数可高达1632孔，严重削弱了筒体的刚度和强度。根据经济性维修周期(使用寿命)的需要，衬板厚度应该在65mm左右，每块衬板的尺寸大致为250×350×60mm，则每块重量约在44kg左右。这样的条件下，有人提出以其他方式进行固定的方案，如在上个世纪六十年代曾做过试验，采用胶粘剂进行镶砌和粘贴的固定方法。但稍有不慎在安装时垮落会发生重大人身事故，或运转时衬板在磨内垮落会发生重大设备事故。
若想减小尺寸来减轻重量，在衬板厚度不减薄的情况下，是无法实现的。随着磨机的大型化，磨内衬板的尺寸越来越大，就更不适宜用胶黏剂粘贴了。
长期以来水泥工业管磨机铸造钢铁耐磨材料衬板的使用寿命一直没有重大突破，一直徘徊在7000～10000小时。中国大陆水泥工业每年消耗的管磨机衬板总量就高达30余万吨。大幅度延长衬板使用寿命，节省钢材消耗，无论对节能和环保都具有十分重大的经济意义。
如何减少衬板厚度和重量、增加研磨体填充量、大幅度提高磨机产量；改革衬板固定方式、实现磨筒体无钻孔或少钻孔从而增加筒体刚度和强度，保证设备运行可靠等等一直是科技工作者梦寐以求的成果，时至今日仍收效甚微。
随着粉磨技术的发展，上世纪八十年代预粉磨技术的应用可以大幅度节省能源逐渐被人们认识。在现行水泥工业管磨机的前道逐步安装挤压机、立磨、小短磨等预粉磨设备已是大势所趋。这样，管磨机的入磨物料粒度已经从原来的25～30mm下降到1mm以下，甚至逐渐下降为150～200m2/kg比表面积。因此，管磨机粉磨的力学性能发生了根本的变化。一言以蔽之，管磨机衬板在粉磨作业中所受到的冲击力大大下降了。
由此，对管磨机衬板材质的要求不再是：“为了抵御冲击力不发生断裂，不但需要良好的抗冲击韧性αk值(20～30J/cm2)，同时也很需要有一定的断面，这个断面就是衬板厚度。”
钢铁耐磨材料的冲击值αk和洛氏硬度HRC两者是不可兼得的。要想提高冲击值αk，必须牺牲洛氏硬度HRC；要提高洛氏硬度HRC，必须降低冲击值αk。当冲击值αk达到20～30J/cm2时其洛氏硬度充其量只能达到40～45的水平，这时为了延长磨耗时间必须有足够的衬板厚度去满足经济性维修周期(使用寿命)的需要。
在具有预粉磨工艺的条件下，后管磨机主要依靠研磨功能进行粉磨。这时管磨机衬板材质只需要有适当冲击值αk(4～6J/cm2)的前提下，需要有越高越好的洛氏硬度HRC(最好能达到55～60)来抵御粉磨磨损获得足够的使用寿命。这只是在低αk值时才有可能提高HRC。事实上现行衬板技术的发展是大大滞后的。这也为本发明技术提供了发展空间和机遇。
发明内容
本发明为了提高管磨机衬板材料的机械物理性能，提供一种新的工业管磨机，其重量比现有管磨机大为降低。
本发明高性能新型衬板的制作方法有三种技术方案：
1)金属衬板
以普通中低碳钢钢板采用冷热模冲压成型出所需几何形状的衬板基材，然后在衬板基材表面堆焊出堆焊层，制作成管磨机衬板。在磨筒体内安装衬板：采用高强度水泥砂浆、环氧树脂或各种无机胶黏剂等作为固化物，将衬板镶砌、粘贴，以及用局部焊接的方式连接在磨筒体钢板内。
2)陶瓷衬板
有两种类型的陶瓷衬板：
A、利用现有陶瓷厂的生产技术和设备，我们只要提供各种所需的条、片、块、板尺寸及表面几何形状的图样，然后陶瓷厂按照图样重开模具，即可生产出我们所需的陶瓷衬板。
B、陶瓷衬板的原料是按照刚玉陶瓷的成分配制，然后采用金属模具在压力机下压制成型。送入高温炉内焙烧，出炉冷却直接制成是水泥工业管磨机用耐磨陶瓷衬板，尺寸大小可根据磨机不同规格具体确定。
上述两种衬板在磨筒体内的安装固接的固化物可以用上述固化物进行镶砌、粘贴，以及局部用焊接的方式连接在磨筒体钢板内。施工仍然是方便的。管磨机筒体也可是无钻孔或少钻孔的。
3)组合式衬板
将上述金属衬板与筒体结合的凹凸空间里衬置条、片、块形状不等的刚玉陶瓷衬板，形成组合式衬板。这种新型组合式衬板的使用寿命可得到进一步强化和延长，这是现行任何形式的衬板都无法做到的。然后将本发明制作的新型组合式衬板用所述的固化物镶砌、粘贴，以及用局部焊接的方式安装在磨筒体钢板内。
本发明的优点是
1、在相同基准条件下水泥工业管磨机衬板重量在现有基础上减轻50％。
2、在相同基准条件下水泥工业管磨机衬板的使用寿命提高一倍达到15000～20000小时。
3、在相同基准条件下水泥工业管磨机衬板节省钢材消耗50％以上，可为中国大陆水泥工业管磨机衬板的钢材消耗量节省10万吨以上的水平。
4、将现行管磨机的衬板连接方式由螺栓连接改为镶砌、粘贴和局部焊接，从而实现磨筒体无钻孔和少钻孔。
5、由于耐磨陶瓷极其优越的性能(洛氏硬度可达85～90以上)，加工性能也极好，只要配好料，可直接模压成型烧制成管磨机衬板。创出“以陶代钢”的新技术路线。在水泥工业管磨机衬板制作方面，无论是节省钢材消耗还是提高磨机使用寿命都会有重大突破。
附图说明
图1是金属衬板的结构示意图。
图2是非金属衬板应用在管磨机上的示意图。
图3是组合式衬板应用在管磨机上的示意图。
图中标记：1、堆焊层，2、衬板基材，3、陶瓷衬板，4、磨筒体钢板，5、固化物。
具体实施方式
本发明提供一种新的工业管磨机，其新型衬板的制作方法及其应用有三种技术方案：
1)刚柔兼备组合制作管磨机衬板
参见图1，本发明以普通中低碳钢钢板δ＝10～12mm，采用1000～2000T压力机冷热模冲压成型出所需的衬板几何形状作为衬板基材2，然后在成型的衬板基材2表面堆焊5～15mm厚的高硬度金属或金属-非金属复合材料的堆焊层1。堆焊材料可采用：国产的TN-65或TM-65；德国的UM10-65-G或MF10-GF-60-G焊條；或比利时高硬度堆焊焊条。堆焊层1的硬度HRC可达70～80，冲击值αk仍可符合4～6J/cm2的要求。这样组合制作的管磨机新型衬板内柔外刚，刚柔并济，这是一种理想的组合和匹配。同时也是水泥工业用管磨机研磨功能强化后最理想的衬板。
由于厚度减薄，单位面积筒体表面10×10cm＝100cm2面积上衬板的重量已从5.07kg下降到2.1kg，下降了2.4倍。因此本发明制作的衬板可以采用固化物5镶砌、粘贴，和用局部焊接的方式安装在磨筒体钢板4内。固化物5可以是高强度水泥砂浆、或环氧树脂或无机胶黏剂等。其中：高强度水泥砂浆(525水泥与细沙比为1∶1.5～2.0，三天抗折强度可达5.5kg/cm2以上)；E03、E06号环氧树脂的不均匀扯离强度＞30kg/cm2；以及各种无机胶黏剂等进行镶砌、粘贴和局部焊接，施工非常简单方便。同时也节省了螺栓固定需要在筒体上的钻孔。
2)用非金属耐管磨机磨陶瓷衬板
其中，陶瓷衬板3的加工制作可以有两种方式：
其一是，充分利用现有陶瓷厂(如宜兴陶瓷厂)的生产技术和设备，我们只要提供各种所需的条、片、块、板尺寸及表面几何形状的图样，然后陶瓷厂按照图样重开模具，即可生产出我们所需的陶瓷衬板3。
其二是，原料按照刚玉陶瓷的成分配制。刚玉陶瓷的成分是现有技术，然后采用金属模具在1500～2000T压力机下压制成型。直接送入高温炉内经1600～1800℃温度下焙烧，1小时左右出炉冷却直接制成是水泥工业管磨机用耐磨陶瓷衬板3。尺寸大小可根据磨机不同规格具体确定，厚度完全可以控制在30mm以内，其尺寸可亦是100×100×30mm，200×200×30mm，300×300×30mm等，表面几何形状按照我们确定的波纹尺寸制作。
刚玉陶瓷的冲击值αk不在10J/cm2以下，并且刚玉陶瓷得天独厚的硬度值是任何钢铁耐磨材料无法企及的，其硬度值HRC可达85～95。锋利钢材的硬度HRC也只有75～80。
我们采用的刚玉衬板的化学成分如下：
α氧化铝粉：85～95％
氧化锆粉：  5～15％
其性能如下：
抗压强度：  700～900kg/cm2
比重：      3.7～3.9
HRC硬度：   85～95
αk冲击值： ＞10J/cm2
由于刚玉陶瓷衬板3的比重较轻，只有铸造衬板7.9的1/2，因此，筒体表面10×10cm＝100cm2面积衬板的重量从5.07kg下降到1.17kg，下降了4.3倍。真可谓薄壁、轻质、高性能。参见图2，其在磨筒体钢板4内的安装更可以采用上述固化物5镶砌、粘贴，和用局部焊接的方式。施工非常方便，管磨机筒体可以无钻孔或少钻孔。
3)延长新型堆焊衬板使用寿命的新方法
参见图3，本发明制作的新型堆焊衬板在磨筒体钢板4内用固化物5镶砌、粘贴和局部焊接安装时，与磨筒体钢板4内结合的凹凸空间里可以特别衬置条、片、块形状不等的陶瓷衬板3，最佳方案是刚玉陶瓷衬板3，这种非金属耐磨材料的硬度HRC可高达85～95以上。即使在堆焊衬板完全磨损后，管磨机仍然能够正常工作相当长时间，新型堆焊衬板的使用寿命得到进一步强化和延长，这是现行任何形式的衬板都无法做到的。
本发明的相关说明：
1)现行衬板与本发明的区别：
迄今为止国内外水泥工业用管磨机的衬板制造都是用炼钢设备经配料、熔炼，并同时将衬板做出沙型或金属型，然后浇铸、出型、热处理等工序铸造出衬板。这与本发明冲压成型、表面堆焊的制作工艺有本质的区别，与本发明中非金属耐磨陶瓷衬板更有本质却别和差异。
2)本发明的重要技术特征：
现行铸造衬板受钢铁冶炼和热处理的限制，更重要的是受到材性中HRC硬度和αk冲击值相互制约的作用。因此，铸造衬板的硬度在HRC在60的基础上提高是相当困难的。只有用铸造厚度弥补不足来保证使用周期寿命。
本发明摆脱了钢铁材料材性的束缚，实现了内柔外刚、其堆焊硬度可达70～80，要想耐磨提高寿命必须首先提高材料的硬度。刚玉陶瓷的性能更加优异。因此本发明使衬板的厚度降低1倍，使用寿命提高1倍是最起码的效果。
3)现行铸造衬板的安装与本发明的区别：
由于现行铸造衬板的重量重，特别是随着管磨机的大型化以后，铸造衬板的重量更重。为了防止重大事故的发生，在筒体内的安装只能采用在筒体是打孔螺栓固定的方法进行安装，筒体上的打孔总数高达1600余孔，严重削弱了磨筒体的刚度和强度。
而本发明的堆焊衬板和陶瓷衬板单位筒体面积的重量分别下降了2.4倍和4.3倍，完全可以安全的使用镶砌、粘贴和局部焊接的方法，真正让筒体实现无钻孔和少钻孔。
4)国内外现行铸造衬板在延长使用寿命方面的措施是无所作为的。管磨机在粉磨作业过程中衬板厚度残留接近1/3时便别无选择只能拆除全部更换。这点与本发明是不可等量齐观的。
5)以Φ3.8×13m衬板为例看不同衬板应用的经济性：
由于厚度、比重的不同，装机的总重量不等，一次投资差异不大，而使用寿命差别是巨大的。
发明可达到的效果是：
1、管磨机衬板由热加工铸造制作改为冷加工冲压成型后堆焊制作，简化了制造方法，改善了热加工苦、脏、累，劳动力密集的生产条件。可实现自动化操作。
2、由于堆焊层优异的机械物理性能。高硬度表面和高韧性基材，在“小能量、多次重复冲击”条件下工作完全是最佳匹配，使用寿命可在现有7000～10000小时的基础上提高一倍，达到15000～2000小时的水平。
3、由于本发明衬板材料优良，其厚度在原有基础上减少了50％，以Φ3.8×13m磨机为例，衬板厚度可以从65mm减薄到30～35mm，可减轻重量达50吨以上，节省钢材达50％以上，节省功率消耗约300Kw左右。而陶瓷衬板的效果更远优于此数据。
4、由于衬板重量减轻，功耗节省，按照勃兰克(Blanc)公式计算，研磨体装填量可增加24吨，可使磨机产量提高10～15％。
5、管磨机衬板轻质化后，完全可以淘汰螺栓固定，而采用水泥镶砌、粘贴和局部焊接法，这样可实现磨筒体无钻孔和少钻孔，避免了筒体刚性和强度的损伤，提高了设备运行的可靠性，避免强度和刚度的损伤达20～30％。
6、衬板的安装只需要镶砌、粘贴和局部焊接，比原有螺栓紧固大大简化了工作量，同时也大大降低了劳动强度。
7、刚玉陶瓷衬板在水泥工业推广应用将是革命性的，各种经济指标都将有重大突破。真正能实现管磨机衬板使用十年不更换的时代已经到来。钢材节省的数量是十分可观的。“以陶代钢”无论是环保意义还是经济意义都是不可估量的。特别是在当经全球铁矿石价格持续飞涨的时代。

Claims (3)

1.一种水泥工业管磨机用新型衬板结构的制作方法，其步骤是：
以普通中低碳钢钢板δ＝10～12mm，采用1000～2000T压力机冷热模冲压成型出所需几何形状的衬板基材，然后在衬板基材表面堆焊出5～15mm厚的堆焊层，制作成管磨机衬板；堆焊材料采用：国产的TN-65或TM-65，德国的UM10-65-G或MF10-GF-60-G焊条，堆焊层的硬度HRC达70～80，冲击值αk符合4～6J/cm2的要求；将所述衬板安装在管磨机筒体内：采用高强度水泥砂浆、环氧树脂或各种无机胶黏剂作为固化物，将衬板镶砌、粘贴，以及用局部焊接的方式连接在管磨机筒体钢板内。
2.一种水泥工业管磨机用新型衬板结构的制作方法，其步骤是：
陶瓷衬板的原料是按照刚玉陶瓷的成分配制，然后采用金属模具在压力机下压制成条、片、块形状不等的刚玉陶瓷衬板，送入高温炉内焙烧，出炉冷却直接制成水泥工业管磨机用耐磨陶瓷衬板，尺寸大小可根据管磨机不同规格具体确定；所述刚玉陶瓷原料采用氧化铝粉：85～95％，氧化锆粉：5～15％；用金属模具在1500～2000T压力机下压制成型，直接送入高温炉内经1600～1800℃温度下焙烧，1小时左右出炉冷却直接制成水泥工业管磨机用耐磨陶瓷衬板；厚度控制在30mm以内，其尺寸是100×100×30mm，200×200×30mm，300×300×30mm；刚玉陶瓷的冲击值αk＞10J/cm2，其硬度值HRC达85～95；
所述衬板在管磨机筒体内的安装固接的固化物用高强度水泥砂浆、环氧树脂或各种无机胶黏剂固化物进行镶砌、粘贴，以及局部用焊接的方式连接在管磨机筒体钢板内。
3.一种水泥工业管磨机用新型衬板结构的制作方法，其步骤是：
在权利要求1所述衬板与管磨机筒体结合的凹凸空间里衬置权利要求2的条、片、块形状不等的刚玉陶瓷衬板，形成组合式衬板；然后将所述组合式衬板用所述的固化物镶砌、粘贴，以及用局部焊接的方式安装在管磨机筒体钢板内。
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