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碳化钨注渗钢基耐磨合金在水泥行业的应用及高耐磨性分析

(新世纪水泥导报2003.2)

    摘要:水泥行业立磨、辊压机、选粉机、燃烧器等设备中的耐磨件,采用离子注渗钢基耐磨合金(下简称wcsa),其耐磨性是堆焊、喷涂碳化钨耐磨层的3-6倍,也比进口耐磨钢板的耐磨性高3倍以上。wcsa高耐磨性是由先进的离子注渗工艺及其形成的特殊组织结构所决定。水泥行业采用wcsa耐磨件经济效益十分显著。

关键词:碳化钨 耐磨合金 高耐磨性 立磨 辊压机 选粉机 燃烧器。

引言

    水泥生产过程中,其原料和燃料由于数量多,物料硬,运动快,对设备磨损严重。立磨扇形护板、导流护板、拉杆护套;辊压机中的布料器、挡料板、溜管;高效选粉机中的选粉壳体、叶片、撒料盘、旋风筒;燃烧器煤风管中的进煤管、上下壳体、耐磨套、内外喷头、菱形支撑板;中间料仓进出口溜槽、料斗;高速提升机、链斗机、取料机设备中的滚、套、销;煤粉制造和输送系统的异径管、弯管;风机和收尘器系统的弯管、楔形管、梯形板等都需要在物料磨损面采取防 磨措施。过去,这些零件的耐磨面大多采用堆焊、喷涂耐磨层或碳化钨(wc)层,选购进口耐磨钢板来抗磨,收到了一定效果,但耐磨性仍然偏低。如堆焊wc的立磨护板使用寿命最长的不会超过四个月;选粉机叶片、燃烧器中煤风管,在堆焊或热喷涂wc后使用寿命也达不到一个大修理期;中间料仓出口锥度管,选用进口耐磨钢板制作,其寿命通常也达不到一年。这些零部件更换和维修频繁,使设备运转效率减低,提高了产品成本,制约了生产的发展。

    为了提高这些设备的耐磨性,北京永固运通表面合金科技有限发明了离子注渗wc制备高级耐磨材料的新技术。该技术已获得国家发明专利,具有自主知识产权。它是通过高能离子注渗技术向需要耐磨的钢铁零部件的表面及表层,注渗进高抗磨的wc,wc层达到1.2-1.5mm,其中wc含量较高的富集层达到0.3-0.5mm。使原钢铁零部件表层改性为wc注渗钢基耐磨合金(下简称wcsa)。wcsa具有高硬、高强、高韧及高的抗疲劳性,由于零部件需要抗磨的表面及表层有wc“盔甲”把关,由表及里的磨损则奈何不得。在离子注渗wc时,注渗层及周边部位的红硬性和热强性也同时大幅度提高,实现了耐磨性、耐热性、强韧性的合理组合,较好地满足了水泥行业耐磨又耐热的燃烧器等零部件的需求。wcsa是在钢铁零部件需要抗磨部位经离子注渗wc而成,注渗件形状不限,注渗后工件尺寸不会增加,表面粗造度基本不变。wcsa零部件的耐磨性达到堆焊或热喷涂wc层以及进口耐磨钢板的3-6倍,离子注渗碳化钨的费用略高于堆焊和进口耐磨板,比超音速喷涂wc低很多。wcsa零部件大幅度提高耐磨零部件使用寿命,减少停机损失和维修费用,这几方面综合效益远高于注渗碳化钨费用,经济效益十分显著。因此,wcsa产品倍受水泥行业工程界的青睐。

1 使用效果

    目前在水泥行业中,wcsa产品主要用于立磨、辊压机、高效选粉机、多通道燃烧器的耐磨零部件,都取得了十分满意的使用效果。

1.1 立磨耐磨零部件:

    我国大型水泥企业,不少单位采用立磨粉碎生料。这些立磨过去大部分从欧洲进口,目前国内沈阳、合肥等地也都生产立磨。立磨生料粉碎产量大,使立磨内的护板、拉竿护套、冷却水管等零部件磨损很快。如进口立磨的内外护板,是在钢板上堆焊8-10mm厚的wc,其使用寿命达不到四个月。国产立磨护板使用寿命比进口的还差一些,现在钢板上注渗进wc,钢板内wc富集层为0.3-0.4mm。经国内许多水泥集团的长期使用,其寿命达到原堆焊wc耐磨板的6倍以上。

1.2 辊压机系统耐磨零部件:

    辊压机作为水泥厂物料粉碎的主设备,越来越多地得到应用。但辊压机系统目前存在的主要问题是有些零部件寿命较低。压辊是靠厚度耐磨的,wcsa中的wc注渗层只有1.5mm,提高压辊寿命有限。除压辊外,辊压机系统的中间仓入料口及下锥体;辊压机布料器及端挡板,输送物料的溜槽、异径管、弯管等,寿命也较低。过去这些零部件大多采用进口耐磨钢板制造,使用寿命不到一年。华北地区多家大型水泥集团都改用wcsa制造。最早使用厂家已达2年以上,磨损量很小,根据磨损量可以推算wcsa比进口耐磨钢板耐磨性最少高3倍以上。

1.3 高效选粉机耐磨零部件:

    选粉机是水泥生产的主要设备之一。为了提高选粉效率,高效选粉机逐步替代过去使用的低效选粉机。高效选粉机的旋转体速度和气流速度也要加大,要求选粉机内的许多零部件具有高的耐磨性。如某高效选粉机的叶片只有6mm厚,过去采用热喷涂wc来解决,由于耐磨性不足,使高效选粉机达不到“高效”。现在改用6 mm厚钢板注渗wc ,使用效果很好。天津等地制造的高效选粉机中的叶片、连接板、衬板、布料器、撒料盘等零部件都采用了离子注渗wc材料,使高效选粉机的使用寿命达到同类选粉机的5倍以上。

1.4 多通道燃烧器零部件:

水泥企业回转窑普遍采用各种二通、三通、四通或多通道燃烧器。燃烧器的煤风管、调节板等零部件磨损很快。特别是煤风管,它是由两种不同直径的钢管组成,直径大多在Ф219mm以下,其长度均超过800mm,大管内面,小管外面需要耐磨。由于径长比很小,不论堆焊或热喷涂wc,大管内面耐磨性均比小管外面耐磨性差,使煤风管寿命减少。现改用离子注渗wc,大小管耐磨面处处耐磨性一样,而且耐磨性大大提高。天津、湖北、江苏等地的燃烧器制造厂家都改用wcsa的煤风管,其寿命都比堆焊、喷涂wc提高3倍以上,保证水泥企业在一个大修理期内无需更换煤风管,受到了用户的好评。

2.效果分析

    从立磨、辊压机、选粉机、燃烧器系统耐磨件实际使用效果看,离子注渗wc的零部件比堆焊、喷涂wc及进口耐磨钢板的耐磨性提高3-6倍。离子注渗、堆焊、喷涂三种工艺都是以高耐磨wc为抗磨载体,堆焊wc耐磨层最后大约4-10mm;喷涂wc的厚度在0.5~2mm;离子注渗wc富集层只有0.35mm左右。为什么薄的比厚的更耐磨呢?这需要从各自wc层的形成工艺,wc层组织结构及耐磨机理加以说明。

    目前堆焊wc的工艺大多数是手工氧—乙炔或电弧堆焊,也有用高频感应或宽带极堆焊的。普遍使用的热喷涂方法有火焰、电弧、等离子喷涂,还有超音速火焰喷涂、爆炸喷涂,后者质量虽好,但价格太高,一般机械很少采用。目前机械工程中的堆焊和喷涂基本上是人工操作,人为因素较多,工艺参数控制不严,wc分解脱炭严重,wc层内都存在较多孔隙和微裂纹。wc层与基体之间以机械结合为主,冶金结合为辅,宏观界面清晰可见(见图一)。

    高能离子注渗wc工艺是在真空下进行,对所有耐磨面同时进行离子注渗,工艺参数均由电脑控制。由于是通过比纳米还小的离子进行注渗,钢基体内的wc颗粒尺寸微小、数量众多、弥散分布,两者是冶金结合,梯度变化,没有宏观界面(见图二)。

    由于堆焊、喷涂、离子注渗wc的工艺不同,wc耐磨层宏观和微观组织结构也不同,使它们抵抗磨损的能力表现出很大的差距。

    从高能离子注渗wc层的金相组织和硬度分布曲线(见图三)来看,在这种组织结构中,wc和钢基体两者是优势互补,表面具有wc的高硬度、高耐磨性,心部则保持了所选钢基体原来的硬度、强度和韧性。在表面与心部之间还存在一个性能渐变的梯度过渡区,有效地避免了性能突变时可能引起的材料破坏。在wc富集层内,无数细小wc颗粒起着弥散强化的作用,使钢基体提高了强度和抗疲劳性能。在磨损工况下,基体强度的提高,就是增强了wc颗粒经受磨损的支持能力;抗疲劳性能的提高使wc颗粒崩裂脱落的危险大大减少。由于这些因素综合作用,使wc本身的抗磨能力得到了充分发挥,宏观表现出来的结果就是耐磨性很高。堆焊、热喷涂wc的耐磨层虽然很厚,但它与基体不是完全冶金结合,也没有过渡层,还有许多细小孔隙和微裂纹,还存在许多没有金属支持的wc聚合体。这一切使wc颗粒的支持能力减弱了。在剧烈磨损条件下,支持力不足的wc颗粒很快被磨掉,宏观表现出来的结果就是耐磨性差。所以堆焊、热喷涂形成的较厚的wc层,远不如离子注渗的较薄的wc层耐磨。

3.结论

    现代水泥生产中的立磨、辊压机、高效选粉机、燃烧器等设备中的许多耐磨零部件,过去大多采用堆焊、热喷涂wc或采用国外进口耐磨钢板来抗磨,耐磨效果尚可,但不理想。现用wcsa替代堆焊、热喷涂wc耐磨层及进口耐磨钢板,耐磨性提高了3-6倍,还减少了维修费用和停机损失,改用wcsa收益远高于wc注渗费用,使用wcsa耐磨件的经济效益十分显著,因此,wcsa材料值得在水泥行业耐磨设备中大力推广应用。

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