耐磨钢铁材料在选矿行业的应用及发展趋势
发布时间：2021-06-23
摘要：高质量发展要求产品生产过程高质、高效、节能，选矿的质量和效率是矿山开采领域的限制环节之一。耐磨钢铁材料的磨损作为选矿作业时的主要失效方式，直接影响高质量发展目标的实现。介绍了耐磨钢铁材料在选矿行业的使用工况、失效机理，阐述了各类耐磨钢铁材料在选矿中的使用及适用情况与发展趋势。针对行业发展现状及未来发展趋势，提出了短流程工艺生产不同尺度硬质相粒子协同作用的高强韧型贝氏体耐磨材料和引入Q&P工艺制备高韧塑性马氏体耐磨材料两种材料的设计思路，为耐磨钢铁材料的开发提供了思路和借鉴。
关键词：耐磨钢铁材料;选矿;短流程工艺;贝氏体耐磨钢;Q&P马氏体耐磨钢
耐磨钢铁材料作为装备制造的基础材料，在矿山选矿领域具有举足轻重的作用，其优异的耐磨性和较高的硬度能够对矿石进行破碎和研磨，是选矿作业能否高质、高效的关键所在。国内早期的选矿设备以小口径球磨机为主，耐磨钢球主要要求高耐磨性。近20年来，国内不断引进高质、高效的半自磨机等新设备、新技术，半自磨机内的作业工况对耐磨材料的韧性要求越来越高，20世纪80、90年代国内研究较多的高铬铸铁等耐磨材料已不能满足应用要求，为此，选矿行业同步引进了国外的低合金耐磨材料。随着行业向高质量发展，半自磨机的直径不断增大，耐磨钢球的高硬度(耐磨性)和冲击韧性之间的矛盾逐渐成为行业发展的主要限制环节。由于近20年来耐磨钢铁材料的舶来主义，国内相关研究的报导较少，因此有必要对选矿领域的耐磨材料、服役工况、失效机理等方面进行梳理和总结，以便于研究、攻克相关的限制问题。
本文对选矿作业材料失效方式、工艺装备的工况条件、应用于该行业的耐磨钢铁材料等方面的相关文献进行了分析和总结。针对行业发展现状及未来发展趋势，阐述了短流程工艺生产不同尺度硬质相粒子协同作用的高强韧型贝氏体耐磨材料和引入Q&P工艺制备高韧塑性马氏体耐磨材料两种提高耐磨钢球冲击韧性和耐磨性的技术原理，为绿色、低碳、高效、节能的高质量选矿行业的发展提供了借鉴和思路。
1选矿作业设备服役工况及材料失效机理
1.1选矿作业设备行业发展现状
20世纪30年代，美国制造了世界上第一台湿式自磨机[1]，利用矿石自身的重量和硬度相互碰撞、相互研磨，将块矿进行破碎，显著提高了工业选矿的效率。60年代，将自磨机改良为半自磨机[2]，添加15%左右的钢球，利用钢球的重量和硬度与块矿相互冲击、相互磨削，加速了块矿的破碎，进一步提高了效率[3]。此后，半自磨机在秘鲁、澳大利亚、美国、爱尔兰等国外各大矿山上得到了普遍的应用。2000年以前，国内主要选矿厂——铜陵有色、江西铜业、中国黄金等主要使用添加高耐磨铸铁球的自磨机，2000年开始引进半自磨机技术和设备[4]。
随着新技术、新装备的应用和发展，磨损成为选矿领域设备和材料最主要的失效方式，作为耐磨材料的中流砥柱，各种类型的耐磨钢铁材料在选矿领域中开始崭露头角，耐磨钢铁材料的大规模推广及应用使其成为选矿企业磨损量最大的损耗材料。
耐磨钢球是球磨机中最常用、消耗量最大的研磨体[5]，以煤矿、矿山、水泥行业应用最多。国内外使用较多的耐磨球材料有合金钢铸钢、铬合金铸铁、锻轧低合金钢等材料[6]。铬合金铸铁球已经逐步替代合金钢铸球，成为直径较小的球磨机的主要使用材料。低合金耐磨钢添加了提高淬透性的元素，以淬火+低温回火工艺获得回火马氏体组织，该组织既具有较高的硬度，同时冲击韧性也得到了一定程度的改善和提高，用其制备的轧球和锻球也已广泛应用于直径较大的自磨机和半自磨机，但随着半自磨机的直径不断增大，韧性已显不足。
1.2选矿作业工艺装备及工况
从矿山开采出来的原矿石往往都是硬度高、尺寸大的块矿，需要破碎到一定尺度的小颗粒才能使用。选矿作业的主要设备是磨机，分为半自磨机和球磨机，分别如图1、图2所示。国内外普遍采用半自磨+球磨工艺(SAB)[7]，其工艺流程为：破碎(半自磨机)→粗磨(球磨机)→精磨。目前，国外半自磨机的直径普遍大于10m，国内2000年左右引进的半自磨机普遍为8~10m，2010年以后引进较大直径半自磨机，直径最大达到13.97m。
在磨机内，块矿与耐磨钢球按照一定比例(约75∶15)混装，电机驱动磨机高速旋转，块矿和耐磨钢球一起被带动上升，达到一定高度时被“抛落”，与底部的矿石和磨球相互碰撞，随后重新被带动上升。如此，块矿和磨球一同做着“升起-下落”、“摩擦-碰撞”的往复循环运动[8]，直至矿块粉碎到目标直径的颗粒，被筛出后进入下一道工序。
矿石和耐磨钢球的相互作用方式主要有相互研磨和相互碰撞：当做抬升运动时，两者之间因自身重量而紧密接触，相互滑动，硬度高的钢球对硬度低的矿石进行研磨;当做抛落运动时，两者由高空落地时与底部矿石相互碰撞，在强有力的冲击力下破碎矿石。
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半自磨机与球磨机都需要添加磨球，借助磨球对矿石的物理作用进行磨损。两者的主要区别是半自磨机的直径大、长度短、转速高、钢球运动速度快、落差大、冲击力强，主要用来对原矿石进行破碎;而球磨机的直径偏小、长度较长、转速低、钢球运动速度慢、落差小、冲击力弱，主要用于研磨矿石。为了减少粉尘，加速磨矿，一般会在磨机内加水，俗称湿磨。湿磨环境会导致高硬度磨球组织中马氏体的氢致开裂，将加剧耐磨钢球的失效。
1.3选矿作业的材料失效机理
耐磨钢球与矿石的相互研磨和相互碰撞作用是一种磨损行为。磨损是一种复杂的动态过程，承受剧烈的力学作用，发生物理化学变化，受到材料、载荷、环境、温度等多种因素影响。根据磨损表面的作用和破坏形式，普遍将磨损分为5种类型，即磨料磨损、黏着磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等[9]。20世纪90年代，研究人员在研究磨损机理时统计发现，在工业领域磨料磨损和黏着磨损是最主要的磨损类型，占比超过65%，其中磨料磨损占比超过50%。在矿山选矿破碎矿石方面，磨料磨损是主要的磨损形式。
1.3.1磨料磨损机理
磨料磨损是材料硬颗粒与凸起物相对摩擦时，材料表面发生损耗的一种磨损，也称为磨粒磨损。磨损过程中会产生微犁沟、微切削、微疲劳和微断裂等作用，磨料磨损形式示意图如图3所示，与此相对应的磨损机理有三种[10]。
(1)微观切削磨损机理。在外力的作用下，硬磨粒以一定的角度接触材料表面时，垂直于材料表面的法向力使磨粒刺入摩擦表面，切应力使磨粒向前滑动，从而在材料表面形成犁沟，如图3(a)所示。此时如果材料的塑性较差，磨粒的棱角尖锐，与接触表面之间的冲角大于临界值，则磨粒就会像刀具一样，对表面进行剪切和切削，直接造成材料去除，形成一次切屑，在磨损表面产生深度和宽度都非常小的沟槽，称为微切削[11]，如图3(b)所示。磨料的硬度及相互之间的相对值是影响磨损的基本因素，硬度越高，磨损量越小。
(2)塑变(犁皱或冲击)造成的疲劳磨损机理。对于塑性较好的材料，如果磨粒的棱角较钝，当切入角小于临界值时[12]，磨粒滑过材料表面时，只能把材料推挤到犁沟的两侧和前缘，造成较大的塑性变形，而不能产生切削作用和形成一次切屑，这时犁沟被称之为犁皱。当再次受到磨粒的作用时，这些己经塑性变形的材料将遭受再一次的犁皱变形，如此反复塑性变形，最终形成疲劳裂纹并剥落磨屑，如图3(c)所示。
(3)裂纹扩展控制的断裂(剥落)磨损机理。对于脆性材料，断裂磨损机理主要占支配的地位。在磨粒压入和切削材料表面的过程中，当磨粒的压痕深度超过临界压痕深度时，压痕底部的接触压力促使材料生成裂纹并向周围扩展。当平行于表面的裂纹互相交叉或扩展到表面时，材料表面就会有微粒剥落，形成磨屑，如图3(d)所示。
在磨料磨损过程中，上述几种磨损机理可以随着材料自身特性以及外界磨损条件的变化而发生转变，随着材料硬度的增加和断裂韧性的降低，磨料磨损机理的转变顺序为：塑变(犁皱或冲击)造成的疲劳磨损、微观切削磨损和裂纹扩展控制的断裂(剥落)磨损。此外，在特定实际工况条件下，材料的磨损往往是以一种磨损机理为主，几种磨损机理复合作用的结果。
1.3.2选矿作业的磨料磨损
磨料磨损常用两种分类方法，其中按照磨料与工件之间作用应力的大小，磨料磨损又分为低应力擦伤式磨料磨损、高应力碾碎式磨料磨损和凿削式磨料磨损[13]。选矿作业不同工装设备表现出差异很大的作用应力，适用这种分类方法来进行分类。
低应力擦伤式磨料磨损。其特征是接触应力低，接触松散，滑动自由。磨料的接触应力低，不超过其本身的压碎强度，对工件表面只造成擦伤和轻微的切削，如犁铧、料仓、漏斗等的磨损。
高应力碾碎式磨料磨损。其特征是接触应力高，磨料受到工件表面的挤压和摩擦，局部的接触应力非常高，超过了磨料的压碎强度，使磨料不断被碾碎成越来越小的碎片。而破碎的碎片呈多角形，可以嵌入切削工件表面，使工件摩擦表面产生凹坑和沟槽，如球磨机的磨球、衬板，矿石粉碎机的颚板和滚式破碎机的滚轮等的表面磨损。
凿削式磨料磨损。其特征是冲击力大，磨料与工件表面垂直或呈一定的倾斜角，以很大的冲击力切入表面，造成接触表面的宏观变形，并凿削下大颗粒掉块，使磨损表面有较深的压痕和沟槽。
适用半自磨机的耐磨钢球的尺寸较大，一般直径为120~150mm，单球质量7~14kg。在半自磨机旋转抬升时，矿石和磨球之间接触松散，相对滑动，接触应力较低，其磨损行为主要为低应力擦伤式磨料磨损。当矿石和磨球跌落时，因为巨大的落差，底部的矿石受到耐磨钢球剧烈的碰撞冲击作用而破碎，此时磨损行为主要为凿削式磨料磨损。总体而言，半自磨机的直径较大，磨球的质量较重，凿削式磨料磨损占据主导地位。
球磨机的直径为4~8m，适用的耐磨钢球的尺寸一般直径为60~100mm，单球质量1~4kg。在球磨机内，落差较小，钢球质量较轻，矿石和耐磨钢球相互碰撞的作用减轻，凿削式磨料磨损行为占比降低，高应力碾碎式磨料磨损占据主导地位。整体而言，球磨机的磨损行为主要为高应力碾碎式磨料磨损，低应力擦伤式磨料磨损次之。
精磨机的直径小于4m，适用的耐磨钢球一般直径为20~40mm，钢球已经没有冲击作用，矿石和耐磨钢球主要做相互研磨作用，此时的磨损行为主要为低应力擦伤式磨料磨损。——论文作者：于浩1，宋邦民1，2
