姚一帆，張文軍，武志宏，張文彬，姚紹武

(1.湖州新開元碎石有限公司, 浙江湖州市 313022；2.中國礦業(yè)大學低碳能源研究院,江蘇徐州市 221116；3.中國礦業(yè)大學化工學院, 江蘇徐州市 221116)

碎石設備磨損件損耗研究

姚一帆1，張文軍2，3，武志宏3，張文彬1，姚紹武1

(1.湖州新開元碎石有限公司, 浙江湖州市 313022；2.中國礦業(yè)大學低碳能源研究院,江蘇徐州市 221116；3.中國礦業(yè)大學化工學院, 江蘇徐州市 221116)

針對新開元公司采石工作面遷轉后出現(xiàn)的碎石設備磨損加劇的問題，通過系統(tǒng)的設備和工藝調(diào)研，明確主要影響因素為礦石性質(zhì)和耐磨件的性能，并對不同采區(qū)的巖石組成及力學性質(zhì)進行了研究，同時分析和評價了報廢磨損件的材料及磨損特征。結果表明巖石性質(zhì)的改變是導致工藝設備磨損加劇的主要原因。

巖石；礦物；顎式破碎機；圓錐破碎機；磨損

1 礦區(qū)碎石設備概況

湖州新開元碎石有限公司(以下簡稱新開元)年產(chǎn)400多萬t砂石料,采用工藝為三段破碎及濕法篩分(如圖1所示)。爆破開采的毛料,先經(jīng)沖擊錘初步破碎后,再經(jīng)顎式破碎機粗碎、圓錐破碎機中碎和細碎。三段破碎后的產(chǎn)物經(jīng)分級后得到不同規(guī)格的建筑骨料及機制砂等產(chǎn)品。

顎式破碎機的動、定顎板和圓錐破碎機的動、定錐是破碎礦石的主要工作部件,直接接觸礦石,受到礦石的強烈沖擊、擠壓、研磨、鑿削、切削等作用,易于磨損[1-3]。2014年初工作面遷轉后,統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明顎破的顎板和圓錐的磨頭損耗明顯加劇,對企業(yè)的生產(chǎn)和管理造成不利影響。具體體現(xiàn)在:

圖1 新開元礦石破碎工藝流程

(1)磨損件損耗加劇,引起排料粒度增大,影響后續(xù)作業(yè)和產(chǎn)品質(zhì)量。顎式破碎機的顎板和圓錐破碎機的錐體在使用過程中,受到礦石巨大的沖擊擠壓、研磨及低周應變疲勞磨損,導致磨損件表面產(chǎn)生塑性形變、金屬流變、脆性斷裂剝落,磨損件不斷磨損消耗,逐漸變薄,致使礦石出料粒度變大,產(chǎn)品質(zhì)量下降[4]。

(2)磨損件損耗加劇,導致部件更換頻率增加,勞動強度增大,材料成本提高。在生產(chǎn)設備、工藝、操作管理穩(wěn)定的條件下,定顎板破碎礦石量由75萬t下降到42萬t,單位產(chǎn)量成本是原來的1.67倍；定錐破碎礦石產(chǎn)量由71萬t下降到37.1萬t,單位產(chǎn)量成本是原來的1.57倍；動錐破碎礦石產(chǎn)量由33.9 萬t下降到19萬t,單位產(chǎn)量成本是原來的1.86倍。工作面遷轉后,磨損件的使用壽命縮短約50%,相應的單位產(chǎn)量成本增加50%左右。

同時,由于大型破碎機的磨損件自重大、體積大,更換時需停車、停產(chǎn),影響產(chǎn)量；大型部件更換過程的勞動強度也很大。定顎板的使用壽命由工作面調(diào)整前的150 d減少到調(diào)整后的63 d；定錐由調(diào)整前的67 d減少到調(diào)整后的35 d；動錐由調(diào)整前的32 d減少到18 d；工作面調(diào)整后,定顎板由5個月更換一次新顎板變?yōu)?個月更換一次；定錐由2個月更換一次變?yōu)?個月更換一次；動錐由1個月更換一次變?yōu)榘雮€月更換一次。

2 磨損加劇的原因探討

設備結構與材質(zhì)、工藝系統(tǒng)與操作以及系統(tǒng)入料性質(zhì)是影響破碎設備壽命的3個主要原因[5]。由于在毛料開采工作面調(diào)整前后,核心設備、主要工藝、單位時間產(chǎn)量等均未發(fā)生顯著改變。因此上述3個因素中,影響因素為礦石性質(zhì)和耐磨件的性能。

2.1 巖石礦物組成

礦石性質(zhì),如礦物組成、礦物硬度、礦物形貌、節(jié)理及裂隙發(fā)育程度、風化程度等,與磨損件的損耗關系密切。一般而言,礦石中硬度較高的礦物(如石英、長石、角閃石等)含量越高,顆粒越均勻,顆粒之間的連結力越強,礦石節(jié)理裂隙發(fā)育程度越差,風化程度越低,礦石的完整性越好,礦石物理力學指標值越高,礦石的耐磨值越大,相反,巖石中硬度較低的礦物(如黑云母、白云母、綠泥石等)含量越高,巖石物理力學指標值越低,巖石的耐磨值越小。此外巖石的成因類型、成巖環(huán)境、結構構造類型都是巖石耐磨值的影響因素[6]。

礦區(qū)分為西礦區(qū)和東礦區(qū),西礦區(qū)是新采礦山,東礦區(qū)是停采礦山,其中A(185 m)、B(170 m)、C (155 m)是西礦區(qū)當前開采工作面,D(60 m)是東礦區(qū)停采工作面。在A(185 m)、B(170 m)、C(155 m)和D(60 m)處分別采集巖石試樣。巖石礦物組成檢測采用薄片鑒定,檢測在室溫20℃、相對濕度50%的條件下進行,檢測儀器為偏光顯微鏡,不同開采工作面的巖石礦物組成如表1～表4所示。

表1 A工作面的礦石礦物組成分析

表2 B工作面的礦石礦物組成分析

表3 C工作面的礦石礦物組成分析

表4 D工作面的礦石礦物組成分析

按照GB/T17412.1-1998鑒定,開采面A、B、C區(qū)域的巖石為流紋巖,停采區(qū)D的巖石為安山巖。A、B、C 3個工作面的礦石主要成分是長英質(zhì)礦物、石英、斜長石和鉀長石,它們平均占礦石總體積的90.8%,其中長英質(zhì)礦物占到73.1%；當前采區(qū)A、B、C 3個工作面礦石含硬度較大、堅固、耐磨、難破碎的長英質(zhì)礦物、石英和鉀長石較多；停采區(qū)D礦石不含石英和鉀長石,而硬度較小的碳酸鹽、綠泥石和云母含量有所增加,發(fā)生綠泥石化和云母化。

與之前所開采的礦石相比,新采區(qū)的礦石成分已發(fā)生很大的變化,可以初步判斷磨損件損耗加劇的主要原因,應該是源自礦石成分的變化所致。

2.2 巖石力學性能分析

巖石的礦物組成是影響其物理力學性質(zhì)的最主要因素。依據(jù)GB/T23561.7-2009,檢測新開采區(qū)礦石的抗壓強度,按照f＝R/10(R抗壓強度,單位MPa),確定礦石的普氏硬度f(見表5)。

表5 A、B、C區(qū)礦石普氏硬度

如表5所示新工作面礦石普氏硬度,結合巖石堅固性等級分類分析,A工作面礦石的普氏硬度系數(shù)f值平均達31.7,最大值39.3,最小值20.2,礦石硬度極大；B開采平臺礦石普氏硬度系數(shù)f平均10.0,最大值16.8,最小值6.2,屬于堅固礦石。C開采平臺礦石普氏硬度系數(shù)f平均21.1,最大值25.1,最小值16.4,礦石硬度大。A和C工作面礦石的普氏硬度系數(shù)幾乎都在20以上,甚至有些礦石達到30以上,大大超過普氏堅固性分級表最大值20,屬于極堅硬礦石。

工作面遷轉后巖石的成分發(fā)生很大改變,耐磨長英質(zhì)礦物、石英及鉀長石等含量增加,礦石普氏硬度普遍偏高,破碎難度較大。破碎設備的磨損件受到高硬度礦石的強烈的沖擊、擠壓、短程鑿削、切削等作用,易于引發(fā)磨損件表面產(chǎn)生塑性變形、鑿削變形、金屬流變或局部裂紋,易于造成疲勞剝落,加劇磨損。

2.3 報廢磨損件分析

從現(xiàn)場報廢磨損件中,選取6種具有代表性的磨損件,依次編號a(392定錐)、b(391動錐)、c(二線定錐)、d(二線動錐)、e(動顎)、f(定顎),在磨損部位采用冷切割法切取檢測所需試樣。

2.3.1 成分分析

報廢磨損件材料成分分析見表6,各磨損件材料均屬于高錳鋼材質(zhì),各成分含量基本達到高錳鋼化學元素組成要求。但也發(fā)現(xiàn)個別磨損件的個別元素含量出現(xiàn)偏差,如在常溫強烈沖擊載荷下服役的高錳鋼工件,C含量一般控制在1.2%以下,有的甚至控制在1.0%以下,表6所示391動錐含C量1.36%,二線動錐含C量1.51%,在強烈沖擊載荷作用下,C含量過高時,鑄態(tài)組織中碳化物數(shù)量增多,高錳鋼沖擊韌性下降,易產(chǎn)生變形,變形累積會引起斷裂剝落；在強烈沖擊工況下,高錳鋼含Mn量越高,加工硬化能力越強,耐磨性越好,一般要求高錳鋼Mn含量不低于12%～12.5%,二線定錐、動顎板、定顎板含Mn量低于12%～12.5%,耐磨性變差；高錳鋼中加Cr可固溶奧氏體,提高屈服強度,增強耐磨性,Cr的加入量一般為1.5%～2.5%,391動錐、二線動錐含Cr量僅為0.8%左右,會影響磨損件的耐磨性。

2.3.2 磨損分析

表6 報廢磨損件材料成分分析

圖2是不同失效磨損件不同部位的宏觀形貌分析。圖中,(b)、(c)、(d)、(f)磨損件表面有明顯凹坑,塑性變形嚴重,材料大量流失。各磨損件表面出現(xiàn)不同程度的摩擦磨損,并存在許多明顯的滑痕和小塊脫落。同時圖(a)、(b)、(e)、(f)磨損件還出現(xiàn)一定程度的銹蝕,存在腐蝕磨損。這主要是由于工況環(huán)境惡劣,工作界面在長期反復沖擊、擠壓、研磨作業(yè)時,不斷和硬質(zhì)礦石接觸,受到不斷變化的沖擊力和接觸應力造成的。

圖2 磨損件宏觀形貌分析

不同失效磨損件的不同區(qū)域的微觀形貌分析如圖3所示。圖3(a)的磨損區(qū)域有明顯的溝槽,劃痕很深,滑痕方向雜亂無章,與滑痕垂直方向出現(xiàn)長裂紋,圖3(b)、(f)也存在這些現(xiàn)象,材料流失,存在疲勞磨損；圖3(c)、(d)磨損區(qū)域滑痕細密,磨損均勻；圖3(e)發(fā)現(xiàn)明顯的晶界腐蝕現(xiàn)象,并伴有一些剝落的塊狀金屬殘留在表面。由此可知,磨損件工作中受到礦石腐蝕磨損,長期反復的沖擊、擠壓和鑿削、切削作用,產(chǎn)生嚴重的疲勞磨損和滑動磨損。

根據(jù)破碎機工況條件、磨損機理,結合金屬材料特性,確定磨損件材料的選擇原則為:材質(zhì)需具有較高的硬度,以防止表面塑性變形以及切削磨損；還必須具有一定的韌性,以防止表面脆性斷裂以及大塊剝落[7]。

3 結 論

(1)新開采的A、B、C區(qū)礦石主要為流紋巖,含長英質(zhì)礦物、石英和鉀長石較多,硬度較大,是極堅硬礦石；停采區(qū)D礦石主要為安山巖,且含碳酸鹽、綠泥石和云母較多,部分發(fā)生綠泥石化和云母化,礦石硬度相對較小。

(2)礦石開采面遷轉后,磨損件損耗加劇主要是由于所開采的礦石成分發(fā)生巨大變化所致。

(3)磨損件主要受礦石長期反復的沖擊、擠壓、鑿削、切削作用,疲勞磨損和滑動磨損嚴重,同時存在腐蝕磨損,現(xiàn)有磨損件性能無法滿足破碎當前極堅硬礦石的要求。

圖3 磨損件微觀形貌分析

(4)針對當前新開采的堅硬流紋巖礦石,開發(fā)高性能耐磨新材料是提高磨損件耐磨性、延長使用壽命、減少工人勞動強度、降低生產(chǎn)成本最有效的途徑之一。

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2015-01-14)

姚一帆(1982-)，男，浙江湖州人，副總工程師，碩士，主要從事礦物學、巖石學、礦床學方面的工作，Email: 13983045＠qq.com。

張文軍(1970-)，男，陜西寶雞人，副教授，主要從事選礦技術與工藝、固液分離理論與技術等方面的研究，Email:1905446681＠qq.com。