煤用旋流器內(nèi)襯磨損形式及材料選取研究

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 100013)

0 引 言

水力旋流器是選煤廠的主要分級(濃縮)設(shè)備，重介質(zhì)旋流器是選煤廠主要的分選設(shè)備。2種旋流器均是以一定的壓力將煤與介質(zhì)的混合物泵入旋流器，使固液兩相流在高壓作用下于旋流器內(nèi)產(chǎn)生離心旋轉(zhuǎn)運動而將不同性質(zhì)的物料分離。由于固液兩相流高速旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的摩擦、沖擊等作用，旋流器內(nèi)襯材料極易磨損，縮短了旋流器的使用壽命，降低了生產(chǎn)效率，增大了生產(chǎn)成本，因此旋流器內(nèi)襯材料的耐磨性是選煤科技工作者研究和重點關(guān)注的問題之一。李坤等[1]對重介質(zhì)旋流器的磨損部位和磨損過程進(jìn)行了分析，利用微切削磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損的理論，分析了重介質(zhì)旋流器的磨損機(jī)理。近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，研發(fā)出用于旋流器內(nèi)襯的新型耐磨材料，目的是為了提高旋流器內(nèi)襯的使用壽命。曹晶晶等[2]簡述了旋流器的磨損形式和旋流器內(nèi)襯的選材,分析了氧化鋁陶瓷內(nèi)襯的磨損機(jī)理及存在的不足,提出了制備新型耐磨復(fù)合材料的新工藝。張力強(qiáng)[3]從用于旋流器內(nèi)襯的氧化鋁微觀結(jié)構(gòu)研究了粉體粒度對燒結(jié)制品致密性、耐磨性的影響。周彪等[4]介紹了旋流器內(nèi)襯傳統(tǒng)耐磨材料，包括高鉻鑄鐵、聚氨酯、剛玉和碳化硅等材質(zhì)的優(yōu)缺點。

由于內(nèi)襯材料價格差異較大，通過分析旋流器內(nèi)襯磨損原因和不同內(nèi)襯材料的特點，針對旋流器的規(guī)格和用途，有針對性地選用性價比高、經(jīng)濟(jì)合理的耐磨材料，對降低旋流器價格和生產(chǎn)費用具有重要意義。

1 旋流器的工作原理及造成磨損的原因

旋流器無論是用于濃縮還是分選，都是在泵的壓力下，將以煤顆粒為主的物料和以水或以水和Fe3O4為主的介質(zhì)形成的固液兩相流泵入旋流器，在內(nèi)部形成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生較大的離心力場并形成密度場，使物料沿內(nèi)壁做螺旋運動和移動運動。由于離心力場和密度場作用，密度不同的固體物形成不同的層流，密度小的固體物形成中心層流產(chǎn)出輕產(chǎn)物。攜帶非煤固體雜物特別是密度較大的重雜物如矸石、鐵器等，被拋擲到內(nèi)壁形成外層流產(chǎn)出重產(chǎn)物，該外層流與旋流器內(nèi)襯進(jìn)行高速摩擦并伴有沖擊破壞，加速了內(nèi)襯的損壞和磨損。當(dāng)旋流器內(nèi)襯磨損及損壞到一定程度時，其結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，內(nèi)部保持的穩(wěn)定流場遭到破壞，導(dǎo)致回收率降低、分選精度下降。對于重介質(zhì)旋流器，由于磨損導(dǎo)致底流口直徑增大3 mm時，會造成嚴(yán)重的精煤損失[1]。

2 旋流器內(nèi)襯磨損的影響因素及磨損形式

旋流器內(nèi)襯磨損的影響因素主要有入料硬度、旋流器的入料壓力、固液兩相流的旋轉(zhuǎn)速度、入料的沖擊角度[5]、入料粒度及入料形狀(入料顆粒本身的不規(guī)則性)等[6]，其中入料硬度是旋流器內(nèi)襯磨損最主要的影響因素。入料壓力越大，則磨損大。對于脆性材料，沖擊角增大，磨損量隨之增大;對于韌性材料，磨損量隨著沖擊角增大先增大，當(dāng)達(dá)到最大值后，磨損量變小。入料粒度越大，沖擊性越強(qiáng)，磨損越大。入料不規(guī)則特別是帶有棱角尖銳的物料，對內(nèi)襯造成的磨損越大。由于旋流器工作時為濕式旋轉(zhuǎn)，物料的旋轉(zhuǎn)速度對磨損度影響相對較小[2]。旋流器的內(nèi)襯磨損分為以下4種形式[7]:

1)沖擊磨損

高壓作用下，大顆粒煤、矸石和其他重雜物具有很大的慣性力，這些慣性物體進(jìn)入旋流器后對其內(nèi)壁造成沖撞，從而造成內(nèi)襯表面損壞，該磨損主要發(fā)生在導(dǎo)向筒的入料口處。

2)微切削磨損

因重介質(zhì)懸浮液中Fe3O4鐵粉和煤顆粒具有不規(guī)則性，隨流體在旋流器內(nèi)做螺旋運動，在內(nèi)襯表面進(jìn)行切磨。對于金屬材料，可在其表面切削出溝痕;對于脆性材料，可將產(chǎn)品的微顆粒以整顆粒的形式切下。

3)表面疲勞磨損

旋流器長時間工作時，固液兩相流與旋流器內(nèi)襯交變摩擦產(chǎn)生應(yīng)力，造成內(nèi)襯表面疲勞。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，強(qiáng)度較差的部分首先產(chǎn)生應(yīng)力和變形，材料結(jié)構(gòu)變松，在外力作用下起皮、掉渣，循環(huán)往復(fù)，直至大面積和深度損毀。

4)腐蝕磨損

入選物料、重介質(zhì)懸浮液和旋流器的內(nèi)襯長期接觸并相對運動，產(chǎn)生溫度變化而發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，長時間造成損壞[2]。

對某種耐磨材料，其物理屬性是固定的。對于旋流器，其沖擊磨損、微切削磨損是主要的損壞形式。因此在制造旋流器時，應(yīng)綜合考慮規(guī)格、所處理的物料性質(zhì)及操作條件，選擇經(jīng)濟(jì)性較高的耐磨材料。

3 旋流器常用的耐磨材料及其特性

目前旋流器內(nèi)襯所用的耐磨材料可分為:金屬和金屬化合物、聚氨酯制品類和非金屬耐磨材料類。

1)金屬和金屬化合物耐磨材料

代表性材料有高錳鋼(ZGMn13)和高錳合金系列(ZGMn13Cr2MoRe)、抗磨系列(Cr15MoZCu)、耐磨合金鋼系列(ZG40SiMnCrMo)等。高錳鋼系列材料硬度較低(HB170-230)，在未硬化前耐磨性有限，如其表面充分硬化，則價格大幅提升;抗磨鉻鑄鐵系列具有較好的抗耐磨性，但韌性較低，使用中如內(nèi)部有鑄造缺陷或出現(xiàn)開裂，磨損后由于其焊接性不好，難以維修。20世紀(jì)70年代前，由于選擇受限，旋流器內(nèi)襯材料多選用抗磨鑄鐵類和耐磨合金類材料或使用金屬材料整體鑄造，但金屬材料的耐腐蝕性比非金屬耐磨材料差。

2)聚氨酯類耐磨材料

典型的代表材料為聚氨酯化合物，其硬度較低，但具有較好的韌性和耐腐蝕性。當(dāng)承受垂直或大角度的沖擊時，會表現(xiàn)出較好的耐磨性;在浸沒狀態(tài)下，其耐磨性是硬質(zhì)合金鋼的8倍。但對于硬顆粒物和顆粒尖銳的物料，其抗切削磨損的性能變差。

3)非金屬耐磨材料

非金屬耐磨材料一般指陶瓷及其多相、多組分復(fù)合材料系列。該類型材料出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，其開發(fā)的系列產(chǎn)品種類較多，代表性的有三氧化二鋁(剛玉，Al2O3)及增韌三氧化二鋁、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硅結(jié)合碳化硅(Si3N4+SiC)及其多相、多組分復(fù)合耐磨材料等。該類型材料的特點為密度、強(qiáng)度均較大，密度可達(dá)3.50～6.05 g/cm3，抗彎強(qiáng)度可達(dá)285～1 000 MPa，并具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐磨性(耐磨性相當(dāng)于錳鋼的266倍，高鉻鑄鐵的171倍)、韌性和抗振性，可有效防止沖擊造成的破損和剝落[8]。

4 旋流器內(nèi)襯材料的選取原則

煤按屬性可分為褐煤、煙煤、無煙煤及煤矸石，其顯微硬度[9]和代表性耐磨材料的顯微硬度見表1。

表1煤及耐磨材料的硬度比較
Table1Hardnesscomparisonofcoalandwearresistantmaterials

注：聚氨酯類由于是橡膠類材料，邵氏硬度為80～90，硬度較低。

由表1可以看出，煤中硬度最高的是無煙煤，耐磨材料中硬度較低的是聚氨酯材料和高錳合金，其他材料的顯微硬度均遠(yuǎn)高于煤的硬度。由于材料越硬價格越高，從經(jīng)濟(jì)性、旋流器使用壽命、生產(chǎn)成本、內(nèi)襯磨損因素并結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗等方面考慮，旋流器內(nèi)襯材料的基本選取原則是:旋流器處理無煙煤時，無論規(guī)格大小均應(yīng)選用陶瓷耐磨材料;聚氨酯類材料難以承受大顆粒煤棱角的微切削，同時當(dāng)入料速度大于1.97 m/s時，其耐磨性變差，可用于內(nèi)徑≤350 mm的煤泥重介質(zhì)旋流器和內(nèi)徑≤500 mm的水力旋流器[9];高鉻鑄鐵類材料由于韌性較差[10]，不適合用于大角度沖蝕工況下，建議在直徑≤500 mm的濃縮旋流器上使用;而直徑≤700 mm的旋流器由于入料粒度相對小，破壞形式主要為磨損，建議使用具有一定硬度且具有較好韌性的氧化鋁類材料[11];對于直徑800～1 000 mm的分選旋流器，由于入料粒度較大，最主要的內(nèi)襯破壞形式為大顆粒物料造成的沖擊磨損，其次是切削和表面疲勞磨損，建議使用增韌氧化鋁或氮化硅陶瓷。隨著大型選煤廠普遍化，入料上限提高，對大直徑、大處理能力的旋流器需求量增加，對旋流器的可靠性要求提高，上述材料已不能滿足直徑1 200 mm及以上旋流器的要求，應(yīng)使用硬度更高、韌性更強(qiáng)、耐磨性更好的氮化硅、碳化硅或氮化硅結(jié)合碳化硅材料[12]。

由于氮化硅、碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅等材料價格較高，限制了此類材料的應(yīng)用。近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，氮化硅、碳化硅及在此基礎(chǔ)上研發(fā)的多組分材料的制作成本大幅下降，與增韌氧化鋁價格接近，且氮化硅、碳化硅等材料已在耐磨管道、渣漿泵等產(chǎn)品上應(yīng)用較成熟，具有作為旋流器內(nèi)襯推廣應(yīng)用的條件。目前俄羅斯、烏克蘭等國家已采用碳化硅材料作為旋流器內(nèi)襯，使用效果理想。

由于旋流器入料口、底流口直徑小，通過這2個部位的物料流速快，所以入料口與直段筒體結(jié)合部位、中心隔板及底流口受到的沖擊大，其相對于直段筒體、錐體、溢流口、中心管的磨損量大[13]，建議使用性能更好的材料，可使旋流器達(dá)到較統(tǒng)一的全壽命周期，提高旋流器的整體經(jīng)濟(jì)性。

多相和多組分的復(fù)合陶瓷材料是耐磨材料的發(fā)展方向。旋流器研制單位應(yīng)多關(guān)注其發(fā)展，并主動打破行業(yè)界限共同尋求合作，科學(xué)、合理地選用耐磨材料也是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的需要。

5 結(jié) 論

1)旋流器內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的固液兩相流與旋流器內(nèi)襯的高速摩擦并伴有沖擊破壞，是旋流器磨損的主要原因。旋流器內(nèi)襯磨損主要影響因素是入料硬度。旋流器內(nèi)襯磨損是沖擊磨損、微切削磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損等磨損形式共同作用的結(jié)果。

2)旋流器內(nèi)襯所用的耐磨材料主要有:金屬和金屬化合物、聚氨酯制品類和非金屬耐磨材料類，其性質(zhì)不同，適用于不同的旋流器。旋流器內(nèi)襯材料的選取原則為:處理無煙煤時，應(yīng)選用陶瓷耐磨材料;聚氨酯類材料可用于內(nèi)徑≤350 mm的煤泥重介質(zhì)旋流器和內(nèi)徑≤500 mm的水力旋流器;高鉻鑄鐵類材料可在直徑≤500 mm的濃縮旋流器上使用;而對于直徑≤700 mm的旋流器，建議使用具有一定硬度且具有較好韌性的氧化鋁類;對于直徑800～1 000 mm的分選旋流器，建議使用增韌氧化鋁或氮化硅陶瓷;對于直徑1 200 mm及以上旋流器，應(yīng)使用氮化硅、碳化硅或氮化硅結(jié)合碳化硅材料。

3)多相和多組分的復(fù)合陶瓷材料是旋流器內(nèi)襯耐磨材料的重要發(fā)展方向之一。