耐磨陶瓷在水泥行业设备防磨的应用

                              作者：邵晓克 尹千德  

   

一、前言

   伴随着工业化的进程，磨损与设备防磨就成为一个永恒的话题。水泥行业也不例外，始终被磨损问题困扰着，特别是大型干法线的普及，设备防磨成为普遍关注的问题。

据报道，水泥行业因磨损而引起的停机时间占总停机时间的一半以上，设备磨损已严重影响水泥行业的正常生产并因此导致生产成本和维护费用的增加。因此，找到一种经济可行的设备防磨方法，大幅度地延长耐磨件的使用寿命，就非常有必要。这些措施对提高设备生产效率、降低生产成本、节约资源方面具有重大意义。

    本文从探讨磨损的机理开始，分析水泥行业设备磨损的特点，介绍一种高科技产品—耐磨陶瓷在水泥设备防磨上的应用。

二、设备磨损表现的形式

    与其他工业一样，水泥行业大部分设备基材由钢铁组成，钢铁磨耗是设备磨损的外在表现形式。钢铁材料失效的3种方式是：断裂、腐蚀和磨损。据统计，每年全世界钢材消耗达7亿吨以上，其中50%是由于材料的磨损而消耗的。金属磨损会造成设备运转效率降低、工件更换或维修频繁、能耗增加。每年，磨损不但吞噬着大量的钢材，还浪费大量的人力物力进行设备的更新和维护，更重要的是因此所导致的生产效率的下降无形中增加了企业的运营成本。

    因而，水泥企业应该把设备防磨提高到降低运营成本、提升企业竞争力高度来认识。

三、设备磨损的机理

   水泥生产过程中伴随着物料的流转，每一个过程都有设备的磨损。从物料的形态来看，有粉粒、浆体、大块颗粒等几种；从输送方式看，有气力输送、水力输送、皮带输送、滑动输送等几种。Finnie等人的研究结果表明，材料的磨损率不仅与材料本身的特性有关，而且与磨料的物性（主要是硬度和粒度）直接相关。特别以颗粒对磨损材料的冲蚀角度影响最大。粒子冲蚀角为0度时，属纯滑动喷射，以磨粒磨损为主，相当于松散的颗粒在滑动摩擦复合作用下所引起的一种磨损。随着喷射角的增大，磨粒磨损所占的比重减少，表面疲劳磨损的比重相应增加。当为90角时，表面疲劳磨损占主导地位。材料的韧性很重要，韧性好的材料磨损率就低，如橡胶对90度的冲蚀角是最好的防磨材料，而对0度的冲蚀角却是最差的材料。Pool和Finnie等用气固两相流对金属材料在不同冲击角下的磨损率进行了实验研究，进一步证实了韧材料最大磨损角为20度-30度，脆性材料的最大磨损角为90度的结论。

图1为陶瓷、金属和橡胶三种不同性质材料的冲蚀磨损与冲蚀角的关系曲线，由图1可以看出，陶瓷材料在小角度冲蚀磨损时，磨损失重最小。

    因此，磨损机理取决于粒子碰撞的冲蚀角，当冲蚀角比较小时（一般认为小于25度），磨损形式一切削机理为主，此时增加硬度是提高材料耐磨性的有效方法；当冲蚀角较大时，由于靠材料变形来吸收粒子的冲击功，此时材料的韧性或变形能力对耐磨性起决定性作用。

    在实际的煤和灰中，几乎所有硬质矿物质颗粒硬度会高于一般碳钢的硬度，但一般不会超过耐磨陶瓷的硬度--其硬度仅次于金刚石。

四、耐磨陶瓷简介

    由于磨损问题一般仅仅发生在零件的表面和局部，因而采用表面防护措施控制和延缓表面的破坏，成为解决磨损问题的有效方法。耐磨陶瓷因其高硬度、高性价比等特点，而逐渐成为各行业首选的耐磨材料。耐磨陶瓷中得到广泛应用的当属95AL2O3陶瓷。它是以AL2O3为主要原料，以稀有金属氧化物为熔剂，经一千七百度高温焙烧而成的特种刚玉陶瓷。其性能特点：

1. 硬度高，耐磨性能极好

   其洛氏硬度为HRA85-90，硬度仅次于金刚石，远远超过耐磨钢和不锈钢的耐磨性能。在同等工况下，跟碳钢相比，可延长设备使用寿命20倍以上。
2. 重量轻，负荷小
   其密度为3.6g/cm3，不到钢铁的一半，可大大减轻设备负荷。
3. 表面光滑，摩擦系数小，
   瓷片经高温烧结，结构致密，表面光洁，摩擦系数非常小；吸水率低，不易沾粉料。
4. 耐化学腐蚀、耐高温
   AL2O3属两性材料，耐酸碱腐蚀；熔点2000℃以上，抗高温性能好。

　

五、耐磨陶瓷在水泥行业的应用及型号选择

（一）熟料车间应用及型号选择

熟料车间的磨损主要为风力输送，物料的冲蚀角为0，如前文理论所叙其磨损类型为磨粒磨损，故材料选择主要考虑硬度和耐磨性，硬度越高耐磨性越好的材料越好，而九五氧化铝的硬度为HRA90仅次于金刚石，且价格便宜，适合于工业的大规模的使用。

1、 风机叶轮

    排烟含尘量较大，引风机磨损严重，严重影响运行的可靠性和经济性。过去曾通过改进风机结构、在表面堆焊（喷熔）处理，其提高其耐磨性，效果一直不理想。使用燕尾条互卡互压耐磨陶瓷后，陶瓷与叶轮机体接处紧密牢固，使用寿命提高十倍以上。

2、 风机壳体

排烟含尘量较大，粉尘流速高，由于磨损严重经常停机检修，造成工人的劳动强度大，设备的运行低下，生产现场环境差。使用直粘型耐磨陶瓷后，耐磨陶瓷与设备机体粘结牢固，通过多年的应用实践证明可有效提高寿命十倍以上。

3、 煤粉管道、三次风管

弯头上使用耐磨陶瓷，主要承受气固两相流所产生的喷沙型冲刷磨损。使用直粘型耐磨陶瓷后，耐磨陶瓷与设备机体粘结牢固，通过多年的应用实践证明可有效提高寿命十倍以上。 

4、 选粉机筒体、高效选粉机冲刷面板、旋风除尘器筒体、粗/细粉分离器

   筒体内粉尘量高，气流流速高，设备磨损严重。采用直粘型耐磨陶瓷用抗350℃高温无机硅胶粘接在设备上，粘接牢固，可有效提高筒体的使用寿命。 

5、 增湿塔进/出高温风管弯头、立磨进/出口风管弯头、循环风管弯头、窑头静电收尘器尾部风管弯头

    弯头上使用耐磨陶瓷，主要承受气固两相流所产生的喷沙型冲刷磨损。由于这些部位温度较高通常采用无机高温胶与电焊互压互卡结构使耐磨陶瓷与设备机体粘结牢固，通过多年的应用实践证明可有效提高寿命十倍以上。

（二）水泥车间应用及型号选择

     水泥车间的设备磨损既有冲击磨损又有滑动磨损故耐磨材料不但要有很高的硬度和耐磨性还要有很好的韧性和抗冲击性能。通过对九五氧化铝的改性，优化结构设计，及和其他材料的复合可得到耐磨性和抗冲击性都很突出的耐磨材料----带半球陶瓷橡胶复合衬板。通过多家单位的使用证明它是水泥车间耐磨材料的首选。

1、双旋风细粉分离器出料溜子

     出料溜子的物料输送是采用皮带输送和滑动输送结合的方式。溜子的进口处，由于皮带和溜子之间的落差，产生严重的冲击，设备所受的纵向的应力很大，同时物料的惯性有很大的横向应力，故此处的耐磨材料不但要有很高的硬度和耐磨性还需要具有一定的韧性。抗冲击耐磨陶瓷衬板，瓷面设计采用半球结构，瓷体材料通过搀杂一些添加剂如氧化锆，氧化钇等使陶瓷的韧性显著提高。同时将陶瓷硫化在韧性及高的特种橡胶内使材料的韧性更高。从全国多家水泥厂的使用效果来看，在溜子的皮带头下料溜子内使用抗冲击型耐磨陶瓷是经济有实用的。溜子的中间部位由于冲击相对较小故采用陶瓷橡胶复合衬板就行了。

2、斗式提升机下料溜子

   斗式提升机下料溜子和双旋风溜子相差不多，也是在皮带头采用抗冲击型耐磨陶瓷，溜子中部用陶瓷橡胶衬板就可以达到很好的防磨效果。

3、辊压机至中央链式提升机溜子

   辊压机至中央链式提升机溜子和双旋风溜子相差不多，也是在皮带头采用抗冲击型耐磨陶瓷，溜子中部用陶瓷橡胶衬板就可以达到很好的防磨效果。

4、气动三通阀至水泥磨溜子

   气动三通阀至水泥磨溜子和双旋风溜子相差不多，也是在皮带头采用抗冲击型耐磨陶瓷，溜子中部用陶瓷橡胶衬板就可以达到很好的防磨效果。

5、中央链式提升机溜子至胶带输送机溜子

   中央链式提升机溜子至胶带输送机溜子和双旋风溜子相差不多，也是在皮带头采用抗冲击型耐磨陶瓷，溜子中部用陶瓷橡胶衬板就可以达到很好的防磨效果。

六 应用实列

     湖南新生水泥厂2002年开始在煤粉管道及弯头，选粉机和旋风桶，除尘管道及弯头，立磨进出口及循环风机弯头中使用耐磨陶瓷2006年检修时发现耐磨陶瓷的磨损仅为一毫米（内衬为5毫米）以此推算在这些设备内贴上5毫米的九五氧化铝耐磨陶瓷使用寿命在20年以上。湖南金磊水泥原来的风机叶轮原来的使用寿命大约为一个月，2006年9月贴上耐磨陶瓷后，运行6个月耐磨陶瓷的磨损仅为0.2毫米。山东申丰水泥集团水泥下料溜槽和皮带头料仓内在2006年贴上耐磨陶瓷橡胶复合衬板后磨损甚微。

 七 结束语

    设备的磨损和防磨是一个矛盾体，掌握常用耐磨材料各自的特点，再根据不同部位的磨损性质和工作条件，有针对性地选择适宜的耐磨材料和防磨方法，才能有效提高设备的综合抗磨损能力，从而提高设备的整体寿命和可靠性。

参考资料：

周平安《耐磨材料的现状与发展》新世界水泥导报2005.6

李乃寒等所著《引风机、排粉机陶瓷防磨技术应用研究》

李诗卓、董祥林 材料的冲蚀磨损与微动磨损《机械工业出版社》1987.10

Finnie,EroSion of SUrfaCe by Solid partiCleS,Wear,1960

K.V.Pool,C.K.H.Dharan and I.Finnie,Eroaive Wear of Composite materials,Wear