磨煤機煤粉管道耐磨彎頭材質研究
摘要:通過對MP1713磨煤機煤粉管道彎頭磨損失效分析,研究確定了高鉻鎢鎳合金鑄鐵為耐磨彎頭其中選擇材質。
1磨煤機煤粉管道磨損失效分析
彎頭工作條件
以原新華發電廠為例,幾年來制粉系統彎頭磨損特別嚴重,尤其是中速磨分離器出口彎頭(90°)和燃燒器入口彎頭(120°),而中速磨分離器出口彎頭磨損嚴重,使用時間較長4kh,較短只有3kh。出口彎頭制粉混合物流速3115mPs,溫度91℃。
1.2失效分析
磨損4kh后,2#爐已磨損出口彎頭取樣分析,其宏觀形貌為存在大量沖擊坑,局部磨漏。沖擊坑四周有凸起現象。
磨料粒子以一定的角度高速沖擊磨損表面,對表面產生一定的沖擊力
P=1/2mv2
式中
m———粒子質量;
v———沖擊速度。
沖擊力可分為2個分力,如圖1所示。即平行于磨損表面的力P2=Pcosα,垂直于磨損表面的力P1=Psinα。P1使粒子撞擊磨損表面產生撞擊坑,P2對表面產生剪切應力。
對于原新華電廠2#爐ZQM—178型中速磨分離器出口90°彎頭,P1值較大,壓入深度增加,切向阻力增加,而P2減小,也能形成切削,但在切屑未全部切下時,其能量已耗盡,磨粒停止向前運動,切屑還留在表面。沖擊角接近90°,粒子壓入深度較大,切削阻力增加,而P2不能產生切削只是把金屬擠向粒子的前面,形成凸起(唇邊)而產生長形的沖擊坑,凸起部位可能產生裂紋。而對于垂直沖擊磨損(沖擊角度90°),則形成不規則沖擊坑。坑的四周都有凸起,同樣可能形成裂紋,終于形成塑變疲勞剝落。
1.3彎頭使用性能要求
根據以上分析可知,對于磨損較為嚴重的中速磨分離器出口90°彎頭來講,其磨損方式為沖擊磨料磨損,而且是以疲勞剝落為主。因此,其使用要求不但要有較高的硬度,同時還要有較高的沖擊韌性,這樣才能提高其耐磨性,從而延長其使用壽命。
2耐磨彎頭材質合金化設計
目前抗磨鑄鐵主要分為鎳系抗磨鑄鐵、鉻系抗磨鑄鐵、錳系抗磨鑄鐵等,本研究確定的鑄態馬氏體鉻鎢合金白口鐵作為耐磨彎頭的抗磨材料來使用。由中速磨制粉系統煤粉管道彎頭失效分析可知,對于彎頭用耐磨材料,不但要有較高的硬度,同時還要求有較高的韌性,這兩點的統一才是本文研究耐磨鑄鐵合金化設計的根本出發點。
對于鎢鉻鑄鐵碳化物來講,Fe-Cr-W-C四元合金中存在3種碳化物,即M7C3、M6C和M3C。當含C量一定時,M7C3的出現主要取決于含Cr量,同時W促進M7C3的形成,而Cr則禁止M6C的形成。
M7C3在鎢鉻鑄鐵中主要是Cr形成的碳化物,并固溶一定量的W。W的固溶降低了形成M7C3所需的較低含Cr量。
Cr生成碳化物的能力比W強,W系白口鐵,加入Cr后,如總量(Cr+W)<11%,C:218%～312%時,碳化物以M3C型為主;(Cr+W)>11%后,則主要形成M7C3碳化物,硬度雖無提高,但是沖擊韌性提高幅度頗大,特別是低W(5%)鑄鐵的沖擊韌性提高更多。由于碳化物分布與形態有所改善,韌性提高,耐磨性能也提高。
鎢鉻鑄鐵的耐磨性優于Cr15Mo3高鉻鑄鐵。鎢鉻鑄鐵流動性和高鉻鑄鐵相近。強于普通白口鐵。鎢鉻鑄鐵收縮約為2%,體收縮為215%～218%。在腐蝕性介質中,W系鑄鐵中加入Cr,顯然是提高腐蝕介質中耐磨性的手段。
鎢鉻鑄鐵中碳化物M6C是由鑄鐵中同時存在小原子半徑的Fe和大原子半徑的W原子而形成的;M3C屬于滲碳體型碳化物,在Fe-Cr-W-C四元素合金中為(Fe、W、Cr)3C。高鉻鑄鐵具有足夠的淬透性,具有較好的綜合性能。
綜上所述,通過試驗,以Cr、W為主要合金化元素,同時考慮耐磨件厚度情況,為了保證鑄態下獲得馬氏體,加入適量的Mo;為了細化組織改善碳化物的分布狀態以及提高耐磨鑄鐵沖擊韌性,加入少量的Cu和V、Ni。試驗設計成分范圍為C:215%～315%,Si:≤110%,Mn:≤110%,Cr:10%～30%,W:1%～30%,Mo:1%～3%,Ni:1%～410%,Cu:≤110%,V:≤110%。
3材質合金化試驗與成分選擇
3.1試驗方法及試驗條件
試驗材質用P08生鐵、廢鋼、鎢鐵、鉻鐵、鉬鐵、錳鐵、釩鐵、Ni、Cu等配制,在感應電爐中熔煉,在粘土砂型中澆注出磨損試驗用材質試樣。
根據中速磨分離器出口彎頭煤粉流動形式及磨損失效分析,可以得出彎頭與煤粉之間構成了一組沖擊磨損系統,試驗是在一臺改制的沖擊磨損試驗機上完成的,如圖2所示。
1. 機座 2. 圓盤 3. 試樣 4. 加砂管 5. 加砂振動器 6. 電動機
試樣安裝在與圓盤同一半徑的圓周上,一次可以安放不同材質試樣12個,試樣間隔30°,試樣與磨樣流動方向的夾角(沖擊角)可在30°、40°、60°、90°4個角度調整,圓盤轉速可以在450～180rPmin內調整。試樣磨損表面與磨損面相對速度可以在10～40mPs范圍內設定(調整相對速度可以采取2種方法,一是可以調整圓盤轉速,二是可以調整試樣安裝半徑尺寸)。本次試驗采用相對速度為35mPs左右,因為根據原新華電廠熱態試驗測定,其送煤粉氣流速度為32mPs左右。
磨料采用人造石英砂,尺寸為70～120目。由加砂管加入,加砂管上端連有一個加砂振動器,由振動器確定加砂量大小來模擬煤粉流量,本次試驗確定加砂量為013LPmin。
試樣尺寸20mm×20mm×10mm,試樣在澆鑄成形的方塊料上用線切割機切割成形,磨損面拋光后表面粗糙度為Ra014。試樣裝在試驗機上,五面保護,單面(20mm×20mm)磨損,試樣材質如表1所示。
磨損試樣用酒精清洗,在20℃烘干箱中保溫20min,取出后在萬分之全天平上稱重。每種成分試樣預磨015h后稱重,以預磨后1h磨損量計算失重ΔW,每種成分取3塊同樣試樣,取其平均值ΔW,偏差在0103%內。試樣磨損失重
ΔW=W0-W1
式中W0———試樣磨損前重量,g;
W1———試樣磨損后重量,g。
這里的磨損率按照單位時間的材料磨損量來表示,既在一定時間內試樣的磨損量可看作
Wx=ΔW
ΔW=(ΔW1+ΔW2+ΔW3)/3
相對耐磨性n=標準試樣的磨損失重、磨損試樣的磨損失重試樣磨損研究用化學成分分析、金相顯微鏡、硬度、韌性檢驗等手段對材料組織,磨損等進行分析。
3.2試驗結果分析
表2為9種材質磨損試樣試驗結果統計。
由表2可以看出,8#試樣耐磨性較好。經檢驗8#試樣化學成分為:
C:311%、Si:0191%、Mn:0187%、Cr:2512%、Ni:3172%、W:1187%。
在大量馬氏體基體上分布著一次碳化物(M7C3型)和二次細小碳化物,同時還有少量是殘余奧氏體Ac。8#試樣表面硬度為HRC6211、HRC6215、HRC6111,其耐磨性較好,主要有以下幾方面:
(1)耐磨材料硬度高,不但是組織中碳化物硬度高,而且基體組織硬度同樣高,在高鉻鑄鐵中加入210%的W使基體的顯微硬度由HV730提高到HV1100,提高35%。
(2)對于沖擊磨料磨損來講,只有高的硬度還不夠,還必須有較高的沖擊韌性。由于金屬基體連續與網狀滲碳體相比,其脆性要小得多,所以Cr25Ni4W2MoCuV鑄鐵具有較高的沖擊韌性。
(3)Ni是非碳化物形成元素,它全部溶解在馬氏體中,Ni可以降低共析點上的含C量和臨界轉變溫度,同時,Ni使C曲線向右并略向下移動,隨著含Ni量的增加,馬氏體轉變孕育時間延長,相變速度減小,這也說明Ni幾乎全部溶解在金屬基體中,促使奧氏體向馬氏體轉變。隨著含Ni量增加,當含Ni>5%時,基體中奧氏體量增加,硬度就會顯著下降。
4結語
經過試驗確定耐磨性較好的8#試樣金相組織是馬氏體基體上分布著M7C3型碳化物,同時還含有少量二次碳化物和殘余奧氏體,其沖擊韌性ak>6JPcm2,其組織成分為C:310%～315%,Si、Mn:≤110%,Cr:25%～28%,Ni:410%,W:0～210%,Cu、Mo、V若干。