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(fā)電廠為例,幾年來制粉系統(tǒng)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(xiàn)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(guī)則沖擊坑?？拥乃闹芏加型蛊?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(tài)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(tǒng)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(tǒng)一才是本文研究耐磨鑄鐵合金化設計的根本出發(fā)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(xiàn)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(tài)有所改善,韌性提高,耐磨性能也提高。
鎢鉻鑄鐵的耐磨性優(yōu)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(tài)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(tài)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(tǒng),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(tài)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(tǒng)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(xù)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。