磨煤機(jī)煤粉管道耐磨彎頭材質(zhì)研究
摘要:通過(guò)對(duì)MP1713磨煤機(jī)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(zhì)。
1磨煤機(jī)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(lái)制粉系統(tǒng)彎頭磨損特別嚴(yán)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(yán)重,使用時(shí)間較長(zhǎng)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?zèng)_擊磨損表面,對(duì)表面產(chǎn)生一定的沖擊力
P=1/2mv2
式中
m———粒子質(zhì)量;
v———沖擊速度。
沖擊力可分為2個(gè)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(chǎn)生撞擊坑,P2對(duì)表面產(chǎn)生剪切應(yīng)力。
對(duì)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(shí),其能量已耗盡,磨粒停止向前運(yùn)動(dòng),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(chǎn)生切削只是把金屬擠向粒子的前面,形成凸起(唇邊)而產(chǎn)生長(zhǎng)形的沖擊坑,凸起部位可能產(chǎn)生裂紋。而對(duì)于垂直沖擊磨損(沖擊角度90°),則形成不規(guī)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(jù)以上分析可知,對(duì)于磨損較為嚴(yán)重的中速磨分離器出口90°彎頭來(lái)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(shí)還要有較高的沖擊韌性,這樣才能提高其耐磨性,從而延長(zhǎng)其使用壽命。
2耐磨彎頭材質(zhì)合金化設(shè)計(jì)
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(lái)使用。由中速磨制粉系統(tǒng)煤粉管道彎頭失效分析可知,對(duì)于彎頭用耐磨材料,不但要有較高的硬度,同時(shí)還要求有較高的韌性,這兩點(diǎn)的統(tǒng)一才是本文研究耐磨鑄鐵合金化設(shè)計(jì)的根本出發(fā)點(diǎn)。
對(duì)于鎢鉻鑄鐵碳化物來(lái)講,Fe-Cr-W-C四元合金中存在3種碳化物,即M7C3、M6C和M3C。當(dāng)含C量一定時(shí),M7C3的出現(xiàn)主要取決于含Cr量,同時(shí)W促進(jìn)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(qiáng),W系白口鐵,加入Cr后,如總量(Cr+W)<11%,C:218%～312%時(shí),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(wú)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(dòng)性和高鉻鑄鐵相近。強(qiáng)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(zhì)中,W系鑄鐵中加入Cr,顯然是提高腐蝕介質(zhì)中耐磨性的手段。
鎢鉻鑄鐵中碳化物M6C是由鑄鐵中同時(shí)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(guò)試驗(yàn),以Cr、W為主要合金化元素,同時(shí)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(xì)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(yàn)設(shè)計(jì)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(zhì)合金化試驗(yàn)與成分選擇
3.1試驗(yàn)方法及試驗(yàn)條件
試驗(yàn)材質(zhì)用P08生鐵、廢鋼、鎢鐵、鉻鐵、鉬鐵、錳鐵、釩鐵、Ni、Cu等配制,在感應(yīng)電爐中熔煉,在粘土砂型中澆注出磨損試驗(yàn)用材質(zhì)試樣。
根據(jù)中速磨分離器出口彎頭煤粉流動(dòng)形式及磨損失效分析,可以得出彎頭與煤粉之間構(gòu)成了一組沖擊磨損系統(tǒng),試驗(yàn)是在一臺(tái)改制的沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)上完成的,如圖2所示。
1. 機(jī)座 2. 圓盤(pán) 3. 試樣 4. 加砂管 5. 加砂振動(dòng)器 6. 電動(dòng)機(jī)
試樣安裝在與圓盤(pán)同一半徑的圓周上,一次可以安放不同材質(zhì)試樣12個(gè),試樣間隔30°,試樣與磨樣流動(dòng)方向的夾角(沖擊角)可在30°、40°、60°、90°4個(gè)角度調(diào)整,圓盤(pán)轉(zhuǎn)速可以在450～180rPmin內(nèi)調(diào)整。試樣磨損表面與磨損面相對(duì)速度可以在10～40mPs范圍內(nèi)設(shè)定(調(diào)整相對(duì)速度可以采取2種方法,一是可以調(diào)整圓盤(pán)轉(zhuǎn)速,二是可以調(diào)整試樣安裝半徑尺寸)。本次試驗(yàn)采用相對(duì)速度為35mPs左右,因?yàn)楦鶕?jù)原新華電廠熱態(tài)試驗(yàn)測(cè)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(gè)加砂振動(dòng)器,由振動(dòng)器確定加砂量大小來(lái)模擬煤粉流量,本次試驗(yàn)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(jī)切割成形,磨損面拋光后表面粗糙度為Ra014。試樣裝在試驗(yàn)機(jī)上,五面保護(hù),單面(20mm×20mm)磨損,試樣材質(zhì)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(wàn)分之全天平上稱(chēng)重。每種成分試樣預(yù)磨015h后稱(chēng)重,以預(yù)磨后1h磨損量計(jì)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(nèi)。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(shí)間的材料磨損量來(lái)表示,既在一定時(shí)間內(nèi)試樣的磨損量可看作
Wx=ΔW
ΔW=(ΔW1+ΔW2+ΔW3)/3
相對(duì)耐磨性n=標(biāo)準(zhǔn)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(xué)成分分析、金相顯微鏡、硬度、韌性檢驗(yàn)等手段對(duì)材料組織,磨損等進(jìn)行分析。
3.2試驗(yàn)結(jié)果分析
表2為9種材質(zhì)磨損試樣試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。
由表2可以看出,8#試樣耐磨性較好。經(jīng)檢驗(yàn)8#試樣化學(xué)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(xì)小碳化物,同時(shí)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(duì)于沖擊磨料磨損來(lái)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(wǎng)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(diǎn)上的含C量和臨界轉(zhuǎn)變溫度,同時(shí),Ni使C曲線向右并略向下移動(dòng),隨著含Ni量的增加,馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)杏龝r(shí)間延長(zhǎng),相變速度減小,這也說(shuō)明Ni幾乎全部溶解在金屬基體中,促使奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。隨著含Ni量增加,當(dāng)含Ni>5%時(shí),基體中奧氏體量增加,硬度就會(huì)顯著下降。
4結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)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(shí)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。