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1、垦望型三查兰堡兰垡丝苎一一摘要本文针对氧化铝矿用渣浆泵过流件材料的研究和应用现状，通过改善化学成分和组织，得到了新型的渣浆泵过流件材料高铬铸铁C r 2 8 。确定了这种高铬铸铁过流件较佳的热处理工艺。应用定向凝固技术得到了碳化物垂直于工作面的高铬铸铁C r 2 8 过流件试样，使材料的耐磨蚀性能得到大大提高。分析了材料失重过程中腐蚀磨损的交互作用。渣浆泵过流件受高温强碱性且携带硬质氧化铝颗粒的矿浆的腐蚀磨损，理想的组织为回火马氏体+ M 7 C 3 型碳化物+ 二次碳化物+ 少量残余奥氏体。设计过流件材料高铬铸铁的化学成分如下：C r ：2 7 2 9 、C ：2 4 - - 2 6 、M
2、o ：0 8 1 0 、S i ： 1 4 ，温度8 0 1 0 0 。铝矿主要为水硬铝石，成分：A 1 2 0 3 6 0 6 5 、F e 2 0 3 1 4 1 7 、S i 0 2 3 5 4 5 ，铝矿莫氏硬度7 【2 l J 。山西铝业氧化铝浆料中主要含有A 1 2 0 3 、N a 2 0 、S i 2 0 3 、三水硬铝石等成分，浆料比重为1 5 9 c m 3 ，固体含量达到4 0 6 0 ，浆料温度8 0 9 0 ，N a 2 0 浓度1 8 2 5 9 左右【2 2 l 。1 2 1 2渣浆泵过流件失效分析渣浆泵过流件在工作时受到高温强碱性并携带硬质颗粒的氧化铝矿浆浆料冲
3、刷，在冲蚀磨损、强碱腐蚀、气蚀等的共同作用下，使得过流件表面材料损失严重，以致失效2 2 】口3 1 。( 1 ) 冲蚀磨损D 4 - 2 司一般工况下，在渣浆泵运行过程中，液体中携带的固体粒子以一定的速度对过流部件表面进行冲击，造成材料流失。磨损最严重的过流件包括泵涡壳、前后护板、叶轮、轴封、轴套、吸入口等，叶轮主要受低角度冲击而导致切削损伤、泵壳主要受高角度冲击而导致金属表面掉块，另外，流道壁面主要因为固体颗粒长期反复冲击而产生疲劳损伤。在氧化铝介质中，由于固体颗粒硬度很高，如舢2 0 3 维氏硬度H V 可达2 0 0 0 左右，泵的转速高，高速的浆料与过流件表面接触造成磨料磨损，轻微处
4、有集中的沿水流方向的划痕和麻点；磨损严重时，表面呈波纹状或沟槽状痕迹，并常连成一片如鱼鳞状的磨坑，表面坚实，呈现金属阴暗光泽：磨损强烈发展时，可使部件穿孔、成块崩落。根据对失效部件磨损表面的分析，冲蚀磨损机理可以分为微切削磨损、变形疲劳磨损、脆性剥落以及复合磨损，示意图如下：a ) 图2 1 为固体颗粒以较大的角度与壁面强烈冲击而造成的冲击损伤，使得金属表面掉块，这种损伤在脆性材料中容易发生。昆明理1 二大学硕士学位论文直接擅击髓蠢魁裂奠处图2 1 固体颗粒撞击过流件表面造成掉块b ) 图2 2 为以大冲角冲击过流部件表面的固体颗粒，在冲击压力的垂直分量作用下，使固体颗粒压入材料表面形成弹塑性
5、变形，到颗粒停止压入运动为止，最终形成不能恢复的塑性变形冲击凹坑，在凹坑边缘有塑性变形挤出的材料堆积物。冲击坑边缘堆积物将重新受挤压变形和移位而从材料表面剥落，引起一定量的微体积材料损失，造成过流部件的变形磨损。在固体颗粒的长期反复冲击下，金属表面受到交变应力的作用而依次产生弹性变形，塑性变形不能恢复，经反复冲击而产生疲劳裂纹，逐渐向外扩展，进而剥离、脱落，而造成疲劳损伤。这种损伤在塑性较好的材料，如铸态奥氏体基体的高铬铸铁中容易发生。随机擅击疲劳裂缝图2 2 固体颗粒大角度冲击造成疲劳损伤c ) 图2 , 3 为固体颗粒以较小的角度冲击过流件表面，冲击压力的垂直分量一5 昆明理工大学硕士掌位
6、论文- _ ，一 使固体颗粒压人材料表面；冲击压力的水平分量使其沿大致平行于过流部件表面的方向移动，使材料表面接触点产生横向塑性变形，从而切出一定量的微体积材料，造成过流部件的微切削磨损。v m -图2 3 固体颗粒小角度冲击造成微切削损伤实际上，氧化铝矿浆浆体中固体颗粒对过流部件表面的磨损常同时存在微切削磨损与变形磨损。磨损量为两种磨损的复合磨损作用结果。小冲角时以微切削磨损为主，变形磨损为辅：大冲角时以变形磨损为主，微切削磨损为辅：4 0o s 0o 冲角时复合磨损量达最大值。( 2 ) 强碱腐蚀 2 9 - 3 4 1氧化铝矿浆浆体具有高温强碱性，p H 1 4 、温度 8 0 ，对过流
7、部件造成严重的腐蚀磨损。金属的腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀，化学腐蚀是金属与液体介质直接反应而使金属流失，电化学腐蚀是在液体介质作用下金属表面形成微电池而使材料流失。由于使用的高铬白口铸铁材料都是多晶多相材料，因此，主要发生电化学腐蚀。腐蚀会使渣浆泵过流件被剥蚀破坏，使物性曲线改变，性能下降；使泵产生噪音和振动。腐蚀是水力机械向高速发展的巨大障碍，氧化铝矿浆浆料具有高温强碱性，易结疤，其对泵过流部件的腐蚀即是这种表现。在强碱环境下高铬白口铸铁材料的腐蚀电位位于活化区，呈阳极溶解状态，如果过流件材料抗高温强碱腐蚀性能不足，其阳极活化溶解腐蚀剥落会是失效原因之一。一方面，基体因强碱腐蚀丽产生碱脆裂
8、纹，即阳极溶解型应力腐蚀开裂，并由表层扩展至亚表层呈网状分布，极大地剥裂了基体，在冲蚀磨损中剥落。另一方面，过流件表面材料受到严重的相界腐蚀，使金属表面晶粒f u j 形成裂纹，导致晶粒或碳化物失去基体的支撑。这样就会在携带氧化铝矿颗昆明理T 大学硕十学位论文粒的浆料的冲刷下发生脱落。在强碱中，高铬铸铁的常温腐蚀的阴极反应是氧去极化，受氧含量和氧扩散速度的限制，腐蚀以较低的速度进行。而在8 5 以上，腐蚀的阴极反应是氧和水分子共同去极化，腐蚀以较高的速度进行。故在本工况下，高铬铸铁材料受热强碱腐蚀影响更加明显。( 3 ) 气蚀损伤 3 5 - 3 s 在渣浆泵的运转过程中，其过流部件局部区域(
9、 通常是叶轮进口稍后处) ，由于某种原因，抽送液体的绝对压力下降到当时温度下的汽化压力时，液体便在该处开始汽化，产生蒸汽，形成气泡。矿浆中的气泡在过流件某些部位因高压而急骤地缩小以致溃灭，同时液体高速填充空隙形成水击。这种高频( 6 0 0 2 5 0 0 H z ) 高压( 压力达4 9 M P a ) 的微喷射流冲击，象无数小弹头一样连续地打击金属表面使过流件表面金属因冲击疲劳而剥裂，造成材料损失。严重时金属表面呈现蜂窝状，以致穿孔而失效。通常气蚀的发生在叶轮出口和压水室外进口处等部位。图2 4 所示的是泵过流部件气蚀破坏的典型部位。泵内部流动方向急剧变化，液流角度和叶片角度不一致或断面突
10、然变化处，若产生局部气蚀，则在此稍后部位往往出现气蚀破坏点。在叶片进口低压部位产生的气泡并不在稍后处消失，一般在叶轮出口处以至壳体中破裂。图2 4 渣浆泵气蚀破坏示意图- 7 一昆明理工大学硕士学位论文需要指出的是，像氧化铝矿浆这样含有固体颗粒的液固两相浆体，一方面空气核数量比清水时大为增加，另一方面在液固速度差较大的部位产生压力降低，这些都将更易造成气蚀磨损。在各种失效因素中，气蚀损伤与浆料的固液流动规律和渣浆泵的结构设计有很大关系，与高铬铸铁材料性能关系不大。王瑞红、王超通过观察重介质旋流器用离心式渣浆泵过流部件表面的磨损部位、磨损形状、磨损颜色，认为三种磨损形式中以水流动力学磨粒磨损为主
11、，气蚀磨损、腐蚀磨损为辅，同时气蚀磨损、腐蚀磨损将加剧水流动力学磨粒磨损1 2 3 1 。而李卫、涂小慧等认为氧化铝矿浆渣浆泵泵壳、叶轮等过流件的失效主要是强碱腐蚀和冲蚀磨损相互促进的综合作用，而腐蚀所起的作用更加重要1 2 1 D 2 。作者认为在一定工况下，明确腐蚀和磨损在过流件失重过程中的作用分量是个值得研究的问题。在第五章我们将对这个问题进行具体研究。1 2 1 3影响过流件使用寿命的因素渣浆泵使用寿命与很多因素有关，例如泵的水力设计、工况点参数f 过流部件几何形状和参数、流量、扬程、转速等) ，输送浆体性能参数( 流变特性、浓度、流速、颗粒粒径、粒形、密度等) ，过流件材料性能( 冲
12、击韧性、硬度、金相组织、热处理条件等) 以及现场使用条件( 管路长度与布置、吸上或者倒灌安装情况、连续运行或者间断运行、工作班次及时间长短等1 3 9 - 4 0 l 。( 1 ) 浆料因素浆料浓度和流速。在同样的运转条件下，随浆料的浓度降低，也即浆料中固体颗粒含量降低，固体颗粒的冲刷作用减弱，渣浆泵过流部件的使用寿命提高。而浆料流速加大，单位时间内固体粒子对材料表面冲击次数增多，材料流失数量增加。许洪元等人的研究表明，叶轮的磨损强度与其转速呈5 次方的关系H “。所以浆料流速的增大，将加快过流部件的磨损，降低使用寿命。在氧化铝矿浆中，固体含量甚至达到4 0 以上，加剧了氧化铝矿浆对过流件表面
13、材料的冲刷磨损作用。浆料酸碱度。在固液浆料中使用时，除了固体粒子冲刷造成材料的流失外，浆料的腐蚀作用也会造成材料的流失，同时腐蚀和冲蚀磨损问的相互作用更加剧了材料的流失，这一点对p H 4昆明理工大学硕七学位论义时，腐蚀作用逐渐减弱，材料磨损以固体粒子的冲刷作用为主a 但是在p H 1 4 的强碱环境下，材料因腐蚀和冲蚀磨损而产生的失重又会增大，特别是在高温条件更加明显【4 “。粒子尺寸、硬度和冲击角度影响H 3 1 M 。浆料中固体粒子大小、硬度及粒子对材料表面的冲击角度也对材料的冲蚀磨损产生很大影响。在矿浆浓度和酸碱度相近时，如果固体粒子尺寸较小、硬度较低，相应的粒子冲击能量较小，过流部件
14、的使用寿命可提高6 1 0 倍。而冲击角度的减小，有效参与冲蚀磨损的磨料增加及磨料的切削作用加大，使磨损速率增加。Y o s h i r o I W a i 等人研究S U S 4 0 3 不锈钢的冲蚀磨损表明，在冲击角为4 5 。时，磨损速率最大。而热轧2 7 S i M n 在冲击角为3 0 。时的冲蚀磨损速率最大。可见，随过流件材料的不同，磨损速率最大的冲击角也不尽相同1 4 5 1 。在氧化铝矿浆中，以氧化铝为主的固体颗粒硬度非常高，在渣浆泵工作过程中对过流件表面材料的磨损作用大增，这是氧化铝矿浆区别于其他普通浆料的重要特点之一。( 2 ) 过流件材料因素碳化物的影响。由于高硬度的碳化
15、物对基体有保护作用，所以碳化物体积分数增加会使过流件材料抗磨能力提高，但是过高的碳化物体积分数会使基体被严重割裂，降低材料的抗裂纹扩展能力。碳化物尺寸对高铬铸铁材料抗磨性和抗断裂能力也有较大影响，过于细小的碳化物可能因不能抵抗氧化铝矿浆中固体颗粒磨料的切削力而折断，或者被大颗粒磨料直接整块削去，起不到抵抗磨损的作用，导致磨损失重量增加；而碳化物尺寸过大时，在磨损过程中难以受到基体的支撑，因而碎裂倾向增大，剥离造成的失重和基体磨损失重都相应增加，从而降低过流件使用寿命 4 6 1 4 7 1 。基体组织的影响。一般来说，高铬铸铁的总磨损率由碳化物和基体两者的磨损机制麸同决定，而抗磨能力较强的硬质
16、相的磨损率是起主导作用的因素。基体组织是抗磨弱相，但是它对抗磨骨架相的保护作用却是不可低估的。与碳化物本身或碳化物一基体界面相比，基体组织更能使裂纹钝化，即具有更高的断裂韧性。基体组织的硬度也决定了它对碳化物的支撑能力的强弱，间接影响了材料的抗磨性能和过流件的使用寿命。一般马氏体基体比奥氏体基体能为合金提供较好的抵抗应力磨损抗磨性，但动态断裂韧性较低。具体的使用依工况和使用要求决定【4 8 l 。昆明理工火学硕士学位论文1 。2 2 其它材质的发展现状由于普通白口铸铁碳化物以网状渗碳体为主，基体组织以珠光体为主，因而硬度和冲击韧性较低，耐磨性较差，同时各相之间电极电位差较大，电化学腐蚀较严重，所以在渣浆泵过流件中应用较少。这里主要介绍低合余白口铸铁、镍硬铸铁、奥贝球铁A D I
