熟料破碎机能否长期可靠运行,除结构设计、制造质量等因素外,锤头的使用寿命也是重要因素,简单地用“一副锤头可破碎多少万吨熟料”来衡量锤头乃至破碎机的好坏则有失偏颇。笔者就自己研制与应用的实践体验,对影响熟料破碎机锤头使用寿命的因素作一些探讨。
1 锤头的材质因素
锤头的材质是重要的影响因素,高速旋转的锤头与熟料不断地撞击、挤压,由于熟料的硬度高,易于侵入锤头材料内部,在相对运动中,产生划痕、犁沟、凿削或剥落,从而使锤头磨损失效。一般认为,锤头的硬度愈高愈耐磨。笔者认为：在同等韧性条件下,硬度愈高愈耐磨；在同等硬度条件下,韧性愈高愈耐磨,即在高硬度的条件下有较高韧性的配合,锤头才耐磨。
从磨料磨损机理分析,当锤头的硬度低于或相当于熟料的硬度时,熟料易于侵入锤头材料内部,产生较深的犁沟、凿削,磨损速度就很快。当锤头的硬度远远大于熟料的硬度时,一般只在锤头表面产生划痕,磨损速度必然减慢。如果锤头材质的韧性不足,基体组织不足以支撑和保护硬质碳化物相,则会在熟料的高速冲击下,产生凿削剥落或疲劳剥落,磨损速度也会加快。更重要的是,韧性不足,锤头使用可靠性差,易断裂。因此,要提高锤头的耐磨性就要提高锤头材质的硬度,同时尽可能地提高其韧性。
笔者在同样工况条件下,做了两项对比试验,结果如下：
1.1 锤头材质相同、硬度不同
该机装16只锤头,2只硬度为HRC56.5,14只平均硬度为HRC63.2。当破碎熟料约5000t时,低硬度的2只锤头磨损严重,已不能换面使用,其余14只锤头一直使用到破碎14770t熟料。
1.2 锤头材质不同、硬度与韧性不同
锤头材质不同,硬度与韧性不同的使用效果见表1(均为一副锤头)。
表1 不同材质、硬度与韧性锤头的使
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锤头材质 |
机械性能 |
破碎熟料产量/t |
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高锰钢 |
HB≤229 |
αk≥150J/cm2 |
约1000 |
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高铬铸钢 |
HRC53～56 |
αk8～10J/cm2 |
约2500 |
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高铬铸铁 |
HRC58～62 |
αk4～6J/cm2 |
约5000 |
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超高合金铸铁* |
HRC63～66 |
αk7～9J/cm2 |
约9000 |
注：超高合金铸铁为合肥院耐磨耐热材料厂研制生产的专用于破碎熟料的锤头材质。
2 锤头的结构形状因素
锤头结构形状的设计应从两方面考虑：一是确保高硬度低韧性的耐磨材料能够可靠使用,不断裂；二是锤头的有效磨损量尽可能增大。
2.1 合理的结构设计弥补材质的韧性不足
任何一种耐磨材料,其硬度与韧性都是相互矛盾的,硬度提高到一定值以后,韧性就很难达到理想指标,此时锤头的结构形状,就成了决定性因素。锤头结构形状设计的合理,就可以在低韧性条件下,尽可能提高材质硬度,以提高锤头的耐磨性；锤头结构形状设计不合理,必须牺牲硬度来提高韧性,以确保其使用可靠性,则锤头的耐磨性就会大大降低。举例说明：
老型号锤式破碎机锤头的结构形状如图1,立轴式破碎机锤头也类似。当初设计思想是尽可能减轻非磨损部位(锤柄)的重量,节约材料,降低成本。所以,锤柄部位很薄,只有采有高锰钢或低碳合金钢材质才能保证其不断裂,但耐磨性很差,无法用于熟料的破碎。用高硬度耐磨材料制作该锤头,很容易断裂,无法可靠应用。
图1 Φ800×600锤破锤头
有些制造厂采用复合铸造工艺,锤头与锤柄采用不同材质。由于锤柄与锤头的连接主要是机械结合,达不到冶金结合,时常会发生脱落、崩裂。据比利时MAGOTTEAUX公司的专家介绍,他们花费了十年时间才解决了不同材质的锤头与锤柄的冶金结合问题。
合肥院耐磨耐热材料厂为PCX100型高效细碎机设计制造的锤头,采用高硬度高耐磨性的超高合金铸铁材质,锤头的结构形状见图2。一副锤头38只,每只单重52kg,自1998年3月至1999年2月,共使用5副锤头,破碎熟料60多万t,从未发生锤头断裂现象,除材质因素外,结构形状也是重要的因素之一,但这种结构设计的缺点是锤头剩余残体比例大。
图2 PCX100细碎机锤头
2.2 增加锤头的有效磨损量,延长其使用寿命
耐磨性由材质性能决定,锤头的使用寿命除了材质的耐磨性因素外,还有“有效磨损量”因素,即锤头通常的有效磨损量为20％左右,如果将有效磨损量提高到30％～40％,则锤头的使用寿命就相对延长。破碎机的结构设计上,应有调整锤头与反击板之间间隙的机构,可在锤头磨损后,调小间隙,使锤头可继续使用,从而增加锤头的有效磨损量,达到延长使用寿命的效果。
3 破碎机的结构因素
破碎机的结构设计是影响锤头使用寿命的重要因素。
对立轴破和反击破而言,物料在下落的过程中受到板锤的打击、反击板的撞击、物料的相互碰撞而粉碎,当板锤和反击板磨损后,粒度就会变粗,由于没有粒度控制装置(篦板),块状料与粉状料同时存在。对普通锤式破碎机而言,物料一方面受到锤头的打击,另一方面依靠锤头与篦板之间的挤压而粉碎,出机粒度容易控制,但锤头的磨损形式极不合理。
PCX系列高效细碎机吸取了上述几种破碎机的优点,参考德国KHD公司Hardopact反击式破碎机特点,设有粗、中、细三级破碎腔,采取较低的转子回转速度,达到通常需要较高转速才能取得的破碎效果。其主要机理是增大锤头打击物料、物料撞击反击板和物料之间的反复相互碰撞的几率,减少锤头对物料的硬挤压摩擦,从而减轻锤头的磨损。
对此可以安徽某厂CXL800×600细碎机的改造加以说明。
1)CXL800×600细碎机技术指标
电机45kW,转子转速960r/min,锤头12只,每只14kg,通过锤柄用销棒固定在转子上。篦缝宽度8～10mm。破碎立窑熟料,原配锤头寿命＜1000t。机器外形见图3,锤头尺寸见图4。
图3 CXL800×600结构示意图
图4 锤头外形尺寸
2)第一次改造效果
原机器一切不变,仅将锤头材质更换为合肥院耐磨耐热材料厂的超高合金铸铁。1998年8月初投入运行,共破碎熟料约3500t。锤头残体称重,平均每只磨耗3.58kg,每吨熟料纯磨耗约12g。由于锤头使用寿命不能满足用户需要,进行第二次改造。
3)第二次改造效果
上机体重新设计,增加反击腔中反击板对熟料的撞击作用,其余都不变,见图5。
图5 改造后结构示意图
锤柄缩短,锤头延长20mm,增加有效磨损量,见图6。锤头材质不变,锤头单重增大为15.5kg。
图6 改造后锤头外形尺寸
1998年11月14日投入运行,截止12月12日停机检测,数据如下：此副锤头共破碎熟料9300t,使用寿命提高160％。锤头残体称重,平均每只磨耗5.4kg,每吨熟料纯磨耗为7g,耐磨性提高42％(12g/t降为7g/t)。这是上机体结构型式改变的效果。寿命提高160％(3500t提高到9300t),一方面因锤头单重增加1.5kg,增加了有效磨损量(按第一次改造效果推算,可增加1466t破碎产量,总量约5000t),另一方面就是反击腔的改变而带来的效果。
4 锤头的线速度因素
笔者在两台不同转速的CXL800×300细碎机上安装同样形状、同样材质的锤头,对比试验锤头的线速度与锤头的使用寿命之间的关系。
陕西某厂细碎机转速960r/min,锤头线速度40m/s,破碎立窑熟料一副锤头的寿命在3000～3500t,出机粒度＜5mm,粉状料占80％以上,锤头纯磨耗约4g/t。
江苏某厂细碎机转速660r/min,锤头线速度27.6m/s,破碎立窑熟料一副锤头的寿命在6000～7000t,出机粒度＜8mm,粉状料占50％,锤头纯磨耗约2g/t。
上述结果表明锤头线速度愈大,锤头的磨损就愈大。即不同转速的破碎机,锤头的使用寿命不同。
此外,篦冷机后面的锤式破碎机,一副高锰钢锤头可使用6～12个月,原因就是破碎机转速较慢,锤头磨损很小,但破碎后的粒度很不理想。
所以,把磨机的粗磨仓当作细碎机使用不合理,但把细碎机当作粉磨设备使用也不合理。应综合考虑磨机的工艺条件、破碎机的运转率、易损件的更换周期和维修费用,选择适当的锤头线速度。
5 篦板的设计因素
篦缝的宽度与篦缝的排列方向均影响锤头的使用寿命。篦缝宽度愈小,锤头磨损愈大。篦缝排列方向与锤头回转方向一致,锤头磨损轻,粉状料少；篦缝排列方向与锤头回转方向垂直,则锤头磨损增大,粉状料增多。
篦板的设计一定要避免堵塞、积料,否则对锤头的磨损影响很大。PCX100型细碎机由于设计的缺陷,篦板两侧始终积料,造成中间的34只锤头依靠打击破碎熟料,两侧的4只锤头始终在熟料中挤压、摩擦。锤头残体称重,中间锤头平均磨耗量为5.18kg,两侧锤头平均磨耗量为14.5kg,同样材质、形状的锤头,磨耗增大1.8倍。
6 熟料的影响因素
熟料的性质也影响锤头的使用寿命。窑外分解窑的熟料比干法中空窑的熟料易碎。立窑熟料差异较大,有时比回转窑料还难破碎。矿渣均为小颗粒,按说不需破碎即可通过篦缝漏出,但在山西某厂的使用却发现,掺45％矿渣的混合料反而比掺15％矿渣的混合料对锤头磨损更大,这有待于进一步试验与探讨。
熟料的温度对锤头的磨损有一定的影响。如果锤头材质的耐红热性好,如超高合金铸铁在500℃左右可保持硬度韧性基本不变,其耐磨性就不受温度的影响。有些材质在300℃以上硬度明显下降,则锤头的磨损将随温度的升高而急剧加快。
喂料的均匀性也很重要。如果喂料量忽大忽小,时常超量进料,则会导致机内积料,增加锤头对物料的硬挤压,锤头的磨损也会加大。
7 破碎机规格大小的影响
破碎机规格大,锤头多而重,破碎熟料的产量当然高。比如PCX100型细碎机,锤头38只,总重近2t,可破碎熟料14万t。而Φ800×300细碎机,锤头6只,总重42kg,只能破碎熟料5000t左右。
破碎机规格大,反击腔高,便于增设反击板,物料与反击板的撞击及物料之间的相互碰撞几率均大大增加,破碎效率提高,锤头的磨损减轻。
综上所述,建议水泥厂选择熟料细碎机时应考虑如下几点原则：①结构设计合理,加工制作精细,易损件寿命长,整机运转率高；②破碎效率高,电耗低；③维修简便；5按实际需要产量加大50％选择破碎机规格型号。 
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