大型半自磨机超高锰钢衬板生产方法改进与工艺优化

摘要

冶金矿山用大型自磨机衬板服役中受强烈冲击、磨粒磨损及腐蚀磨损等苛刻工况条件，传统高锰钢性能难以满足实际应用需要。超高锰钢在高应力、强冲击工况条件下具备优异的抗磨性能，能够满足大型化抗磨件的要求。然而，众所周知，若超高锰钢生产方法及工艺控制不当，实际服役过程中常常会出现种种问题，因此，诸多生产企业对此往往望而却步。本文在国内某铸造生产商为中国驻沙特某选矿厂服役的(O)5.5m大型半自磨机超高锰钢ZGMn17Cr2提升衬板的基础上，针对衬板在服役短期时间内即出现的固定螺栓绷断、提升条脱落、裂纹和破断等失效问题。本文工作从半自磨机提升衬板的结构、超高锰钢的材质成分、铸造工艺以及热处理工艺四个方面开展了研究，结合实验所得数据规律与原理分析，为企业解决了诸多实际生产技术难题，显著地延长了衬板的服役寿命，并解决了衬板前期服役所出现的上述诸种问题。本文主要工作成果如下:
　　(1)通过对原衬板结构进行分析，在不改变衬板在半自磨机筒体安装后整体结构，以及不影响磨机正常工作效率的前提下。对衬板的结构进行了全面的改进，使其结构强度更高，在一定程度上可以抵抗衬板的翘曲变形。另一方面结构改进后，可以有效的避免变形引起的固定螺栓之间的相互作用力。衬板加厚在一定程度上增加了衬板的有效工作可磨损量，也增加了其使用寿命。
　　(2)在材质ZGMn17Cr2的基础上，探索了Mo、V元素合金化处理以及稀土合金变质处理对超高锰钢组织及性能的影响。研究表明:添加适量的Mo、V元素并辅以稀土合金变质处理可以增加组织中碳化物数量，并使碳化物形貌得到一定改善，组织分布趋于均匀。
　　(3)针对衬板新结构及新成分，重新设计铸造工艺方案并运用ProCAST对铸造过程进行仿真模拟，根据模拟结果对铸造工艺参数进行了进一步的优化。其结果对实际生产具有非常重要的指导意义。有效的缩短了生产周期，降低了生产成本。
　　(4)在本文设计材质ZGMn17Cr2MoV的基础上，研究了水韧处理和沉淀强化热处理工艺对超高锰钢力学性能的作用与规律。结果表明，在改进成分基础上，合适的水韧处理工艺，可消除晶界连续碳化物，控制碳化物数量和形态，是超高锰钢获得高韧性和防断裂的基本前提;在此基础上，优化的沉淀强化工艺可进一步显著提高材料冲击韧性、抗拉强度、屈服强度及基体的初始硬度。文中结合材料组织演化讨论了上述工艺对性能的作用机制，以及性能提升对服役的实际意义。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 耐磨高锰钢发展历史及现状

1．2．1 高碳高锰钢

1．2．2 介稳奥氏体中锰钢

1．2．3 超高锰钢

1．2．4 合金化高锰钢

1．3 高锰钢的铸造

1．3．1 高锰钢的流动性

1．3．2 高锰钢的热裂倾向

1．3．3 高锰钢铸件热应力

1．3．4 高锰钢的粘砂性

1．5 高锰钢的组织及性能

1．5．1 高锰钢的组织

1．5．2 高锰钢的性能

1．6 高锰钢的热处理

1．6．1 传统高锰钢热处理

1．6．2 合金化高锰钢及超高锰钢热处理

1．7 高锰钢的加工硬化机制及形变预处理

1．7．1 高锰钢的加工硬化机制

1．7．2 高锰钢的形变预处理

1．8 高锰钢的发展趋势

1．9 本文研究内容及意义

第二章 课题研究方法及技术路线

2．1 失效分析

2．2 课题研究内容

2．3 课题研究方法

2．3．1 半自磨机提升村板结构

2．3．2 超高锰钢材质成分

2．3．3 超高锰钢铸造工艺

2．3．4 超高锰钢热处理工艺

2．4 实验所需设备和仪器

2．5 试样的性能测试和金相组织观察

2．5．1 铸态试样的制备

2．5．2 冲击韧性测试

2．5．3 显微硬度测试

2．5．4 拉伸试验

2．5．5 显微组织观察

2．6 技术路线

第三章 超高锰钢半自磨提升衬板结构及材质成分改进

3．1 引言

3．2 半自磨机提升衬板结构改进

3．3 超高锰钢材质成分改进

3．3．1 合金元素在超高锰钢中的作用

3．3．2 材质改进前后成分及JMATPro相计算

3．3．3 成分改进后超高锰钢的组织及硬度与韧性

3．4 本章小结

第四章 超高锰钢半自磨提升衬板铸造工艺设计及优化

4．1 引言

4．2 超高锰钢衬板铸造工艺设计

4．2．1 超高锰钢的铸造特性

4．2．2 造型材料的选择

4．2．3 浇注位置及分型面的选择

4．2．4 砂型中铸件数量及排列的确定

4．2．5 浇注系统的设计

4．2．6 金属液型内上升速度及最小剩余压力头校核

4．2．7 砂芯设计

4．3 超离锰钢衬板铸造工艺仿真模拟

4．3．1 几何模型的建立及主要参数设置

4．3．2 开放式浇注系统一箱两件设计模拟结果分析

4．3．3 冒口设计

4．3．4 冒口补缩效果检验及后期改进

4．3．5 工艺改进后模拟仿真结果分析

4．3．6 一箱四件工艺模拟仿真结果及分析

4．3．7 铸件工艺出品率及最终方案选择

4．4 本章小结

第五章 热处理工艺对超高锰钢组织及性能的影响

5．1 引言

5．2 超高锰钢退火处理工艺

5．3 超高锰钢水韧处理工艺

5．3．1 水韧处理工艺制定

5．3．2 不同水韧处理工艺下的组织及性能

5．4 超高锰钢沉淀强化处理

5．4．1 沉淀强化工艺制定

5．4．2 不同沉淀强化处理工艺下的组织及性能

5．5 简要分析与讨论

5．6 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 本文研究的主要内容及结论

6．2 本文创新之处

6．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况