耐磨衬板材料应用研究_刘金华.pdf

设备管理与维修2023 2（上）0引言在各类涉及块状、散装物料运输、中转、储存的厂矿中，料仓、漏斗、溜槽等装置设施受物料磨损十分严重，若任由物料自然磨损，其基体将很快被磨蚀消耗殆尽，造成全线停产。即使安装了衬板材料，延缓磨损速度，衬板的维护和更换仍是日常检修的重要内容，尤其是直接受物料冲击部位磨损速度最为剧烈1。在厂矿建设前，设计部门就应对耐磨衬板材料的选用进行充分论证，在性能、成本、需求等各方面综合权衡，确定合适的选型。本文收集了各类衬板材料种类及数据，横向列举业内常用的耐磨衬板及近年新兴的衬板材料，贯穿载明影响衬板使用性能的主要指标，通过对比分析，总结各自优势及缺陷，提供使用场景建议。模拟某一装置中采用各种产本材料的初装费用成本及较长使用周期内的综合使用成本，为业内同仁在衬板材料选用提供借鉴。1耐磨衬板材料性能对比1.1常见耐磨衬板综合性能现在各行业应用于散状物料输送系统的转载点及料仓，主要以普通低碳钢板或混凝土为基体，内部安装高铬铸铁板、高锰钢衬板、不锈钢板、NM 系列耐磨钢板、超高分子聚乙烯UHMW-PE 衬板、氧化铝陶瓷衬板、铸石衬板、缸砖等耐磨材料，起到耐磨损、减少输送阻力、便于检修更换等作用。各类衬板的机械性能数据如图 1 所示。1.2各耐磨衬板主要性能指标分析在耐磨衬板的各项性能指标中，硬度、耐磨性、摩擦系数、冲击韧性、体积密度等项目较为重要，极大影响衬板产品在实际使用中的效果。然而各种耐磨材料的诸项性能指标各有所长，并不均衡，不存在满足所有应用要求的完美产品，在衬板的实际选用中需综合分析，选取主要优势指标，避免缺陷，改善短板，灵活运用。1.2.1硬度耐磨材料的硬度是各项性能指标中最重要的，对衬板的耐磨损性能起到决定性作用；衬板硬度相较于输送物料高出越多，则理论耐用性越高。在金属材料中，低碳钢的硬度较低，通常用作基层材料，在其表面必须增加硬度更高的衬板层保护，避免装置本身的急剧磨损。在金属材料中，传统高铬铸铁板和近年出现的 NM 系列耐磨钢材的硬度表现较好；在非金属材料中，烧制产品的陶瓷类、铸石类衬板均具有极高硬度，且相差不大；高分子聚乙烯材料硬度最低，极易产生划痕。单从硬度指标来看，氧化铝陶瓷硬度是所有耐磨材料中最高的，是耐磨衬板的首选材料（图 2）。1.2.2相对耐磨性材料的综合耐磨性能除了硬度的直接影响外，还受耐腐蚀性、粒子排布特性、表层剥蚀特性、微观断裂特性等诸多因素制约。例如超高分子聚乙烯材料虽然硬度较低，但因其具有大分子链的微观结构特点，链间结构稳定，在使用中耐磨表现较好。得益于氧化铝陶瓷的稳定、耐腐、致密特性，其耐磨性相对于其他材料高出几十倍甚至上百倍，具有其他衬板材料无可比拟的耐磨性能。相较于已经广泛应用的传统铸石板，经特殊压制成型的压延微晶板具有更高的耐磨性能（图 3）。耐磨衬板材料应用研究刘金华，张志辉，郝建伟，丁宁，李帅武（国家能源集团煤焦化有限责任公司西来峰分公司，内蒙古乌海016000）摘要：在需要矿石及粉体输送的行业，因具有大量料仓、漏斗、溜槽等易磨损装置，普遍应用高铬铸铁板、锰钢板、耐磨合金钢板、高分子聚乙烯衬板、铸石板、缸砖、压延微晶板、氧化铝陶瓷等衬板材料保护基体结构。对各类衬板材料诸项指标进行详细对比，分析其优缺点，提供使用场景建议，包含初装费用成本及长周期综合使用成本对比，为行业衬板选用提供借鉴指导。关键词：衬板；磨损；粉体输送；应用研究中图分类号：TG115文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.07（4）管板深孔加工超差导致的堵管为 0。参考文献1Westinghouse Electrical Company.APP-MB01-GD-001，Engineeringand manufacturing documentation requirements Z.2Westinghouse Electrical Company.APP-MB01-Z0-101，Design spec-ification for CAP1000 steam generator for reactor coolant system，steam generating system Z.3Westinghouse Electrical Company.APP-MB01-VQP-001，Tubesheettube hole acceptance criteria Z.4Westinghouse Electrical Company.APP-MB01-V2-051/052/053/054/055/056，CAP1000 steam generator tube sheet base metal，welding，and machining Z.5The American Society of Mechanical Engineers.ASME B&PVC，ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Nuclear PowerPlant Components Z.6 The American Society of Mechanical Engineers.ASME NQA-1，Quality Assurance Requirements for Nuclear Facility Applications Z.编辑石跋序18设备管理与维修2023 2（上）图 1耐磨衬板材料性能对比1.2.3机械强度抗压强度为材料抵抗外部施压力的极限值，由于衬板材料主要承受物料冲击力及摩擦力，所受物料的静压力相对于其抗压强度微乎其微，该指标对衬板性能影响不大。除用作基体的低碳钢外，各种金属材料衬板均具有较大的抗压强度，尤其以 NM系列耐磨钢板更为优异。在非金属衬板材料中，增韧型氧化铝陶瓷衬板的抗压强度最高，高分子聚乙烯材料抗压强度最低（图4）。抗弯强度是指材料抵抗弯曲而不断裂的能力，因金属材料的抗弯强度远高于使用场景要求，该指标主要用于考察脆性材料的强度，在衬板材料中主要针对氧化铝陶瓷、铸石板、缸砖等材料。但是衬板通常为紧贴基材安装，不承受弯折力矩，该项指标在实际运用中指导意义较小（图 5）。1.2.4韧性断裂韧性是指当材料中有裂纹或类裂纹缺陷情形下发生以其为起点的快速不稳定断裂时，材料所显示的阻抗值。材料的断裂韧性数值越大，裂纹失稳扩大所需的外部压力越大，代表其韧性越高。从衬板的使用要求分析，金属材料及高分子聚乙烯等塑性材料的断裂韧性远高于应用中所需强度，基本不图 2耐磨材料硬度对比图 3耐磨材料相对耐磨性对比图 4耐磨材料抗压强度对比19设备管理与维修2023 2（上）影响其选用。相较于韧性材料，脆性材料的断裂韧性较低，直接影响其韧性表现，质脆易碎特性是其实际运用的一大制约因素。在脆性材料中，仅有增韧型氧化铝陶瓷材料的断裂韧性较高（图 6）。耐磨衬板的冲击韧性反应了其脆性高低，而衬板材料的脆性又是限制其应用场景的重要因素。作为大分子复合材料的超高分子聚乙烯 UHMW-PE 衬板的冲击韧性指标最高；各金属材料除了铸铁衬板韧性较低外，普遍具有较高的韧性，且焊接性良好，适合多种安装方式，其中高锰钢板的耐冲击性能最佳2。在各种烧制类衬板中，增韧型氧化铝冲击韧性较高；铸石材料脆性最高，极易因碰撞和冲击而破碎，其改进型产品压延微晶板的冲击韧性有所提高（图 7）。1.2.5摩擦因数（与煤料）耐磨衬板与输送物料的摩擦因数越小，物料的运输阻力越小，越有利于物料的顺畅排出，同时减轻了“粘料”“膨料”等困扰物料存储及转运的难题。以与粘结性较大的煤料之间的摩擦因数为例，在几种衬板材料中，高分子聚乙烯衬板的摩擦最小，且最不易粘料；在金属材料中，不锈钢材料由于耐腐蚀，使用中表面越来越光滑，摩擦因数也较小；在烧制类衬板中，氧化铝、压延微晶板等材料存在较大优势（图 8）。1.2.6耐高温性高温环境对衬板的耐热性提出了极高的要求，尤其是骤冷骤热的温度极端变化环境，极考验衬板材料的热性能。金属材料在 250400 发生回火，各项性能急剧下降，迅速磨损、开裂，且因其膨胀系数较高，温变使紧固螺栓变形、松动，造成衬板脱落。高分子聚乙烯材料的熔点较低，只能在 8090 以下温度使用。氧化铝陶瓷衬板、缸砖材料的耐高温性能突出，且已在高炉、焦炉等相关高温场所广泛应用。铸石板、压延微晶板本身的熔点较高，但因其存在热脆性，温度急剧变化下易炸裂，且采用的环氧树脂、呋喃树脂等粘接剂耐热性更低，进一步限制了其使用温度（图 9）。、1.2.7体积密度衬板的体积密度十分考验设备设施的承载能力，尤其是自身体量较大的料仓、支撑薄弱的漏斗、移动及振动的设备，对于衬板重量更为敏感。自重过大的衬板材料会造成承重结构部件负荷增大，影响基体稳定性，引起金属疲劳，严重时甚至造成整图 6耐磨材料断裂韧性对比图 5耐磨材料抗弯强度对比图 8耐磨材料摩擦系数对比图 7耐磨材料冲击韧性对比图 9耐磨材料耐高温性对比20设备管理与维修2023 2（上）体坍塌、跌落。较重的材料重量，也需更为牢固的安装，限制了衬板的安装方式；同时在安装及搬运过程中劳动强度提高，安全隐患加大。在各种耐磨材料体积密度对比中，相较于金属材料衬板，非金属材料具有极大的优势；在非金属材料中，超高分子聚乙烯材料质量最轻，具有最大的轻载优势，但即使密度最大的氧化铝衬板，其重量也不到金属材料的 1/2，在实际使用中仍具有明显重量优势（图 10）。2衬板材料综合使用成本分析2.1耐磨衬板材料综合使用成本在实际选用耐磨衬板材料时，不应只考虑一次性初始投入成本，在生产装置全寿命周期内，由于衬板磨损导致的频繁更换造成材料费用的成倍累积，加之因此产生的各项施工费用、日常维护费用、停机停产损失等相关费用，会极大影响衬板的综合使用成本。各种耐磨材料的综合成本对比如图 11 所示。图 11 反映了各种耐磨衬板材料的初始安装成本以及在 20年使用周期内的各项相关成本。对比可知，在仅考虑初始安装成本的情况下，在金属类衬板材料中，不锈钢的材料成本最高；而在所有衬板材料中，增韧型氧化铝衬板的成本最高，是其他材料的数倍至几十倍。着眼于实际生产情况，衬板材料伴随生产线全生命周期，在较长的生产周期内，会产生更换衬板材料成本、更换施工费用、日常零星维护费用等各项相关成本，在实际选用衬板材料时需综合全面考虑。2.2耐磨衬板材料综合使用成本分析衬板初装成本与综合使用成本数据如图 12 所示，供各耐磨衬板初装成本与综合使用成本对比分析。由图 12 可以直观的表现出各衬板材料成本从初始安装至较长生命周期内的变化特点，为衬板选用提供客观且前瞻性的指导。由对比图可得出以下主要结论：（1）衬板的初次安装成本与长期综合使用成本之间差距极大，且在一定程度上呈反比例关系；大部分情况下，衬板的初装成本越低，其在后续使用周期内的更换及维护次数越多，累积的综合成本就越高。（2）衬板材料的磨损机理复杂，耐磨性不只与硬度差值有关，而是由多种作用复合产生，主要是物料的相对摩擦与冲击势能所造成的微观切削和疲劳剥离3，以及腐蚀侵蚀、高温剥蚀等。例如，高锰钢依靠高韧性特征及表面淬硬层抵抗磨损，高铬铸铁主要依靠高硬度的耐磨相抵抗磨损4，而高分子聚乙烯材料因其具有大分子链结构和自润滑性获得优秀的耐磨性能5。（3）若仅使用低碳钢作为输送基体，不使用衬板材料，其磨损速度极快，因此产生的综合使用成本是其他衬板材料的几十倍，这也反应了在物料输送转运过程中使用衬板材料的必要性。（4）衬板材料成本特征受多种因素影响，具有较大差异性，图 10耐磨材料体积密度对比图 11耐磨材料综合成本对比21设备管理与维修2023 2（上）图 12耐磨材料初装成本与综合成本对比如不锈钢衬板在金属材料衬板中性能优异，但因其价格较高，导致综合成本居高不下，且金属材料受上游矿石、煤焦等原材料制约，价格波动频繁。铸石板、缸砖等材料虽然价格低廉，但因其存在质脆、易掉落、耐磨性较差等缺陷，其后续维护及更换频繁，虽然综合成本不高，但日常维护造成的生产线