分级破碎机大尺寸破碎齿热处理工艺研究_陈通.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.202305029工艺装备0引言煤炭加工工艺飞速发展，煤炭加工设备也不断推陈出新，其中露天破碎站、井工矿大巷转载处、溜煤仓上游、井口准备车间、选煤厂破碎车间等场景主要破碎设备由颚式破碎机、锤式破碎机等更换为处理能力更大、效率更高的齿辊式分级破碎机，尤其是双齿辊分级破碎机，因其结构简单、占地空间小、上下料口联接简便等，在市场上的应用更为广泛，发展前景更好。随着大型双齿辊分级破碎机不断推出，破碎齿可靠性要求越来越严格，除齿形要符合参数需求外，破碎齿的基础性能也要能达到使用预期，尤其是大尺寸破碎齿在热处理过程中存在淬透性不够、淬硬性不足、淬裂情况频发、铸造缺陷补救措施不足等问题，不利于产品大型化发展。为了解决分级破碎机大型化进程中破碎齿稳定性问题，有必要对大尺寸破碎齿热处理工艺进行研究。1分级破碎机破碎齿热处理工艺现状分级破碎机破碎齿的材质绝大多数使用中碳钢与微量Si、Mn、Mo、Cr、Ni等元素的结合，通过熔炉炼制浇注、热处理和精加工得到成形产品。破碎齿热处理工艺分为3步：铸件出炉冷却后进行退火处理，便于粗加工；粗加工完毕后进行淬火处理，得到铸件所需组织结构；淬火完毕后进行回火处理，消除铸件内部残余应力，并转变一部分残余奥氏体和上贝氏体。小尺寸破碎齿因其结构特点，在热处理过程中能够淬透均匀、淬硬合理，平均淬硬值4855 HRC，且表层硬度与芯部硬度差值小于4，能够满足使用需求；大尺寸破碎齿外形大、局部厚，尤其是一体铸造式齿环，单件最大外径可达1 500 mm，厚度350500 mm，在铸造过程中容易形成铸造缺陷，热处理时整体淬硬性不够、淬透性不足，平均淬硬值3542 HRC，表层硬度与芯部硬度差值最大达到8，在破碎井工矿炮采放顶煤的过程中，使用寿命较短，尤其遇到含矸量较大的原煤，平均使用寿命180240 d，无法匹配多数矿井每年一次的大修安排，需要进一步提升。2大尺寸破碎齿热处理实验对大尺寸破碎齿进行热处理实验前，首先选用市面上成熟厂家的2PLF140/280齿头割取5组样块*中煤科工集团唐山研究院有限公司青年创新基金项目（KJ-2021-QN-01）分级破碎机大尺寸破碎齿热处理工艺研究*陈通1，2，李朋1，2，王昱1，2（1.中煤科工集团 唐山研究院有限公司，河北 唐山063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山063012）摘要：为了提升煤矿用大型分级破碎机产品的稳定性，解决大尺寸齿盘热处理硬度上调难度大、冲击韧性波动大的问题，对既定破碎齿铸件材质和热处理工艺进行研究。通过分析铁碳合金相图，结合连续试验，对比工艺调整前后铸件的缺陷、硬度和冲击韧性，总结提升破碎齿铸件综合性能的方法，提出其后期改进方向。关键词：煤矿；分级破碎机；破碎齿材质；热处理工艺；综合性能中图分类号：TG15文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0093 04Study on Heat Treatment Process of Large Size Crushing Teeth ofSizing CrusherChen Tong1，2，Li Peng1，2，Wang Yu1，2（1.Tangshan Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group,Tangshan 063012,China；2.HebeiProvince Coal Preparation Engineering and Technology Research Center,Tangshan 063012，China）Abstract:In order to improve the stability of large-scale sizing crusher used in coal mines and solvethe problems of difficult to increase the hardness and large fluctuation of impact toughness in the heat-treat of large-size toothed discs,the material and heat-treat process of the established crushing toothcastings were studied.By analyzing the iron carbon alloy phase diagram and combining with continuoustests,the defects,hardness and impact toughness of the castings before and after process adjustmentwere compared,the methods to improve the comprehensive properties of the crushing tooth castingswere summarized,and put forward its later development direction.Key words:coalmine；sizingcrusher；crushingteethmaterial；heat-treatprocess；comprehensiveproperty93第44卷第5期Vol.44 No.5分级破碎机大尺寸破碎齿热处理工艺研究陈通，等进行光谱分析，确定齿头材质中各元素含量范围，再依据铁碳相图基础，对区间进行拓展，找出合适的淬火温度范围，进行热处理流程分析并实验。（1）破碎齿材质分析选取A厂家2PLF140/280破碎辊部件2件，确定齿环总数为30件，其中大齿环15件，小齿环15件，大齿环平均硬度3844 HRC，小齿环平均硬度4549 HRC，对大齿环进行称重，得到其质量为926 kg，考虑到加工余量，大齿环毛坯质量约1 060 kg，根据目前铸造熔炉主要使用23 t容量的现状，确定单炉齿环铸造数量小于3，假设每炉出铸件2件，最少可得出8份材质样本，因实验需要5份样本，只需截取10组样块进行分析即可。去掉重复样本后，5份材质元素含量如表1所示。表1样品元素含量表（质量分数/）表1结果参数显示待研究样本材质类型符合中碳合金钢标准，按照含量区间设定铸造材质配比，对其他微量元素（Mo、Ti、稀土等）进行适当匹配，确定铸造工艺参数和热处理工艺参数。（2）制定铸造工艺待研究齿环铸造工艺选择普通潮模砂造型，型腔刷涂料干化，合金液浇注温度1 600，脱氧剂采用铝屑，砂型压箱保温时间为24 h，浇冒口割除剩余厚度510 mm，齿环退火出炉后进行喷丸处理。（3）制定热处理工艺根据C含量百分比0.35%0.4%碳钢区间特点，结合合金元素含量，Ni、Mn、Co合金元素的加入都使得FeC相图区向右、向下拓展，奥氏体形成区间增强，马氏体转变区间扩大，通过反复试验找到奥氏体形成率最高区间，确认齿环铸件退火温度选择840880，退火时间480600 min，退火硬度1221 HRC；淬火温度900950，淬火前加热和保温时间1 0001 100 min，淬火介质为循环冷却油，预期淬火硬度4855 HRC；低温回火温度240280，回火保温时间480 min。（4）铸件成品外观和硬度检验齿环淬火前加工面保留1 mm加工余量，淬火和回火完毕后，对其外观、硬度进行检测，确定外观良好，肉眼观察无明显铸造缺陷和裂纹，选定内圈端面、外圈端面、齿表面3个位置测定硬度值，测定点如图1所示，表面磨削2 mm深处，A1、B1、C1处硬度值分别为41 HRC、42 HRC、44 HRC，；A2、B2、C2处表层硬度值分别为39 HRC、41 HRC、42 HRC，A2处非加工表面不平整且有0.5 mm氧化皮，磨掉表层氧化皮后取点测定，测定点如图2所示。对比表层和2 mm深处相同位置硬度值发现受脱碳层影响，铸件表层脱碳后硬度值均低于2 mm深处硬度值。图1铸件2 mm深处硬度值测定点图2表层车削到位后硬度值测定点（5）铸件成品复现性验证为了验证所得数据的准确性，再进行4次重复铸造和热处理实验，合并5次实验硬度值列表分析，铸件表层硬度值低于2 mm深处硬度值，非加工齿面硬度均低于加工面硬度，符合测定点分布特点，铸件硬度值参数表如表2所示。复现实验所得结果与首次实验对比无大差异，证明铸造工艺和热处理工艺过程中没有产生特殊事件。表2铸件硬度值参数表（6）铸件可用性判定实验所得齿环铸件硬度值范围3945 HRC，与所需硬度值范围4855 HRC差距较大，破碎常规精煤、夹矸煤能够满足1 a以上质保使用，但整体耐磨性能不足，破碎矸石、铝土、石灰石、磷矿等可用性低。3铸造和热处理工艺参数调整齿环铸件硬度检测未达到需求值，调整淬火温度值范围并未使马氏体转变率得到提升，淬硬波峰在930 左右，在不改变铸件材质和热处理工艺的前提下，硬度值无法满足需求。因此，为了得到材料所需性能，需要适当调整材质中元素含量，改善热处理工艺。样本序号12345区间值C0.3920.3860.3790.3920.3850.3790.392Mn1.1121.0971.0751.0681.0841.0681.112Si0.4950.5260.5250.4940.5120.4940.526Cr1.2211.1981.2061.2151.2081.1981.221Ni0.4680.4820.4860.4790.4950.4680.495A1414040414040.4B1424243424442.6C1444241414141.8A2393940394039.4B2414142414241.4C2424241414041.2测量点硬度值HRC第1组第2组第3组第4组第5组平均值序号C2C1B2B1A1A294第44卷第5期Vol.44 No.5分级破碎机大尺寸破碎齿热处理工艺研究陈通，等（1）提升铸件材质中C、Si和稀土含量中碳合金钢中C含量对铸件淬火硬度影响较大，提升C含量有利于提升铸件硬度，但同时铸件热裂倾向增加；Si含量对铸件淬透性影响较大，同时能改善铸件熔液流动性，降低亚共析钢临界冷却速度，但同样使得铸件热裂倾向增加。综合影响因素，将C含量调整至0.39%0.41%，Si含量调整至0.52%0.55%，并增加炉前稀土含量摄入，降低C、Si含量增加带来的热裂影响。（2）提升浇铸温度为了增加熔液流动性，减少铸件缺陷，将熔液浇注温度提升至1 680，此时会增加化学反应有害气体生成率，所以在脱氧脱硫环节增加脱氧剂和聚渣剂的摄入量，降低浇铸温度提升带来的负面影响。（3）淬火保温阶梯化为了降低淬火高温保持阶段微量元素的烧损率，降低铸件表层脱碳层厚度，将淬火前铸件升温分为2个阶段：第1阶段从室温提升至850，保温120min；第2阶段从850提升至940，保温150min。（4）回火工艺变更为了消除残余应力，同时尽量抑制高温奥氏体生成，回火阶段将低温回火温度240280 改为220240，保温时间提升至720 min。4铸件成品检测（1）铸件成品外观和硬度检测齿环热处理完毕后，对其外观、硬度进行检测，确定外观良好，肉眼观察无明显铸造缺陷和裂纹，选定内圈端面、外圈端面、齿表面3个位置测定硬度值，表面磨削2 mm深处，A3、B3、C3处硬度值分别为47 HRC、49 HRC、52 HRC，测定点如图3所示；A4、B4、C4处表层硬度值分别为46 HRC、48 HRC、50 HRC，A2处非加工表面不平整且有0.5 mm氧化皮，磨掉表层氧化皮后取点测定，测定点如图4所示。（2）铸件成品复现性验证为了验证所得数据的准确性，再进行了27次重复铸造和热处理实验，所得实验结