矿用耐磨氧化铝陶瓷材料的研究.pdf

2 0 1 1 年增刊1有色金属 选矿部分2 9 3 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／／j ．i s s n l 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 1 ．z 1 ．0 7 1 矿用耐磨氧化铝陶瓷材料的研究 张力强 煤炭科学研究总院唐山研究院，河北唐山0 6 3 0 1 2 摘要首先论述当前选矿领域设备的磨损现状，对较常用的氧化铝陶瓷材料现状进行分析，基于选矿领域的特殊冲 蚀磨损形式。对氧化铝陶瓷原料、烧成工艺方面进行理论和试验研究，研制出适合选矿领域用的高强氧化铝耐磨陶瓷。在 选煤厂重介质旋流器设备中得到应用，取得了良好的效果。 关键词选矿；冲蚀磨损；耐磨；氧化铝陶瓷 中图分类号T I 4 5 5 * ．7文献标识码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 1 S 0 - 0 2 9 3 - 0 4 S t u d yo nW e a r - r e s i s t a n c eM u m i n aC e r a m i cM a t e r i a l sf o rM i n i n g Z H A N GL a 批m g T a n g s h a nB r a n c ho fC h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ， A b s t r a c t T h ep a p e rd i s c u s s e sc u r r e n tw e a r i n gs i t u a t i o no fm i n e r a l p r o c e s s i n ge q u i p m e n t s ，a n d a n a l y z e st h es t a t u so fc u r r e n tw i d e l yu s e da l u m i n ac e r a m i cm a t e r i a l s ．B a s e do nt h es p e c i a le r o s i o nw e a rf o r m i nm i n e r a lp r o c e s s i n gf i e l d ，t h ep a p e rr e s e a r c h e so nr a wm a t e r i a l so fa l u m i n aa n dc e r a m i c ，a n dt h es i n t e r i n g p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y ，a n dd e v e l o p sah i g hs t r e n g t ha l u m i n u mo x i d e w e a r - r e s i s t a n c ec e r a m i c ss u i t a b l ef o rm i n e r a ld r e s s i n gf i e l d s ．T h ew a r e - r e s i s t a n c em a t e r i a lh a sb e e na p p l i e d i nh e a v ym e d i u mc o a lh y d r o c y e l o n e se q u i p m e n t si nc o a lp r e p a r a t i o np l a n ta n de x c e l l e n tr e s u l t sa l ea c h i e v e d ． K e yw o r d s d r e s s i n g ；e r o s i o nw e a r ；w e a r - r e s i s t i n g ；a l u m i n ac e r a m i c 选矿是矿产资源综合利用的重要工序，众多选 矿设备中许多金属、非金属部件因为连续不断的工 作，会受到强烈的磨损而迅速失效，从而造成大量 的人力及财力的消耗，同时，也无法满足选矿厂的 连续生产需求。选矿设备磨损严重，使用寿命低， 成为选矿厂生产发展的严重障碍。因此，针对选矿 设备的特有工况，合理研究开发新型耐磨材料以延 长选矿设备的使用寿命具有很重要的意义。 在传统耐磨材料中，陶瓷材料以其来源的广泛 性、材料性能的优越性而成为人类生活中最普遍最 重要的一类材料，其特点是硬度高、耐磨、耐腐 蚀。以氧化铝为主要成分的陶瓷材料以其工艺简 单、加工成本低、耐磨性好而成为应用领域最广泛 的一类材料，目前，已广泛应用在冶金、矿山和化 工等领域。随着氧化铝陶瓷材料在不同领域的深入 应用，传统大众型的产品已不能满足需求，因此， 对磨损系统中影响磨损的内、外部条件进行深入细 致的分析，确定产生磨损的机理，从而确定耐磨材 料的范围，并对耐磨材料进行合理的研究、设计与 改进，开发出合适的耐磨材料是今后研究的方向。本 文将基于选矿设备中冲蚀磨损的特殊工况，对氧化 铝陶瓷材料的配方、原料处理、烧成工艺进行研究 与改进，以获得满足选矿设备及管道的磨损需求。 1 选矿设备主导磨损因素 磨损机理极其复杂，造成磨损的原因是多种多 样的，由于内部和外界条件的变化，磨损机理也不 同。在自然界和工矿生产中，存在着一种磨损现 象，例如，矿山的气动输送管道中物料对管道的磨 损，选矿厂液体输送管道及旋流器、螺旋分选机等 分级分选设备的磨损，重介质选煤厂主洗设备重介 质旋流器及各种管道、溜槽的磨损等等，这种由流 收稿日期2 0 l l _ 0 6 - 1 5 作者简介张力强 1 9 7 9 - ，男，河北石家庄人，产品经理，工程师，主要从事旋流器的技术研究工作。 万方数据 2 9 4 有色金属 选矿部分2 0 1 1 年增刊1 体或固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行 的冲击所造成的磨损称之为冲蚀磨损。冲蚀磨损广 泛存在于选矿厂的各类主、辅设备中。 目前氧化铝陶瓷被广泛应用于选矿厂的旋流 器、溜槽及管道中。是解决选矿厂各类设备可靠性 的重要技术手段。从材料本身特性来说，氧化铝陶 瓷属于脆陛材料，而脆性材料在冲击、撞击、打砸 等行为下几乎没有变形而是碎裂。芬尼等根据赫兹 应力的分析，认为脆性材料遭受固体颗粒或固液两 相流冲蚀时，往往会在材料表面有缺陷的地方产生 裂纹，随后形成碎片剥落或整体断裂，而在大尺寸 磨料或大冲击能量的垂直冲击下，以脆性剥落为 主，往往一次冲击就能使材料断裂。埃文斯的研究 认为，脆性材料受到冲蚀磨损时损失的体积决定于 材料和磨料的形体，并提出相关关系式 1 3 ．．1 1．1 9 ．．4 ．．1 V o 芘秽0 6r 0 3P 1 1 2K c 3H4 1 式中y 『- 冲蚀体积，c m 3 ；t ，。广冲蚀速度， e n d s ；旷磨粒尺寸，c m ；p l 一磨粒的密度，g ／c m 3 ； 鼠材料的断裂韧性，J ] e m 2 ；Ⅳ_ 材料的硬度，H R 。 公式 1 基本反映了材料与磨料对冲蚀磨损 的影响。由式 1 可以看出，材料的抗冲蚀磨损 特性与磨料的速度、磨粒直径、密度成正比，与材 料自身的断裂韧性、硬度成反比，相关学者进行了 大量的试验，结果与理论值非常吻合。 2 基于冲蚀磨损工况的氧化铝陶瓷工 艺优化研究 根据有关文献报道，氧化铝陶瓷材料内部组织 均匀，晶粒细小，有较高致密性时，其抗冲蚀磨损 性能比较优良。陶瓷体内晶粒排列紧密，内部组织 缺陷少会使陶瓷在承受外界载荷冲击时不易形成破 坏性的突破点，因此，氧化铝陶瓷生产工艺环节 中。尽量使原料粒度细化，主辅原料均化，以减少 烧制过程中内部应力和内部缺陷的生成。 2 ．1 氧化铝陶瓷配方的优化研究 当前技术中，陶瓷材料属技术、知识密集的学 科，材料的性能与化学组成有很大关系。针对氧化 铝陶瓷而言，根据其含氧化铝数量的多少，其种类 有千万种，而其性能也千差万别。 氧化铝陶瓷配方是第一道也是最重要的一道环 节，它大大影响成品的性能，经过分析、细化研究 发现氧化铝含量的提高，可以提高制品的致密度， 但相应的烧结难度也会随之增加，由于烧结工艺的 不同，产品性能也不一定随着氧化铝含量的提高而 有所提高，结合目前陶瓷技术及选矿设备的冲蚀磨 损工况，在进行的大量的试验中，将氧化铝含量优 化至9 4 ％左右，其性能要优于传统的9 5 瓷。于是， 在同一配方不同工艺和不同配方同一工艺的大量试 验基础上，对不同的制品进行了全方位的性能检 测，选取了氧化铝含量为9 4 ．1 ％的一组配方为最终 配方。 2 ．2 原料粉体对制品致密性的影响 陶瓷粉体在实际生产过程中难免要混入杂质， 其中的有机杂质在烧结过程中将被烧掉，但会在产 品中形成不规则的孔洞。造成产品致密性变低；而 无机杂质则有可能在高温阶段与陶瓷粉体起反应影 响产品的内部组织结构。由杂质引起的这些微结构 上的缺陷必对氧化铝陶瓷的硬度、致密性产生明显 的影响。所以选用高纯度A I 0 。原料粉并在生产过 程中控制杂质的引入是制备出性能优良的氧化铝陶 瓷的前提条件。 研究发现，直接采用氧化铝原料粉进行压制、 烧结，制成的陶瓷产品内部组织不均匀，局部有较 大的缺陷，另外晶粒粗大，且有异常长大的晶粒存 在。究其原因是原料粉粒度粗大、形状不规则、流 动性不好，在压制过程中不易形成组织均匀的坯 体。因此在压制成型前对原料粉进行相应细化并达 到较高的均化程度是十分必要的。本次研究原料处 理环节采用的是湿法磨细一喷雾干燥工艺，实践证 明，经过该工艺处理后的原料颗粒具有很好的流动 性，压制成型后的坯体结构均匀、强度大、层裂的 趋势小。另外，根据H e r r i n g 规则，在同样的烧结 温度下具有不同颗粒尺寸 m0 的粉料烧结至 相同的密度，各自所需要的烧结时间t ，，t 2 与颗粒 尺寸的关系为 f i _ r _ L nn 3 - 4 t 2r 2 由公式 2 可见，颗粒越细，烧结时间越短。 但是，考虑到理论研究与实际生产的差异，原料处 理后的粒度也不宜过细。因为颗粒越小，表面活性 就越高，吸附杂质的能力越强，很容易造成粉料的 不纯净，在烧结过程中容易形成组织缺陷。经过大 量的试验研究发现，同等工艺条件下，原料的粒度 对于能否形成致密的内部组织结构有重要的作用。 研究中，选择了如下试验方法对磨细至不同粒度 的原料进行了同等工艺处理配料一压制烧结， 并对烧结制品进行了性能检测，其结果见表l 。 万方数据 2 0 1 1 年增刊l张力强矿用耐磨氧化铝陶瓷材料的研究 ‘2 9 5 表l不同磨细原料经过相同工艺得到制品的密度 对比 T a b l e1P r o d u c td e n s i t yc o m p a r i s o no fv a r i o u s f i n e 鲥n d i n gt h r o u g hs a m ep r o c e s s o fr a w m a t e r i a l 磨细粒度，“m 6 l I4 ．柏2 ．8 92 2 32 t 22 ．6 9 亡曼宣壁 垃 竺 竺 塑 塑 塑． 竺i 结合理论研究与试验结果，综合考虑实际生产 中配套工艺等众多生产因素，为了获得高性能的陶 瓷产品，将现有原料的磨细时间确定为1 2h ，经过处理 后原料粒度由D 妒6 ．11 斗m 左右磨细为D 妒2 ．1 2p , m 左右，粒度测试结果如图1 、图2 所示。 零 星 彘 妞 醛 空 丑 求 妞 翊 封 匣 悻 幸； 径／i t m 图1 原料粉粒度 F i g ．1 R a wm a t e r i a lp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n 1 0 0 0 8 0 0 堡6 0 ．0 赤4 0 ．0 蘸2 00 m 0 o ll01 0 ．01 0 0 0 粒径／v - n l 建 丑 求 l 皿 鼎 黧 窿 * 图2 原料处理后的粉体粒度 F i g ．2 P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fp r o c e s s e dr a w m a t e r i a i 2 ．3 烧结工艺优化 烧结是坯体在高温下致密化过程和现象的总 称。整个过程中，随着温度的升高，陶瓷坯体中具 有比表面大、表面能较高的粉粒，尽力向降低表面 能的方向变化，不断进行物质迁移．晶界随之移 动，气孔逐渐排除，产生收缩，使坯体成为具有一 定强度的致密的瓷体，烧结的推动力为表面能。烧 结可分为有液相参加的烧结和纯固相烧结两类．烧 结过程对陶瓷生产具有很重要的意义，烧结是氧化 铝陶瓷生产工艺中很重要的一环，它对氧化铝陶瓷 的物理化学性能有很大的影响。 烧结方法有很多种，现在精密陶瓷烧结的机理 已出现了气相烧结、固相烧结、液相烧结及反应液 体烧结等四种烧结模式。它们的材料结构机理与烧 结驱动力方式各不相同。最主要的烧结是液相和固 相烧结，尤其是传统陶瓷和大部分电子陶瓷的烧结 依赖于液相形成、黏滞流动和溶解再沉淀过程．而 对于高纯、高强结构陶瓷的烧结，则以固相烧结为 主。它们是通过晶界扩散或点阵扩散来达到物质迁 移的。考虑到现有设备及其他的一些因素，采用的 是常压烧结法，即对材料不进行加压而使其在大气 压力下烧结，是目前应用最普遍的一种烧结方 法。对氧化铝陶瓷而言，烧结温度一般达到 15 0 0 17 0 0 ℃即可。准确制定烧结曲线至关重 要。合适的升温制度方能保证制品减少开裂与结构 缺陷现象，提高成品率。 为了得到性能较好的氧化铝陶瓷材料，在前期 工作的基础上进行了同一种坯体采用不同烧结温度 的试验，得到的氧化铝陶瓷的密度见表2 。 表2不同烧结温度下氧化铝陶瓷的密度测定结果 T a b l e2A l u m i n ac e r a m i cd e n s i t ym e a s u r e m e n tw i t h d i f f e r e n ts i n t e r i n gt e m p e r a t u r e 童垦缝 ．21 竺 皇兰j 竺 由表2 可知，相同的条件下，不同烧结温度获 得的制品体积密度明显不同，烧结温度在15 5 0 ℃ 时，体积密度达到最佳状态。 经过配方优化、原料粒度优化以及烧结工艺优 化后，经过各种手段对新产品的密度、硬度、冲击 磨损等性能进行检测发现新产品的致密度、抗冲击 磨损性能都有了大幅度的提高。 图3 为两种制品的内部组织图，从不同制品的 断口形貌图可以看出，经过原料粒度、烧结工艺优 化后，制品晶粒显著变化，组织更加均匀。而根据 国内外相关文献报道，细晶、致密的显微组织有利 于提高耐冲蚀磨损性能。 3 现场应用效果 重介质选煤厂的核心设备一重介质旋流器，其 内衬材料目前基本全部采用氧化铝陶瓷。该设备的 磨损形式属于典型的冲蚀磨损，且易损部位使用寿 命很短，难以满足选煤厂连续生产需求。 眦 如 ∽ 蚰 抛 ∞ 万方数据 ．2 9 6 ．有色金属 选矿部分 2 0 1 1 年增刊1 A 新研制产品B 普通9 5 瓷制品 图3 不同制品的微观结构对比 F i g ．3 M i c r o s t r u c t u r ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tp r o d u c t s 2 0 0 9 年2 月，采用新研制的高耐磨陶瓷材料 作为衬里加工而成的旋流器易损件在东庞煤矿选煤 厂进行了应用试验。与原耐磨衬里材料的部件相 比，新产品更耐冲击、耐磨，使用寿命长，虽然人 选原煤中的矸石含量及其硬度比原设计量均有所增 大且铁器等金属异物依然存在，但由于新产品耐磨 性能更优，因此整体旋流器的导向筒、隔板、锥体 和底流口等易磨损部位都经受住了考验，使用寿命 由1 个月提高至3 个月以上。 4 结论 从提高氧化铝陶瓷材料耐磨性的基点出发 根据保证产品高性价比、提高耐磨衬里性能的原 则，通过优化配方、原料粒度、烧结1 艺等因素， 研制出的新型陶瓷材料致密性更高、抗冲击磨损 性能更好，大大提高了设备的可靠性。通过现 场实际应用，耐磨性更好，经济效益和社会效益 显著。 综合国内耐磨材料发展现状及选矿市场需求来 看，碳化硅等昂贵材料还不能大规模应用于选矿领 域．为适应选矿厂各类设备、管道、溜槽等耐磨性 能的高要求，同时考虑材料的合理性价比，今后耐 磨材料的研究重点应放在有针对性、成本低、可靠 性高以及市场前景J 。阔的复合陶瓷体系卜I ”- 。对 已有的陶瓷材料取其所宜而去其所碍，对原料、添 加剂以及烧成T 艺进行充分的优化，最终制备出符 合使用要求的适宜材料。 参考文献 [ 1 ] M a t i j e v i c E ．Ac h e mi c a lr o u t et oa d v a n c e dc e r a m i c s [ J ] S c i e n c e ．1 9 8 6 ，2 5 2 3 3 2 4 0 [ 2 ] 王兆申．重介质旋流器内衬材料的应用现状及前景[ J ] 选煤技术，2 0 0 8 1 7 0 - 7 2 万方数据