铁矿选矿设备磨机磨球的失效分析

铁矿选矿设备磨机磨球的磨损主要包括磨料磨损和疲劳磨损。

磨料磨损是指外界硬颗粒或者对磨表面上硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落现象；而疲劳磨损则是指循环应力周期性作用在摩擦表面上，使表面材料疲劳而引起材料成微粒脱落的现象。

磨球的磨损失效可以概括为下面几种机制：

1、切削和凿削磨损

铁矿选矿设备磨机磨球在运动上升阶段，与铁矿石间产生相对滑动，或者是滑动兼滚动。被磨物料煤的硬度较低，但仍然可以造成擦伤式磨料磨损，特别是煤中含有18%左右的灰分，灰分中含有SiO2、Al2O3等硬的组成物，对表面可起切削作用，形成切屑，在表面留下沟槽，造成切削磨损。由于煤中硬组分比较低，因此沟槽只在磨面局部地区不均匀分布。硬组分磨粒硬度、尺寸不同，因而所形成的沟槽深浅不一，宽窄有异。此外由于磨球运动形式复杂，切削路径也不同，在相对滑动中发生长程切削，形成较长的磨沟。当有滑动兼滚动时，出现短程切削，形成较短沟槽。当磨球下落，发生冲击时，局部凿削，形成弧立的凿削坑。因而最后形成微观磨面上的纵横交错、杂乱分布的切削沟槽和弧立的凿削坑，对局部软区则会形成严重的切削磨损。

2、变形磨损

磨球与铁矿相对滑动和冲击接触时，除去直接切削和凿削外，当冲击功很大时不家犁沟变形和凿削变形伴随发生，这种变形是指表面的局部塑性流动，金属将被推挤至沟槽和凿削凹坑外侧，在铁矿重复作用、金属反复变形下，因为应变疲劳产生裂纹，裂纹扩展、连接，形成犁屑薄片，自表面脱落。硬度较高的材料形成变形磨损作用较小；硬度较低，塑性较大的材料变形磨损的比例较大。

3、疲劳磨损

在铁矿选矿设备球磨机工作期间，磨球始终受到冲击和碰撞，磨球表面必要存在疲劳过程，根据疲劳剥落的尺寸大小可区分为宏观疲劳剥落和微观疲劳剥落两种。在铸球中（低碳白口和中锰球铁）两类疲劳都发生，在锻磨球中，如果钢材质量不好，也可能出现宏观疲劳，但主要出现表面的微观疲劳剥落。疲劳过程包含疲劳裂纹的形成和扩展两个过程，而疲劳裂纹的形成取决于应力状态和材料情况。铸球中冶金质量不好，存在铸造缺陷（气孔、缩孔、夹杂等）、缺陷处应力集中容易形成裂纹，在较短的疲劳周次下可扩展到边缘，形成宏观大块剥落，导致表面失圆。这种宏观疲劳剥落是铸磨球中特有的危害性最大的一种磨损方式。微观疲劳剥落由磨面和亚表层特征综合确定，如前所述，是由表层或亚表层的疲劳裂纹扩展形成的浅层剥落，其尺寸较小。疲劳裂纹的形成取决于磨球的受力和应力状态。磨球在抛落运动时，与铁矿或磨球撞击，受到冲击正应力，或在上升运动发生滚动与相对滑动时，受到正压力和切向力，均可引起赫兹接触压力。表层下最大切应力引起塑性变形和位错运动。使位错堆积，应力集中，从而引起脆性相本身（渗碳体相）或脆性相（石墨）与基体界面处的开裂。当组织中不存在脆性第二相时，则在界面缺陷处产生裂纹。此外还可在亚表层动态恢复区和硬化区交界处形成裂纹。从磨损的机理来看，无论是凿磨损、变形磨损或脆性剥落，均出现裂纹的萌生、扩展直至材料脱落，因此它们都可能被视为疲劳磨损。

4、铁矿选矿设备磨球的脆性剥落

铸铁磨球中处于表面的脆性第二相（渗碳体，石墨）在磨损中发生开裂、断裂和剥落，形成较小的剥落坑。脆性剥落可促进微观疲劳浅层剥落的发生。

以上几种机理并非同时对磨球失效起主要作用，对不同材料、不同工况条件起主要作用的磨损机理是不同的，或是起作用的程度不同。磨球磨损机理的变化，大约有以下四种情况。

铁矿选矿设备磨球大小不同：根据现场使用的情况来看，低碳白口铸铁在大型机中有较高的破碎率，亚表层裂纹形成更为严重，说明大磨机中磨球承受冲击作用较大，疲劳剥落和脆性剥落成为主要机理，切削和变形失效机理起次要作用。而在较小磨机中，二类机理发生的比例有所变化，磨球的磨损失效以切削和变形机理为主要形式。

磨球材料不同：如前所述，铸铁磨球与锻钢磨球磨损机理不完全相同，铸铁磨球中有脆性第二相和铸造缺陷，因而会出现特有的宏观疲劳剥落和脆性相的剥落机理。此外，微观疲劳剥落由于脆性剥落的加速和脆性相裂纹源的存在，发生的程度也更为严重些。而45Mn一类锻磨球中，除去切削和变形外，还有主要的疲劳磨损机理—微观疲劳存在，但其程度较轻微。

磨料特性不同：广泛而言，磨料硬度不同，各种机理所起作用不同，对磨煤磨球，煤中所含灰分比例不同，对切削机理所起作用有影响，煤中灰份比例越大，煤料硬组分越多，则切削作用增大，切削磨损更为严重。

运动时间不同：运行时间不同，也会引起磨损机理的变化。主要由于磨球内外组织的差别所引起。以中锰球为例，内外石墨化程度不同，表层一般石墨化不足，而有白化发生，表层较硬，因而磨损初期，切削轻微，碳化物剥落和微观疲劳剥落较为严重。而随着时间的增长，表层磨掉后，出现石墨的剥落和疲劳磨损，切削作用有所增加。