矿山设备耐磨材料的性能研究及其在实际工况中的应用分析

前言

矿山设备在破碎、研磨、输送等高强度工况下长期运行，面临严重的磨损、冲击与腐蚀问题，导致关键部件寿命短、维护成本高，制约矿山生产效率与经济效益。随着矿业向智能化、绿色化转型，耐磨材料的性能优化与应用技术成为提升设备可靠性的核心。本文聚焦高锰钢、合金钢、陶瓷复合材料及聚氨酯等耐磨材料的力学性能、磨损机理与耐腐蚀性，结合露天矿、地下矿及选矿厂的实际工况，分析其应用效果与失效原因，提出材料选型与工艺改进建议，为矿山设备高效运行与全生命周期管理提供科学依据，推动矿业高质量发展。

1 矿山设备耐磨材料的性能研究

耐磨材料是一类通过自身高硬度、高韧性或特殊表面结构，抵抗机械磨损、磨粒磨损、黏着磨损及腐蚀磨损的材料，广泛应用于矿山、冶金、水泥、电力等重工业领域。根据材料成分与工艺，可分为以下类型：

金属基耐磨材料

高锰钢（Mn13）：奥氏体组织在冲击载荷下加工硬化，适用于高冲击工况（如破碎机衬板）。合金钢（Cr-Mo-V 系列）：添加Cr、Mo、V 等元素提升硬度与耐磨性，适用于中低冲击、高磨损工况（如球磨机衬板）。铸铁基材料：高铬铸铁（Cr 含量≥12%）耐磨性优异，适用于磨球、溜槽衬板等。

陶瓷基耐磨材料

氧化铝陶瓷（Al₂O₃）：硬度 HRC90 以上，耐磨性为高锰钢的 10 倍，但韧性差，适用于低冲击、高磨损环境（如管道弯头）。碳化硅陶瓷（SiC）：耐高温、耐腐蚀，适用于湿式磨粒磨损工况（如泵体、阀芯）。复合陶瓷：通过金属或聚合物基体增强韧性，适用于复杂工况（如陶瓷-橡胶复合板）。

聚合物基耐磨材料

聚氨酯弹性体：硬度ShoreA80-95，抗撕裂性能优异，适用于湿式、细颗粒磨损环境（如振动筛筛板、缓冲条）。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）：自润滑性、低摩擦系数，适用于输送机托辊、滑块等。

复合耐磨材料

金属-陶瓷复合材料：在金属基体中镶嵌陶瓷颗粒，兼顾耐磨性与韧性（如激光熔覆WC 涂层）。橡胶-陶瓷复合材料：橡胶基体耐腐蚀，陶瓷嵌体耐磨，适用于酸性介质工况（如浮选机搅拌叶片）。

2 耐磨材料在实际工况中的应用分析

2.1 矿山行业应用分析

2.1.1 破碎设备颚式破碎机衬板

工况特点：处理大块矿石（粒度 ≥500mm ），冲击载荷大，含泥量高。材料选型：高锰钢（Mn13Cr2）衬板，利用加工硬化特性提升耐磨性。应用效果：寿命6-8 个月，较普通 Mn13 提升 30% ，但需定期检查裂纹扩展。优化方向：采用水韧处理工艺细化晶粒，或激光熔覆WC 涂层提升表面硬度。

圆锥破碎机轧臼壁

工况特点：中高冲击载荷，矿石粒度 100-300mm ，需兼顾耐磨性与抗疲劳性。材料选型：合金钢（Cr-Mo 系列）轧臼壁，硬度HRC55-60。应用效果：寿命12-15 个月，较高锰钢提升 50% ，但成本增加 20% 。

2.1.2 磨矿设备球磨机衬板与磨球

工况特点：湿式研磨，矿石粒度 <20mm ，磨机转速 20r/min ，需耐磨性与耐腐蚀性。

材料选型：

衬板：合金钢（Cr-Mo-V）衬板，表面激光熔覆 WC 涂层，硬度 HRC65 以上。磨球：高铬铸铁（Cr 含量 26% ）磨球，耐磨性为低铬铸铁的2 倍。

应用效果：衬板寿命延长至24 个月，磨球消耗量降低 40% ，但初期投资增加 30% 。

2.1.3 输送设备输送机溜槽衬板

工况特点：干式输送，矿石粒度 100-300mm ，输送速度 2m/s ，需耐磨性与抗冲击性。材料选型：陶瓷复合材料（ .Al₂O₃ 含量 95% ）衬板，螺栓固定安装。应用效果：寿命2 年以上，较橡胶衬板提升5 倍，但需定期检查螺栓松动。

刮板输送机链条

工况特点：长距离输送（ ≥500m) ），链条与中板摩擦磨损严重。材料选型：聚氨酯包覆链条，摩擦系数降低至0.15。应用效果：寿命较钢制链条提升3 倍，但需控制聚氨酯包覆层厚度（ (≥3mm ）以避免磨损穿孔。

2.2 冶金行业应用分析

2.2.1 烧结与高炉设备烧结机台车衬板

工况特点：高温（ 800-1000^∘C ）、氧化性气氛，需耐热性与耐磨性。材料选型：耐热合金钢（Cr25Ni20）衬板，表面喷涂 Al₂O₃ -TiO₂陶瓷涂层。应用效果：寿命18 个月，较普通合金钢提升2 倍，但涂层成本增加 15% 。

高炉溜槽衬板

工况特点：高温（ 1200-1500^∘C ）、铁水冲刷，需耐热性与抗热震性。材料选型：碳化硅陶瓷复合衬板，基体为不锈钢。应用效果：寿命6-8 个月，较铸铁衬板提升3 倍，但需控制陶瓷与金属基体结合强度（ ≥70MPa) ）。

2.2.2 轧制设备

轧辊

工况特点：高压力（ ≥1000MPa ）、高温（ 500-800^∘C ）、水冷冲击，需耐磨性与抗热裂性。材料选型：高速钢（HSS）轧辊，表面激光熔覆NiCrBSi 涂层。应用效果：寿命较高铬铸铁轧辊提升 50% ，但需控制涂层裂纹扩展。

2.3 水泥行业应用分析

2.3.1 磨机设备 立磨磨辊与磨盘

工况特点：干式研磨，物料粒度 <50mm ，需耐磨性与耐腐蚀性。

材料选型：

磨辊：镍硬铸铁（Ni-Hard4）磨辊，硬度 HRC60 以上。磨盘：碳化铬堆焊层（Cr 含量 28% ），厚度≥8mm。

应用效果：磨辊寿命12-15 个月，磨盘寿命18-24 个月，但堆焊层需定期修复。

2.3.2 输送与提升设备斗式提升机料斗

工况特点：干式输送，物料粒度 <30mm ，需耐磨性与抗冲击性。材料选型：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）料斗，厚度≥15mm。应用效果：寿命较钢制料斗提升3 倍，但需控制温度（ ≤80^∘C ）以避免软化。

2.4 电力行业应用分析

2.4.1 煤粉制备设备 磨煤机磨辊与磨盘

工况特点：干式研磨，煤粉粒度 <75μm ，需耐磨性与抗爆裂性。

材料选型：

磨辊：高铬铸铁（Cr 含量 220% ）磨辊，表面堆焊碳化钨涂层。磨盘：合金钢（Cr-Mo 系列）磨盘，硬度 HRC55-60。

应用效果：磨辊寿命18-24 个月，磨盘寿命12-15 个月，但需控制堆焊层厚度（≥5mm）以避免剥落。

2.4.2 输灰管道输灰管道弯头

工况特点：高速灰粒（速度 ≥20m/s ）冲刷，需耐磨性与耐腐蚀性。材料选型：陶瓷内衬复合钢管，陶瓷层厚度≥5mm。应用效果：寿命较普通钢管提升10 倍，但需控制陶瓷与钢管结合强度（ ）以避免脱落。

3 耐磨材料选型与工艺改进建议

3.1 材料选型原则

冲击载荷：高冲击工况（如破碎机）优先选用高锰钢，低冲击工况（如磨机）选用合金钢或陶瓷复合材料。磨损类型：磨粒磨损为主时选用高硬度材料，黏着磨损或腐蚀磨损为主时选用高韧性或耐腐蚀材料。经济性：综合考虑材料单价、使用寿命与维护成本，优先选择全生命周期成本（LCC）最低的方案。

3.2 表面强化与复合技术

激光熔覆：在合金钢表面熔覆WC 或NiCrBSi 涂层，硬度HRC65 以上，耐磨性提升 3 倍。热喷涂：采用超音速火焰喷涂（HVOF）制备 Al₂O₃-TiO₂陶瓷涂层，结合强度≥70MPa，耐腐蚀性优异。镶嵌技术：在橡胶或聚氨酯基体中镶嵌陶瓷颗粒，兼顾耐磨性与韧性。

3.3 智能化监测与维护

在线监测系统：在衬板、磨球等部件安装无线传感器，实时监测磨损量与应力状态，预测剩余寿命。自适应维护：根据监测数据动态调整设备运行参数（如给料量、转速），延长部件寿命。

结束语

矿山设备耐磨材料的性能优化与应用技术是提升设备可靠性、降低运营成本的关键。未来，需进一步开发高韧性陶瓷复合材料、自修复聚氨酯弹性体等新型材料，结合激光熔覆、3D 打印等先进工艺，实现耐磨部件的定制化与智能化。通过构建“材料-工艺-监测”一体化体系，推动矿山设备向长寿命、低维护、绿色化方向升级，为全球矿业可持续发展提供技术支撑。

参考文献：

[1]王跃辉,吴佳佳,高建辉,等.双金属复合衬板在旋回破碎机耐磨腔中的应用研究[J].现代矿业,2020,36(07):198-201+235.

[2]宋百隆.旋回破碎机衬板新材料研制及性能研究[D].沈阳:东北大学,2017.