生物質固體燃料成型機壓輥磨損失效分析

霍麗麗^1,2，侯書林²，田宜水¹，趙立欣¹，孟海波¹，孫浩²

（1．農業部規劃設計研究院，北京100125；2．中國農業大學工學院，北京100083）

　　摘要：針對生物質固體燃料成型機在加工成型燃料過程中，關鍵部件環模和壓輥磨損后導致使用壽命短、影響生產率等問題，該文對壓輥進行磨損試驗研究，該壓輥采用45鋼滲碳處理，滲碳層深度3mm，在實際生產工況下工作200h。由于原料中的硅酸鹽成分、雜質、喂料的不均勻以及原料中水分影響加劇壓輥表面的磨損，致使壓輥快速磨損失效。磨損后利用S-570掃描電鏡觀察其磨損形貌，探究壓輥失效的磨損機理。結果表明，靠近喂料一側壓輥表面磨損嚴重，磨損量4.2mm左右，比其他位置表面的磨損量多1.2mm。磨損機理主要是黏著磨損和磨粒磨損，磨損面已接近滲碳層與基體交界處，并且磨損面存在應力腐蝕裂紋。

　　0引言

　　隨著一次能源的不斷減少，可再生能源越來越被人們關注。其中，生物質固體燃料以豐富的秸稈等生物質為原料，易于實現大規模生產、便于儲存和運輸，具有廣闊的發展前景。其生產設備可分為螺旋擠壓式、活塞沖頭式、平模式和環模式，其中環模式成型機具有生產率高、成型好等優點，是生產生物質固體燃料企業優選設備。HM485型生物質固體燃料成型機是一種新型的生物質固體成型燃料加工設備，但該設備存在主要部件磨損嚴重等問題，其中，環模和壓輥是成型機的關鍵工作部件，而目前研究理論針對環模的失效機理進行研究，并未對壓輥進行研究。壓輥用來向環模擠壓物料，由于壓輥長期受到摩擦力與擠壓力的作用，將壓輥的外圓周表面加工成齒槽狀，既增強了抗磨損能力，又易于攫取散料。壓輥工作條件比較惡劣，除原料對壓輥正常磨損外，秸稈、木屑等生物質原料中多含有砂石、硅化物以及鐵屑等硬質顆粒物，加劇對壓輥的磨損。由于壓輥和環模的線速度基本相等，壓輥的直徑僅為環模內徑的0.4，故壓輥磨損率比環模高2.5倍。壓輥理論設計壽命為300h，但實際使用時間不超過200h。一些工廠由于使用不當，使用時間還不到150h，并且失效壓輥因表面磨損嚴重已無法重新修復。壓輥磨損過快，不僅降低顆粒燃料的成型率，增加生產成本，而且直接影響生產率。因此，如何延長壓輥的使用壽命是目前生物質固體燃料成型機的研究重點。

　　為提高壓輥的可靠性和耐用性，本文對壓輥進行生產試驗研究，對磨損壓輥進行宏觀、微觀和金相組織分析，探討壓輥磨損失效機理，為合理選擇壓輥材料和熱處理工藝提供理論依據。

　　1試驗設備與方法

　　1.1試驗設備

　　1.1.1磨損試驗設備

　　磨損試驗機采用農業部規劃設計研究院設計的HM485型生物質固體燃料成型機，該機已在北京大興農業部生物質固體成型燃料示范基地進行了應用，主要技術參數如下：主機功率：110kW；設備生產率為2t/h；燃料成型率＞95%；顆粒密度＞1.0g/cm3；長×寬×高：2015mm×1283mm×2230mm。該機能夠適應于玉米秸稈、棉花秸稈、小麥秸稈以及林業剩余物等生物質原料。主要由機體、喂料裝置、工作室和環模、壓輥等構成（如圖1），主要利用環形壓模和與其相配的圓柱形壓輥等部件成型。

　　工作時，農作物秸稈、木屑等生物質原料在配料倉內混入添加劑，并由螺旋喂料裝置進行混合，隨后將物料喂入工作室內制粒。在工作室內，勻料板將調制好的原料分配到環模和壓輥之間。電機帶動環模轉動，通過模輥間的物料及其摩擦力使安裝在環模內的壓輥自轉，將物料鉗入、擠壓，最后成圓柱狀從環模孔中被連續擠出來，再由安裝在環模外的固定切刀切成一定長度的顆粒燃料。

　　1.1.2試驗原料

　　采用大興禮賢鎮顆粒廠提供的2008年秋季成熟玉米秸稈。將玉米秸稈粉碎，粒度小于8mm。自然風干或調濕處理，使水分控制在15%～20%范圍內，裝入密封袋備用。該試驗將玉米秸稈直接壓縮，不添加任何其他成分。

　　1.1.2磨損分析試驗儀器設備及試劑

　　北京時代TH320全洛氏硬度計，HITACHIS570ScanningElectronMicroscope，電火花線切割機，砂輪，預磨機（砂紙200#-900#），水平拋光盤（300～500r/m，粗拋光時轉速高，精拋光時轉速低），拋光布（粗拋光用帆布，精拋光用絨布），拋光液（Al2O3細拋光粉在水中的懸浮液），浸蝕劑（4%硝酸酒精溶液）等。

　　1.2試驗方法

　　依據目前工廠正在使用壓輥的材料及熱處理方法，選用由45鋼材料的壓輥，壓輥外徑205mm，內徑146mm，為提高耐磨性，延長使用壽命，進行表面滲碳處理，滲碳層厚度3mm。滲碳后淬油處理。處理后壓輥齒高5mm，齒頂寬5mm，齒溝寬2mm，齒間距8mm。以大興周邊地區玉米秸稈為原料進行了生產試驗，安裝左右2只壓輥進行生產試驗，生產顆粒密度為1.2g/cm³，直徑為8mm的玉米秸稈顆粒燃料，服役時間200h，2只壓輥均出現了嚴重磨損，磨損層深度超過壓輥工作層厚度的70%，此時生物質固體燃料的成型率已下降到75%以下，我們認為其失效，如圖2所示，此時壓輥的攫取能力明顯下降，出料速度降低，散料增多，外表面凹坑迅速增多。

　　在磨損失效的壓輥上，線切割機切下3塊小塊試樣，試樣大小為10mm×10mm×20mm，如圖3所示分別進行化學成分分析，硬度測試和微觀磨損分析。其中，對第3塊試樣進行打磨、拋光、將樣品放在真空鍍膜機內，鍍金處理后，用S-570掃描電子顯微鏡觀察磨損部位表面的顯微組織以及磨損形貌，分析其磨損機理和失效原因。

　　2試驗結果與分析

　　2.1肉眼觀察

　　壓輥磨損量大且磨損不均勻，對其表面進行觀察和測量，如圖4所示。齒表面凸凹不平，并伴有一些劃痕及凹坑。壓輥齒磨損量在3mm左右。靠近喂料一側的表面磨損嚴重，磨損量達4.2mm，齒頂已接近齒溝部。這是由于物料從壓輥表面的一側喂入工作室，刮板沒有來得及將物料分配均勻就已經壓入環模孔，致使一側的物料較厚，加劇壓輥磨損。

　　表明摩擦時壓輥表面存在硬質磨粒使壓輥表面局部塑性變形，磨粒嵌入、切割金屬表面從而導致零件表面逐漸損耗，直至滲碳層幾乎消失。不僅粉碎的秸稈充當磨粒，原料中含有鐵屑、砂粒等顆粒較大的硬質材料雜質，與壓輥發生咬合，使壓輥表面出現凹坑、劃痕等。壓輥磨損與環模內表面磨損機理基本一致，均有磨痕。

　　2.2壓輥磨損失效分析

　　對壓輥的齒面、齒頂和齒溝進行磨損失效分析，以探明磨損機理及磨損原因。

　　2.2.1硬度測試

　　選用磨損量較小的一塊試樣，用TH320全洛氏硬度計對試樣進行硬度測試，如圖5所示，試樣由表及里的硬度值分別為44.5、28.5、25.5、23.0和22.5HRC。

　　2.2.2化學元素分析

　　對該試樣進行樣品的化學成分分析，結果見表1。元素含量符合45鋼的成分要求。

　　2.2.3壓輥截面金相組織分析

　　壓輥的齒面、齒頂與齒溝端面金相分析表明，表面沒有過共析滲碳層，均已磨損。圖6為齒面、齒頂與齒溝等不同部位的表層顯微組織圖。齒面（圖6a）部分尚留稍厚的馬氏體層。而齒頂（圖6b）和齒溝（圖6c）僅留不到50μm的馬氏體薄層，所有這些馬氏體均系接近共析鋼或亞共析鋼的馬氏體形態，即片狀馬氏體和板條狀馬氏體組成的混合組織。

　　表層以下的淬硬層為典型的板條馬氏體，如圖7a所示。接下來由于進入試樣深層，淬火冷卻速度下降，出現托氏體網狀析出，如圖7b所示。有些地方還出現羽毛狀上貝氏體析出，如圖7c所示。心部（圖7d）有大量的鐵素體析出。分析表明，該壓輥并沒有完全淬透，圖7b和圖7c都是未淬透的表現，由于壓輥失效主要是表面的磨損，心部對壓輥失效的影響不大。

　　2.2.4壓輥表面磨損形貌分析

　　齒頂、齒溝部磨損面磨損形貌為黏著磨損形貌（圖8a），表明表面的滲碳層已被磨損，試樣的硬度不高，由于物料細小顆粒與壓輥表面間實際接觸面積很小，接觸點應力很高，并且接觸點溫度非常高，有時高達1000℃，甚至更高，而基體溫度一般較低。壓輥表面接觸點處于這種高溫和高應力狀態下，使接觸微峰產生黏著，出現擠壓塑性變形。這主要由于秸稈原料中的硅酸鹽和沙粒中的SiO₂、鐵屑等雜質的細小顆粒擦傷壓輥表面，致使表面發生咬合現象而產生了黏著磨損。

　　個別區域出現泥狀花樣（圖8b），齒溝部泥狀花樣比齒頂部更加明顯，表明所接觸的原料有水分等介質，在壓制過程中原料由于擠壓而受熱，原料中的水分蒸發變成水蒸氣，金屬從水蒸氣中吸附氫而導致晶間應力腐蝕。同時細小沙粒落在金屬表面形成縫隙而凝聚水分，形成氧濃度差也給壓輥表面腐蝕創造局部條件，加劇了壓輥的磨損。從磨損形貌中看出不僅有腐蝕產物，而且有應力腐蝕裂紋產生。

　　齒面部磨損面磨損形貌為黏著磨損形貌，有3種類型（圖9）：伴隨有韌窩的黏著磨損（圖9a）；伴隨有犁壟的黏著磨損（圖9b），較大硬顆粒擠壓造成的犁溝及溝側突起的溝邦隨后被擠壓變平，形成較大的溝壟；伴隨有犁溝的黏著磨損（圖9c）。研究表明，除黏著磨損外，還存在磨粒磨損。主要是由于磨粒在壓輥表面發生微觀切削作用引起的，環模對壓輥的法向載荷將磨粒壓入表面，相對運動時磨粒對表面產生犁刨作用，形成磨痕。磨粒除了原料的較小硬質顆粒，如硅酸鹽外，還有摻雜在原料中的細小沙粒和鐵屑等。

　　3結論與建議

　　壓輥表面出現凹坑、劃痕，由于砂粒、鐵屑等硬質雜質對壓輥的磨損，屬于非正常磨損。表面平均磨損量約3mm，兩側磨損量不同，進料一側磨損嚴重，磨損量為4.2mm。主要是由于進料后，勻料器沒有來得及將物料分配均勻，就進入了擠壓過程。

　　經微觀磨損失效分析表明，由于原料對壓輥表面軸向的磨損，壓輥表面材料的缺失是失效的主要原因，主要磨損形式為黏著磨損和磨粒磨損，其形貌有韌窩、犁壟、犁溝等，表明原料中的硅酸鹽及沙粒、鐵屑等對壓輥表面磨損嚴重。由于水蒸氣等作用，壓輥表面出現泥狀花樣，導致壓輥表面產生應力腐蝕裂紋。

　　原料粉碎前加除雜工序，將原料中摻雜的砂粒、鐵屑等除凈，防止對壓輥的非正常磨損。改變刮板形狀或安裝位置，使物料在壓制室均勻分布，防止壓輥受力不均，從而加劇壓輥表面的磨損。由于壓輥主要為表面磨損失效，為提高表面高硬度、耐磨損、耐腐蝕性，建議采用超音速火焰噴涂制備WC-12%Co涂層的表面熱噴涂的方法，提高壓輥的使用壽命，同時磨損后的壓輥仍可修復再使用。