生物质固体燃料成型机压辊磨损失效分析

霍丽丽^1,2，侯书林²，田宜水¹，赵立欣¹，孟海波¹，孙浩²

（1．农业部规划设计研究院，北京100125；2．中国农业大学工学院，北京100083）

　　摘要：针对生物质固体燃料成型机在加工成型燃料过程中，关键部件环模和压辊磨损后导致使用寿命短、影响生产率等问题，该文对压辊进行磨损试验研究，该压辊采用45钢渗碳处理，渗碳层深度3mm，在实际生产工况下工作200h。由于原料中的硅酸盐成分、杂质、喂料的不均匀以及原料中水分影响加剧压辊表面的磨损，致使压辊快速磨损失效。磨损后利用S-570扫描电镜观察其磨损形貌，探究压辊失效的磨损机理。结果表明，靠近喂料一侧压辊表面磨损严重，磨损量4.2mm左右，比其他位置表面的磨损量多1.2mm。磨损机理主要是黏着磨损和磨粒磨损，磨损面已接近渗碳层与基体交界处，并且磨损面存在应力腐蚀裂纹。

　　0引言

　　随着一次能源的不断减少，可再生能源越来越被人们关注。其中，生物质固体燃料以丰富的秸秆等生物质为原料，易于实现大规模生产、便于储存和运输，具有广阔的发展前景。其生产设备可分为螺旋挤压式、活塞冲头式、平模式和环模式，其中环模式成型机具有生产率高、成型好等优点，是生产生物质固体燃料企业优选设备。HM485型生物质固体燃料成型机是一种新型的生物质固体成型燃料加工设备，但该设备存在主要部件磨损严重等问题，其中，环模和压辊是成型机的关键工作部件，而目前研究理论针对环模的失效机理进行研究，并未对压辊进行研究。压辊用来向环模挤压物料，由于压辊长期受到摩擦力与挤压力的作用，将压辊的外圆周表面加工成齿槽状，既增强了抗磨损能力，又易于攫取散料。压辊工作条件比较恶劣，除原料对压辊正常磨损外，秸秆、木屑等生物质原料中多含有砂石、硅化物以及铁屑等硬质颗粒物，加剧对压辊的磨损。由于压辊和环模的线速度基本相等，压辊的直径仅为环模内径的0.4，故压辊磨损率比环模高2.5倍。压辊理论设计寿命为300h，但实际使用时间不超过200h。一些工厂由于使用不当，使用时间还不到150h，并且失效压辊因表面磨损严重已无法重新修复。压辊磨损过快，不仅降低颗粒燃料的成型率，增加生产成本，而且直接影响生产率。因此，如何延长压辊的使用寿命是目前生物质固体燃料成型机的研究重点。

　　为提高压辊的可靠性和耐用性，本文对压辊进行生产试验研究，对磨损压辊进行宏观、微观和金相组织分析，探讨压辊磨损失效机理，为合理选择压辊材料和热处理工艺提供理论依据。

　　1试验设备与方法

　　1.1试验设备

　　1.1.1磨损试验设备

　　磨损试验机采用农业部规划设计研究院设计的HM485型生物质固体燃料成型机，该机已在北京大兴农业部生物质固体成型燃料示范基地进行了应用，主要技术参数如下：主机功率：110kW；设备生产率为2t/h；燃料成型率＞95%；颗粒密度＞1.0g/cm3；长×宽×高：2015mm×1283mm×2230mm。该机能够适应于玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆以及林业剩余物等生物质原料。主要由机体、喂料装置、工作室和环模、压辊等构成（如图1），主要利用环形压模和与其相配的圆柱形压辊等部件成型。

　　工作时，农作物秸秆、木屑等生物质原料在配料仓内混入添加剂，并由螺旋喂料装置进行混合，随后将物料喂入工作室内制粒。在工作室内，匀料板将调制好的原料分配到环模和压辊之间。电机带动环模转动，通过模辊间的物料及其摩擦力使安装在环模内的压辊自转，将物料钳入、挤压，最后成圆柱状从环模孔中被连续挤出来，再由安装在环模外的固定切刀切成一定长度的颗粒燃料。

　　1.1.2试验原料

　　采用大兴礼贤镇颗粒厂提供的2008年秋季成熟玉米秸秆。将玉米秸秆粉碎，粒度小于8mm。自然风干或调湿处理，使水分控制在15%～20%范围内，装入密封袋备用。该试验将玉米秸秆直接压缩，不添加任何其他成分。

　　1.1.2磨损分析试验仪器设备及试剂

　　北京时代TH320全洛氏硬度计，HITACHIS570ScanningElectronMicroscope，电火花线切割机，砂轮，预磨机（砂纸200#-900#），水平抛光盘（300～500r/m，粗抛光时转速高，精抛光时转速低），抛光布（粗抛光用帆布，精抛光用绒布），抛光液（Al2O3细抛光粉在水中的悬浮液），浸蚀剂（4%硝酸酒精溶液）等。

　　1.2试验方法

　　依据目前工厂正在使用压辊的材料及热处理方法，选用由45钢材料的压辊，压辊外径205mm，内径146mm，为提高耐磨性，延长使用寿命，进行表面渗碳处理，渗碳层厚度3mm。渗碳后淬油处理。处理后压辊齿高5mm，齿顶宽5mm，齿沟宽2mm，齿间距8mm。以大兴周边地区玉米秸秆为原料进行了生产试验，安装左右2只压辊进行生产试验，生产颗粒密度为1.2g/cm³，直径为8mm的玉米秸秆颗粒燃料，服役时间200h，2只压辊均出现了严重磨损，磨损层深度超过压辊工作层厚度的70%，此时生物质固体燃料的成型率已下降到75%以下，我们认为其失效，如图2所示，此时压辊的攫取能力明显下降，出料速度降低，散料增多，外表面凹坑迅速增多。

　　在磨损失效的压辊上，线切割机切下3块小块试样，试样大小为10mm×10mm×20mm，如图3所示分别进行化学成分分析，硬度测试和微观磨损分析。其中，对第3块试样进行打磨、抛光、将样品放在真空镀膜机内，镀金处理后，用S-570扫描电子显微镜观察磨损部位表面的显微组织以及磨损形貌，分析其磨损机理和失效原因。

　　2试验结果与分析

　　2.1肉眼观察

　　压辊磨损量大且磨损不均匀，对其表面进行观察和测量，如图4所示。齿表面凸凹不平，并伴有一些划痕及凹坑。压辊齿磨损量在3mm左右。靠近喂料一侧的表面磨损严重，磨损量达4.2mm，齿顶已接近齿沟部。这是由于物料从压辊表面的一侧喂入工作室，刮板没有来得及将物料分配均匀就已经压入环模孔，致使一侧的物料较厚，加剧压辊磨损。

　　表明摩擦时压辊表面存在硬质磨粒使压辊表面局部塑性变形，磨粒嵌入、切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗，直至渗碳层几乎消失。不仅粉碎的秸秆充当磨粒，原料中含有铁屑、砂粒等颗粒较大的硬质材料杂质，与压辊发生咬合，使压辊表面出现凹坑、划痕等。压辊磨损与环模内表面磨损机理基本一致，均有磨痕。

　　2.2压辊磨损失效分析

　　对压辊的齿面、齿顶和齿沟进行磨损失效分析，以探明磨损机理及磨损原因。

　　2.2.1硬度测试

　　选用磨损量较小的一块试样，用TH320全洛氏硬度计对试样进行硬度测试，如图5所示，试样由表及里的硬度值分别为44.5、28.5、25.5、23.0和22.5HRC。

　　2.2.2化学元素分析

　　对该试样进行样品的化学成分分析，结果见表1。元素含量符合45钢的成分要求。

　　2.2.3压辊截面金相组织分析

　　压辊的齿面、齿顶与齿沟端面金相分析表明，表面没有过共析渗碳层，均已磨损。图6为齿面、齿顶与齿沟等不同部位的表层显微组织图。齿面（图6a）部分尚留稍厚的马氏体层。而齿顶（图6b）和齿沟（图6c）仅留不到50μm的马氏体薄层，所有这些马氏体均系接近共析钢或亚共析钢的马氏体形态，即片状马氏体和板条状马氏体组成的混合组织。

　　表层以下的淬硬层为典型的板条马氏体，如图7a所示。接下来由于进入试样深层，淬火冷却速度下降，出现托氏体网状析出，如图7b所示。有些地方还出现羽毛状上贝氏体析出，如图7c所示。心部（图7d）有大量的铁素体析出。分析表明，该压辊并没有完全淬透，图7b和图7c都是未淬透的表现，由于压辊失效主要是表面的磨损，心部对压辊失效的影响不大。

　　2.2.4压辊表面磨损形貌分析

　　齿顶、齿沟部磨损面磨损形貌为黏着磨损形貌（图8a），表明表面的渗碳层已被磨损，试样的硬度不高，由于物料细小颗粒与压辊表面间实际接触面积很小，接触点应力很高，并且接触点温度非常高，有时高达1000℃，甚至更高，而基体温度一般较低。压辊表面接触点处于这种高温和高应力状态下，使接触微峰产生黏着，出现挤压塑性变形。这主要由于秸秆原料中的硅酸盐和沙粒中的SiO₂、铁屑等杂质的细小颗粒擦伤压辊表面，致使表面发生咬合现象而产生了黏着磨损。

　　个别区域出现泥状花样（图8b），齿沟部泥状花样比齿顶部更加明显，表明所接触的原料有水分等介质，在压制过程中原料由于挤压而受热，原料中的水分蒸发变成水蒸气，金属从水蒸气中吸附氢而导致晶间应力腐蚀。同时细小沙粒落在金属表面形成缝隙而凝聚水分，形成氧浓度差也给压辊表面腐蚀创造局部条件，加剧了压辊的磨损。从磨损形貌中看出不仅有腐蚀产物，而且有应力腐蚀裂纹产生。

　　齿面部磨损面磨损形貌为黏着磨损形貌，有3种类型（图9）：伴随有韧窝的黏着磨损（图9a）；伴随有犁垄的黏着磨损（图9b），较大硬颗粒挤压造成的犁沟及沟侧突起的沟邦随后被挤压变平，形成较大的沟垄；伴随有犁沟的黏着磨损（图9c）。研究表明，除黏着磨损外，还存在磨粒磨损。主要是由于磨粒在压辊表面发生微观切削作用引起的，环模对压辊的法向载荷将磨粒压入表面，相对运动时磨粒对表面产生犁刨作用，形成磨痕。磨粒除了原料的较小硬质颗粒，如硅酸盐外，还有掺杂在原料中的细小沙粒和铁屑等。

　　3结论与建议

　　压辊表面出现凹坑、划痕，由于砂粒、铁屑等硬质杂质对压辊的磨损，属于非正常磨损。表面平均磨损量约3mm，两侧磨损量不同，进料一侧磨损严重，磨损量为4.2mm。主要是由于进料后，匀料器没有来得及将物料分配均匀，就进入了挤压过程。

　　经微观磨损失效分析表明，由于原料对压辊表面轴向的磨损，压辊表面材料的缺失是失效的主要原因，主要磨损形式为黏着磨损和磨粒磨损，其形貌有韧窝、犁垄、犁沟等，表明原料中的硅酸盐及沙粒、铁屑等对压辊表面磨损严重。由于水蒸气等作用，压辊表面出现泥状花样，导致压辊表面产生应力腐蚀裂纹。

　　原料粉碎前加除杂工序，将原料中掺杂的砂粒、铁屑等除净，防止对压辊的非正常磨损。改变刮板形状或安装位置，使物料在压制室均匀分布，防止压辊受力不均，从而加剧压辊表面的磨损。由于压辊主要为表面磨损失效，为提高表面高硬度、耐磨损、耐腐蚀性，建议采用超音速火焰喷涂制备WC-12%Co涂层的表面热喷涂的方法，提高压辊的使用寿命，同时磨损后的压辊仍可修复再使用。