[发明专利]一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，运用工程仿生学原理在辊体与耐磨层间科学设计过渡层和缓冲层以及综合考虑材料间的性能匹配，提高挤压辊的抗高应力磨粒磨损和应力疲劳破坏能力，属于材料科学与工程领域。

背景技术

辊压机是二十世纪八十年代中期发展起来的新型水泥粉磨装备，具有高效节能的特点，应用于分级打散的水泥生产线可节电30％－50％，提高后续球磨机的生产效率50％以上。辊压机的工作原理是物料从辊压机两辊上方给入，被连续带入相向同步转动的挤压辊之间，在高强度压应力的作用下挤压和粉碎物料，使其变成密实、扁平、充满微细裂纹的料饼从机下排出。辊压机的核心部件是挤压辊。挤压辊工作过程中承受着剧烈的高应力磨粒磨损和应力疲劳破坏，辊面的耐磨和抗疲劳性差严重影响水泥正常生产，一直倍受制造商和用户重视。对于挤压辊辊面耐磨技术，国内外各大水泥装备公司均投入大量的资金和精力加以研究，先后开发出整体铸造式、整体堆焊式、堆焊镶套式、硬质合金柱钉式、分块式以及硬质合金烧结式等。其中整体铸造、整体堆焊属于早期技术。硬质合金柱钉式和硬质合金烧结式，因对物料中异物的敏感性强或因造价昂贵，未被广泛使用。分块式辊面由于受力的不合理性，在1996年以后即被否定。目前，从耐磨设计的合理性以及使用、维护和更换等诸多因素综合考虑，堆焊镶套式结构认为适应性强、综合性能最好。堆焊镶套式辊面实现了挤压辊辊体与辊面耐磨层的分离，可以使用不同的材料和工艺，分别满足挤压辊辊体的综合力学性能和辊面耐磨性能的需要。挤压辊辊面结构形态对其耐磨性的影响非常显著。产生磨损须同时具备两个要素，即压力和相对滑动。粉碎物料所需的压力是由被粉碎物料的性能所决定，不可改变，减小物料在挤压过程中与辊面的相对滑动，是减小磨损、延长挤压辊辊面寿命的有效途径。合理的辊面结构形态参数对物料的咬合角大，使物料落入辊间隙更加均衡平稳，减轻并消除辊面的不均匀磨损，保持设备运行稳定，提高挤压效率和粉磨质量。

当前堆焊镶套式辊面技术存在的主要问题是辊体材料与辊面耐磨层的化学成分和性能存在较大差异，材料相互间的兼容性和结合性较差，在提高辊面耐磨层材料耐磨性的同时又将在结合面处产生较大的应力集中，降低辊体材料与表面耐磨层的结合强度，导致耐磨层大面积剥落，结果是整机能源消耗大、降低粉磨效率和质量，呈现“出力不出活”。因此，如何提高辊压机核心部件挤压辊表面耐磨层的耐磨性及其与辊体材料间的结合强度，延长挤压辊的使用寿命，提高设备利用率，在水泥行业实施绿色制造，促进循环经济发展，是科研工作者不可推卸的责任和长期而艰巨的任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，运用工程仿生学原理在辊体与耐磨层间科学设计过渡层和缓冲层以及综合考虑材料间的性能匹配，提高挤压辊的抗高应力磨粒磨损和应力疲劳破坏能力。

本发明所述的一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊是采用多材料组合设计，挤压辊由辊体、过渡层、缓冲层、耐磨层和辊面形态耦合而成。挤压辊采用多材料组合设计及其辊面形态参数设计是通过对生物体材料的结构和摩擦行为研究提出的仿生新思想。通过对某些生物如沙漠蜥蜴、潮间带贝类、脉红螺以及石鳖等研究发现，生物体表具有优良的耐磨和抗疲劳特性是与其体表的多层不同硬度材料组成的梯度材料结构以及在体表形态上表现出多尺度的结构有密切相关。沙漠蜥蜴(新疆岩蜥)的体表是由外部的角皮层、角质层构成硬壳支撑体，较软结缔组织填充于硬壳内部，这种多层不同硬度材料组成的梯度材料结构，外部约束内部材料，在轴心受压载荷作用下，内部材料在多方向受压，可延缓其受压时的纵向开裂，提高使用阶段的弹性工作性能，能承受较大的塑性变形；同时内部可以延缓和避免外部过早地发生局部屈曲，使内外系统具有较高的承载能力，一般都高于组成系统的内外部成分单独承载能力之和。毛蚶属双壳纲，营埋栖生活，在钻沙过程中，必然与水、砂发生摩擦，体表由四层不同的材料组成的梯度材料结构，体表表面形态呈现纵向棱纹状。毛蚶这种特殊的梯度材料结构和体表形态对其耐磨特性具有重要作用。根据生物体表的多材料耦合结构并结合辊压机挤压辊的工作性能、磨损机制及失效形式，由此提出了一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊。