高硬辊的先进性(修改)

北京制粉科学研究所 窦履豫

1 先进的高硬磨辊

磨粉机工作时磨辊与物料剧烈摩擦，要求磨辊的耐磨性能良好；表面磨损后需要修复加工，要求材料具有良好的切削加工性能。长期以来磨辊的材料一直沿用硬度适中，价格便宜的激冷铸铁制作。虽然由于磨辊制作技术的进步，磨辊的耐磨性逐步有所提高，但结果仍不够令人滿意。目前国外的发展趋势是采用高合金铸铁，增大镍、铬等金属材料的含量进一步提高耐磨性，但材料成本增大，经济效果不理想。

山东利江粮油科技发展有限公司董事长任光利创新发明的高硬磨辊，已取得国家发明专利 ，是利用现代等离子技术，对目前广泛应用的激冷铸铁磨辊进行表面改性处理，提高表层硬度和耐磨性。经北京古船、河北金沙河、济南民天和中粮鲁德等几十家粉厂，历经数年的生产考核，使用高硬辊以后，辊体和物

料温度降低，研磨和工艺效果明显，研磨高效期延长，节约能源效果显著，更换周期是普通辊的2～6倍。2007年11月2日，山东省科学技术厅组

织召开了 “高硬辊加工及应用技术”科技成果鉴定会。鉴定委员会一致认为：“高硬辊的研发是成功的，高硬辊加工及应用技术在国内外属于首创，达到国际领先水平。”

磨粉机是面粉厂最重要的主机设备，磨辊则是磨粉机的关键性部件。高硬辊与普通辊比较，不仅提高了硬度和耐磨性，而且可以节省能耗和改善磨粉机的研磨效果。高硬辊的工作性能受辊体材料、处理参数、使用环境、表面技术特性等诸多因素的影响；制粉工艺连续自动化生产，磨粉机的研磨效果是影响制粉工艺效果的决定性因素，两者如何相互适应的问题极为错综复杂。因此很有必要对高硬辊进行细致认识、深入研究和进一步发展完善，以适应这项国际领先水平技术的推广应用。

2 硬化基本原理

高硬辊的加工处理工艺，是运用等离子和现代表面改性技术两项新技术，对

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激冷铸铁磨辊进行硬化改性。它与机械制造业对大型工件进行局部表面热处理，既有相似之处又有本质不同。例如巨型齿轮的齿面进行局部淬火硬化时，乙炔-氧焰的加热温度约为3000℃，加热升温的时间以min计，淬硬的深度为若干mm。高硬辊加工的热源为等离子电弧，焰心的温度为2～3万℃，加热升温和冷却的时间以ms计，处理后表层硬化的深度以μm计。国内外都有人曾研究过淬火钢的磨辊，未能取得成功的主要原因就是加热的温度低、时间长，使得硬化层的的深度大，辊齿磨损后无法重新拉丝。高硬辊表面改性处理与表面淬火硬化处理的结果，最大的差异是硬化层的深度可以准确控制，而且，金相组织发生变化的同时，根据应用系统的不同，控制磨辊表面形状和齿形的变化。

磨辊表面改性处理的专用设备，是山东利江科技公司自主研发的LJGY·1000型数控高硬辊机床。该机床数字化编程，可以根据磨辊表面技术特性和使用要求，通过控制表面改性处理参数，准确控制硬化层深度和硬化程度，保证经硬化处理后，磨辊表面形状和齿形的变化满足制粉工艺效果的需要。LJKJ·1000数控高硬辊机床完全实现了磨辊表面改性的可控处理，满足直径Φ30~400mm，长度50~2100mm以内磨辊表面处理需要，制作精良、性能先进，目前已申请国家专利。

磨辊硬化处理过程虽然只有几ms的时间，但表层的材质却产生了“两熔三变”的复杂变化。两熔是熔铸和熔凝，三变是几何形状、化学成分和金相组织的变化。熔铸是表面金属熔化后，重新凝固时改变了原有的形状，齿辊表现为齿顶棱角处熔化重新凝固后成为弧形，光辊则是光洁的表面重凝后粗糙度增大。熔凝是金属表面快速熔化重新凝固后几何形状未变，但金相组织不同、硬度增大、偏析减少。形状变化是熔铸的结果，已如前述。化学变化是铸铁中各种元素的烧损和助剂元素的渗入，改变了铸铁表层的化学成分。金相组织的变化是表层铸铁快速升温自激冷却后，组织的晶粒细化，由亚共晶体转变为方向性更强的共晶＋过共晶体等复杂变化。金相组织变化是磨辊表面硬度和耐磨性提高的关键。

3 技术的先进性

磨辊耗用材料的量很大，为降低成本历来都采用亷价的铸铁制作。铸铁是铁碳合金，碳的存在形式影响材料的性质。白口铸铁中的碳大都以硬而脆的渗碳体（Fe3C）的形式存在，耐磨性能优良，但硬度高难以加工；灰口铸铁中的碳大都以片状石墨的形式存在，综合机械性良好，易于切削加工，但耐磨性差，两者均不适合用于制作磨辊。为能兼顾耐磨性和切削性，多年来磨辊只能折中采用含

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有适量渗碳体的激冷铸铁制作。“高硬辊加工及应用技术”的先进性，最重要的就是攻克了百余年来，铸铁材料的硬度、耐磨性和切削性难以兼顾的历史性难题，研制成“外硬内韧”的高硬辊。

钢铁材料的硬度、耐磨性与韧性相互矛盾，硬度高的韧性差，韧性强的硬度低，这是基本规律。许多钢制零件，既要求有高的硬度和耐磨性，又要求有足够的强度和韧性，通常可以采用高频淬火或淬碳淬火等表面热处理工艺，制成“外硬内韧”的工件。但这类工艺不能用于磨损后需再加工使用的磨辊，只能用于齿轮等磨损后一次性报废的零件，因为淬火后的硬层尚未完全磨损，难以再经切削加工修复。有关铸铁热处理的研究不多，更没有可供磨辊表面硬化参考的工艺。利江公司“高硬辊加工及应用技术”课题组的研究人员，历经8年的反复研究试验，终于研究总结出通过“预热缓冷、严格控制扫描加热的温度和速度、降低硬度变化梯度，力求细化组织晶粒等”一套比较完整成熟的磨辊表面改性工艺，克服了磨辊硬度、耐磨性和切削性能难以兼顾的矛盾。“高硬辊加工及应用技术”不仅提高了磨辊的硬度和耐磨性，使磨辊的更换周期延长2倍以上，还具有节约用电和改善研磨效果的功能。

“高硬辊加工及应用技术”研究项目，经国家一级科枝查新咨询单位——山东省科学技术情报所，于2007年8月16日完成的查新报告的结论认为：“„„本查新项目采用等离子表面改性技术对轧辊表面硬化处理，除密切相关文献外，国内外未见有相同或类似文献的报导。”该项技术是利江科技公司首创的科研成果，公司拥有自主知识产权。在省级科技成果鉴定会议上，由国内9名著名面粉和机械加工专家组成的鉴定委员会，对该项科技成果给予高度评价。鉴定意见书的主要内容是：“„„采用等离子表面改性后的磨辊表面硬度和耐磨性明显提高，„„辊体和和物料的温度降低，研磨和工艺效果明显，研磨高效期延长，节约能源效果显著。„„磨辊等离子表面改性技术在国内外属于首创，并已获得国家发明专利（专利号：ZL 2004 1 0024051.4），达到国际领先水平，同意通过鉴定。”

4 表面硬度和金相组织

利江科技公司自主研发的高硬磨辊，已委托山东省产品质量监督检测研究院，进行了硬度和金相检测。送检的试样是国内著名轧辊厂，按最新配配方生产的镍铬合金铸铁磨辊，经利江科技公司用等离子表面改性处理的粗牙辊、细牙辊

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和网纹辊。检测的结果表明：粗牙和细牙辊未处理部分基材的硬度分则为51.5和52.2HRC，处理后齿根部位的硬度达到55.4和53.3HR，齿顶部位达到62.5、62.8HRC。耐磨性生产考核的结果表明，改性处理后硬度的变化规律与淬火合金钢相似，硬度每提高5HRC耐磨性约提高1倍。

磨辊表面改性处理的熔凝（亦称重熔），是铸铁材料重新熔化、凝固、结晶和相变的过程。送检试样显微组织的照片表明，磨辊表面熔凝后铸铁中的石墨扩散成渗碳体，组织由亚共晶体转变为共晶＋过共晶体。由于晶体长大方向与散热方向相反，所以形成的共晶＋过共晶体组织的方向与齿面基本垂直，而且组织的晶粒细化，因而提高了材料的硬度和耐磨性。铸铁的材料只有在平衡冷却的条件下才能使石墨充分析出。磨辊表面改性处理熔凝时的速度极快，显然不利于石墨扩散，形成齿部“外硬内韧、上硬下韧”的处理结果，克服了硬度和韧性难以兼顾的矛盾，获得既硬又韧的磨齿，磨辊工作时不会因受冲击力而崩断。

5 节约用电

高硬辊的硬度高、耐磨性强、磨辊的更换周期长，无疑可以减少铸铁冶炼和磨辊铸造所耗用的焦炭和电力，取得可观的节能效果。生产考核表明：高硬辊替代普通磨辊时，可以降低吨粉耗电取得更大的节能效果。济南民天食品有限公司在皮磨系统大量换用高硬辊后，取得了明显的节电效果：在少量应用高硬辊与普通辊作对比试验时，使用高硬辊的磨粉机工作电流相对较低；历经3年，大量采用高硬辊并结合工艺改进后，生产线的产能由350t/d增至380t/d，1皮和2皮电动机的功率并未改变，吨粉耗电降低了12kWh。

皮磨系统长期大量应用高硬辊后取得明显节电效果的主要原因，与磨辊更换周期内研磨效果的变化有关。磨辊在每次更换周期内，研磨效果大致可分为3个阶段：新换上有一段“磨合期”，以后进入“高效期”，最后进入“衰钝期”。这3个阶段虽无明显界限却是普遍规律。以1皮磨为例，普通辊的使用周期大致为3亇月，1年需更换4次，扣除磨合期和衰钝期后的高效期约为8个月；高硬辊因齿顶平面无棱角故不存在磨合期，又因使用周期长，1年内尚未进入衰钝期，所以可以取得全年12个月均为高效期的优良效果。

心渣磨应用的高硬细牙辊和网纹辊，由于剪切力强和表面粗糙度大，也可以取得良好的节电效果。北京佳嘉禾、济南民天两厂的初步试验表明，1心磨采

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用高硬齿辊的效果与普通辊比较，不仅产能增加，磨下物温度明显降低，而且单位电能的取粉量（kg/kWh）成倍增大，节电效果显著。多家粉厂1心磨对比的试验表明，高硬齿辊取粉的灰分并不高于对比的粗面光辊。受磨辊速比如何相应调整，应采用何种清理装置等多种因素的影响，高硬辊用于心渣磨的经验尚不如皮磨那样成熟，许多问题有待进一步深入研究。（末句宜移入6段？） 6 改善工艺效果

与普通辊比较，高硬辊可以取得更为理想的研磨效果，主要原因在于“齿硬顶钝”。齿部材料坚硬耐磨，可以延长磨辊锋利时间，降低磨粉机耗甩；齿顶和齿尖的棱角被熔铸为弧形，可以减少麸片的破碎和筛分时细麸混入面粉，提高产品的质量。众多粉厂的对比试验表明，高硬辊用于皮磨时的效果优良，“渣多面少、麸片完整”。这将非常有利于筛取大量的粗粒，经清粉机提纯后送入心磨制成低灰分的优质面粉。表1—表3是高硬辊在皮磨系统对比实验的生产数据。

表1 中粮鲁德食品有限公司高硬辊实验测定表 测定时间：2006年9月6日 使用系统 供应商 测定时间 B1 普通辊 高硬辊 60905 --/20WW 76.1 76.3 磨辊流量 kg/H 4690 4850 磨辊温度 左 30 31 中 32 33 剥刮率 20W以下物料灰份 右 % 31 33 23.8 23.7 0.80% 0.81% 电流 A 37 37 58GG/74GG 74GG/12XX 12XX/-- 2.3 2.2 1.9 2.2 2.7 1.5 电流 A 34 30 58GG/74GG 74GG/12XX 12XX/-- 10.2 8.1 5.1 4.5 6.2 5.2 使用系统 供应商 B1 普通辊 高硬辊 粒度分布 20WW/36GG 36GG/58GG 11.5 11.1 磨辊流量 kg/H 3710 3600 5.4 6.7 磨辊温度 左 33 30

中 34 32 使用系统 供应商 测定时间 B2 普通辊 高硬辊 60905 剥刮率 20W以下物料灰份 右 % 33 31 57.5 55.9 0.93% 0.96% 使用系统 供应商 B2 普通辊 高硬辊 粒度分布 --/20WW 42.4 44.0 20WW/36GG 17.9 19.5 36GG/58GG 18.1 18.6 从上表可以看出：在电流相同、剥刮率相近的前提下，高硬辊适应流量明显提高，研磨

后物料渣心数量多，取粉少；

在流量和剥刮率略低于普通辊时物料温度和电流强度明显降低，大颗粒渣心明显高于普

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通辊，细颗粒物料及取粉明显减少。

表2 河北金沙河金A面业高硬辊实验测定表

测定时间：2007年10月11日

测定地点：河北金沙河500t/d车间

磨 辊 工 作 状 态 换辊时系 统 辊 别 间 1B2 高硬辊 1B5 普通辊 2B4 高硬辊 2B1 普通辊 工 艺 效 果 系 统 辊 别 粒度范围 —/18W（20W) 20W/36GG 36GG/52GG 52GG/12XX 12XX/— 66.09 68.83 37.23 39.13 19.2 17.87 26.41 22.09 5.87 5.15 17.04 17.57 5.94 5.74 11.93 13.91 2.90 2.41 7.39 7.30 7-31 7-31 7-28 7-28 单位 辊体温度（℃） 电流实用 动力剥刮率单位电能流量 （A） 功率 配备 （%） 剥刮量 左 中 右 （kg/h) （kw) （kw) （kg/kwh) 4496.1 4526.7 3040.2 3033 40 45 36 39 41 43 36 40 39 40 35 39 33.86 33.76 22.5 25.46 17.62 17.67 10.87 12.75 18.5 33.91 18.5 31.17 15 15 62.77 60.87 86.53 79.85 175.56 144.80 1B2 高硬辊 占本道（%） 1B5 普通辊 占本道（%） 2B4 高硬辊 占本道（%） 2B1 普通辊 占本道（%） 分析说明：

1B高硬辊与普通辊为同时更换对比，使用两个月以后，高硬辊辊体温度低于普通辊，电流及实耗功率基本接近，高硬辊产生的渣心粒度较大，单位电能剥刮量高出普通辊8.4%。同时，实验过程中将筛分的物料同比例放大后，制成图片进行电脑分析，普通辊—/18W筛上物皮层组织破坏程度较高硬辊明显严重。 2B高硬辊与普通辊同时更换对比，使用两个月以后，高硬辊辊体温度明显低于普通辊，电流及实耗功率低于普通辊，高硬辊产生的渣心粒度较大，麸星明显少于普通辊，且取粉低，单位电能剥刮量高出普通辊21.24%。与1B同样方法进行电脑分析，2B采用高硬辊以后，渣心物料的纯度和粒度均匀度优势更为明显。

用于心渣磨高硬的细牙辊和网纹辊，在应用的过程中虽然还存在一定不足（如需调整速比等），但其良好的工艺性能得到了用户的认可。在磨粉机流量相同或相近的前提下，采用高硬辊以后，磨粉机直接取粉率是普通光辊的3倍以上，而且能够保持小麸片的完整，减少淀粉粒的破损程度，提高面粉的质量和食用品质。，同时磨粉机单位能耗明显降低；在面粉质量和取粉率相同或相近的前提下，

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高硬辊时应得流量明显提高，取得增产和节电的效果。表3是高硬辊在心磨系统的对比实验的数据。

表3 济南民天食品有限公司高硬辊实验测定表 测定系统：CIA

测定时间：2007年4月11日

磨辊工作状态 辊别 换辊时间 单位流量（kg/h） 高硬辊 06.11.02 普通辊 07.03.20 800 800 磨辊温（℃） 电流强度动力配备磨后取粉松粉后取左 中 右 （A） （kw） 率（%） 粉（%） 56 50 55 49 56 50 24 27 18.5 18.5 28 19 56 38 粒度与质量分析（磨后） 粒度范围 高 硬 辊 重量(g) 占本道(%) 灰分(%) 水分(%) 粒度范围 普 通 辊 名称 58GG 筛上 39 39 1.13 14.7 58GG/7XX 15 15 0.46 14.8 58GG/7XX 25 25 0.56 14.8 7XX/13XX 18 18 0.63 14.5 7XX/13XX 16 16 0.52 14.8 13XX筛下 28 28 0.51 15.1 13XX筛下 19 19 0.55 14.6 名称 58GG筛上 40 40 1.21 14.9 重量(g) 占本道(%) 灰分(%) 水分(% ) 品 质 分 析

项目 辊别 P 吹泡指标 L 43 53 W 130 162 吸水量 60.2 61.9 粉质指标 形成时间 稳定时间 2.0 2.0 3.3 3.8 20分钟弱化度 135 130 26 27.6 80.3 78.8 湿面筋 白度 高硬辊 86 普通辊 94

从上表可以发现： CIA系统高硬辊在使用四个月以后，磨粉机直接取粉率比新更换的普通光辊还提高了47.4%；面粉灰分比普通辊低0.04%；面粉白度提高1.5；辊体温度降低6℃。

7 发展前程任重道远

“科技创新永无止境”，高硬辊加工及应用技术虽然日臻成熟，但是，为了

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适应制粉工艺的多变性和复杂性，磨辊生产加工技术需要不断创新和发展。激冷铸铁磨辊已有百余年的历史，至今仍在不断研究改进配方和热处理，采用电炉熔炼和光谱快速成分检测等新技术，以提高产品的质量。高硬辊加工处理与激冷铸铁磨辊生产比较，技术手段更为先进，改进提高的难度更大。例如等离子高温电弧的温度检测、扫描加热轨迹的优化、表面硬度的快速检测和数控加工处理机床的研制等。由于高硬辊的性能优越，必将逐步取代普通激冷铸铁磨辊，所以还应研究合金铸铁的配方，生产更适合磨辊表面改性处理的专用磨辊。

更为复杂的研究工作是如何与制粉工艺和设备相互配合。面粉生产线是自动化连续作业，各道工序的工况和效果紧密配合相辅相成，牵一发而动全身。磨粉机是最重要的制粉主机设备，研磨效果是影响制粉工艺最为关键的因素。目前的制粉工艺是与普通磨辊的研磨效果，历经百余年的相互磨合发展而形成的，一旦磨粉机换为高硬磨辊改变了研磨效果，必将影响破坏传统制粉工艺的平衡，这也是众多粉厂试用高硬辊后褒贬不一的重要原因，用高硬辊替代普通辊，必须配合工艺改进循序渐进。新生事物都有一个发展完善的过程。高硬辊由于硬化工艺研究的艰巨性，生产应用的复杂性，它的发展完善必定具有长期性。

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