天鐵1#～4#高爐擴(kuò)容后料車車輪故障分析與排除

鄭蕓

（天津天鐵冶金集團(tuán)第一煉鐵廠機(jī)修車間，河北涉縣 056404）

天鐵1#～4#高爐擴(kuò)容后料車車輪故障分析與排除

鄭蕓

（天津天鐵冶金集團(tuán)第一煉鐵廠機(jī)修車間，河北涉縣 056404）

針對(duì)高爐擴(kuò)容后料車車輪在使用過程中存在的局部剝落、運(yùn)行不平穩(wěn)、更換頻繁等問題進(jìn)行了分析和探討。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，制定出了不拆卸料車車輪，快速進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)的技術(shù)方案，解決了高爐擴(kuò)容后料車車輪出現(xiàn)的故障，節(jié)省了設(shè)備開支，保障了高爐生產(chǎn)的正常運(yùn)行，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

高爐 料車 車輪 故障 焊接 工藝

1 引言

天鐵集團(tuán)煉鐵廠1#～4#高爐均采用斜橋式料車上料機(jī)，隨著煉鐵技術(shù)的進(jìn)步，高爐冶煉強(qiáng)度不斷增加，而且，各個(gè)高爐在大修后容積也相繼擴(kuò)大，原設(shè)計(jì)容積5.5 m3料車的上料能力已滿足不了生產(chǎn)的需求，影響了生產(chǎn)率的進(jìn)一步增長(zhǎng)，經(jīng)過分析和探討，對(duì)大料車進(jìn)行了擴(kuò)容。料車擴(kuò)容至6 m3后，不僅增加了生鐵產(chǎn)量，而且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。但運(yùn)行一段時(shí)間后，出現(xiàn)料車輪轂局部剝落、運(yùn)行振動(dòng)等問題，對(duì)高爐上料系統(tǒng)造成了影響，導(dǎo)致高爐頻繁被迫休風(fēng)換輪，每次換料車車輪都需要1.5～2 h，檢修時(shí)間較長(zhǎng)，影響高爐生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)損失較大。在對(duì)舊車輪仔細(xì)研究分析后，決定在不拆卸損壞料車車輪的情況下，利用高爐的短暫休風(fēng)對(duì)料車車輪進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，經(jīng)多次實(shí)踐找到了合理的解決方案。該方案在各高爐推廣后，不僅延長(zhǎng)了車輪的使用壽命，而且大大減少了對(duì)高爐生產(chǎn)的影響，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2 料車車輪損壞的原因分析

料車車輪是高爐上料車的重要部件之一，具有承載、傳遞牽引力等功能。料車本體自重10 t，裝滿礦后料重約10 t，車輪輪緣在運(yùn)行過程中與鋼軌接觸部分會(huì)承受很大的壓力和沖擊力，其接觸表面產(chǎn)生的彈性變形和接觸應(yīng)力均比較大。在運(yùn)行中，兩車輪會(huì)以不同的直徑在鋼軌上滾動(dòng)，產(chǎn)生滑行并出現(xiàn)車輪磨損，車輪表面經(jīng)常發(fā)生不同程度的點(diǎn)蝕及剝落現(xiàn)象。有的車輪出現(xiàn)大面積剝離，深度達(dá)40～60 mm，車輪接觸面遭破壞，于是車輪在運(yùn)行過程中，料車、鋼軌與斜橋產(chǎn)生振動(dòng)，如不及時(shí)處理，將嚴(yán)重?fù)p壞車輪表面，影響上料系統(tǒng)正常生產(chǎn)。

經(jīng)長(zhǎng)期觀察分析，認(rèn)為缺陷產(chǎn)生的原因?yàn)椋簝蓚€(gè)相互接觸的物體發(fā)生相對(duì)滾動(dòng)并包含滑動(dòng)時(shí)，在接觸表面下0.786b（b為接觸寬度之半）處出現(xiàn)剪應(yīng)力最大。物體的點(diǎn)蝕裂紋主要產(chǎn)生在接觸面下最大剪應(yīng)力處，在剪應(yīng)力的作用下，物體表面內(nèi)將產(chǎn)生位錯(cuò)，在非金屬夾雜物或晶界等障礙處不斷形成堆積。由于在滾動(dòng)過程中，剪應(yīng)力方向長(zhǎng)期反復(fù)發(fā)生變化，逐步形成位錯(cuò)方向變化，位錯(cuò)的互相切割產(chǎn)生空穴，空穴的不斷集中形成空間，進(jìn)而發(fā)展成裂紋。最初產(chǎn)生裂紋在載荷的繼續(xù)作用下逐漸擴(kuò)展增大，直到接近表面最終形成點(diǎn)蝕剝落。通過跟蹤分析損壞車輪發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際工作狀態(tài)下，滾動(dòng)表面下40～60 mm處剪應(yīng)力最大，因?yàn)檐囕啿牧暇哂休^好的韌性，不會(huì)輕易產(chǎn)生龜裂、點(diǎn)蝕等缺陷，但由于其表面及表面下40～60 mm處往往存在某種鑄造缺陷，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，局部受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算的規(guī)定值，會(huì)造成車輪表面過早疲勞損壞，見圖1。

表150 Mn2合金結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分

圖1 車輪及損壞位置示意圖

3 解決料車車輪故障的措施

3.1 車輪材料技術(shù)性能

車輪材質(zhì)為50Mn2，合金結(jié)構(gòu)鋼。主要特性為：高強(qiáng)度中碳調(diào)質(zhì)錳鋼，具有高的彈性和耐磨性，同時(shí)淬透性也較高。此鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后可得到較高的綜合力學(xué)性能，但熱處理時(shí)有過熱敏感性及回火脆性，水淬時(shí)也有產(chǎn)生裂紋的傾向，且對(duì)白點(diǎn)敏感，焊接性差，冷變形塑性低。此種鋼的化學(xué)成分見表1。

此種鋼的力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度（σb/MPa）≥930；屈服點(diǎn)（σs/MPa）≥785；斷后伸長(zhǎng)率（δ5/%）≥9；斷面收縮率（ψ/%）≥40；沖擊吸收功（Aku2/J）≥39布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高溫回火狀態(tài)）≤22。

3.2 車輪本體焊接性分析

中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高得多，淬火后得到馬氏體組織，再經(jīng)回火，得到的是回火馬氏體組織，所以在焊接時(shí)，要對(duì)焊接工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制。一般含碳量低和雜質(zhì)S、P含量低的焊接材料在焊接時(shí)，不容易出現(xiàn)熱裂紋。同時(shí)，在焊接工藝上要做到填滿弧坑和保證良好的焊縫成形，尤其是多層焊的第一層焊道的弧坑中以及焊縫的凹陷部位，這樣才能大大減少熱裂紋產(chǎn)生。

中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及合金元素含量都較高，尤其是加入了增加淬透性的元素，因此淬硬傾向十分明顯，焊接熱影響區(qū)易出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋傾向。為防止冷裂紋產(chǎn)生，應(yīng)采用小的線能量施焊，并同時(shí)采取預(yù)熱、緩冷及焊后熱處理等措施。

3.3 修復(fù)工藝

3.3.1 焊接工藝及方法

焊接是修復(fù)的關(guān)鍵，焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

焊接方法采用焊條電弧焊。在退火狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊后再進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理。在選擇焊接材料時(shí)，應(yīng)考慮焊縫金屬的主要合金系統(tǒng)應(yīng)盡量與母材相似，并對(duì)能使焊縫金屬熱裂傾向增加和促使金屬脆化的元素嚴(yán)格限制，以使焊縫金屬在焊后經(jīng)過與母材相同的調(diào)質(zhì)處理規(guī)范后，性能與母材相同。焊條型號(hào)選用E5015，因?yàn)镋5015是低氫鉀型，焊芯主要成分為低碳鋼，熔渣的成分主要是堿性氧化物和鐵合金。由于脫氧完全，合金過渡容易，能有效地降低焊縫中氫、氧、硫，所以焊縫中的力學(xué)性能和抗裂性能較好，可用于合金鋼和重要碳鋼的焊接。但這類焊條的工藝性能差，引弧困難和電弧穩(wěn)定性差，區(qū)濺較大，不易脫渣。焊前經(jīng)200～250℃2h的烘烤，用干燥的保溫筒盛裝。做到隨用隨取，以保證焊后的性能。

3.3.2 操作要點(diǎn)及注意事項(xiàng)

（1）由于車輪經(jīng)磨損本體內(nèi)存有大量污物，采用碳弧氣刨吹去污物，然后用手提角磨機(jī)打磨損壞部位至露出金屬光澤，用角磨機(jī)將損壞部位打磨成U形，減少施焊應(yīng)力。將焊接區(qū)及周圍100 mm范圍內(nèi)的油、污、銹、水、渣等一切贓物清理干凈。

（2）焊接時(shí)采用短道、快速、不擺條、斷續(xù)、分散焊法，每段長(zhǎng)度不超過30 mm，收弧時(shí)要填滿弧坑。焊完一道立即用鈍頭小錘錘擊整個(gè)焊道，以盡快釋放焊接應(yīng)力，錘擊速度要快，力量由重漸輕，并較徹底清理干凈焊道上的熔渣，方便下層焊接時(shí)的融合。填充焊接時(shí)焊肉要均勻平整，保持層間溫度，在焊接過程中如發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，應(yīng)立即進(jìn)行修磨處理。焊后立即用石棉帶纏包在焊縫周圍，保溫緩冷。

（3）損壞處補(bǔ)焊后，由于是局部焊接，為了消除應(yīng)力或裂紋，采用損壞部位氧-乙炔火焰局部加熱回火方法。采用大號(hào)割炬中性火焰來回緩慢擺動(dòng)，將車輪加熱到表面出現(xiàn)目視可見暗紅色，保溫，消除應(yīng)力處理后應(yīng)立即在損壞處蓋上石棉板保溫。

（4）在溫度冷卻到室溫后對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行打磨，使之與焊補(bǔ)部位周圍形成圓滑過渡。然后進(jìn)行著色探傷檢查，經(jīng)檢驗(yàn)補(bǔ)焊區(qū)未見損壞痕跡，補(bǔ)焊工藝成功，運(yùn)行試車狀態(tài)良好。

此次料車車輪的補(bǔ)焊，從坡口打磨、焊前預(yù)熱到實(shí)施補(bǔ)焊的全過程要嚴(yán)格控制溫度范圍、焊接線能量、表面錘擊、焊后熱處理、保溫以及焊接順序等每道工序，這樣才能確保補(bǔ)焊工作順利完成。

4 改進(jìn)后效果

采用此種方案修復(fù)的高爐料車車輪，經(jīng)使用后，效果良好，不僅確保了擴(kuò)容后料車的穩(wěn)定運(yùn)行，而且可以實(shí)現(xiàn)在不拆卸車輪的情況下，對(duì)車輪進(jìn)行快速修復(fù)，節(jié)約了備件費(fèi)用，減少了檢修時(shí)間及人力，大大減少了因更換車輪造成的高爐休風(fēng)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)高爐料車車輪焊接工藝的改進(jìn)，摸索出了一套較為可靠的料車車輪修復(fù)技術(shù)，不僅提高了料車車輪的使用壽命，滿足了料車擴(kuò)容后的生產(chǎn)實(shí)踐，而且減少了因頻繁更換車輪造成的休風(fēng)對(duì)高爐生產(chǎn)的影響，為高爐其他相關(guān)設(shè)備的修復(fù)提供了借鑒。

[1]張昌富.冶煉機(jī)械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[2]王慶春.冶金通用機(jī)械與冶煉設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

Analysis and Solution of Material Car Wheel Failure after Tiantie BF's 1～4 Capacity Increase

Zheng Yun
(Mechanical Maintenance Workshop of Iron-making Plant 1,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County,Hebei Province 056404)

The author analyzes and discusses the problems of material car wheel after BF capacity increase,such as local strip,unsteady running and frequent exchange.A technical solution was formulated that the repair was done by fast patch welding without dismantling the wheels.The failure of car wheel was finally handled.Equipment expenditure was saved and BF normal running ensured.Prominent social and economic benefits were acquired.

BF,material car,wheel,failure,welding,process

鄭蕓，女，工程師，2002年畢業(yè)于寧夏大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事高爐設(shè)備維護(hù)管理工作。

（收稿 2012－03－23 編輯 潘娜）