鑄焊聯合結構在轉爐大齒輪制作中的應用

翟成河

1.概述

轉爐是目前鋼鐵行業煉鋼的關鍵設備，轉爐加料與出鋼水是依靠傾動系統驅動托圈旋轉完成的。由于大齒輪是該系統中的核心部件，關系到轉爐的正常運行，所以該部件的制造加工要求非常嚴格。

我廠制作的轉爐及其附屬設備在鋼鐵行業有一定的知名度，轉爐傾動用大齒輪一直沿用鑄造結構。由于鑄造本身缺陷，尤其對于轉爐齒輪這種大噸位鑄件，鑄造組織不穩定是多年來一直難以克服的難題；雖然通過不斷改進工藝，成品率越來越高，但面與面過渡處產生的各種缺陷（氣孔、砂眼等）始終難以根除。加工中出現的單個或多個氣孔、砂眼，清除徹底后，焊補就能回用；但缺陷成片出現，處理（局部或整體預熱、控溫焊接、焊后保溫等）非常棘手；若此缺陷出現在關鍵部位，就有可能造成正在加工中的產品報廢；如果關鍵部位的缺陷未檢出，運行中就有可能釀成不可想象的后果。缺陷不僅造成了人力、物力的極大浪費，增加了產品的制作成本，而且還會延長產品的加工制作周期。

2.改進措施探討

（1）缺陷分析 根據經驗，要想減少鑄造缺陷，就必須盡可能減少產品形狀的變化，形狀變化越小，缺陷越小；盡可能減少鑄件重量，鑄件用鋼(鐵)液越少，缺陷越少。因此要想提高產品質量必須在這兩方面下功夫。

（2）結構分析 此種大齒輪典型結構如圖1所示，一般分為輪緣、輪輻、輪轂三部分。輪緣位于基體外緣，是傳遞扭力的部分，輪齒是直接從輪緣基體上加工而成，是形狀一致的圓盤狀；輪轂位于基體內部，是基體與軸相連部分，也是傳遞扭力的部分，是形狀簡單的厚壁圓筒體；輪輻位于以上二者之間，起連接和傳遞作用，為雙幅板結構，中間被立筋分為六個空腔。

（3）改進分析 輪緣厚、形狀一致，且為向外傳力部分，不適合減輕重量或改進結構。輪轂同輪緣一樣，也不適合改進，仍沿用原鑄造結構。輪輻與輪緣、輪轂間橫截面形狀變化大，過渡處是產生缺陷的敏感部位；六個空腔是為了減輕鑄件重量，且其在輪緣、輪轂間起連接作用，為非直接受力部分；故輪輻為適合改進部分。

3.結構設計

（1）替代結構 借鑒小齒輪由鑄造結構改為鉚焊結構的經驗，輪輻部分由鑄造結構改為鋼板組焊結構，繼續保留抗彎和抗扭剛度好的雙幅板內部空腔結構，立筋由鋼管代替，這樣可以增加兩個方向的剛度。

（2）材料選擇 輪體上各部分所處地位和作用不同，應按實際需要選擇材料。由于輪緣、輪轂有硬度要求，故仍沿用35CrMo材質不變；由于輪輻起支撐和聯接作用，需要有一定的柔韌性，且與輪緣、輪轂易于焊接，故鋼板材質選用焊接性好、價格便宜的普通結構鋼Q235B。

圖1

（3）鋼板厚度 根據輪輻部分鑄造結構分析，輻板厚度是由齒輪強度和鑄造工藝（相鄰結構厚度不能相差懸殊）要求確定的；經過計算，鋼板厚度只要達到鑄造輻板厚度的一半就能滿足齒輪性能要求；通常根據鑄造厚度一半的整數值，并參考相應鋼板規格，確定鋼板厚度。兩輻板間外部尺寸與原輻板外部尺寸一致。

（4）焊縫布局 齒輪輪體是在動載下工作，其破壞形式主要是疲勞；考慮到輻板與輪緣、輪轂過渡處應力集中問題，焊縫布局如圖2所示，在輪緣和輪轂上均加工出高度為輻板厚度1.5～2倍的凸臺（要求凸臺與本體間圓滑過渡）；把輪緣與腹板、輻板與輪轂間的丁字接頭變為對接接頭，避開了結構的應力集中區。

圖2

（5）鋼管布局 為了增加兩輻板的剛度，把原鑄造結構立筋改為鋼管，鋼管規格及壁厚不受限制，鋼管數量可參考原鑄件確定。

（6）結構優化 利用Solid-Works軟件中的COSMDSXpress插件，模擬齒輪運行條件，對結構設計測試評估；根據結果進行優化，制定合理、可靠的設計結構方案。

4.結構制作

（1）焊材選擇 由于輪緣、輪轂材質為35CrMo中碳鋼，而輪輻為Q235A低碳鋼，它們之間屬于異種鋼焊接；輪體上四條環形封閉焊縫，因為剛性拘束應力大，焊接過程中易產生裂紋，故選用抗裂性能好的低氫型焊接材料E4316。

（2）組裝順序 先將其余各件按圖樣要求組裝一體，定位焊采用E4316，φ3.2mm焊條，定位焊縫長度50mm，間距200mm，定位焊縫不得有裂紋、夾渣、氣孔，否則應清除重焊；定位焊縫兩端應便于接弧，否則應予修整。坡口及兩側50mm范圍內將水、鐵銹、油污、積渣和其他雜物清理干凈。

（3）焊前準備 為防止裂紋產生，焊前要用履帶式電加熱器進行預熱（或爐內進行整體加熱），預熱溫度為200～250℃；E4316焊條使用前應進行烘干，烘干溫度400℃，保溫2h，烘干后應立即使用。

（4）焊接參數 具體焊接參數如附表所示。

焊接參數

（5）焊接工藝 預熱后要立即施焊，并連續焊接一次焊完，接弧處應保證焊透與熔合，同時層間溫度控制在200～250℃之間；每道環縫均由四名合格焊工沿圓周方向對稱同時施焊，焊條規格、焊層厚度、焊接參數均相同；每層焊縫應嚴格檢查，未焊透及夾渣、裂紋等缺陷要徹底清除后，再進行下道工序；每道環縫焊至1/2輻板厚時，翻轉工件，焊接對稱側環縫；最后焊管子焊縫。

（6）焊后處理 焊縫完成后要立即進行退火處理，將工件加熱到（550±20）℃，保溫4h，升降溫速度<50℃/h，然后緩冷至室溫。注意：退火前必須在輻板上鉆透氣孔，并嚴格控制退火溫度范圍，以免降低調質硬度。

（7）焊縫檢測 焊縫和熱影響區表面不得有裂紋、氣孔、弧坑和夾渣等缺陷；焊縫咬邊深度≤0.5mm，咬邊連續長度≤100mm，焊縫兩側咬邊的總長度不得超過該焊縫長度的10%；按圖樣要求進行超聲波探傷檢測，并符合GB11345—1989標準規定的Ⅱ級為合格。

5.結語

結構改造后的大齒輪，經使用廠家反饋，運行狀況良好。這種聯合結構實用性強，減少了鑄造缺陷和返修次數，減輕了結構重量（減輕約20%），降低了制作成本，縮短了制作工期。實踐證明，可以廣泛推廣應用到類似重型機器的大型零部件制作中。只要在受力分析的基礎上，結合成熟的焊接技術，對各結構巧妙組合，進行創造性的設計，然后利用SolidWorks軟件進行設計優化，就可獲得強度高、剛性好和重量輕的新穎實用結構。20140615