水泥機械大型鑄件常見質量問題分析及應對措施

耿鋒濤（中材建設有限公司，北京 100176）

0 引言

大型鑄件是水泥機械設備的關鍵核心部件，生產制造周期長、質量要求高、體積重量大、安裝施工和更換難度大，一旦在制造或使用過程中出現重大質量問題，就會對整個工程項目的工期以及整條水泥生產線的正常運營造成致命影響。大型鑄件的質量檢查和控制也就成為質量管理中很重要的一個環節，本文對水泥機械大型鑄件常見缺陷及影響因素做了深入分析，并提出針對性的應對和預防措施。

1 水泥機械大型鑄件常見質量問題

水泥機械常見大型鑄件主要涉及回轉窯的大齒圈、托輪、輪帶、擋輪，管磨機大齒圈、中空軸，立磨磨盤、磨輥等部件。影響鑄件質量有諸多因素，如鑄件材質，鑄造工藝方法，鑄造、熱處理和機加工設備的性能和過程的控制，技術人員、操作人員的經驗和能力，質量檢驗和控制方法等。水泥機械大型鑄件的質量控制節點通常分為粗加工后的檢查和精加工后的檢查，常見的質量問題如下[1]。

（1）外觀質量不合格。鑄件常見外觀質量問題主要是多肉缺陷、缺肉缺陷、砂眼、氣孔、裂紋、夾渣等肉眼可見的表面缺陷，以及粗糙度不達標問題。

（2）機械性能不達標。鑄件的機械性能主要檢查屈服強度、抗拉強度、沖擊韌性、斷面收縮率、伸長率等，具體指標在圖紙、技術合同、標準規范中都有詳細的規定。

（3）超聲波探傷不合格。超聲波探傷常見質量問題有：

①探傷表面存在毛刺、粗糙度達不到探傷要求。主要是由于加工過程中進刀量過大，一般要求機加工表面粗糙度應達到Ra≤12.5 μm。

②鑄件局部或大面積晶粒粗大。晶粒粗大的組織可能遍布于鑄件整體，也可能發生在鑄件的局部區域，其本質上屬于冶金缺陷。造成鑄件晶粒粗大的影響因素很多，如鑄件自身結構和鑄造工藝設計、澆冒口系統的設置、型砂脹砂、型芯放熱反應、冷鐵布置、鑄件自身化學成分、澆鑄溫度過高、冷卻速度過慢、熱處理不當等原因[2]。鑄件中粗大的晶粒、不均勻的組織都會導致超聲波產生嚴重的散射和聲能損失，在熒光屏上顯示為較強的草狀雜波信號，粗糙的鑄造表面對聲波的散射也會形成草狀雜波。另外，如果鑄件形狀比較復雜，也容易產生輪廓反射回波及延時波。這些干擾信號將會影響對缺陷信號的識別，應注意區別。

③鑄件本身存在超出驗收標準等級的鑄造缺陷。根據鑄件的探傷技術和等級標準要求，采用適宜的掃查靈敏度進行掃查，根據底波衰減和缺陷回波高度進行缺陷評判。

（4）磁粉探傷不合格。通過磁粉探傷可發現鑄件的表面和近表缺陷，常見磁粉探傷缺陷為氣孔、夾渣、夾砂、裂紋等缺陷。其中：①大齒圈、磨盤等鑄件的非加工面未進行噴砂或打磨處理，不具備磁粉探傷條件。探傷時應對探傷面進行噴砂或打磨處理，并在探傷表面噴涂反差增強劑以提高背景對比度。②對精加工鑄件做磁粉探傷時采用水基磁懸液，探傷后造成工件銹蝕。

鑄件在粗加工狀態超聲波探傷、磁粉探傷合格的情況下，在精加工后磁粉探傷不合格，大部分是因表面砂眼、疏松缺陷導致。其原因如下：

一是磁粉探傷對表面和近表缺陷的規定相對于超聲波對內部缺陷的允許范圍更為嚴格，超聲波探傷合格后，在后續機加工過程中在超聲波探傷標準允許范圍內的缺陷被加工裸露在近表或表面時，可能會出現達不到磁粉探傷的等級要求。

二是由于鑄件粗加工狀態到精加工狀態加工余量很小，超聲波探頭存在盲區（到探傷表面一定距離范圍內無法檢測出缺陷），可能會導致缺陷的漏檢。

三是超聲波探傷有一定的局限性，由于缺陷的性質、走向等原因導致有些缺陷無法被超聲波探傷檢測出或者超聲波檢測的缺陷大小要遠小于實際缺陷大小。

（5）硬度不合格。常見鑄件硬度問題是硬度值偏低或硬度偏差過大。硬度值偏低一般與熱處理工藝過程控制有關，硬度偏差過大一般與熱處理爐或部件在爐內與其它工件同爐擺放造成受熱和冷卻不均勻所致。在粗加工階段一般可通過二次熱處理修正，精加工之后發現硬度問題一般無法進一步處理。

粗加工后硬度檢查可以反映出鑄件毛坯的熱處理效果，對于正火+回火處理后的大型鑄件，硬度值一般隨著距表面深度的增加而呈下降趨勢。因此，粗加工后的硬度值應盡量接近或稍高于目標值。對于局部存在表面氧化皮的鑄件，氧化皮及邊緣位置的硬度值相對較低，需打磨一定深度，不受脫碳層的影響后再進行硬度檢測，并觀察硬度的變化情況。硬度檢測的點位要有代表性，并詳細記錄位置和所測硬度值，以作為是否再次進行熱處理的評估依據。硬度檢查時，可選用錘擊式硬度計或數字里氏硬度計，必要時可同時采用兩種硬度計對所測數據互相印證參考。因錘擊式硬度計在檢測時會在工件表面留下錘痕，鑄件精加工后的硬度檢查大都采用里氏硬度計，相比錘擊式硬度計，其對檢測面粗糙度有更高的要求。

（6）尺寸超差。常見的尺寸超差多發生在公差精度相對較高的機加工尺寸，諸如托輪的內孔尺寸超差因加工精度控制不當所致；另外，由于加工設備操作不當也容易造成加工尺寸超差。

2 應對措施

2.1 制造控制

（1）在供應商考察和合同技術條款上進行具體約定，加強事前預防措施。為規避鑄件在鑄造、熱處理、加工、包裝運輸各環節出現缺陷引起的各類損失，建議在供應商考察、合同談判環節就具體細節提前做出澄清，從鑄件質量技術要求、鑄造廠的技術實力、鑄造能力、熱處理能力、機加工能力等進行綜合評判，找出可能引起質量問題的薄弱環節，采取針對性的控制措施。必要內容可在合同條款中做出約定，并重點監控。諸如鑄造工藝對砂型、鑄造砂、冷鐵的大小及布置要求，是否采用全冒口工藝或冒口的數量及具體布置，對型砂粘合劑、粘合度、砂型的質量控制要求，模擬澆鑄技術、真空脫氣技術的應用，鑄造后的保溫時間，熱處理爐燃料類別，爐內測溫點數量，熱處理（正火、回火的階段和次數），焊補工藝，關鍵工序的控制點，檢驗的內容、范圍及標準等級要求，包裝規范等。

（2）訂貨周期考慮一定的緩沖時間，加強生產制造計劃的制訂與監督實施，為有序生產創造條件。在合同訂單簽約環節，除考慮鑄件的合理生產制造周期外，還應有一定的緩沖時間，以從容應對因各種原因造成鑄件重新熱處理、質量返修，甚至重新鑄造而產生的時間損失。另外，訂單下達后也應督促供應商及時編制合理的生產制造計劃，并加強對計劃的實施跟蹤，同時在關鍵節點上進行監督和控制，確保產品在質量合格的條件下能夠按期交貨。

（3）制訂科學的制造工藝規程和質量控制計劃，加強全流程控制。供應商應在充分了解客戶質量技術要求的前提下，制訂科學嚴謹的鑄造、熱處理、機加工工藝規程和質量控制計劃，明確具體操作要求、質量控制環節、檢查要求和內容，加強生產制造的全過程控制，避免事后檢查發現不可挽回的質量缺陷造成拒收或報廢。必要時，在供應商生產準備階段，總承包商可對其做進一步的質量技術交底和澄清，在生產制造過程中參與檢驗控制。質量控制計劃應重點規定和明確粗加工狀態和精加工狀態的各項檢查。粗加工狀態的檢查一般包括：外觀檢查、尺寸檢查、機械性能測試、超聲波探傷檢查、硬度檢查等。精加工狀態的檢查指鑄件最終尺寸加工到設計尺寸時進行的各項查，檢查項主要包括：外觀檢查、粗糙度檢查、磁粉探傷檢查、硬度檢查、尺寸檢查等。需要強調的是所有檢測儀器和量具在使用前，應進行標定、校驗或校正，有計量檢定要求的量具需在檢定合格期內。

在此基礎上，鑄造廠在熔煉環節需做好精準的化學成分配比和鑄件熱處理控制，其對機械性能、硬度起決定性作用。機械性能測試要求，一般是每一個獨立鑄造部件做一組拉伸測試、三組沖擊測試，并對試樣和鑄件本體做硬度檢測。機械性能試樣要確保是從鑄件本體上切割下來，且要求與鑄件本體同爐熱處理。力學性能試驗的切割、加工和試驗可作為質量控制的見證點，試樣要留有樣沖標記。

熱處理過程中，要嚴格遵循熱處理工藝規程要求，尤其是在熱處理的溫度、時間上的控制，防止熱處理不徹底，造成精加工后的儲存和物流運輸中應力進一步的釋放而造成產品的變形，給后續安裝造成難度，甚至因尺寸超差導致產品報廢。

超聲波探傷檢查時，應客觀、公正，嚴格遵循超聲波探傷工藝規程和質量驗收等級標準，探傷掃查時要求探頭有10%～15%的掃查重合，以確保探測區域的全面掃查。在超聲波探傷時，應盡量選用盲區小的探頭，必要時可采用橫波斜探頭輔助檢查。針對輪帶、托輪、大齒圈的外圓面還可采用雙晶探頭以更高的靈敏度進行全面掃查，以有效檢測經進一步加工可能呈現出來的淺表缺陷，并提前評判缺陷，制訂處理方案予以返修。缺陷評定時要考慮到加工余量：缺陷深度小于加工余量時可不預考慮；缺陷深度大于加工余量時按標準評定；缺陷深度在加工余量附近時要增加特殊規定，慎重處置。

因鑄件粗加工后一般保留10～15mm的加工余量，超聲波探傷探頭自身有一定的盲區，磁粉探傷有一定的探傷深度限制（采用交流磁化的便攜式磁粉探傷儀有效探測深度一般為3 mm以內，采用半波直流磁化的磁粉探傷儀有效探測深度可達8 mm），對淺表缺陷的探測均有一定的局限性。為確保或降低精加工后表面或近表可能出現的超標缺陷，建議在半精加工環節增加一次外觀、尺寸、硬度、磁粉探傷檢測，該環節檢查時可采用半波直流磁粉探傷，最大限度的發現鑄件表面或淺表的潛在超標缺陷。該環節所測缺陷一般較小，可采取小范圍補焊處理，同時進行熱處理。半精加工檢查時，通常留4～6 mm的加工余量。具體所有加工余量大小，除了受磁粉探測深度的影響外，還與工件尺寸、熱處理溫度，工廠對鑄件在熱處理過程中變形控制能力有關。

精加工后鑄件在吊裝過程中應注意做好防護，避免用鋼絲繩與鑄件機加工面直接接觸造成表面劃痕和破損，同時應做好防碰撞和防腐蝕的包裝防護措施，避免在儲存、運輸（包括遠洋海運）中可能造成的鑄件腐蝕、破損。貨物抵達項目現場后除了按要求做好各項防護措施外，針對尺寸大、精度高的部件（如大齒圈）要注意合理的包裝和防護，存放時底部支墊物要均勻受力，避免因不合理包裝和支撐導致在運輸和存放過程中導致變形。

2.2 出現問題的處理

（1）外觀質量不合格：①多肉缺陷和缺肉缺陷。多肉缺陷若存在于機加工表面，可經機加工方式進行去除，若存在于大齒圈、磨盤等鑄件的非機加工面可用鏟、磨、沖切等方法去除。缺肉缺陷可依據尺寸大小，在粗加工階段進行焊補修復處理，焊補應嚴格遵循焊補工藝規程，并做焊后熱處理。②肉眼可見的砂眼、氣孔、裂紋、夾渣缺陷。根據缺陷的性質、大小、位置及驗收標準進行綜合評判，可采取不處理、圓滑打磨過渡、焊補等方式進行處理。③粗糙度不達標。一般采取打磨或機加工的方法滿足設計要求。

（2）機械性能不達標。鑄件機械性能除受自身化學成分的影響之外，還與熱處理有關。若機械性能不達標，在粗加工階段可依據材質和鑄件規格尺寸做二次熱處理，對鑄件晶體組織進一步細化，均勻鋼的組織和成分，提升機械性能。在熱處理過程中要合理布置熱源，與其它工件同爐擺放時，充分考慮到在加熱和冷卻過程中因受其它工件的影響以及鑄件自身的溫差過大，可能造成的鑄件內部晶粒粗大、力學性能不達標、硬度不均勻的情況出現。

（3）超聲波探傷不合格。鑄件晶粒粗大的原因很多，因成分而引起晶粒粗大的鑄鋼件，可通過退火或正火處理使晶粒得到細化。正火與退火相比，操作簡便，周期短，能量消耗少，退火往往會降低鑄件硬度，所以一般選用正火處理。

超聲波探傷發現超出驗收等級的內部缺陷，一般要對鑄件的重要程度、缺陷的位置、大小、性質（線性缺陷、體積型缺陷）、交貨期進行綜合評判，有條件返修處理的，需進行焊補處理。缺陷焊補要根據鑄件材質、缺陷位置、缺陷大小制訂針對性的焊補工藝規程，輔以必要的熱處理措施和檢查。當采用碳弧氣刨清除缺陷時，因其溫度高，清除鑄件缺陷后，鑄件瞬間溫差很大，遺留區域會形成硬層，應對其進行打磨后再補焊。焊后焊接區域溫度較高，容易在熔合線區域出現冷縮所致的裂紋，應通過錘擊的方式抑制收縮，直至冷卻。對于點狀缺陷及小面積缺陷建議用銑頭清除，或磨光機加水打磨，可采用冷焊，但需注意短段、錘擊和小電流焊接。大面積和有一定深度的缺陷焊補前應開坡口，焊補后采用整體回火處理，小面積的缺陷可采用局部回火保溫處理。

無法進行返修的缺陷，必要時應進行有限元分析，如無法讓步接收的鑄件需重新鑄造。若不影響部件的安全性和正常使用，可出具不合格報告并向客戶做出質量擔保，同時做好缺陷標記，諸如圖號、生產單號、鑄造號、缺陷大小和位置的三維尺寸、缺陷的性質。在生產線使用過程中定期監測超標缺陷是否有延展性的變化。

（4）磁粉探傷不合格。針對精加工檢查可能出現的質量問題，在粗加工狀態應做好預判性的檢查，一旦某項檢查測試數據或檢查結果不符合要求，還可以采取有效的措施予以修正。針對不同的鑄件缺陷，除了可通過機加工、熱處理等措施消除外，相關鑄件標準允許對一定尺寸大小和深度的缺陷在粗加工環節采取焊補修復處理。但要對焊補區域、熱熔區及周邊母材區域的硬度偏差進行控制，尤其是針對輪帶、托輪、擋輪的工作面以及齒面的硬度，防止補焊區域硬度偏高造成在運轉過程中碾壓脫落[3]。基于此，在鑄件精加工后一般不允許進行補焊處理，尤其是針對工作接觸面的補焊。但可根據買賣雙方或經客戶同意，對小面積的淺表缺陷進行圓環打磨過渡處理，并用磁粉探傷檢測確保缺陷徹底清除。

2006年由我公司同時實施的沙特和摩洛哥兩個EPC工程總承包項目，回轉窯托輪、輪帶均由國內同一個廠家制造生產，精加工后的檢查也在同一周進行，由于業主/咨詢公司的要求不同，使用過程中出現了兩種迥然不同的結果。沙特項目的兩件托輪在精加工后磁粉探傷時發現外圓面存在幾處淺表夾渣缺陷，為使業主對外觀質量滿意，咨詢公司的質量檢查人員堅持要求對缺陷進行清除，審核焊補工藝規程并親自見證和指導了具體的焊補修復過程，磁粉探傷和著色滲透探傷復查合格后發運至現場安裝，但托輪在運轉不足3個月的時間內，焊補區域就出現了塊狀脫落。摩洛哥項目的托輪和輪帶在精加工磁粉探傷檢查時也同樣發現多處夾渣、氣孔缺陷，在業主工程師代表的要求下對缺陷進行了圓滑打磨過渡處理，其中一條輪帶的外圓工作面打磨后呈現50余處大小不一的凹坑，但至今已正常運轉13年未出現任何質量問題的反饋。

（5）硬度不合格。在粗加工后的檢查發現硬度值不達標或硬度值偏差過大，可采取二次熱處理的方式進行修正。一般在精加工后，對硬度無法做進一步的處理。有個別供應商在精加工后發現托輪或輪帶等鑄件的硬度不達標，采用機械輥壓的方式提高硬度，這種方式只能提高鑄件表層的硬度，屬于應對客戶檢查的不當舉措，應特別引起注意。表面硬度偏低往往影響鑄件的正常使用壽命，尤其是針對大齒圈的齒面硬度，低于設計要求指標時，負載運行會加快正常磨損。精加工后若發現硬度不合格，當工作面存在硬度偏差過大時，在后續使用過程中會出現接觸磨損不均勻，造成振動或使用壽命的縮短，甚至引起質量事故。處置措施一般是根據硬度偏差對部件的安全可靠及使用壽命的影響程度進行綜合評估，常做報廢處置、出具不合格報告和延期質保后讓步接收或折價接收等。

（6）尺寸超差。對于有裝配公差精度要求的尺寸超差，如托輪內孔尺寸超差的問題，需通過托輪軸的后續加工進行公差配合，確保最終的裝配公差符合設計的過盈配合要求。建議先加工托輪內孔等公差控制難度大部件，再加工托輪軸外徑等公差控制相對容易的部件，一旦檢查發現托輪內孔尺寸超差，可通過托輪軸的加工控制予以修正，從而滿足設計的公差配合。

對沒有裝配公差要求的尺寸超差，如我公司阿塞拜疆項目托輪加工中扎刀造成的外徑尺寸減小問題，需進行技術評估并與客戶積極溝通。該項目是總承包商與業主進行技術溝通后，業主同意在出具NCR報告的條件下允許托輪發貨和安裝，同時通知項目現場安裝施工人員在托輪標高找正時，注意托輪的實際外徑尺寸。

3 結語

綜上所述，水泥機械設備大型鑄件質量問題普遍，影響因素多，控制難度大，需要緊密圍繞客戶質量需求和工程項目的實際需要，全流程、多維度采取控制和預防措施，多方面協調配合，將質量管理與風險管理有機結合起來，確保項目順利實施和設備可靠運行。