燒結(jié)機(jī)大型星輪齒板焊接修復(fù)技術(shù)

盧長(zhǎng)春， 張顯輝

(中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司,上海 201999)

0 前言

燒結(jié)機(jī)是將鐵礦粉、石灰等加熱燒結(jié)成有足夠強(qiáng)度和粒度的燒結(jié)礦，作為煉鐵的熟料，燒結(jié)熟料對(duì)于提高高爐利用系數(shù)、降低焦比、提高高爐透氣性，保證高爐運(yùn)行均有重要意義[1-2]。燒結(jié)機(jī)頭部的星輪齒板是燒結(jié)機(jī)的核心部件，齒板由于長(zhǎng)期在高溫、多塵、重負(fù)荷下運(yùn)行，齒板的表面容易磨損，齒板磨損后如不及時(shí)更換容易造成臺(tái)車(chē)跑偏、啃軌等問(wèn)題[3-5]。星輪齒板使用3～4年后就磨損到不能使用了，需要同時(shí)更換兩側(cè)的齒板才能使設(shè)備恢復(fù)正常[6-7]。目前各鋼廠通常采用新齒板更換磨損的舊齒板，整體更換齒板不僅材料成本高，而且更換過(guò)程需要投入大量人工，并需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間[8]。該文擬采用在線堆焊修復(fù)星輪齒板的方法達(dá)到降本增效的目的。

1 星輪齒板的特征及其修復(fù)難點(diǎn)

1.1 星輪齒板的化學(xué)成分及力學(xué)性能

星輪齒板材質(zhì)為50Mn2，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。50Mn2具有較高的強(qiáng)度，但塑韌性較差。為了滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，齒板咬合面洛氏硬度控制在40～50 HRC，修復(fù)前50Mn2齒板咬合面實(shí)際硬度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

1.2 星輪齒板的結(jié)構(gòu)形式及磨損部位

星輪齒板直徑約5 m，厚度130 mm。整個(gè)設(shè)備是由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的齒板組成，齒板帶著臺(tái)車(chē)運(yùn)行，長(zhǎng)期的運(yùn)行導(dǎo)致齒板磨損，星輪齒板結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，磨損部位見(jiàn)如圖2所示。

表1 星輪齒板50Mn2鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 星輪齒板50Mn2鋼的力學(xué)性能

表3 星輪齒板咬合面硬度測(cè)量值 HRC

圖1 星輪齒板結(jié)構(gòu)形式

1.3 齒板焊接修復(fù)的難點(diǎn)分析

齒板材料50Mn2屬中碳調(diào)質(zhì)鋼，按照國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算，其碳當(dāng)量為0.767，焊接熱影響區(qū)極易產(chǎn)生硬脆的馬氏體，焊接時(shí)很容易產(chǎn)生冷裂紋，為了防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊接過(guò)程需要采取焊前預(yù)熱和焊后熱處理等工藝措施[9-11]，然而燒結(jié)機(jī)齒板的尺寸龐大，且周邊空間受限，現(xiàn)場(chǎng)難以進(jìn)行有效的預(yù)熱和焊后熱處理，如何防止焊接修復(fù)過(guò)程中冷裂紋的產(chǎn)生是齒板修復(fù)的最大難點(diǎn)。

圖2 星輪齒板磨損部位

齒板咬合面工作硬度需控制在40～50 HRC，才能達(dá)到耐磨要求。新齒板制作時(shí)50Mn2鋼經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度可達(dá)到45～50 HRC，但齒板焊接修復(fù)之后，即使采用同材質(zhì)焊材，由于無(wú)法做焊后調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度也難以達(dá)到使用要求。

燒結(jié)機(jī)星輪齒板修復(fù)時(shí)焊接位置處于仰焊位置，且空間狹小，焊工操作難度較大。

2 焊接材料及焊接方法選擇

由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無(wú)法進(jìn)行預(yù)熱，如果選用同質(zhì)焊材，焊接過(guò)程中難以防止冷裂紋的產(chǎn)生，而且由于無(wú)法進(jìn)行焊后調(diào)質(zhì)處理，修復(fù)的齒板齒面硬度也難以達(dá)到使用要求；如果采用奧氏體不銹鋼焊材，根據(jù)舍勒夫圖，按照焊條電弧焊20%的稀釋率計(jì)算，焊縫金屬不能獲得防止冷裂紋產(chǎn)生理想的“奧氏體”組織，且?jiàn)W氏體不銹鋼焊縫強(qiáng)度較低，其硬度根本達(dá)不到齒板齒面的工作硬度。通過(guò)計(jì)算分析，該項(xiàng)目選用ENiCrMo-3焊條進(jìn)行焊接修復(fù)，焊條熔敷金屬成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表4、表5。由于該焊條Cr，Ni成分較高，在正常的工藝條件下焊接，焊縫組織具有優(yōu)良的抗冷裂性能，且焊縫金屬抗拉強(qiáng)度達(dá)到800 MPa，焊縫硬度有望接近齒板要求的工作硬度，同時(shí)該焊條的使用工藝性良好，適用于進(jìn)行位置狹小、仰焊位置的焊接。

表4 ENiCrMo-3焊條熔敷金屬成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表5 ENiCrMo-3焊條熔敷金屬的力學(xué)性能

3 星輪齒板的焊接修復(fù)工藝要點(diǎn)

3.1 樣板制作

采用薄鐵皮制作標(biāo)準(zhǔn)樣板如圖3所示，使用該樣板可以方便找到磨損齒板需要的堆焊位置[10]。

圖3 星輪齒板標(biāo)準(zhǔn)樣板

3.2 焊前準(zhǔn)備

焊接前用四氯化碳清除待修復(fù)齒板表面油脂，再用磨光機(jī)打磨清除星輪齒板和臺(tái)車(chē)長(zhǎng)期接觸碰撞而產(chǎn)生的硬化層，以防止硬化層焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致堆焊層脫落。

3.3 焊接工藝參數(shù)

堆焊時(shí)要盡量用較小的焊接電流，以減小熔合比，從而得到較好的金相組織。第一層、第二層采用φ3.2 mm焊條，填充層和表面層選用φ4.0 mm焊條。焊接時(shí)注意控制焊接熱輸入，在焊條運(yùn)條上采用直線不擺動(dòng)運(yùn)條，以增加焊接速度,打底層采用直線不擺動(dòng)運(yùn)條，不宜采用鋸齒形運(yùn)條，打底焊道熱輸入控制在8 kJ/cm以下、填充蓋面焊道熱輸入控制在10 kJ/cm左右比較理想。采用小熱輸入多道多層焊技術(shù)，利用后焊道對(duì)前焊道起到退火作用，改善焊縫組織性能。星輪齒板修復(fù)的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表6。

3.4 焊接修復(fù)其它注意事項(xiàng)

焊接道間溫度控制在100～250 ℃之間，焊接中途不停歇，直到一個(gè)齒面焊接完成；第一層堆焊完畢，清渣后用鐵錘錘擊堆焊焊縫使其產(chǎn)生塑性延伸，減小焊接熱應(yīng)力，第4層后可以不用錘擊焊道；焊接過(guò)程中用樣板測(cè)量堆焊層的高度，堆焊層高度需要比原齒板高度高約1 mm左右。

表6 星輪齒板修復(fù)的焊接參數(shù)

4 焊后檢驗(yàn)

4.1 外觀檢驗(yàn)

齒板修復(fù)完后，首先用樣板檢查堆焊尺寸是否符合標(biāo)準(zhǔn)，再檢查焊縫外觀有無(wú)飛濺、夾雜、氣孔、未熔合等缺陷。

4.2 探傷檢驗(yàn)

外觀尺寸檢查合格后進(jìn)行著色探傷，檢測(cè)是否存在裂紋。確定沒(méi)有裂紋，再用角向砂輪機(jī)修磨焊縫余高使其與樣板尺寸相符合。

4.3 硬度檢測(cè)

將堆焊修復(fù)后的齒板打磨平整光滑后進(jìn)行硬度檢測(cè)，沿齒板厚度方向間距20～30 mm選3條測(cè)試線，每條測(cè)試線上每隔10～15 mm測(cè)試一點(diǎn)，共測(cè)6點(diǎn)硬度，硬度測(cè)試如圖4所示，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。可見(jiàn)，堆焊修復(fù)后齒板咬合面平均硬度42～43 HRC，達(dá)到原設(shè)備齒板調(diào)質(zhì)后的硬度，可以滿(mǎn)足星輪齒板的工作硬度要求。

圖4 堆焊層硬度檢測(cè)

表7 齒板修復(fù)后堆焊層硬度實(shí)測(cè)值 HRC

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)價(jià)值

修復(fù)后星輪齒板在燒結(jié)機(jī)上使用，使用壽命達(dá)到了17個(gè)月，與更換新齒板相當(dāng)，證明該修復(fù)工藝能夠滿(mǎn)足星輪齒板的耐磨性能要求。在經(jīng)濟(jì)性方面，如果更換新的齒板，國(guó)產(chǎn)齒板約43萬(wàn)，進(jìn)口齒板約87萬(wàn)元，而采用該修復(fù)技術(shù)材料費(fèi)用僅為2.8萬(wàn)元，同時(shí)采用該技術(shù)可節(jié)約工時(shí)約20 h，由此所創(chuàng)造的產(chǎn)值更為可觀。

6 結(jié)論

(1) 通過(guò)合理選擇焊接材料、控制焊接熱輸入和熔合比等工藝措施，實(shí)現(xiàn)了受磨損星輪齒板的在線修復(fù),焊接修復(fù)后的星輪齒板硬度及耐磨性能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

(2) 燒結(jié)機(jī)頭星輪齒板在線修復(fù)，節(jié)約了設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、顯著降低了人工費(fèi)用，達(dá)到了降本增效的目的。