干燥機滾圈斷裂修復實踐與研究

裴繼華，李曉峰

（金川集團公司銅業公司裝備能源部，甘肅金昌 737100）

0 引言

金川集團股份有限公司合成爐干燥機是合成爐系統關鍵設備，設計處理能力135 t/h，規格Φ4.2 m（筒體直徑）×17 m（長度），總重374 t，筒體轉速0.71～2.36 r/min，順流進料。干燥熱能是利用余熱鍋爐的蒸汽進入分布在干燥機內的管道散發出的熱量干燥原料，換熱面積1400 m2。

滾圈是干燥機旋轉支承重要部件，尺寸Φ4200 mm（內徑）×220 mm（厚度）×700 mm（寬度）。2014 年12 月19 日，合成爐干燥機滾圈踏面開裂，裂紋部位見圖1。外踏面縫隙寬度約20 mm，內徑表面1～2 mm，斷面裂透。緊急修復后，同一部位又出現裂紋。為盡快修復好該設備，梳理出以下關鍵點：①搶修失敗問題；②分析斷裂原因；③確認滾圈材料；④制定合理檢修方案；⑤嚴格控制檢修質量和檢修時間。

圖1 干燥機滾圈踏面開裂

1 搶修失敗原因

第一次搶修用時48 h，使用不到3 天即發現裂紋。分析失敗原因有：①坡口切割不合理；②坡口切割面沒有處理；③選擇焊材有問題；④焊接過程未對母材加熱；⑤焊后沒有消除應力。

1.1 坡口

為加快搶修進度，第一次打坡口用水焊切割，外徑面坡口寬尺寸50 mm，底部30 mm，預留20 mm 沒有切透，220 mm 厚的滾圈，坡口打成不規則的梯形。由于外口太小，坡口200 mm 深，焊接時焊接工具施展不開，結合面焊接強度不足。

1.2 坡口切割面沒有處理

坡口用水焊切割后表面比較粗糙，積累厚厚一層氧化層，坡口小，磨削工具伸不進去，無法磨掉，只用扁鏟簡單處理。焊材和母材之間有一層氧化層，阻止焊材和母材有效結合。

1.3 選擇焊材

對滾圈材料沒有確認，采用CO2氣體保護焊，焊絲用高強不銹鋼焊絲，性能超過母體。焊接后，滾圈在運行過程中夾帶一塊大硬疤運轉。

1.4 焊接忽略環境溫度

焊接時，環境溫度在-8 ℃，沒有對母材加熱，焊材收縮快和母材不易熔合，焊材與母材之間形成較大的應力。

1.5 焊后應力未消除

寬700 mm、厚220 mm 滾圈，切割坡口用時24 h，處理坡口用時4 h，焊接用時20 h，整體焊接快，沒有做應力消除，就進行使用。

2 滾圈材料確認

該滾圈系統投產初期已經發生過斷裂。斷裂后緊急找到其他廠家的備用滾圈加工后投入使用，因無正規設計圖，故不知道材料。經查，設計滾圈一般采用ZG310-570（ZG45），正火處理后外表面的硬度不低于170 HB。托輪、擋輪采用ZG340-640（ZG55），托輪外表面硬度≥190 HB。但目前國內滾圈多采用ZG35SiMn，表面調質硬度≥156 HB，托輪、擋輪多采用ZG35Cr－Mo，也可用ZG42CrMo，硬度一般≤217 HB。為準確分析材料，在滾圈側面光潔處不同部位鉆孔取樣2 份化驗，通過化驗成分推測，確認該滾圈材料為ZG42CrMo。

3 滾圈斷裂原因分析

2005 年12 月，該滾圈安裝使用。其間滾圈內表面出現過兩道疲勞裂紋，進行過焊補。分析開裂原因有：①鑄造缺陷及疲勞損壞；②材料選擇問題；③負荷過大。

3.1 鑄造缺陷與疲勞損壞

大直徑滾圈在加工制造時多存在一定缺陷，澆鑄后要進行修補。故障滾圈是2005 年應急加工，澆鑄時存在氣孔、夾渣及內部冷裂紋等缺陷。表面修補車削后，檢驗發現有一定缺陷，沒有進一步消除就直接安裝到干燥機，也沒有進行加工后時效處理。鑄件在凝固和冷卻過程中產生的內應力會造成運行時滾圈局部開裂，長期使用缺陷進一步增大。疲勞損壞和內部缺陷的雙重作用是造成滾圈截面斷開的原因之一。

3.2 材料選擇問題

滾圈的作用是支承筒體轉動，材料要求表面熱處理后硬度高、耐磨損，芯部韌性好、抗沖擊。ZG42CrMo 屬于超高強鑄鋼，淬火時變形小；在高溫環境下使用，有高蠕變強度和持久強度。檢測截面尺寸250～400 mm 鑄件熱處理調質后，抗拉強度σb=650～800 MPa、屈服強度σs=350 MPa、延伸率δ=8%、沖擊強度Akv（ISO）=9.6 J、硬度220～260 HB。使用的滾圈截面尺寸達到700 mm，延伸率更小，沖擊強度Akv（ISO）約在7.2 J，ZG310-570（ZG45）沖擊性能Akv≥15 J 是ZG42CrMo 材料的一倍多。干燥機正常生產處于運行狀態，托輪表面硬度大于滾圈。調整干燥機上行力時，托輪與滾圈結合面撒上的干灰夾帶一些硬顆粒，以及擋輪對滾圈的作用力，均會造成滾圈應力集中，損壞滾圈。干燥機運行時滾圈溫度基本在常溫狀態，發揮不出ZG42CrMo 耐高溫金屬的特性。這種材料的滾圈用在轉爐和陽極爐上較多，轉爐和陽極爐生產時其處于100～300 ℃環境，多數時間是靜止狀態，轉動頻率少，還是往復轉動，沖擊概率小，爐體承擔載荷大，適用于這種材料的特性。2013 年，公司3#陽極爐滾圈（材料）也出現過整體斷裂，說明干燥機選擇ZG42CrMo 也是滾圈斷裂的原因之一。

3.3 負荷過大

干燥機設計生產能力135 t/h（H2O=10%濕精礦），合成爐技術改造后處理能力提高到165 t/h（H2O≤3%干精礦）。配套的干燥機沒變，而要求處理濕精礦能力提高到170 t/h 以上，才能滿足下道工序生產，處理量增加35 t/h，也是滾圈斷裂的原因之一。

4 再修復方案

滾圈與托輪、筒體、擋輪均存在相對轉動，要求內外徑、兩側等表面光潔、平整無阻礙，修復后強度滿足設備運行。經論證，在環境溫度-8 ℃條件下，對ZG42CrMo 采取手工電弧焊方法焊接較好。具體方案：①慎重對大尺寸零部件打坡口；②采用合適焊材；③焊接過程保持母體合適溫度；④焊接后消除應力。

4.1 坡口方案

滾圈裂紋部位轉到墊板與擋板的空隙處，位置在時鐘9時，搭上平臺，裂紋周圍搭成3 m2小房間。根據裂紋走向，采用電弧氣刨挖去裂紋，坡口打成V 形口，外部寬120 mm、底部約30 mm，呈圓弧狀，留3～5 mm 的厚度不割穿，如圖2 所示。

圖2 修復坡口

由于滾圈沒有拆卸，雖是靜止狀態，但仍受到較大負荷。為防止受熱、受力造成變形，在700 mm 寬的輪帶上分兩段切割，第一段先切割350 mm，焊補后，再切割第二段。

4.2 焊材選擇

要選擇合適焊材，消除母材的焊接性缺陷，就要對母材進行詳細分析。ZG42CrMo 的化學成分：C 是0.38%～0.45%，Si 是0.3%～0.6%，Mn 是0.6%～1%，S 和P 均≤0.035%，Cr 是0.9%～1.2%，Ni 和Cu 均≤0.03%，Mo 是0.2%～0.3%。

4.2.1 焊接性分析

ZG42CrMo 焊接性能極差，存在冷、熱裂紋和過熱區脆化等問題。

（1）焊接熱裂紋分析。ZG42CrMo 含碳量高，在焊接過程中，母材金屬的一部分要熔化到焊縫金屬中，導致焊層金屬含碳量增高。焊縫凝固結晶時，結晶溫度區間大，偏析傾向也較大。而且受含硫雜質和氣孔的影響，容易在焊層金屬中引起熱裂紋。特別是在收尾處，裂紋更為敏感。熱裂紋的特征是裂紋垂直于焊縫魚鱗狀波紋，呈現不明顯的鋸齒形，但也有沿焊縫金屬與基體金屬交界處發展產生。為防止產生熱裂紋，要求采用低碳鋼焊絲，一般含碳量在0.15%以下。

（2）焊接冷裂紋分析。ZG42CrMo 在500 ℃以下過冷奧氏體具有較高的穩定性，因而淬硬傾向較為明顯。中碳調質鋼的馬氏體轉變溫度一般都很低，在250 ℃以下。低溫形成的馬氏體，難以產生“自回火”效應，且含碳量高的馬氏體，其硬度和脆性更大，冷裂紋傾向較為嚴重。根據國際焊接學會推薦的碳當量公式Ce=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，可知，ZG42CrMo 碳當量最大為0.92，具有較高的淬硬和冷裂紋敏感傾向。因此，焊接過程中易出現冷裂紋。

（3）過熱區的脆化。由于ZG42CrMo 調質鋼的淬硬性大，在過熱區易產生硬、脆的高碳馬氏體，冷卻速度越快，產生的馬氏體數量也就越多，脆化也越嚴重。

4.2.2 焊接材料

分析母材滾圈，認為焊接材料應選擇碳含量較低的焊條，J507 較為合適。J507 化學成分：C 是≤0.12%，Si 是0.4%，Mn 是1.3%，S 是≤0.35%，P 是≤0.04%。J507 力學性能：抗拉強度490 MPa，屈服強度410 MPa，延伸率δ≥22%，沖擊功是47 J。焊條使用前經250～300 ℃烘干4 h，焊接過程焊條保存在保溫筒內，隨用隨取。

4.3 滾圈預熱方案

根據母材特性，切割與焊接過程將母材加溫，保持溫度在100～200 ℃，方法是在滾圈圓周上均勻3 點架設焦碳爐加溫，爐子用普通鋼板焊接到干燥機筒體上，中間騎跨到滾圈上，焦碳火直接與滾圈接觸，距裂紋最近的爐子在裂紋上方200 mm 處。

4.4 焊接應力消除方案

焊接完成后，在焊縫區域溫度不低于200 ℃時，立即使用5把烤槍對焊縫兩側300～500 mm 部位進行加熱升溫，升溫速度控制在80 ℃/h。升溫至400～450 ℃時，恒定保溫4 h，然后蓋上生石灰、保溫棉對加熱區域和焊縫區域實施緩慢降溫。

5 滾圈修復過程與質量控制

5.1 坡口切割

焦碳爐對滾圈加溫，選用靈敏度高、精度好的紅外測溫槍檢測母材溫度。當滾圈外表面溫度達到120 ℃時開始切割，根據坡口方案，用電弧氣刨追尋母材上出現的裂紋切割，挖出所有缺陷，預留底部3～5 mm 以便堆焊，如圖3 所示。

圖3 坡口切割

5.2 第一段坡口焊接

第一段坡口打好后，確認滾圈焊接區域表面無油污、銹蝕和毛刺，表面滲碳層已去除，焊接材料干潔。先用Φ4 mmJ507 焊條打底，電流控制在150～180 A。稍高電弧 穿 透 底 部3～5 mm 的 裂縫，整個底部焊接一層。使用風鏟清渣，振動清除應力，檢查滾圈內表面是否焊平，用電弧氣刨刨去一道焊層，檢查焊接質量，確認無問題后，再焊接第二層。為加快進度，焊接第二層用Φ5 mmJ507 焊條。

焊接采用多層多道焊接方式進行施焊，每層焊接厚度不超過4 mm，上層焊道壓住下層焊道的1/2～2/3。每層焊接后用風鏟錘擊焊道表面，由中間向側面方向錘擊，去除焊渣，消除焊接應力。焊道橫向由里向外向上排列施焊，焊接過程連續進行。第一段焊接留下30°坡口接茬，以備下一段焊接時結合，確保整體質量。層間溫度控制在330～370 ℃，檢查每層焊道，若存在裂紋、氣孔、弧坑未填滿等缺陷，及時處理。

5.3 第二段坡口焊接

第一段焊接到滾圈1/2 厚度時停止焊接，用電弧氣刨切割另一段焊層，完成后進行第二段焊接。每層焊道壓住第一段坡口接茬，待焊接厚度與第一段平齊后，采取兩人同步焊接。方法是兩人同時打弧，結合處交替施壓焊道，焊接速度提高1 倍，更好保證焊接質量。

5.4 焊接余應力消除與表面打磨

焊接完成后，按4.4 焊接應力消除方案消除殘余應力。待溫度降至常溫后，焊口表面打磨光潔，經檢測，焊接質量符合使用要求，系統恢復正常生產，滾圈修復成功，修復過程用時85 h。

6 結論

（1）設計滾圈備件時，應根據設備運行環境和受力情況，在滿足使用條件下選擇材料，即芯部有較好的韌性、表面有較高的硬度、抗耐磨性。例如，ZG310-570（ZG45）、ZG35SiMn，不能參照轉爐、陽極爐滾圈選取材料，并非越貴越硬的材料就是好材料。

（2）焊接大型零部件，在負荷沒有卸載條件下，為確保部件尺寸不發生形變，坡口切割一定要分段進行，不可整體切斷。

（3）對中碳調質鋼ZG42CrMo 材料，采用手工電弧焊方法進行堆焊，首先要選擇合適的焊接材料。實踐證明，選用力學性能綜合指標均較母材性能低的焊條，效果較為理想。

（4）為防止ZG42CrMo 材料焊接出現的冷、熱裂紋，在嚴寒的冬季，坡口切割及焊接前工件應進行預熱，減少應力集中。焊接過程中控制好層間溫度和焊后的熱處理殘余應力消除，是保證焊接質量的關鍵。采用合理的焊接工藝，可以使手工電弧堆焊質量滿足設計使用要求。

（5）焊接修復后的滾圈不可長期維持使用，需立即著手準備備件，適時更換。