105m2燒結鼓風機葉輪磨損狀況分析及修復

歐勇，湯弼華

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

燒結鼓風機作為燒結機配套的主抽煙機，屬于離心式鼓風機，在進行含塵濃度較大、溫度較高的燒結煙氣輸送時，葉輪的葉片和輪盤沖蝕磨損嚴重，每次非計劃性檢修次數不斷增加，影響生產的正常運行。因此，解決風機葉輪磨損，減小風機振動，是提升燒結鼓風機效率的當務之急。

2 燒結鼓風機的技術參數

燒結車間的105m2燒結機2000年投入使用，主風機為雙吸結構離心鼓風機，型號SJ12000，重量7.59t，工作負壓16.66kPa，進口溫度150℃，進口密度0.754kg/m3，進口流量12000m3/min，轉子直徑2510mm，轉速1500r/min，電動機功率4000kW。當振動＞4.5mm/s時報警；振動＞5.5mm/s時自動停機。

3 燒結鼓風機葉輪磨損狀況分析

3.1 鼓風機前工序多管除塵器工作狀況

105m2燒結鼓風機設計時，要求配置的924多管除塵器出口含塵濃度應＜120mg/m3，但2021年1月檢測結果為210mg/m3。由于粉塵濃度超標嚴重，因此多管除塵效率非常差，不能滿足主風機運行工況要求。

3.2 燒結鼓風機葉輪的磨損情況

風機葉輪采用雙吸結構，葉輪輪轂材質為35CrMo鍛件，葉片和輪盤材質為Q355C。因其長期處于高負壓、大風量的工作狀態，輸送的介質為燒結煙氣，含塵量大。由于前工序多管除塵效率非常差，粉塵濃度超標嚴重，所以高溫燒結煙氣中的粉塵對葉輪進行沖刷，造成葉片和輪盤沖蝕磨損嚴重。葉輪局部磨穿后，煙氣進入穿孔部位，造成紊流，擾亂氣場，使葉輪失去平衡，導致鼓風效率降低和風機振動增大。

3.3 燒結鼓風機葉輪的磨損原因分析

通常根據磨損方式來說，磨損分為磨料磨損、粘著磨損、沖蝕磨損、表面疲勞磨損及腐蝕磨損5種。

燒結鼓風機葉輪運行過程中，葉輪表面長時間處于高溫高粉塵煙氣的氛圍，煙氣經過葉輪時，由于煙氣中含有CO、SO2等具有腐蝕性的活性氣氛，腐蝕性高溫煙氣與葉輪表面發生化學反應，生成腐蝕薄層，所以在沖蝕磨損的過程中被剝離，露出新的表面，又被腐蝕、沖蝕、剝離，周而復始。

鼓風機前工序的多管除塵器，除塵效果差，導致煙氣中的粉塵濃度遠大于設計值，鐵礦粉中強度、硬度較高的SiO2、CaO等顆粒進入鼓風機，高溫氣體夾雜著細微顆粒沿葉片壁面流動、沖擊，使葉輪磨損量越來越大。綜上所述，燒結鼓風機葉輪屬于沖蝕磨損。

鼓風機為雙吸式結構，兩側風門開啟角度不一致，進入鼓風機葉輪的煙氣沒有相對均勻地分布在葉盤表面，而是集中在中盤兩側貼附繞流，從而形成過流部位。高速氣流攜帶高溫煙氣，被高速旋轉的葉片加速，不斷沖刷中盤兩側葉片根部，將加劇沖蝕磨損進程，嚴重部位穿孔形成薄刃狀，此處角磨損缺失，導致裂紋的產生（見圖1、圖2）。

圖1 中盤根部薄刃狀穿孔

圖2 出風口薄刃狀磨損

4 焊接修復思路

4.1 風機葉輪修復難點

（1）原始裂紋多 葉片的原始堆焊層與葉輪母材的焊接屬于異種金屬的焊接，在第一次修復中，在堆焊層的磨損表面發現較多裂紋。

（2）葉片新增焊縫熔合區的冷裂紋傾向大 耐磨焊接材料的Cr、Mn、Mo等合金元素含量高，焊縫金屬為貝氏體或馬氏體組織，硬度高、脆性大；耐磨材料與Q355C低合金鋼表面的焊接，屬于異種金屬的焊接，堆焊成分與母材成分相差較大，且線膨脹系數比低合金鋼大，熱導率卻比低合金鋼小，因此焊接過程中焊縫的急劇加熱和冷卻會產生較大的熱應力，從而導致裂紋的產生。

（3）堆焊金屬易產生熱裂紋和冷裂紋 耐磨堆焊金屬硬度較高、塑性低，在單層和多層的堆焊中，下層母材或焊道的溫度低，對上層金屬的凝固收縮產生較大的拘束，會引起相當大的內應力，使堆焊層金屬在堆焊后的過程中容易產生裂紋（即龜裂）及剝離。葉輪輪轂材質為35CrMo鍛件，強度高，焊接性能差，裂紋傾向大，其與Q355C輪盤磨損處的焊接，屬于異種鋼焊接，在35CrMo一側的焊縫熱影響區，易形成冷裂紋。

（4）疲勞裂紋 葉輪經多次堆焊，因溫度的循環變化而產生的循環熱應力，以及風機長期高負載工作和風機高頻振動疊加，導致疲勞裂紋。

（5）焊接變形大 葉輪是一個整體，各部位相互聯系、制約，不能自由伸長和縮短，各葉片的磨損程度不同，焊接量也不同，特別是穿孔部位的焊接量較多，不均勻的加熱導致葉輪產生焊接變形；同時，葉輪抵抗變形產生的拘束應力也促使葉輪產生冷裂紋。

4.2 耐磨焊道效果分析

葉輪出廠時，用多層堆焊的方式，沿葉輪進氣道葉片的橫向每隔30mm堆焊一條厚度6mm左右、硬度為48～53HRC的耐磨焊道。一方面，由于焊道稀疏，故局部區域不足以抵抗大量高溫粉塵的沖蝕磨損；另一方面，在葉輪的外側特別是出風口，氣流加速，底層高速的粉塵煙氣入射角大，沖擊的不是耐磨焊道的上表面，而是凸起焊道的側面，造成反射角小的折流，各自形成微小的激波（見圖3），干擾上層流動的煙氣，產生紊流，減小風機的有效功率。

圖3 煙氣在凸焊道的折射

4.3 有益有效的堆焊體積

對于磨損的葉輪，如單一增加堆焊厚度，可以提高葉輪使用壽命，但會增加葉輪重量和葉片表面粗糙度，影響離心風機的流量和壓力，增加電耗。從我單位燒結鼓風機的磨損情況來看，出風口向軸心500mm的中盤兩側各50mm左右范圍，以及出風口的寬度方向30mm范圍內是磨損最嚴重的地方，此處在堆焊恢復原板厚尺寸后，還需堆焊厚度4mm、硬度為55～60HRC的耐磨層。

4.4 改變耐磨焊道分布

對磨損嚴重的出風口部位，盡量將橫向線狀焊道改為平鋪面狀堆焊，表面平整光滑（見圖4）；已焊好的中盤附近橫向焊道，可在凸起焊道兩側進行堆焊緩坡，將柱形圓弧頂的焊道橫截面改為40°～45°等腰梯形截面，或平緩的圓弧截面，焊道表面形狀較圓滑。這兩種堆焊形式，均可以增大氣流反射角，減小氣流阻力。

圖4 煙氣在平焊道的折射

4.5 過渡層與耐磨層焊接材料的選擇及優化

如果葉輪表面的腐蝕薄層和硬化薄層在焊接前不能完全清理干凈，薄層中的C、Si、S等物質在焊接時，就會進入熔池，使焊縫的熔合區和粗晶區惡化；葉輪經多次修復，在堆焊位置以及中盤的角焊縫部位，由于多次熱脹冷縮，故產生拉伸塑性變形，形成應變硬化，嚴重時會產生裂紋[1]。

修復時，過渡層的堆焊應選用塑韌性好的焊接材料，減小焊接應力，有效防止高硬度耐磨層堆焊的層狀撕裂；針對鼓風機粉塵超標的情況，在保證抗裂性良好的前提下，耐磨層選擇硬度比原設計要求更高的焊接材料。

5 鼓風機葉輪修復的焊接工藝

由于風機葉輪葉片處于半封閉狀態，焊接熔敷量大，故宜采用對焊接空間位置不敏感的焊條電弧焊、熔化極氣體保護焊和激光熔覆焊接方法。本文將主要以焊條電弧焊堆焊為例，進行性能分析。

5.1 焊條電弧焊

（1）堆焊方法分析 焊條電弧焊的優點是設備簡單，應用范圍廣；對焊接場所和焊接空間適應性強，特別是對受限空間的焊接，如葉輪在線修復時，只需要將焊接電纜牽引進通風走廊內即可，操作方便；適合對形狀不規則的零件焊接；可隨時進行參數調整，改變熔敷金屬的大小和溫度場的分布。缺點是焊接效率低，對焊工技術要求高，由于熔深大，稀釋率高，致使堆焊層的耐磨性和硬度損失嚴重，通常要焊2～3層，但多層堆焊易使焊道開裂；電弧暴露在空氣中，熔池含氧量高、存在時間長，導致合金元素燒損大，焊縫晶粒粗大，裂紋傾向大，力學性能差[2]。

（2）焊接材料選擇 焊條電弧焊堆焊耐磨層采用D212焊條。常規D212焊條熔敷金屬硬度為50～55HRC，與原設計硬度相同，但裂紋傾向大。預熱至150℃時，仍有裂紋出現，且不適應于粉塵超量的高溫磨損環境。經與焊接材料生產廠家交流，調整焊條中C、Cr、Mo的成分，增加Ni元素，并多次進行焊接試驗，在100～120℃時，堆焊金屬抗裂性良好，硬度達到55～60HRC，滿足了工況要求。焊接材料的化學成分和硬度見表1。

表1 D212焊絲、D212焊條（GB/T 984—2001）化學成分和熔敷金屬硬度

（3）堆焊試驗 由于耐磨焊條的多層、單層堆焊試驗，相應的國家標準尚在擬定，所以行業內的熔敷金屬硬度堆焊試驗方法一般參考《建材工業用耐磨件堆焊通用技術條件》進行。此次試件材質為Q355C，常溫試樣規格為200mm×75mm×20mm，預熱試樣規格為200mm×150mm×20mm，焊條直徑4mm，焊接電流170A，焊接速度150mm/min，多層焊至少堆焊3層，每道焊縫寬度不大于焊條直徑的4倍。單層焊（見圖5）和多層焊（見圖6）均為空冷，焊后48h將試樣進行機械切割、研磨、腐蝕及金相分析。

圖5 單層堆焊試驗

圖6 多層堆焊試驗

不預熱單層焊和四層焊的裂紋非常明顯（見圖7、圖8）。

圖7 不預熱單層焊的裂紋（100×）

圖8 不預熱四層焊的裂紋（25×）

在預熱100℃焊接的單層焊金相組織中（在100倍顯微鏡下），沒有出現裂紋，基體原始組織為珠光體加鐵素體，熱影響區中的過熱區有粗大珠光體和鐵素體，以及回火托式體，并伴有魏氏組織。由于基體成分與焊接材料成分相差較大，所以過渡層明顯；同時由于基體的稀釋作用，焊縫的碳及合金元素的含量降低，成分和組織都發生了改變，焊縫為針狀鐵素體加少量馬氏體的柱狀晶。經檢測，焊縫硬度48HRC，基體硬度18HRC。

在預熱100℃的多層焊金相組織中（在500倍顯微鏡下），沒有出現裂紋，靠近基體的第一層焊縫為碳含量低的粒狀貝氏體加馬氏體。因為第二、三、四層沒有基體的稀釋，所以成分相對均勻，都是高硬度的針狀馬氏體加針狀貝氏體，并伴有殘余奧氏體。

由于后焊的焊道對前面焊道有加熱回火作用，有利于晶粒的細化，先焊焊層的晶粒較后焊焊道尺寸小，表面的焊道最粗大，為柱狀晶（見圖9）。

圖9 預熱100℃的第二層（左側）與第三層焊縫（右側）（500×）

在焊縫橫截面進行硬度檢測，檢測位置如圖10、圖11所示，硬度值見表2。根據《金屬洛式硬度試驗法》的規定，表2中數據為3個試樣均值。

圖10 單層焊檢測位置

圖11 多層焊檢測位置

表2 試件的溫度、層數、硬度和裂紋情況

（4）在線修復方法 用φ3.2mm的CHE507R焊條進行基層堆焊，快速分段焊接。CHE507R熔敷金屬有優良的塑性、韌性和抗裂性，脫渣容易，適用于全位置焊接，其化學成分和力學性能見表3、表4。用φ4mm的D212焊條堆焊耐磨層，焊接時焊道寬度≤4倍焊芯直徑，具體焊接參數見表5。

表3 CHE507R焊條化學成分（質量分數） （%）

表4 CHE507R焊條熔敷金屬力學性能

表5 焊條電弧焊在線修復焊接參數

由于空間限制，故兩名焊工在葉輪的12點和6點位置同時施焊。因雙吸氣葉輪兩側的沖蝕磨損不一致，一般非驅動端更大一些，故此側葉片每片堆焊8根，驅動端葉片每片堆焊6根，進風口處各堆焊1根。

5.2 熔化極氣體保護焊

（1）堆焊方法分析 熔化極氣體保護焊可進行半自動或全自動的堆焊。由于許多高合金成分的堆焊材料要制成細焊絲很困難，所以常用的高硬度堆焊焊絲一般為填充合金粉末的管狀焊絲，根據造氣劑的有無，又分為氣保護和自保護兩種。該堆焊方法具有電流密度大，熔敷效率較高，電弧氣氛的氧化性弱，熔滴過渡均勻穩定，合金元素燒損少，生產效率高、成本低，以及焊工勞動條件好等優勢。但如果高合金堆焊時，隨著焊接熱輸入增大，裂紋傾向也會隨之增加。

（2）焊接材料選擇 熔化極氣體保護焊基層選用φ1.2mm的CHW-50C6焊絲，以恢復葉輪的基體尺寸。CHW-50C6焊絲化學成分和力學性能見表6、表7。采用20%CO2+80%Ar富氬混合氣體作為保護氣體，焊接飛濺小，焊縫成形好。用φ1.2mm的D212焊絲進行耐磨層堆焊，對出風口和中盤兩側進行平面堆焊，采用CO2為保護氣體，焊接速度快，適用于焊接量較大的堆焊，成本低。具體焊接參數見表8。

表6 CHW-50C6焊絲化學成分（質量分數）（%）

表7 CHW-50C6焊絲熔敷金屬力學性能

表8 熔化極氣體保護焊焊接參數

（3）離線修復方法 焊前準備：清除葉輪表面氧化物，直至露出金屬光澤；進行滲透檢測，檢查葉輪是否存在裂紋、氣孔等缺陷；測量各葉輪的磨損情況并標識、記錄，然后用便攜式硬度計測量待焊部位及相鄰基體的硬度。

焊接工藝：按圓周方向將18片葉輪編號，焊接時勤轉動葉輪，對稱交錯焊接，進行修復處理。根據現場施工情況，用氣體火焰或履帶式陶瓷電加熱片，對葉輪進行100～120℃預熱；采用多層多道焊接，如果單個葉片的待焊面積較大，則需將待焊面分為100mm×100mm面積的若干小塊，間隔焊接，使葉輪整體受熱均勻，減小焊接應力及焊接變形；其余每層焊接完成后，均用尖頭錘錘擊，進行消應力處理。根據各葉輪磨損情況，合理安排焊接熔敷量，在保證葉輪使用性能的前提下，不額外增加多量熔敷，以減少焊接工作量和動平衡校正工作量，同時減少電耗[3]。根據圖樣尺寸要求，設定焊接參數；兩名焊工用相同的焊接工藝，左右同時對稱焊接，以減少焊接變形和應力。

5.3 激光熔覆

（1）激光熔覆方法分析 激光熔覆的熔池體積小，只有焊條電弧焊的幾十分之一，熱影響區小，焊接變形小。由于激光的控制精度高，輸出功率恒定，且沒有電弧接觸，所以熔池大小深度一致性好，只要焊接材料和工藝參數合理，熔敷金屬性能的一致性就非常好。但是激光熔覆對設備的精度要求非常高，由于熔池冷卻速度快，氣體析出困難，因此工藝不當時易產生氣孔[4，5]。

（2）激光熔覆材料的選擇 基層選用Fe-20，屬于鐵基自熔性合金粉，熔敷金屬硬度20～25HRC,屬于低硬度、抗中溫腐蝕材料，抗裂性能好。耐磨層選用Fe-55，適用于500℃以下的耐磨、耐腐蝕層的堆焊，熔覆層的硬度高，耐磨性能好。兩種激光熔覆粉末的化學成分和硬度見表9。

表9 激光熔覆粉末化學成分及硬度

（3）同步送粉激光熔覆離線修復方法（見圖12） 根據圖樣尺寸要求，編制激光熔覆焊接程序，設定工藝參數，如光斑、速度和焦距，以及焊接層數等；優化激光熔覆工藝，得到最佳參數匹配。激光熔覆工藝參數如下：激光功率2000W；掃描速度200～320mm/min；光斑大小φ3～φ4mm；電流120～180A；送粉量12～25g/min；氬氣流量15～20L/min；單層厚度0.8～1.5mm；搭接量40%～50%。由于焊槍形狀及空間限制，所以各葉片出口側沿縱深方向，寬250mm、長300mm區域堆焊鐵基自熔性合金粉兩層，然后在此區域上進行耐磨層的間隔堆焊，堆焊焊道長120mm、寬15mm、高6mm，各焊道間距30mm。采用此參數焊接的焊道稀釋率小，金相組織致密，力學性能好。按編制的焊接工藝，在Q355C試樣件上進行堆焊試驗；取樣進行金相、硬度檢測和耐磨性試驗，分析熔敷金屬的微觀組織、熔合情況、硬度分布和耐磨性；激光熔覆完成后，進行無損檢測。

圖12 同步送粉激光熔覆離線修復葉輪輪盤

（4）同步送粉激光熔覆實際生產應用 2015年主風機葉輪經離線激光熔覆修復后重新投入使用，目前已正常運行三年。

6 結束語

鼓風機葉輪如果報廢，更換需要72h，影響生產進度。而本文根據鼓風機葉輪磨損的情況，靈活選擇激光熔覆、熔化極氣體保護焊和焊條電弧焊三種工藝，并與焊接材料廠家合作，優化焊接材料性能，制定合理的焊接工藝，多次成功對同一葉輪進行修復。修復后的葉輪在目前的高溫高粉塵狀態下，使用效果良好。并且此葉輪從2000年投產以來，一直沒有更換。按照當年采購費用18萬元，以每三年更換一次的頻率計算，共節約資金上百萬元，不僅保證了燒結系統的生產運行，還為企業創造了較大的經濟效益。