在線修復燒結機和鏈篦機星輪齒板的實踐

張進坤，程 猛，高萬里，王 超，劉 帥

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800）

1 前 言

燒結機、鏈篦機分別是燒結和球團工序關鍵設備，頭部星輪齒板是兩設備的核心部件。齒板長期在高溫、重載、多塵的情況下運行，容易磨損、壓潰、產生嚴重的凹坑及飛邊，甚至出現局部掉塊，如不及時更換將造成燒結機臺車和鏈篦機鏈條跑偏，導致燒結機臺車輪頻繁損壞、鏈篦機剮蹭等問題［1-4］。星輪齒板使用4 a需要更換，現山鋼日照公司1#500 m2燒結機和150 t鏈篦機均于2017年11月份投產，使用時間均已超過4.5 a。檢修期間，如星輪齒板整體更換，檢修時間要在14 d以上，這無法滿足大高爐對燒結礦和球團礦的物料需求［5］。為此，山鋼日照公司采用在線堆焊修復星輪齒板的方法，使星輪齒板功能得到恢復，并且達到了降本增效的目的［6-7］。

2 星輪齒板的特征及焊材選型

2.1 材質特征

燒結機星輪齒板材質采用高強度耐磨鋼（NM400），齒面通過表面淬火提高耐磨性能。此材料可焊性能差，一般焊接材料和工藝方法無法保證修復質量，需要采用特殊的專用抗耐磨材料及焊接工藝焊接。

鏈篦機星輪齒板材質3Cr24Ni7奧氏體耐熱鋼，由于長期在高溫下運行，造成碳化物平均間距過大，高溫強度低于承載應力導致高溫失效，其熱疲勞是一種低周高應力疲勞，氧化裂紋在橫向應力作用下沿晶界的擴展［8］。

2.2 星輪焊接材料選擇

2.2.1 燒結機星輪齒板焊材

燒結機星輪齒板焊接過程中分別選用了代號為LJ-101、LJ-106、LJ-161 的焊材，實現分層堆焊，保證堆焊層底部韌性和表面硬度。

利用LJ-101 焊材作打底層焊材，此焊接材料延展性優良，韌性好且有足夠的強度，側重于變形協調性及結合強度。利用LJ-106作過渡層的填充材料，主要填充齒面因掉塊而造成的凹坑、材料缺失的彌補，該材料Ni、Cr含量較高，同時又具有足夠的碳含量，其綜合機械性能滿足要求。利用LJ-161耐磨系數高、硬度相匹配的焊材，以恢復齒面硬度層。通過焊接材料本身所具有的材料特性，以及后續熱處理、冷加工等方式，達到齒面所需的耐磨性能、硬度等，達到局部強化的目的。

2.2.2 鏈篦機星輪齒板焊材

鏈篦機星輪采用了碳化鎢耐磨堆焊（CHR 698）焊條或鈦鈣型藥皮的Cr25Ni18Mn8 不銹鋼（A422）焊條。焊前焊條須經250 ℃左右烘焙1 h，焊時工件預熱至400～500 ℃，焊條直徑4.0 mm，焊機電流應控制在140～180 A。

3 星輪齒板的焊接修復工藝

3.1 制作模板

利用燒結機星輪齒板和鏈篦機星輪齒板進行放樣，使用激光切割制作δ=3 mm不銹鋼樣板，分為施工樣板和測量樣板。施工樣板（外形控制樣板）其目的是施工中便于使用、校對每個齒修復磨損缺失部分恢復情況，為施工過程提供依據，齒形施工樣板見圖1。

圖1 齒形施工樣板

測量樣板主要用于施工過程中整體精度檢測把控。測量樣板分為公模和母模，見圖2、圖3。公模為凸模，為齒板的模型。母模為凹模，檢測齒板的外表面。為防止焊接偏差擴大，樣板偏差尺寸小于±1 mm。為提高修復質量和修復速度，提前加工1套完整齒形施工樣板，施工時使用專用夾具直接貼敷在待堆焊齒板側面進行一次定位，以減少重復定位的時間和提高定位精度［9］。

圖2 齒形測量樣板-公模

圖3 齒形測量樣板-母模

3.2 焊前準備

焊接前用四氯化碳清除待修復齒板表面的油脂，使用磨光機將待修復面進行打磨清理，清理齒板卷邊、疲勞面，去除長期和臺車或者鏈節碰撞而產生的硬化層并去除一定厚度的疲勞層。進行齒板表面缺陷的清理，如氣孔、裂紋等，以防止焊接過程中產生裂紋導致堆焊層脫落［10］。

3.3 堆焊工藝控制

燒結機星輪齒板堆焊。焊前預熱，預熱范圍為焊縫周邊不少于50 mm，溫度測量點距離焊縫約50～70 mm；使用烤槍進行加熱，預熱至200 ℃左右。因齒板磨損太大，部分單邊磨損超過30 mm，堆焊須多層焊接。因齒板焊接性能差，焊前需要焊接試驗，基體第一層焊層須進行改性處理。改性處理就是通過焊接試驗，選擇與母體性能相近且又提高焊接性能材料，保證材料在焊接過程中不產生裂紋或剝落，為下一步堆焊填充打下基礎。采取低熱量輸入焊接工藝，嚴格控制齒面溫升，防止產生淬硬組織，減少焊接應力。層間溫升控制120 ℃以下，打底層使用直流手弧焊接，短弧短焊道低熱輸入量控制，焊后捶擊至焊縫產生明顯的機械變形。過渡層采用半自動氣體保護焊，嚴格控制焊層厚度和焊道長度，并注意焊道形狀控制，為下一步耐磨層焊接留出3～5 mm均勻尺寸余量，焊接后對過渡層焊接材料進行修磨，修磨后探傷確認焊接缺陷。之后進行3～5 mm 的耐磨層焊接。修磨余量2 mm 左右，保證外形修磨后與靠模相符［11］。

鏈篦機星輪齒板堆焊。根據測量尺寸對磨損的位置進行局部焊接，堆焊采用短弧低熱輸入量堆焊，防止氣孔產生。

3.4 焊接修復其他注意事項

每焊完一層及時清理，并施加以高頻率的應力捶擊，以消除焊接過程中產生的組織應力，防止修復后因組織應力殘余造成焊層裂紋。底層焊層施工后，對上表面進行清理，去除結合層的氧化皮、焊渣等，再進行上層焊層的焊接施工。清理后若發現有焊接缺陷，需機械徹底清理打磨后補焊。焊后用平尺檢查焊層平整情況，若發現凹陷現象，需焊條補平。

焊后單邊余量1～1.5 mm為宜。焊后對焊層部位粗打磨去除高點，確保無影響使用的缺陷存在，同時嚴格控制材料復合的比例，保證焊縫材料線膨脹系數與母體材料一致［8］。

3.5 研修和檢驗

研修。修研過程中要兼顧星輪兩端齒形相似度，確保對應的兩端齒面對應位置相位角相同，不可出現偏斜、扭轉，兩端齒形同步控制應在單個齒修復過程同時控制好，用經緯儀檢測，確保兩端對應齒無相位角變化。

外觀檢驗。齒板修復完畢后，先檢查焊縫外觀有無飛濺、夾雜、氣孔和未熔合等，再使用測量樣板中的公模和母模分別檢查堆焊尺寸是否符合標準，檢查確認無裂紋，再用角磨機進行修模。

硬度檢驗。在齒形表面進行耐磨處理，使其提高耐磨性能，適當延長使用壽命。使用便攜式硬度儀對堆焊修復后的齒板進行硬度檢測，堆焊修復后齒板嚙合面平均硬度在40～43 HRC，達到原設備齒板調質后的硬度，滿足工藝要求［12］。

4 結 語

通過合理選擇焊接材料、控制焊接熱輸入和熔合比等工藝措施，實現了受磨損星輪齒板的在線修復，焊接修復后的星輪齒板硬度及耐磨性能滿足生產要求。星輪齒板在線堆焊方法可在不拆除星輪齒板的情況下實現磨損齒板的尺寸復原，避免了拆裝齒板過程中的配合安裝難題，節省了檢修時間。齒板堆焊完成后降低了燒結機的運行負荷，減輕了因齒板磨損對燒結機臺車造成的損壞，延長了臺車使用壽命。1#燒結機星輪齒板每套采購價為47 萬元，在線修復價格為16萬元，同時節約檢修時間為10 d，每天生產燒結礦13 200 t，噸礦利潤100元，直接經濟效益1 320萬元。