冷鐵工藝設計對回轉窯輪帶無損檢測質量的影響

王立，徐恩獻，王子含，王鵬飛，石如星，田磊，劉金來

1.洛陽中重鑄鍛有限責任公司 河南洛陽 471003

2.中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471003

1 序言

回轉窯即旋轉煅燒窯，屬于特種重型裝備，其廣泛應用于建材、冶金、化工和環保等領域，其中水泥回轉窯的應用最為廣泛?；剞D窯主要由筒體、輪帶及支承裝置這三大部分構成，其中筒體、窯襯及物料等回轉窯的絕大多數重量都需要通過輪帶傳遞到支承裝置上，且支承裝置所提供的回轉力也需要通過輪帶傳遞給筒體，使之能夠平穩回轉，同時輪帶還可以起到加強筒體徑向剛度的效果，因此輪帶的質量好壞直接決定了整窯的運轉情況以及使用壽命[1]。

本文對ZG35Mn回轉窯輪帶典型缺陷問題進行分析與試驗，確定該類缺陷主要形式與影響因素，并通過數值模擬與試驗研究制定優化工藝方案，為提高大型鑄件生產質量提供數據及生產指導。生產及試驗輪帶技術要求見表1。

表1 生產及試驗輪帶技術要求

2 缺陷研究

2.1 缺陷分類

通過對大型回轉窯輪帶質量進行統計分析，現存質量問題主要為冒口面UT、MT不合格。其檢測結果見表2。

表2 鑄造輪帶無損檢測結果

冒口面UT、MT不合格缺陷一般都是疏松及疏松裂紋，鑄件最后凝固區域因沒有得到液態金屬補縮而形成細小且分散的孔洞即為疏松，疏松的存在將減少鑄件的有效承載面積，甚至造成應力集中。零星且分散的疏松對零件影響不大，可讓步使用，但其若形成密集疏松裂紋，則需按裂紋進行處理，打磨清除至無線性顯示后依專用補焊工藝進行處理。

2.2 缺陷分析

通過鑄件輪帶無損檢測結果與缺陷所出現的位置，初步判斷兩種缺陷的成因為：冒口位置熱量富集，凝固時間長且冷卻緩慢，造成晶粒過度生長，最終導致此處晶粒組織過于粗大，另外此處溫度梯度小，金屬更趨近于同時凝固，即金屬液中同時出現許多細小晶粒，晶粒長大相互連接后將金屬液分割為多個互不相通的小熔池，這些小熔池在進一步冷卻凝固時得不到液體補縮，便會形成疏松。

對缺陷鑄件的冒口進行解剖，并通過滲透檢測手段對其進行觀察，如圖1所示。

圖1 缺陷鑄件冒口解剖后PT顯示

通過對冒口的解剖可發現：出現無損檢測不合格的輪帶冒口中有著明顯的縮孔、縮松，有部分甚至已經延伸到了鑄件本體，確定為冒口補縮不足導致的UT、MT檢測不合格。

3 工藝設計與優化

解決冒口補縮能力不足一般有兩種思路：一是加寬、加高冒口，通過提高補縮鋼液量來解決問題；二是優化溫度梯度，提高冒口的補縮效率。加寬加高冒口雖然可以直接提升冒口補縮能力，解決補縮鋼液不足的問題[2]，但是這樣會降低鋼液利用率，一方面增加了生產成本；另一方面與國家所倡導的節能降碳，綠色發展的理念不符。改善溫度梯度一般有兩種思路，一是延長冒口凝固時間；二是加速“末端區”凝固。目前冒口套的保溫性能較為良好，單從提升保溫材料方面來著手很難對產品質量有明顯的改善。

工藝設計優化確定通過改善鑄件凝固時的溫度梯度來提升冒口補縮效率的解決思路為主。

3.1 冷鐵設計

輪帶設計方案的核心思路是順序凝固，通過工藝手段，調整鑄件的溫度梯度，使缺陷集中于冒口內，最后將冒口去除從而得到合格的鑄件[3]。

原輪帶鑄造工藝設計采用整圈冒口、其余三面掛砂冷鐵＋階梯堵截式澆注系統的工藝方案，如圖2所示（灰色表示鑄件，紅色表示冒口，藍色表示冷鐵）。三面掛砂冷鐵的使用確保了鑄件的表面質量，如圖3所示。階梯堵截式澆注系統的使用規避了底部澆口附近過熱的問題，確保了凝固開始時鑄件能有一個合理的溫度場。

圖2 原輪帶澆注工藝

圖3 原冷鐵設置工藝

若要對鑄件凝固時的溫度梯度進行優化，則從調整冷鐵方面進行考慮可行性更高。設置冷鐵部位鑄件所需冷鐵重量計算公式[4]為

式中Gch——冷鐵重量（kg）；

V0——設置冷鐵部位鑄件體積（dm3）；

M0——設置冷鐵部位的幾何模數（dm）；

Mr——相鄰部位的幾何模數（dm）。

經推導，冷鐵壁厚與冷鐵部位鑄件壁厚的關系式為

式中δch——冷鐵厚度（dm）；

δ——冷鐵部位鑄件壁厚（dm）。

實際生產中，冷鐵和鑄件之間敷適當厚度的掛砂層時，冷鐵厚度取被激冷部位厚度的0.75倍，可起到最好的激冷效果。

原工藝方案為保證鑄件表面質量，確保冷鐵的激冷效果最大化，保險起見外層采用了三層450mm厚度的冷鐵；現在從控制溫度梯度的角度出發，將外圈冷鐵調整為上薄下厚階梯狀分布[5]，并調整冷鐵厚度為被激冷部位厚度的0.75倍。調整后輪帶鑄造工藝如圖4所示（灰色表示鑄件，紅色表示冒口，藍色表示冷鐵），冷鐵設置工藝如圖5所示。

圖4 調整后輪帶鑄造工藝

圖5 調整后冷鐵設置工藝

3.2 數值模擬

使用有限元分析軟件對調整后的方案進行模擬，與原方案進行對比，當凝固分數為78%時，溫度場分布如圖6所示；當凝固分數為90%時，溫度場分布如圖7所示。

圖6 凝固分數78%時溫度場分布

圖7 凝固分數90%時溫度場分布

從圖6、圖7可看出，在鑄件凝固過程相同固液分數的情況下，調整后的方案溫度梯度更為理想，本體上端面的冷卻情況有所改善，這說明采取的工藝措施切實起到了預想效果，但該措施產生的實際效果還有待驗證。

3.3 生產試驗

采用優化后冷鐵設置工藝對生產工藝進行相應調整，并對生產過程進行了跟蹤記錄，按GB/T 7233.1—2009 中2級進行半精車態鑄造輪帶UT、MT檢測，結果均合格。

將優化工藝后鑄造冒口進行進行解剖，并進行著色PT檢測，如圖8所示。

圖8 合格鑄件冒口解剖后PT顯示

檢測結果表明，冒口致密度良好，無貫穿性疏松產生。通過數值模擬與實際生產驗證，表明三層階梯狀布置及0.75倍冷鐵厚度設計方案可行。冒口補縮狀態明顯改善，質量結果反饋良好。

4 結束語

1）回轉窯輪帶UT、MT檢測不合格主要是因為冒口補縮不足導致的。

2）數值模擬顯示三層階梯狀布置及0.75倍冷鐵厚度設計方案可有效改善鑄件凝固溫度梯度、冷卻情況。

3）經實際生產驗證，工藝方案優化設計后，冒口補縮狀態明顯改善，質量結果反饋良好。