球團(tuán)豎爐新型復(fù)合齒輥的研制與應(yīng)用

郭學(xué)武，郭 林

（濟(jì)鋼集團(tuán)重工機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

齒輥破碎機(jī)是豎爐球團(tuán)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要任務(wù)是將豎爐內(nèi)部高溫塊狀球團(tuán)礦破碎成單顆球團(tuán)礦從爐內(nèi)卸出。齒輥長(zhǎng)期在高溫工況條件下工作，工作環(huán)境惡劣。按原工藝生產(chǎn)的齒輥，使用壽命只有3～5個(gè)月，嚴(yán)重制約了燒結(jié)廠的正常生產(chǎn)，為了改變這一被動(dòng)局面，我們確定開(kāi)發(fā)研制長(zhǎng)壽命新型齒輥。

1 齒輥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原工藝存在的問(wèn)題

齒輥的結(jié)構(gòu)為中間粗兩端細(xì)的紡錘形結(jié)構(gòu)，中間為通孔，工作時(shí)采用冷卻水冷卻，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。齒輥原鑄造工藝為整體鑄造，中間鑄入焊接好的無(wú)縫鋼管形成內(nèi)孔，平做立澆、水口底返頂接，但因齒輥結(jié)構(gòu)特殊，鑄造工藝性不好，形不成順序凝固和有效補(bǔ)縮，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等鑄造缺陷，鑄件質(zhì)量差，使用壽命短。

2 工藝分析與方案選擇

圖1 齒輥結(jié)構(gòu)形式圖

針對(duì)使用過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，和對(duì)工作狀況及壽命因素分析，確定采用三段式結(jié)構(gòu)，兩端采用鍛造軸，中間輥身部位采用鑄造方式。這樣要提高齒輥使用壽命，關(guān)鍵要提高輥身部位質(zhì)量，按常規(guī)鑄造方法，只能采取加補(bǔ)貼的方法，但是，由于輥身較長(zhǎng)，需要加的補(bǔ)貼量較大，給加工和清理造成困難，并且也不能保證鑄件不出現(xiàn)氣孔和夾砂等鑄造缺陷，導(dǎo)致齒輥漏水的可能性仍然很大。因此，要生產(chǎn)該件，就必須采取特殊的工藝方法。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，我們提出了以下2種工藝方案。

方案一：離心鑄造輥身（如圖2圖3所示）。

離心鑄造輥身，輥身致密，是較為理想的改進(jìn)方案，存在的缺點(diǎn)：

1）輥身需求量不是很大，模具費(fèi)用較高（約十幾萬(wàn)），因此輥身價(jià)格會(huì)很高，技術(shù)實(shí)用性不強(qiáng)。

2）采用不鑄齒形的簡(jiǎn)化離心鑄造工藝，但是齒形的加工費(fèi)用較高，同樣造成制造成本增幅較大。

圖3 輥身零件結(jié)構(gòu)圖

方案二：在輥身內(nèi)鑄入離心鑄造鋼套，并將鋼套延伸到輥身端面，再將軸頭熱鑲?cè)脘撎變?nèi)，軸頭與鋼套外側(cè)開(kāi)坡口焊接，形成復(fù)合型齒輥。這樣可以保證冷卻系統(tǒng)的耐壓性能，提高齒輥的使用壽命。

技術(shù)難點(diǎn)：

1）離心鋼套厚度的選擇：太薄，鋼套與輥身鑄造同心度要求高，工藝難度大，同心保證不好時(shí)，加工過(guò)程中易車透鋼套，失去密封性能；太厚，輥身鑄造時(shí)易開(kāi)裂。

2）鋼套與輥身為機(jī)械結(jié)合，高溫工作時(shí)間長(zhǎng)了有竄動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

為此我們又對(duì)離心鋼套鑄入結(jié)構(gòu)以及與本體的固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出3種結(jié)構(gòu)形式。

結(jié)構(gòu)形式一：鋼套外預(yù)先焊接定位圓鋼如圖4所示，然后將鋼套鑄入輥身，可以防止輥身與鋼套之間竄動(dòng)。

結(jié)構(gòu)形式二：沿用原設(shè)計(jì)在軸頭、鋼套、輥身之間鑲?cè)攵ㄎ讳N，可以有效傳遞扭矩，防止竄動(dòng)。但是此方案加工、焊接工作量較大，同時(shí)，設(shè)置定位銷破壞了鋼套的密封結(jié)構(gòu)，存在泄露風(fēng)險(xiǎn)。從目前施工效果看，銷軸處經(jīng)常泄漏，如圖5。

結(jié)構(gòu)形式三：在端部將軸頭與鋼套、輥身焊為一體，既保證密封又防止竄動(dòng)。但是，焊接工作量較大，焊縫質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)同樣影響使用壽命，如圖6所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)以上方案進(jìn)行研究分析對(duì)比，最后確定采用方案二中的結(jié)構(gòu)形式一進(jìn)行攻關(guān)試制，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖4 鋼套焊接定位圓鋼圖

圖5 結(jié)構(gòu)形式二

圖6 結(jié)構(gòu)形式三

3 制造工藝過(guò)程

3.1 齒輥本體材質(zhì)的選擇

根據(jù)對(duì)齒輥的使用情況的研究認(rèn)為，齒輥的材質(zhì)應(yīng)具有以下性能：

1）好的導(dǎo)熱性能。好的導(dǎo)熱性能使齒輥將齒面接受的熱量盡量多的傳給冷卻水，保護(hù)齒面不受損壞，因此，導(dǎo)熱性能越高越好。

2）在高溫下有較高的強(qiáng)度和硬度。齒輥在使用時(shí)，其上面是重達(dá)數(shù)十噸的1000℃多的高溫爐料，齒輥為了將這些燒結(jié)的爐料破碎成一定塊度，需要轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，齒輥除了承受高溫外，還要承受較大的彎距和扭距，并且還要承受爐料的磨損，因此齒輥必須有較好的高溫強(qiáng)度。

3）較好的抗氧化性、抗腐蝕性、好的鑄造性能、低的生產(chǎn)成本。

提高含碳量和含錳量達(dá)不到以上目的。從導(dǎo)熱性來(lái)說(shuō)，對(duì)于碳鋼，含碳越低，導(dǎo)熱性越好，例如：碳鋼在400℃時(shí)，含碳0.06%的導(dǎo)熱率為46.5%；含碳0.23%的導(dǎo)熱率為42.7%；含碳0.40%的導(dǎo)熱率為41.9%；含碳0.80%的導(dǎo)熱率為38.1%；在其他溫度下也是如此，但是碳含量太低鑄件抗彎強(qiáng)度降低；錳含量的提高不能提高鋼的耐熱性，提高耐熱性能和高溫強(qiáng)度效果顯著的是鉻、鉬、釩等元素，因此，在高溫下使用的鋼應(yīng)采用加入鉻、鉬、釩進(jìn)行強(qiáng)化，以提高材料的耐熱性能和高溫強(qiáng)度。綜合以上分析，最終確定齒輥的材質(zhì)為低合金耐磨鋼ZG50GrMnRe，硬度為HRC60，沖擊韌性大于100KJ/m2。

3.2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

3.2.1 齒輥輥身與鑄入鋼套結(jié)構(gòu)確定

由于齒輥的制造關(guān)鍵問(wèn)題就是輥身部位的鑄造質(zhì)量問(wèn)題，為保證鋼套與輥身較好的熔合，選擇合理壁厚的鋼套以及鋼套在齒輥輥身中的固定和鋼套鑄入鑄型時(shí)的溫度是技術(shù)重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)齒輥整體結(jié)構(gòu)的鑄造工藝分析研究，最后確定兩種結(jié)構(gòu)方案，并分別進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)。

方案一：鋼套壁厚上下一樣都采用25mm厚，形狀如圖7所示，結(jié)構(gòu)如圖8a）兩端在鋼套外表面分別均布焊接6根φ20mm圓鋼，將鋼套預(yù)熱溫度設(shè)定為300℃，通過(guò)計(jì)算冒口高度設(shè)定為500mm，冒口直徑下部為φ600mm，上部為φ700mm。澆口采用底返頂接，澆注溫度為1550℃，進(jìn)行凝固模擬，模擬結(jié)果如圖9 a）所示。從模擬結(jié)果看出，中間有縮松。

圖7 齒輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

方案二：鋼套壁厚分臺(tái)階設(shè)計(jì)，保證鑄件在凝固時(shí)形成溫度梯度，底部340mm，長(zhǎng)度范圍壁厚設(shè)計(jì)為35mm，上部壁厚采用25mm，形狀結(jié)構(gòu)如圖8 b）所示，其余條件不變，模擬凝固結(jié)果如圖9b）所示。從模擬結(jié)果可以看出，鑄件輥身部位沒(méi)有縮孔、縮松等缺陷出現(xiàn)。

3.2.2 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證砂型質(zhì)量，造型操作方便，設(shè)計(jì)模型工藝方案為平做立澆結(jié)構(gòu)，將齒條部位做成活塊結(jié)構(gòu)，以防止起模時(shí)塌箱；為防止鑄件鑄出后偏芯，依據(jù)目前現(xiàn)有的實(shí)際工裝情況，設(shè)計(jì)模型分型負(fù)數(shù)為4mm，上下模各2mm，為保證鑄件在凝固過(guò)程中形成順序凝固，保證冒口內(nèi)金屬液能夠充分補(bǔ)縮鑄件，設(shè)計(jì)下部芯頭采用離心鋼套的下端為下芯頭，上部冒口部位采用砂芯結(jié)構(gòu)，冒口設(shè)計(jì)為圓錐結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖8 鋼套結(jié)構(gòu)

圖9 模擬圖

圖10 齒輥模型結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 芯盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與芯子制造

為保證制芯過(guò)程中冒口部位、砂芯部分與下部鑄入的離心鋼套同心，我們改變了傳統(tǒng)的半實(shí)半刮設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出對(duì)分式整體定位結(jié)構(gòu)，從而保證了離心鋼套定位準(zhǔn)確，保證了離心鋼套與上部砂芯部位同心。為保證砂芯與離心鋼套連接牢固，防止在吊運(yùn)及合箱過(guò)程中變形，在砂芯與鋼套的中心部位設(shè)計(jì)采用直徑為φ150×15mm鋼管做芯骨，制芯時(shí)先將芯骨放進(jìn)離心鋼套內(nèi)找正后，在離心鋼套內(nèi)放進(jìn)水玻璃70砂，高度為離心鋼套高度的1/6，緊實(shí)后將鋼管芯骨固定在離心鋼套內(nèi)，并用CO2氣體硬化。然后將填上砂的離心鋼套與芯骨整體放進(jìn)對(duì)分式芯盒內(nèi)，制造上部砂芯部分。芯盒結(jié)構(gòu)及鋼套在芯盒中的定位如圖11所示。離心鋼套與芯子結(jié)構(gòu)如圖12所示。

3.2.4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與造型操作質(zhì)量控制

圖11 芯盒結(jié)構(gòu)及缸套在芯盒中的定置圖

圖12 離心缸套與芯子結(jié)構(gòu)圖

為保證澆注時(shí)鋼水能夠平穩(wěn)快速充填型腔，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)為底反內(nèi)澆口φ60mm四道均布，在冒口下部設(shè)置φ80mm內(nèi)澆口一道，橫澆口與直澆口都設(shè)計(jì)為φ80mm，然后進(jìn)行充型模擬驗(yàn)證，最終確定該澆注系統(tǒng)設(shè)置較為合理。

造型操作時(shí)要保證砂芯、砂型緊實(shí)度要高而且均勻，為防止粘砂，保證齒條表面組織致密，在齒條部位采用鉻鐵礦砂，臥澆口時(shí)，要保證相鄰澆口磚之間的接口要連接緊密，防止從散砂進(jìn)入澆口內(nèi)。砂型制造完成后要進(jìn)烘干窯烘干，烘干溫度工藝如圖13所示。

圖13 砂型烘干溫度工藝圖

3.2.5 離心鋼套的材質(zhì)及鑄入前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

離心鋼套材質(zhì)的選擇要能有利于輥身本體與離心鋼套的很好熔接，并保證與本體收縮基本一致，還要有較好的導(dǎo)熱性能，盡量降低成本，由于離心鋼套在齒輥輥身本體內(nèi)部，綜合以上因素考慮，最終確定采用ZG270-500。

由于離心鋼套是在鑄造輥身時(shí)鑄入，因此輥身的長(zhǎng)度要包括下部芯頭長(zhǎng)度，為保證離心鋼套在輥身本體內(nèi)很好的固定，風(fēng)別在鋼套上下部設(shè)置六根固定圓鋼，圓鋼要牢固的固定在離心鋼套上。焊縫高度要大于12mm，要保證圓鋼在鋼套上的焊接位置正確。離心鋼套在鑄入前要進(jìn)行打壓檢查，用睹板將兩端孔先焊好，在一端焊上打壓用水管，打壓檢查合格后，再將兩端睹板去掉，并將兩端面修磨平整，以方便打芯合箱。離心鋼套鑄入前尺寸結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 離心缸套鑄入前結(jié)構(gòu)圖

3.2.6 合箱及澆注操作工藝設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制

齒輥質(zhì)量的好壞關(guān)鍵在輥身質(zhì)量，而輥身質(zhì)量的重點(diǎn)保證工序就在合箱及澆注操作上。為此在合箱澆注工序采取了重點(diǎn)保證措施。

1）合箱前先將型腔內(nèi)及澆口內(nèi)散砂干凈，合箱所需用品全部準(zhǔn)備好待用。

2）將離心鋼套預(yù)熱350℃以上待用。

3）在出鋼前1 h前進(jìn)行合箱，保證合箱時(shí)溫度在300℃以上。為保證合箱溫度，在合箱場(chǎng)地準(zhǔn)備用煤氣輔助烘烤管子一根，在合箱過(guò)程中用煤氣輔助烘烤，防止合箱過(guò)程中離心鋼套降溫。

4）合箱后30min內(nèi)要進(jìn)行澆注，否則要用熱風(fēng)機(jī)對(duì)砂型型腔進(jìn)行升溫。

5）采用鋼包采用底吹氬工藝，凈化鋼液，吹氬壓力0.25mPa，平均吹氬時(shí)間3min～5min。澆注溫度控制在1550℃～1570℃。

6）打箱清理工藝設(shè)計(jì)。

通過(guò)查找技術(shù)資料并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定澆注后24 h打箱，為了降低成本，防止割冒口后出現(xiàn)裂紋，確定利用打箱后的余熱進(jìn)行熱割冒口，熱割溫度控制在200℃以上。

7）熱處理工藝設(shè)計(jì)。

為保證鑄件具有良好的強(qiáng)度和韌性，設(shè)計(jì)熱處理工藝為正火+回火工藝。

8）齒輥輥身加工工藝設(shè)計(jì)。

齒輥輥身要和上下軸裝配連接，齒輥輥身的加工工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也直接影響著齒輥裝配后的整體工作性能，根據(jù)齒輥的工作特性進(jìn)行研究分析，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作的實(shí)際情況確定輥身加工結(jié)構(gòu)如圖15所示。為進(jìn)一步加固齒輥輥身本體與離心鋼套的緊固連接，防止輥身本體與本體使用過(guò)程中脫開(kāi)，采用保守設(shè)計(jì)，在輥身兩端面又設(shè)計(jì)加工出焊接坡口。

圖15 齒輥輥身加工結(jié)構(gòu)圖

輥身兩端面先進(jìn)行粗加工，單面留5mm余量，內(nèi)孔與軸配合部位按圖紙標(biāo)注尺寸精加工到位。輥身加工內(nèi)孔時(shí)要以離心鋼套內(nèi)孔為基準(zhǔn)找正進(jìn)行加工，以保證加工后離心鋼套所剩壁厚均勻。

9）上下軸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸的結(jié)構(gòu)主要是與輥身軸孔配合部位臺(tái)階處設(shè)計(jì)了裝配后軸與軸孔的焊接坡口，其余結(jié)構(gòu)不變，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖16所示。

圖16 軸結(jié)構(gòu)圖

10）上、下段軸與輥身的裝配焊接圖

為保證齒輥輥身與上下兩端軸配合連接緊密，防止使用過(guò)程中，脫開(kāi)，確定軸孔與軸的連接方式采用能夠傳遞較大扭矩的過(guò)盈配合H7/s6，熱裝溫度為350℃～400℃

熱裝后再?gòu)膬蓚?cè)斷面部位，進(jìn)行焊接固定，焊接坡口設(shè)計(jì)如圖17所示，深度35mm寬度25mm，焊接時(shí)采用平焊方式焊接，以利于焊材能夠很好的填充，保證焊接質(zhì)量。注意焊接時(shí)，焊縫高度要保證高出端面10mm～15mm，要保證R15能夠加工出來(lái)。

圖17 上、下段軸與輥身的裝配焊接圖

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)齒輥結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研制和工藝設(shè)計(jì)，強(qiáng)化工序工程質(zhì)量控制，將離心鋼套成功鑄入齒輥本體中，研制出鑄件組織致密，質(zhì)量好，密封性能好的新型復(fù)合齒輥復(fù)合齒輥。制造完成后對(duì)試制的4件齒輥進(jìn)行壓力試驗(yàn)檢查，試驗(yàn)壓力≥1.5mPa，保持壓力30min都沒(méi)有出現(xiàn)滲漏冒汗現(xiàn)象，打壓一次成功。

5 使用情況

我們生產(chǎn)的第一批試制的4件齒輥，與2008年5月使用以來(lái)已經(jīng)使用了兩年多，現(xiàn)在還正在使用，生產(chǎn)的第二批和第三批也正在使用中，沒(méi)有出現(xiàn)漏水質(zhì)量問(wèn)題。

6 結(jié) 論

以上結(jié)果表明，新型復(fù)合式齒輥解決了齒輥打壓及使用壽命短的問(wèn)題，由于采用了離心鋼套鑄入，加大了鑄造過(guò)程中鑄件凝固冷卻的速度，消除了齒條部位的粘砂現(xiàn)象，從而提高了齒輥輥身的表面質(zhì)量。從已經(jīng)制造的3批齒輥在球團(tuán)廠的使用情況來(lái)看，新型復(fù)合齒輥質(zhì)量性能好，比原來(lái)使用壽命有較大提高，能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的市場(chǎng)前景。