回轉(zhuǎn)窯設(shè)備的材料選擇及性能控制

李曉平，賁道春，陳和根，仲躋松，儲(chǔ)小虎，賁道林

（江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司，江蘇 海安226623）

0 引言

回轉(zhuǎn)窯誕生已有百年， 廣泛應(yīng)用與建材、冶金、鋼鐵、石灰、環(huán)保、能源等行業(yè)。 它是干法水泥生產(chǎn)不可缺少的設(shè)備。 中國(guó)從一開始回轉(zhuǎn)窯依賴進(jìn)口到國(guó)產(chǎn)化，再到大量出口國(guó)際市場(chǎng)，如今已成為全球產(chǎn)銷量、使用量最大的國(guó)家。 回轉(zhuǎn)窯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了回轉(zhuǎn)窯的制造安裝要求， 但是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的回轉(zhuǎn)窯未必是完美的回轉(zhuǎn)窯。

隨著材料工業(yè)的不斷發(fā)展、 制造水平的不斷提升、使用要求的不斷提高，對(duì)材料性能的發(fā)揮和利用、設(shè)計(jì)制造參數(shù)的優(yōu)化、零部件結(jié)構(gòu)形式的變更、鑄鋼件缺陷允許程度的改變、特殊零部件檢驗(yàn)要求等方面需要重新梳理， 以適應(yīng)回轉(zhuǎn)窯類產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)要求。 江蘇鵬飛集團(tuán)作為全球回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)銷量較大的制造企業(yè)，有義務(wù)和責(zé)任總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以推動(dòng)我國(guó)建材機(jī)械工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 材料選擇

1.1 筒體材料

如圖1 所示， 回轉(zhuǎn)窯筒體是回轉(zhuǎn)窯主要的零部件之一，其消耗鋼材占整臺(tái)回轉(zhuǎn)窯的一半左右。

圖1 回轉(zhuǎn)窯

回轉(zhuǎn)窯筒體為鋼板卷制焊接而成的長(zhǎng)圓柱筒，如圖2 所示。 長(zhǎng)期以來(lái)，筒體材料一般選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B[1]（原牌號(hào)A3） 或質(zhì)量等級(jí)較高的Q235C。 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345D （原牌號(hào)16Mn）或鍋爐鋼Q245R[2]（原牌號(hào)20 g）因屈服強(qiáng)度更高或有害化學(xué)成分含量更小、綜合性能更高而被得到廣泛使用。

圖2 焊接中的回轉(zhuǎn)窯筒體

由于使用材料含較高有害化學(xué)成分導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯筒體碎裂和嚴(yán)重腐蝕的情況屢見不鮮。新疆某水泥廠3 臺(tái)預(yù)分解窯分別出現(xiàn)大齒輪處筒體裂縫，過(guò)渡帶大齒輪附近出現(xiàn)窯筒體開裂，自二檔輪帶至窯尾節(jié)處窯體斷裂、 窯尾節(jié)掉下窯臺(tái)的重大事故；冀東某水泥廠1 臺(tái)預(yù)分解窯發(fā)現(xiàn)窯筒體多條裂縫；2013 年以后， 多地水泥廠相繼發(fā)生窯筒體碎裂的惡性事故。

隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Q245R、Q345D 有害化學(xué)成分控制得更加嚴(yán)格，2018 年低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345D 又被與歐盟標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的綜合性能更好、有害化學(xué)成分更少的Q355D[3]代替。 不同時(shí)期筒體材料有害化學(xué)成分見表1。

表1 不同時(shí)期回轉(zhuǎn)窯筒體材料的有害化學(xué)成分

有害化學(xué)成分的減少使鋼板冷脆性和熱脆性降低，延展性、韌性、焊接性、冷彎性提高，這進(jìn)一步提高了回轉(zhuǎn)窯筒體剛度、冷態(tài)和熱態(tài)性能，有效降低了筒體熱態(tài)局部碎裂的可能性。

鑒于回轉(zhuǎn)窯筒體的重要性、材料冷脆性和熱脆性敏感程度、使用環(huán)境的特殊性，優(yōu)先選擇有害化學(xué)成分P、S 等含量較低的Q245R、Q355D 材料制作回轉(zhuǎn)窯筒體是防止和避免碎裂的有效途徑。單從經(jīng)濟(jì)性角度考慮可優(yōu)選材料Q235C； 單從冷脆性和熱脆性敏感性角度考慮應(yīng)優(yōu)選材料Q245R；既從冷脆性和熱脆性敏感性角度考慮，又從材料力學(xué)性能角度考慮，應(yīng)優(yōu)選材料Q355D。 筒體材料的選擇直接影響回轉(zhuǎn)窯的造價(jià)，業(yè)主應(yīng)根據(jù)價(jià)格承受能力參與材料選擇。

1.2 托輪軸等軸類材料

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定回轉(zhuǎn)窯托輪軸等軸類材料應(yīng)不低于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼[4]45 鋼的規(guī)定。 由于45 鋼成本價(jià)低， 因此大部分制造廠選擇托輪軸等軸類材料為45 鋼，而不使用合金結(jié)構(gòu)鋼[5]40Cr 鋼。

40Cr 鋼比45 鋼的材料價(jià)格高5%～10%。45 鍛鋼力學(xué)性能與40Cr 鋼大體相當(dāng)， 區(qū)別在于熱處理性能。 調(diào)質(zhì)處理后的40Cr 鋼具有良好的綜合力學(xué)性能,良好的低溫沖擊韌性、淬透性和低缺口敏感性[6]。 由于淬透性提高，淬火（或調(diào)質(zhì)）處理后40Cr鋼的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性等機(jī)械性能也明顯比45鋼高。

40Cr 鋼淬透性和調(diào)質(zhì)處理后的綜合力學(xué)性能優(yōu)于45 鋼，容易把控調(diào)質(zhì)處理后強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性等機(jī)械性能。回轉(zhuǎn)窯重要軸類零件由于機(jī)械性能原因斷裂的事故不在少數(shù)， 因此建議托輪軸、小齒輪軸、擋輪軸等重要軸類的材料最低要選擇使用熱處理性能優(yōu)越、性價(jià)比高的40Cr 鋼。

對(duì)于有很高的靜力強(qiáng)度及沖擊韌性、較高的疲勞極限、高負(fù)荷下工作要求的特別重要的軸類零件（如小齒輪軸）可選用比40Cr 鋼淬透性更好、性能更優(yōu)越的合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMo、42CrMo 等材料。

1.3 輪帶和托輪毛坯

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定回轉(zhuǎn)窯輪帶托輪的材料為鑄鋼件，如現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32994—2016 《水泥工業(yè)用回轉(zhuǎn)窯》[7]規(guī)定輪帶材料不低于ZG35Mn，托輪擋輪材料不低于ZG35Cr1Mo。 常規(guī)制造方法制造的大型合金鋼鑄件很難保證不存在任何鑄造缺陷，但鑄造缺陷的危害很大，補(bǔ)焊不當(dāng)導(dǎo)致的危害也很大。 從提高產(chǎn)品質(zhì)量角度考慮，根據(jù)性價(jià)比可優(yōu)先選用鍛造輪帶托輪。

鍛件的性能之所以比鑄件力學(xué)性能高，主要是因?yàn)橥ǔｈT件凝固較低的冷卻速率導(dǎo)致鑄態(tài)晶粒和晶內(nèi)組織較為粗大， 且難以避免宏微觀偏析，往往存在疏松、雜質(zhì)集中分布等缺陷，鍛造過(guò)程通過(guò)對(duì)鑄坯施加力的作用， 使金屬材料發(fā)生塑形變形、流動(dòng)，進(jìn)而使材料組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化、雜質(zhì)均勻分布，相比常規(guī)鑄態(tài)組織顯著提高了力學(xué)性能。

根據(jù)國(guó)內(nèi)的鍛造能力和鍛造水平，Φ4 m 以下規(guī)格回轉(zhuǎn)窯的輪帶托輪能夠通過(guò)鍛造方法完成毛坯的供應(yīng)，但是鍛件存在材料價(jià)格差異。

對(duì)于Φ4 m 以上規(guī)格回轉(zhuǎn)窯，輪帶托輪鍛造的材料價(jià)格高于鑄造的材料加工約30%；對(duì)于Φ4 m規(guī)格回轉(zhuǎn)窯， 輪帶托輪鑄造和鍛造的材料價(jià)格相當(dāng)，是價(jià)格的平衡點(diǎn)；對(duì)于Φ4 m 以下規(guī)格回轉(zhuǎn)窯，輪帶托輪鍛造的材料價(jià)格略低于鑄造的材料價(jià)格約5%。 對(duì)于小規(guī)格回轉(zhuǎn)窯，輪帶托輪鑄件改鍛件，時(shí)機(jī)基本成熟。

2 材料性能控制

2.1 硬度與匹配

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，精加工后外圓表面硬度應(yīng)不低于170 HB； 托輪精加工后外圓表面硬度應(yīng)不低于190 HB； 托輪外圓硬度應(yīng)比輪帶外圓硬度高20 HB以上。 “高20 HB 以上”表明托輪硬度要求受制于輪帶的實(shí)際硬度，因此托輪硬度“不低于190 HB”的要求是多余的或者沒有實(shí)際意義。 鑄鋼廠普遍認(rèn)為：托輪硬度控制比輪帶硬度控制容易；通過(guò)改進(jìn)冷卻方式輪帶正火硬度控制范圍可縮小到±15 HB，即輪帶硬度可控范圍為（185±15） HB。 另外，托輪外圓硬度應(yīng)比輪帶外圓硬度高20 HB 以上的要求，無(wú)法界定比對(duì)硬度是最低硬度、最高硬度還是平均硬度，因此實(shí)際可操作性不強(qiáng)。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定大齒圈齒頂圓表面硬度應(yīng)不低于185 HB； 小齒輪齒頂圓表面硬度不低于230 HB，小齒輪齒頂圓硬度應(yīng)比大齒圈齒頂圓硬度高20 HB以上。 與輪帶托輪硬度及匹配規(guī)定要求如出一轍，存在同樣問題。

輪帶托輪硬度和硬度匹配要求可修改為下列兩種可控制要求之一：

（1）輪帶精加工后外圓表面最低硬度應(yīng)不低于170 HB， 托輪外圓的平均硬度應(yīng)比輪帶外圓的平均硬度高20 HB 以上， 且托輪外圓最低硬度不低于輪帶外圓最高硬度。

（2）輪帶精加工后外圓表面最低硬度應(yīng)為（190±20）HB， 托輪外圓的平均硬度應(yīng)不低于210 HB，且托輪外圓最低硬度不低于輪帶外圓最高硬度。

齒輪硬度和硬度匹配要求可修改為下列兩種可控制要求之一：

（1）最低硬度制：大齒圈齒頂圓硬度應(yīng)不低于185 HB， 小齒輪齒頂圓硬度應(yīng)比大齒圈齒頂圓硬度高20 HB 以上， 且小齒輪齒頂圓最低硬度不低于大齒圈齒頂圓硬度。

（2）硬度范圍：大齒圈齒頂圓最低硬度185+300HB，小齒輪齒頂圓硬度不低于235 HB， 且小齒輪齒頂圓表最低硬度不低于大齒圈齒頂圓硬度。

上述各兩種可控制要求分別為輪帶或大齒圈最低硬度定值制和最低硬度公差制。 均去除了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于匹配件托輪或小齒輪硬度“不低于190 HB”（或“不低于230 HB”）的規(guī)定，其中要求（2）對(duì)于工藝的穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、零件的互換性均更具優(yōu)越性。

2.2 齒輪硬度要求與加工工藝關(guān)聯(lián)

齒輪齒面硬度是衡量齒輪質(zhì)量的重要指標(biāo)。由于齒面硬度受檢測(cè)空間的限制難以被測(cè)量，因而用頂圓硬度作為齒輪硬度的檢驗(yàn)依據(jù)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定齒輪齒頂圓硬度為齒輪硬度遷就于檢測(cè)方法的可行性。

通過(guò)正火處理的大齒圈，其齒頂圓硬度與齒面硬度基本相同，大齒圈齒頂圓硬度能夠代表齒面硬度。而外圓粗加工（不粗開齒）后直接調(diào)質(zhì)處理的小齒輪，由于齒槽較深，其齒頂圓硬度與齒面硬度或齒深方向各處的齒面硬度的懸殊較大?；剞D(zhuǎn)窯齒輪模數(shù)一般為25～45 mm， 全齒深約為55～100 mm，有限的淬透深度不可能使齒面達(dá)到較高的硬度。實(shí)踐表明，這種不粗開齒直接調(diào)質(zhì)處理的小齒輪齒頂圓硬度與齒面硬度相差40 HB 以上， 因此齒頂圓硬度不代表齒面硬度。

熱處理工藝不是影響大模數(shù)小齒輪齒面淬透深度的主要因素。齒面硬度的高低取決于調(diào)質(zhì)處理前粗開齒余量。 齒形精加工余量越小，齒面調(diào)質(zhì)硬度越接近于齒頂圓調(diào)質(zhì)硬度。因此小齒輪齒面調(diào)質(zhì)是提高齒面硬度的關(guān)鍵措施。

需要強(qiáng)調(diào)的是，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所述的小齒輪應(yīng)進(jìn)行“調(diào)質(zhì)處理”與小齒輪“齒面調(diào)質(zhì)處理”有著本質(zhì)區(qū)別。 常規(guī)的不開齒小齒輪外圓調(diào)質(zhì)處理，對(duì)提高較深芯部待加工齒面區(qū)域硬度猶如“隔靴搔癢”，而齒面余量較小的調(diào)質(zhì)處理才是有效且符合機(jī)理的提高齒面硬度方法。調(diào)質(zhì)處理前齒面與齒頂精加工余量接近，才能確保齒面與齒頂調(diào)質(zhì)硬度接近，因此保證齒面和齒頂圓的精加工余量基本一致性是保證齒面和齒頂調(diào)質(zhì)硬度接近的有效措施。

也有制造廠采用齒面淬火提高小齒輪齒面硬度，雖然使齒面達(dá)到極高的硬度，但是由于淬硬層較薄，在齒面深度方向硬度層不均勻過(guò)渡，易發(fā)生類似蛋殼外層的硬度突變，導(dǎo)致小齒輪齒面剝落的不良后果。

對(duì)于外圓粗加工后直接調(diào)質(zhì)處理的小齒輪，有些制造廠為了齒面硬度達(dá)到230 HB 以上或更高硬度， 將齒頂圓硬度提高到280 HB 甚至更高硬度。高硬度齒頂圓使?jié)L齒加工中刀具磨損和消耗特別嚴(yán)重，同時(shí)很難達(dá)到齒面粗糙度要求。

實(shí)踐證明，粗開齒調(diào)質(zhì)的小齒輪，只要保證小齒輪齒頂圓硬度比大齒圈齒頂圓硬度高20 HB 以上的要求，小齒輪齒面硬度和使用壽命基本能夠得到保證。因此，小齒輪硬度要求應(yīng)與加工工藝關(guān)聯(lián)。上述硬度與匹配可選擇的兩種可控制要求可以結(jié)合制造工藝修改為：

（1）最低硬度制：大齒圈齒頂圓硬度應(yīng)不低于185 HB， 齒面調(diào)質(zhì)小齒輪齒頂圓硬度應(yīng)比大齒圈齒頂圓硬度高20 HB 以上， 頂圓調(diào)質(zhì)小齒輪齒頂圓硬度應(yīng)比大齒圈齒頂圓硬度高40 HB 以上，且小齒輪齒頂圓最低硬度不低于大齒圈齒頂圓硬度。

（2）硬度范圍：大齒圈齒頂圓最低硬度185+300HB，齒面調(diào)質(zhì)小齒輪齒頂圓硬度不低于235 HB， 頂圓調(diào)質(zhì)小齒輪齒頂圓硬度不低于255 HB， 且小齒輪齒頂圓表最低硬度不低于大齒圈齒頂圓硬度。