干燥機(jī)滾圈斷裂修復(fù)實(shí)踐與研究

裴繼華，李曉峰

（金川集團(tuán)公司銅業(yè)公司裝備能源部，甘肅金昌 737100）

0 引言

金川集團(tuán)股份有限公司合成爐干燥機(jī)是合成爐系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)計(jì)處理能力135 t/h，規(guī)格Φ4.2 m（筒體直徑）×17 m（長(zhǎng)度），總重374 t，筒體轉(zhuǎn)速0.71～2.36 r/min，順流進(jìn)料。干燥熱能是利用余熱鍋爐的蒸汽進(jìn)入分布在干燥機(jī)內(nèi)的管道散發(fā)出的熱量干燥原料，換熱面積1400 m2。

滾圈是干燥機(jī)旋轉(zhuǎn)支承重要部件，尺寸Φ4200 mm（內(nèi)徑）×220 mm（厚度）×700 mm（寬度）。2014 年12 月19 日，合成爐干燥機(jī)滾圈踏面開裂，裂紋部位見圖1。外踏面縫隙寬度約20 mm，內(nèi)徑表面1～2 mm，斷面裂透。緊急修復(fù)后，同一部位又出現(xiàn)裂紋。為盡快修復(fù)好該設(shè)備，梳理出以下關(guān)鍵點(diǎn)：①搶修失敗問(wèn)題；②分析斷裂原因；③確認(rèn)滾圈材料；④制定合理檢修方案；⑤嚴(yán)格控制檢修質(zhì)量和檢修時(shí)間。

圖1 干燥機(jī)滾圈踏面開裂

1 搶修失敗原因

第一次搶修用時(shí)48 h，使用不到3 天即發(fā)現(xiàn)裂紋。分析失敗原因有：①坡口切割不合理；②坡口切割面沒(méi)有處理；③選擇焊材有問(wèn)題；④焊接過(guò)程未對(duì)母材加熱；⑤焊后沒(méi)有消除應(yīng)力。

1.1 坡口

為加快搶修進(jìn)度，第一次打坡口用水焊切割，外徑面坡口寬尺寸50 mm，底部30 mm，預(yù)留20 mm 沒(méi)有切透，220 mm 厚的滾圈，坡口打成不規(guī)則的梯形。由于外口太小，坡口200 mm 深，焊接時(shí)焊接工具施展不開，結(jié)合面焊接強(qiáng)度不足。

1.2 坡口切割面沒(méi)有處理

坡口用水焊切割后表面比較粗糙，積累厚厚一層氧化層，坡口小，磨削工具伸不進(jìn)去，無(wú)法磨掉，只用扁鏟簡(jiǎn)單處理。焊材和母材之間有一層氧化層，阻止焊材和母材有效結(jié)合。

1.3 選擇焊材

對(duì)滾圈材料沒(méi)有確認(rèn)，采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲用高強(qiáng)不銹鋼焊絲，性能超過(guò)母體。焊接后，滾圈在運(yùn)行過(guò)程中夾帶一塊大硬疤運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.4 焊接忽略環(huán)境溫度

焊接時(shí)，環(huán)境溫度在-8 ℃，沒(méi)有對(duì)母材加熱，焊材收縮快和母材不易熔合，焊材與母材之間形成較大的應(yīng)力。

1.5 焊后應(yīng)力未消除

寬700 mm、厚220 mm 滾圈，切割坡口用時(shí)24 h，處理坡口用時(shí)4 h，焊接用時(shí)20 h，整體焊接快，沒(méi)有做應(yīng)力消除，就進(jìn)行使用。

2 滾圈材料確認(rèn)

該滾圈系統(tǒng)投產(chǎn)初期已經(jīng)發(fā)生過(guò)斷裂。斷裂后緊急找到其他廠家的備用滾圈加工后投入使用，因無(wú)正規(guī)設(shè)計(jì)圖，故不知道材料。經(jīng)查，設(shè)計(jì)滾圈一般采用ZG310-570（ZG45），正火處理后外表面的硬度不低于170 HB。托輪、擋輪采用ZG340-640（ZG55），托輪外表面硬度≥190 HB。但目前國(guó)內(nèi)滾圈多采用ZG35SiMn，表面調(diào)質(zhì)硬度≥156 HB，托輪、擋輪多采用ZG35Cr－Mo，也可用ZG42CrMo，硬度一般≤217 HB。為準(zhǔn)確分析材料，在滾圈側(cè)面光潔處不同部位鉆孔取樣2 份化驗(yàn)，通過(guò)化驗(yàn)成分推測(cè)，確認(rèn)該滾圈材料為ZG42CrMo。

3 滾圈斷裂原因分析

2005 年12 月，該滾圈安裝使用。其間滾圈內(nèi)表面出現(xiàn)過(guò)兩道疲勞裂紋，進(jìn)行過(guò)焊補(bǔ)。分析開裂原因有：①鑄造缺陷及疲勞損壞；②材料選擇問(wèn)題；③負(fù)荷過(guò)大。

3.1 鑄造缺陷與疲勞損壞

大直徑滾圈在加工制造時(shí)多存在一定缺陷，澆鑄后要進(jìn)行修補(bǔ)。故障滾圈是2005 年應(yīng)急加工，澆鑄時(shí)存在氣孔、夾渣及內(nèi)部冷裂紋等缺陷。表面修補(bǔ)車削后，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有一定缺陷，沒(méi)有進(jìn)一步消除就直接安裝到干燥機(jī)，也沒(méi)有進(jìn)行加工后時(shí)效處理。鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)造成運(yùn)行時(shí)滾圈局部開裂，長(zhǎng)期使用缺陷進(jìn)一步增大。疲勞損壞和內(nèi)部缺陷的雙重作用是造成滾圈截面斷開的原因之一。

3.2 材料選擇問(wèn)題

滾圈的作用是支承筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，材料要求表面熱處理后硬度高、耐磨損，芯部韌性好、抗沖擊。ZG42CrMo 屬于超高強(qiáng)鑄鋼，淬火時(shí)變形小；在高溫環(huán)境下使用，有高蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。檢測(cè)截面尺寸250～400 mm 鑄件熱處理調(diào)質(zhì)后，抗拉強(qiáng)度σb=650～800 MPa、屈服強(qiáng)度σs=350 MPa、延伸率δ=8%、沖擊強(qiáng)度Akv（ISO）=9.6 J、硬度220～260 HB。使用的滾圈截面尺寸達(dá)到700 mm，延伸率更小，沖擊強(qiáng)度Akv（ISO）約在7.2 J，ZG310-570（ZG45）沖擊性能Akv≥15 J 是ZG42CrMo 材料的一倍多。干燥機(jī)正常生產(chǎn)處于運(yùn)行狀態(tài)，托輪表面硬度大于滾圈。調(diào)整干燥機(jī)上行力時(shí)，托輪與滾圈結(jié)合面撒上的干灰夾帶一些硬顆粒，以及擋輪對(duì)滾圈的作用力，均會(huì)造成滾圈應(yīng)力集中，損壞滾圈。干燥機(jī)運(yùn)行時(shí)滾圈溫度基本在常溫狀態(tài)，發(fā)揮不出ZG42CrMo 耐高溫金屬的特性。這種材料的滾圈用在轉(zhuǎn)爐和陽(yáng)極爐上較多，轉(zhuǎn)爐和陽(yáng)極爐生產(chǎn)時(shí)其處于100～300 ℃環(huán)境，多數(shù)時(shí)間是靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率少，還是往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，沖擊概率小，爐體承擔(dān)載荷大，適用于這種材料的特性。2013 年，公司3#陽(yáng)極爐滾圈（材料）也出現(xiàn)過(guò)整體斷裂，說(shuō)明干燥機(jī)選擇ZG42CrMo 也是滾圈斷裂的原因之一。

3.3 負(fù)荷過(guò)大

干燥機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力135 t/h（H2O=10%濕精礦），合成爐技術(shù)改造后處理能力提高到165 t/h（H2O≤3%干精礦）。配套的干燥機(jī)沒(méi)變，而要求處理濕精礦能力提高到170 t/h 以上，才能滿足下道工序生產(chǎn)，處理量增加35 t/h，也是滾圈斷裂的原因之一。

4 再修復(fù)方案

滾圈與托輪、筒體、擋輪均存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，要求內(nèi)外徑、兩側(cè)等表面光潔、平整無(wú)阻礙，修復(fù)后強(qiáng)度滿足設(shè)備運(yùn)行。經(jīng)論證，在環(huán)境溫度-8 ℃條件下，對(duì)ZG42CrMo 采取手工電弧焊方法焊接較好。具體方案：①慎重對(duì)大尺寸零部件打坡口；②采用合適焊材；③焊接過(guò)程保持母體合適溫度；④焊接后消除應(yīng)力。

4.1 坡口方案

滾圈裂紋部位轉(zhuǎn)到墊板與擋板的空隙處，位置在時(shí)鐘9時(shí)，搭上平臺(tái)，裂紋周圍搭成3 m2小房間。根據(jù)裂紋走向，采用電弧氣刨挖去裂紋，坡口打成V 形口，外部寬120 mm、底部約30 mm，呈圓弧狀，留3～5 mm 的厚度不割穿，如圖2 所示。

圖2 修復(fù)坡口

由于滾圈沒(méi)有拆卸，雖是靜止?fàn)顟B(tài)，但仍受到較大負(fù)荷。為防止受熱、受力造成變形，在700 mm 寬的輪帶上分兩段切割，第一段先切割350 mm，焊補(bǔ)后，再切割第二段。

4.2 焊材選擇

要選擇合適焊材，消除母材的焊接性缺陷，就要對(duì)母材進(jìn)行詳細(xì)分析。ZG42CrMo 的化學(xué)成分：C 是0.38%～0.45%，Si 是0.3%～0.6%，Mn 是0.6%～1%，S 和P 均≤0.035%，Cr 是0.9%～1.2%，Ni 和Cu 均≤0.03%，Mo 是0.2%～0.3%。

4.2.1 焊接性分析

ZG42CrMo 焊接性能極差，存在冷、熱裂紋和過(guò)熱區(qū)脆化等問(wèn)題。

（1）焊接熱裂紋分析。ZG42CrMo 含碳量高，在焊接過(guò)程中，母材金屬的一部分要熔化到焊縫金屬中，導(dǎo)致焊層金屬含碳量增高。焊縫凝固結(jié)晶時(shí)，結(jié)晶溫度區(qū)間大，偏析傾向也較大。而且受含硫雜質(zhì)和氣孔的影響，容易在焊層金屬中引起熱裂紋。特別是在收尾處，裂紋更為敏感。熱裂紋的特征是裂紋垂直于焊縫魚鱗狀波紋，呈現(xiàn)不明顯的鋸齒形，但也有沿焊縫金屬與基體金屬交界處發(fā)展產(chǎn)生。為防止產(chǎn)生熱裂紋，要求采用低碳鋼焊絲，一般含碳量在0.15%以下。

（2）焊接冷裂紋分析。ZG42CrMo 在500 ℃以下過(guò)冷奧氏體具有較高的穩(wěn)定性，因而淬硬傾向較為明顯。中碳調(diào)質(zhì)鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度一般都很低，在250 ℃以下。低溫形成的馬氏體，難以產(chǎn)生“自回火”效應(yīng)，且含碳量高的馬氏體，其硬度和脆性更大，冷裂紋傾向較為嚴(yán)重。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式Ce=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，可知，ZG42CrMo 碳當(dāng)量最大為0.92，具有較高的淬硬和冷裂紋敏感傾向。因此，焊接過(guò)程中易出現(xiàn)冷裂紋。

（3）過(guò)熱區(qū)的脆化。由于ZG42CrMo 調(diào)質(zhì)鋼的淬硬性大，在過(guò)熱區(qū)易產(chǎn)生硬、脆的高碳馬氏體，冷卻速度越快，產(chǎn)生的馬氏體數(shù)量也就越多，脆化也越嚴(yán)重。

4.2.2 焊接材料

分析母材滾圈，認(rèn)為焊接材料應(yīng)選擇碳含量較低的焊條，J507 較為合適。J507 化學(xué)成分：C 是≤0.12%，Si 是0.4%，Mn 是1.3%，S 是≤0.35%，P 是≤0.04%。J507 力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度490 MPa，屈服強(qiáng)度410 MPa，延伸率δ≥22%，沖擊功是47 J。焊條使用前經(jīng)250～300 ℃烘干4 h，焊接過(guò)程焊條保存在保溫筒內(nèi)，隨用隨取。

4.3 滾圈預(yù)熱方案

根據(jù)母材特性，切割與焊接過(guò)程將母材加溫，保持溫度在100～200 ℃，方法是在滾圈圓周上均勻3 點(diǎn)架設(shè)焦碳爐加溫，爐子用普通鋼板焊接到干燥機(jī)筒體上，中間騎跨到滾圈上，焦碳火直接與滾圈接觸，距裂紋最近的爐子在裂紋上方200 mm 處。

4.4 焊接應(yīng)力消除方案

焊接完成后，在焊縫區(qū)域溫度不低于200 ℃時(shí)，立即使用5把烤槍對(duì)焊縫兩側(cè)300～500 mm 部位進(jìn)行加熱升溫，升溫速度控制在80 ℃/h。升溫至400～450 ℃時(shí)，恒定保溫4 h，然后蓋上生石灰、保溫棉對(duì)加熱區(qū)域和焊縫區(qū)域?qū)嵤┚徛禍亍?/p>

5 滾圈修復(fù)過(guò)程與質(zhì)量控制

5.1 坡口切割

焦碳爐對(duì)滾圈加溫，選用靈敏度高、精度好的紅外測(cè)溫槍檢測(cè)母材溫度。當(dāng)滾圈外表面溫度達(dá)到120 ℃時(shí)開始切割，根據(jù)坡口方案，用電弧氣刨追尋母材上出現(xiàn)的裂紋切割，挖出所有缺陷，預(yù)留底部3～5 mm 以便堆焊，如圖3 所示。

圖3 坡口切割

5.2 第一段坡口焊接

第一段坡口打好后，確認(rèn)滾圈焊接區(qū)域表面無(wú)油污、銹蝕和毛刺，表面滲碳層已去除，焊接材料干潔。先用Φ4 mmJ507 焊條打底，電流控制在150～180 A。稍高電弧 穿 透 底 部3～5 mm 的 裂縫，整個(gè)底部焊接一層。使用風(fēng)鏟清渣，振動(dòng)清除應(yīng)力，檢查滾圈內(nèi)表面是否焊平，用電弧氣刨刨去一道焊層，檢查焊接質(zhì)量，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后，再焊接第二層。為加快進(jìn)度，焊接第二層用Φ5 mmJ507 焊條。

焊接采用多層多道焊接方式進(jìn)行施焊，每層焊接厚度不超過(guò)4 mm，上層焊道壓住下層焊道的1/2～2/3。每層焊接后用風(fēng)鏟錘擊焊道表面，由中間向側(cè)面方向錘擊，去除焊渣，消除焊接應(yīng)力。焊道橫向由里向外向上排列施焊，焊接過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。第一段焊接留下30°坡口接茬，以備下一段焊接時(shí)結(jié)合，確保整體質(zhì)量。層間溫度控制在330～370 ℃，檢查每層焊道，若存在裂紋、氣孔、弧坑未填滿等缺陷，及時(shí)處理。

5.3 第二段坡口焊接

第一段焊接到滾圈1/2 厚度時(shí)停止焊接，用電弧氣刨切割另一段焊層，完成后進(jìn)行第二段焊接。每層焊道壓住第一段坡口接茬，待焊接厚度與第一段平齊后，采取兩人同步焊接。方法是兩人同時(shí)打弧，結(jié)合處交替施壓焊道，焊接速度提高1 倍，更好保證焊接質(zhì)量。

5.4 焊接余應(yīng)力消除與表面打磨

焊接完成后，按4.4 焊接應(yīng)力消除方案消除殘余應(yīng)力。待溫度降至常溫后，焊口表面打磨光潔，經(jīng)檢測(cè)，焊接質(zhì)量符合使用要求，系統(tǒng)恢復(fù)正常生產(chǎn)，滾圈修復(fù)成功，修復(fù)過(guò)程用時(shí)85 h。

6 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)滾圈備件時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境和受力情況，在滿足使用條件下選擇材料，即芯部有較好的韌性、表面有較高的硬度、抗耐磨性。例如，ZG310-570（ZG45）、ZG35SiMn，不能參照轉(zhuǎn)爐、陽(yáng)極爐滾圈選取材料，并非越貴越硬的材料就是好材料。

（2）焊接大型零部件，在負(fù)荷沒(méi)有卸載條件下，為確保部件尺寸不發(fā)生形變，坡口切割一定要分段進(jìn)行，不可整體切斷。

（3）對(duì)中碳調(diào)質(zhì)鋼ZG42CrMo 材料，采用手工電弧焊方法進(jìn)行堆焊，首先要選擇合適的焊接材料。實(shí)踐證明，選用力學(xué)性能綜合指標(biāo)均較母材性能低的焊條，效果較為理想。

（4）為防止ZG42CrMo 材料焊接出現(xiàn)的冷、熱裂紋，在嚴(yán)寒的冬季，坡口切割及焊接前工件應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，減少應(yīng)力集中。焊接過(guò)程中控制好層間溫度和焊后的熱處理殘余應(yīng)力消除，是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。采用合理的焊接工藝，可以使手工電弧堆焊質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)使用要求。

（5）焊接修復(fù)后的滾圈不可長(zhǎng)期維持使用，需立即著手準(zhǔn)備備件，適時(shí)更換。