何雪梅

φ44..88m m×7474m m回轉(zhuǎn)窯輪帶表面出現(xiàn)剝落和裂紋的原因分析及應(yīng)對(duì)措施

何雪梅

水泥回轉(zhuǎn)窯輪帶作為回轉(zhuǎn)窯主要支撐件，因其單體重、體積大、生產(chǎn)制作周期較長(zhǎng)，受力大、扭矩大、系統(tǒng)復(fù)雜，是影響回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)率的主要因素之一。輪帶一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，維修和更換困難，停窯時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)影響較大，因此輪帶的加工質(zhì)量和日常維護(hù)至關(guān)重要。本文對(duì)國外某公司φ4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯輪帶在使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，并提出了一些應(yīng)對(duì)措施。

1　輪帶常見質(zhì)量問題

以前回轉(zhuǎn)窯輪帶大多采用鑄造方式，該公司的三檔輪帶也采用鑄造，材質(zhì)多為ZG35SiMn。若輪帶在鑄造過程或熱處理過程中存在缺陷，帶病運(yùn)行，加之后期運(yùn)行過程中使用和維護(hù)不當(dāng)，容易產(chǎn)生輪帶因疲勞點(diǎn)蝕而出現(xiàn)表面剝落及壓潰、表面裂紋，回轉(zhuǎn)窯軸向傳動(dòng)、擋塊脫焊，墊板螺栓損壞等現(xiàn)象。

表1　某公司φ4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯輪帶相關(guān)參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)采用DP法對(duì)兩條裂紋進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)出兩條裂紋長(zhǎng)度為455mm和125mm。經(jīng)過幾個(gè)月的觀察，隨著生產(chǎn)運(yùn)行，輪帶裂紋有繼續(xù)延伸、脫落部位有繼續(xù)加大的趨勢(shì)，隨即停窯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修，確?；剞D(zhuǎn)窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)購買新的輪帶以備不時(shí)之需。

2　輪帶出現(xiàn)裂紋或剝落現(xiàn)象的原因分析

圖1　第Ⅱ檔輪帶工作面出現(xiàn)裂紋

2.1使用環(huán)境

該回轉(zhuǎn)窯地處非洲，氣候干燥炎熱，除現(xiàn)場(chǎng)日常維護(hù)，正常情況下該回轉(zhuǎn)窯輪帶同時(shí)承受溫差應(yīng)力、接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力等幾方面力的綜合作用。

（1）回轉(zhuǎn)窯輪帶作為支撐件，每個(gè)輪帶均支撐著該段回轉(zhuǎn)窯筒體、耐火材料、窯皮、熟料等數(shù)百噸的重量。輪帶工作環(huán)境溫度較高，回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行時(shí)，由于輪帶內(nèi)外表面距回轉(zhuǎn)窯筒體的距離不同，接受筒體熱輻射的強(qiáng)度也不同，加上對(duì)流和傳導(dǎo)的綜合作用，致使遠(yuǎn)離筒體的輪帶外表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于靠近筒體的內(nèi)表面，存在著100多度的溫差，由此產(chǎn)生溫差應(yīng)力。輪帶長(zhǎng)期受該應(yīng)力作用，在外表面5～7mm產(chǎn)生微裂紋，該裂紋和輪帶所處的接觸應(yīng)力相互平行或成45°角，且裂紋不斷擴(kuò)散，貫穿甚至剝落，從而形成如圖2所示的輪帶表面剝落、掉皮現(xiàn)象。

（2）輪帶屬于大型鑄造件，在鑄造過程和熱處理過程中不可避免地存在空洞、砂眼、結(jié)構(gòu)疏松、裂紋等內(nèi)部鑄造缺陷，另外，鋼水澆注時(shí)也容易在鑄件內(nèi)部出現(xiàn)成分偏析現(xiàn)象，局部區(qū)域由于含碳量增高而使得該區(qū)域硬度高于其他區(qū)域，同時(shí)其韌性塑性降低。所以在輪帶運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，該區(qū)域正常磨損量小于其他區(qū)域，從而造成此區(qū)域面凸起，形成接觸應(yīng)力，且應(yīng)力集中。在接觸應(yīng)力作用下，輪帶會(huì)沿鑄造缺陷處形成微裂紋，并快速發(fā)展，在輪帶表面產(chǎn)生如圖1所示的接觸疲勞裂紋。

圖2　輪帶工作面出現(xiàn)剝落

（3）輪帶采用鑄鋼鑄造，其韌性、抗沖擊性比較差，塑性變形能力也比較差。因此，在低溫條件下，即使很小的變形也容易引起脆性裂紋，并且斷裂點(diǎn)大多在砂眼、加雜等雜質(zhì)處開始形成。正常情況下的停窯檢修，窯筒體溫度從幾百度降到常溫時(shí)，筒體必然收縮，使得輪帶產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致輪帶與托輪的作用點(diǎn)也發(fā)生變化；當(dāng)冷窯啟動(dòng)時(shí)，處于低溫脆性下的輪帶受彎曲應(yīng)力作用產(chǎn)生脆性裂紋，加之在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常采用冷卻水冷卻輪帶，冷卻水滲入裂紋后，會(huì)形成密閉“高壓腔”，將加速裂紋的擴(kuò)展。

2.2潤滑不當(dāng)

白麗筠的名聲在我的同學(xué)們中間十分糟糕。就算我可以不考慮這種名聲帶來的影響，可是我的父母能否承受得起別人的議論？尤其是到了舉行婚禮那一天，面對(duì)眾人竊竊私語面帶各種復(fù)雜表情，我的父母能否受得了，我真的說不上來。

由于回轉(zhuǎn)窯輪帶及筒體墊片之間間隙過小，潤滑困難，在回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，輪帶與窯筒體墊片接觸，形成滑動(dòng)摩擦，造成墊板磨損加快，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯筒體抖動(dòng)、變形，輪帶墊板和側(cè)面擋塊的磨損及金屬拉傷，影響輪帶正常使用。

2.3輪帶材質(zhì)及成分的影響

目前輪帶大多采用碳素鑄鋼進(jìn)行鑄造，常用材質(zhì)為ZG35SiMn或ZG35CrMo，具體見表2。

S和P通常被視為危害元素，其成分超標(biāo)將降低材料的整體性能。S和Mn的結(jié)合可改善鋼的切削性能，但S在鋼中偏析嚴(yán)重，高溫下會(huì)降低鋼的塑性。S元素通常以FeS的形式存在，F(xiàn)eS熔化將削弱晶體間的結(jié)合力，導(dǎo)致鋼的熱脆性現(xiàn)象，容易造成熱裂紋。輪帶中S含量過高，補(bǔ)焊接時(shí)由于SO2的產(chǎn)生，將在表面形成氣孔和疏松，造成焊接質(zhì)量缺陷，易產(chǎn)生焊接裂紋。

P元素在鋼中固熔強(qiáng)化和冷作硬化的作用強(qiáng)，可提高鋼的強(qiáng)度和耐大氣腐蝕性能，但會(huì)降低其冷沖壓性能。P也能增加鋼的切削性能，增加工件的表面質(zhì)量，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但是P的最大害處是偏析嚴(yán)重，增加回火脆性，顯著降低鋼的塑性和韌性，易造成“冷脆”現(xiàn)象，產(chǎn)生冷裂紋。

因此，在輪帶鑄件中要嚴(yán)格控制各種微量元素的含量，尤其是嚴(yán)格控制S和P的含量，同時(shí)盡量減少成分偏析現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4澆注工藝

目前輪帶澆鑄通常采用地坑和樹脂砂造型的方法，由于φ4.8m×74m回轉(zhuǎn)窯輪帶質(zhì)量較大，通常需3包鋼水同時(shí)完成澆鑄。澆鑄溫度高低對(duì)鑄件質(zhì)量影響較大，澆鑄溫度偏低時(shí)鑄件容易出現(xiàn)冷隔，表面出現(xiàn)皺皮缺陷；反之，澆鑄溫度過高時(shí)易出現(xiàn)大面積粘砂，鑄件易疏松，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)集中縮孔。通常澆鑄冒口部位為裂紋、疏松等缺陷易產(chǎn)生區(qū)域。

表2　碳素鑄鋼輪帶微量元素控制范圍表，%

2.5熱處理

JC/T333-2006《水泥工業(yè)用回轉(zhuǎn)窯》明確要求輪帶熱處理后工作面的硬度＞185HB，常對(duì)輪帶進(jìn)行正火+回火處理。熱處理控制不當(dāng)，一方面會(huì)造成輪帶表面硬度偏低、易磨損，影響其使用壽命；另一方面，輪帶表面硬度偏高（一般要求托輪硬度應(yīng)高于輪帶硬度20HB），又容易產(chǎn)生表面裂紋；第三，熱處理不均勻造成輪帶工作面上硬度偏差大，使用中造成受力、磨損不均。對(duì)于輪帶補(bǔ)焊部位，如熱處理工藝不當(dāng)，其補(bǔ)焊部位硬度會(huì)明顯高于母材硬度，在后續(xù)生產(chǎn)使用中易造成該處應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋。在制造中進(jìn)行大面積補(bǔ)焊的輪帶，其補(bǔ)焊部位極易出現(xiàn)大面積脫落。如補(bǔ)焊部位沒有采取有效的消除應(yīng)力措施，也會(huì)造成該部位延遲裂紋的產(chǎn)生。

2.6補(bǔ)焊修復(fù)

通常對(duì)粗加工后的輪帶進(jìn)行初次超聲探傷，確定輪帶中存在的鑄造缺陷類型及位置，以便采取必要處理措施。鑄造缺陷通常有鑄造疏松或縮孔、線形缺陷、晶粒粗大、點(diǎn)狀缺陷等幾種類型。對(duì)于前兩類缺陷，制造廠一般采用補(bǔ)焊修復(fù)的方式。焊接前需進(jìn)行預(yù)熱，焊補(bǔ)后對(duì)焊補(bǔ)面進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，焊補(bǔ)處硬度低于母材硬度，其中心與母材硬度差值≯10%。

在對(duì)輪帶表面進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)時(shí)，補(bǔ)焊部位受焊工水平、焊接環(huán)境及焊接工藝影響較大，易出現(xiàn)補(bǔ)焊裂紋。

3　應(yīng)對(duì)措施

3.1使用維護(hù)

合理使用和周期性養(yǎng)護(hù)是延長(zhǎng)輪帶使用壽命的關(guān)鍵。做好回轉(zhuǎn)窯運(yùn)轉(zhuǎn)過程的定期巡檢和維護(hù)，調(diào)整好輪帶與墊板間隙，定期加潤滑油，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和中控?cái)?shù)據(jù)，控制好輪帶的升溫，均是延長(zhǎng)輪帶使用壽命行之有效的措施。

3.2輪帶修復(fù)

我們針對(duì)該公司輪帶表面出現(xiàn)的剝落和非貫通裂紋進(jìn)行了研究分析，認(rèn)為該輪帶經(jīng)過修復(fù)后還可以正常使用。修復(fù)步驟具體如下：確定基準(zhǔn)，找準(zhǔn)筒體和輪帶定位?；剞D(zhuǎn)窯筒體軸向伸縮量在停窯前后變化較大，要確定輪帶在筒體周向的固定位置，保證窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輪帶定位中心線與托輪寬度中心線基本保持一致。修復(fù)前，先用磁力鉆打止裂孔，防止裂紋繼續(xù)延伸，將裂紋部位刨去，并開出V形坡口或U形坡口（角度視裂紋情況而定），打磨后進(jìn)行無損探傷，確認(rèn)無裂紋和其他鑄造缺陷后再準(zhǔn)備焊接。焊接前用氧炔焰進(jìn)行局部預(yù)熱至200～300℃。焊條在焊接前應(yīng)在200～300℃烘箱烘干2h，用保溫桶盛裝，隨用隨取。每層焊接后，立即輕輕捶擊焊縫，以消除焊接殘余應(yīng)力；蓋面焊縫，高度略高于輪帶表面，以便打磨。焊完保溫10h。打磨焊縫，用樣板復(fù)查，待完全冷卻后對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行UT和MP探傷檢測(cè)。該輪帶在修復(fù)后在生產(chǎn)中加強(qiáng)了保養(yǎng)和維護(hù)，同時(shí)增加了巡檢和檢查的頻率，目前運(yùn)轉(zhuǎn)正常，沒有新的裂紋和剝落情況出現(xiàn)。

3.3后續(xù)建議

（1）加強(qiáng)輪帶制造過程中的質(zhì)量監(jiān)控。輪帶的鑄造和熱處理過程對(duì)輪帶的使用壽命至關(guān)重要，因此加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管控非常重要，有問題盡早發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理，上一道工序檢驗(yàn)不合格不得轉(zhuǎn)入下一道工序。

（2）采用新的生產(chǎn)工藝，如采用全冒口澆注工藝或輪帶使用鍛件。全冒口澆注工藝可使輪帶達(dá)到更高的質(zhì)量等級(jí)，在加工過程中，將冒口部位及易產(chǎn)生裂紋、疏松等鑄造缺陷的區(qū)域，作為切削量全部處理，從而提高輪帶的質(zhì)量等級(jí)；輪帶采用鍛件，可有效避免鑄造輪帶中的一系列鑄造缺陷，且鍛造輪帶組織結(jié)構(gòu)細(xì)密、晶粒分布均勻，可大幅提高設(shè)備總體性能，大幅延長(zhǎng)使用壽命。

4　結(jié)語

本項(xiàng)目回轉(zhuǎn)窯輪帶出現(xiàn)質(zhì)量問題后，我們進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出了維修措施，后期現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)使用情況良好。為長(zhǎng)遠(yuǎn)生產(chǎn)考慮，我們建議訂購鍛造輪帶作為備件。

［1］賈應(yīng)霖.回轉(zhuǎn)窯輪帶故障原因分析及改進(jìn)的探討［J］.中國金屬通報(bào)，2009年增刊：249-250.

［2］劉啟元，陳華.回轉(zhuǎn)窯輪帶應(yīng)力和材質(zhì)探索［J］.水泥工程，2010，（5）：37-39.

Cause Analysis and Solution of Spalling and Cracking on the Surface of φ4.8m×74m Rotary Kiln Tire

TQ TQ172172..622622..1919文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A A文章編號(hào)：10011001--61716171（20162016）0303--00410041--0303

通訊地址：合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽合肥230051；2015-11-18；編輯：孫娟