張振存，陳玉明，古 晉，趙 波

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鐵部，河北唐山 063020）

0 引言

隨著煉鐵技術(shù)的不斷提高，高爐不斷向大型化化發(fā)展。為確保高爐的正常生產(chǎn)就必須確保上料設(shè)備的生產(chǎn)率。大高爐是連續(xù)生產(chǎn)的，任何與之配套的設(shè)備都必須能夠穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在高爐主皮帶設(shè)計中必須考慮輸送機(jī)的運(yùn)行可靠性。

隨著對上料系統(tǒng)的能力要求越來越高，早期的爐鐘上料已經(jīng)不能適應(yīng)大高爐生產(chǎn)的要求，皮帶輸送機(jī)上料成為大高爐上料的必配設(shè)備。從20世紀(jì)70年代的1260 m3高爐到現(xiàn)在的5800 m3高爐，上料系統(tǒng)設(shè)備多數(shù)采用皮帶輸送機(jī)。高爐應(yīng)用主皮帶上料生產(chǎn)能力大，容易實現(xiàn)大批料連續(xù)輸送，能充分滿足大高爐冶煉的要求。近年來國內(nèi)外新建的大型高爐，幾乎都采用皮帶輸送機(jī)上料。上料主皮帶是高爐正常運(yùn)行的主要設(shè)備，其運(yùn)行正常與否，直接影響高爐的生產(chǎn)。

1 首鋼京唐高爐上料主皮帶簡介

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合公司（以下簡稱“首鋼京唐”）煉鐵廠有2座5500 m3高爐，年產(chǎn)生鐵890萬t，2座高爐分別于2008年和2009年投產(chǎn)，至今生產(chǎn)水平穩(wěn)定。從高爐聯(lián)合料倉下有2條皮帶N2、N3，分別將礦石和焦炭輸送到N1，由N1皮帶輸送到高爐爐頂。1#高爐采用電機(jī)驅(qū)動，2#高爐采用液壓馬達(dá)傳動，液壓馬達(dá)可以實現(xiàn)變速啟動。高爐上料系統(tǒng)主皮帶采用2 m帶寬皮帶，帶速（2～3）m/s。在高爐投產(chǎn)大約3年前開始，皮帶滾筒相繼出現(xiàn)了失效現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)。尤其是在2011—2016年，先后多次出現(xiàn)滾筒滾皮開裂現(xiàn)象，影響了高爐的檢修周期，給爐況順行造成了危險。因此，分析和解決主皮帶滾筒失效的問題成了當(dāng)務(wù)之急。

2 皮帶輸送機(jī)與滾筒簡介

2.1 皮帶輸送機(jī)

皮帶輸送機(jī)自1795年被發(fā)明以來，經(jīng)過2個世紀(jì)的的發(fā)展，已被電力、冶金、煤炭、化工、礦山、港口等各行業(yè)廣泛采用。組成皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)的主要部件有驅(qū)動單元，還有輸送帶、托棍、滾筒等。其中滾筒是皮帶輸送機(jī)的重要機(jī)械部件之一，按滾筒在工作中所起的作用又可分為驅(qū)動滾筒和改向滾筒。驅(qū)動滾筒由電機(jī)傳動，工作時提供驅(qū)動力，筒殼同時承受徑向和切向載荷，沿著筒皮徑向和軸向變化，受力復(fù)雜。其余均可叫做改向滾筒，用于輸送皮帶的改向。滾筒是整個輸送系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，如果發(fā)生破壞或失效，使得整條輸送線路停產(chǎn)檢修，甚至?xí)l(fā)生安全事故，給生產(chǎn)造成很大損失。

2.2 皮帶輸送機(jī)滾筒

滾筒一般由軸、軸承座、輪轂、輻板、脹套、筒皮、外包膠等組成。傳動滾筒與改向滾筒的結(jié)構(gòu)有所區(qū)別：前者有1個輸出端，后者筒有2個輸出端。兩者在體積和軸承選擇等方面也有很大區(qū)別。

傳統(tǒng)的小型皮帶輸送機(jī)由于皮帶相對較窄，滾筒的軸向長度相對較短，筒皮在軸向方向是一個鋼結(jié)構(gòu)的圓筒（圖1）：一個直筒的筒皮，焊接在滾筒的輻板上。皮帶輸送機(jī)向大型發(fā)展后，皮帶輸送機(jī)的輸送能力增加，皮帶越來越寬，滾筒的軸向長度也越來越大。為了制造方便，滾筒的筒皮為三段結(jié)構(gòu)：中間段為一個鋼結(jié)構(gòu)的圓筒，與兩端的輪轂焊接在一起。首鋼京唐的滾筒在初始安裝使用時就是這種結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖1 小皮帶輸送機(jī)滾筒

圖2 大皮帶輸送機(jī)滾筒

2.3 滾筒的主要失效形式

磨損是滾筒的正常損壞。通常情況下，滾筒的外包膠磨損后就更換滾筒、包膠。這種磨損是滾筒使用中的正?，F(xiàn)象，特別是輸送如焦炭等易粘結(jié)滾筒的顆粒更是明顯。部分軸承在使用中也因磨損而損壞，主要是由潤滑不足或軸承潤滑油脂中有雜質(zhì)導(dǎo)致。滾筒的主要失效形式有：①筒殼上包膠的磨損和脫落、筒殼腐蝕，使得滾筒表面摩擦系數(shù)降低、驅(qū)動力不足，會發(fā)生“打滑”現(xiàn)象；②軸承磨損損壞；③輪轂與軸聯(lián)接附近的損壞，如輪轂開裂、軸彎曲變形等；④輻板的徑向失穩(wěn)破壞和輻板與輪轂連接處裂紋式的破壞；⑤大型皮帶輸送機(jī)的皮帶寬、滾筒長，一般滾筒筒皮在軸向是對焊焊接，焊縫開裂；⑥軸損壞，通常是由于軸承滾珠卡死后研軸。

3 高爐皮帶輸送機(jī)滾筒筒皮失效形式

對于小型高爐使用的皮帶輸送能力小，皮帶也較窄，滾筒的軸向長度也較短，通常滾筒筒皮的損壞基本上都是筒皮的磨損。由于高爐要輸送焦炭，其粉末粘附在皮帶表面，嚴(yán)重磨損改向滾筒筒皮表面。物料下落到皮帶時，由于速度不一致，也對皮帶產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而磨損皮帶滾筒的筒皮。

對于大高爐來說，除了滾筒筒皮的磨損外，還有筒皮焊縫開裂的損壞。首鋼京唐前期滾筒的損壞都是焊縫開裂，早期發(fā)現(xiàn)的及時組織進(jìn)行檢修，未能及時發(fā)現(xiàn)的則影響到高爐生產(chǎn)。

4 滾筒筒皮失效原因分析

4.1 滾筒筒皮的磨損

滾筒筒皮的磨損是無法避免的，只能盡量減小。輸送的物料會粘附在皮帶上，在與滾筒接觸時磨損滾筒。在皮帶的頭部增加清掃器或通風(fēng)強(qiáng)制吹掃，減少皮帶表面的粘料，減輕對滾筒筒皮的磨損。

4.2 啟動沖擊

皮帶輸送機(jī)在啟動時皮帶會被傳動滾筒拉動伸長，而在配重滾筒處配重滾筒迅速向下移動。在皮帶穩(wěn)定運(yùn)行前，配重滾筒與配重箱一起會上下運(yùn)動多次。配重滾筒與配重箱在向下運(yùn)動時，對皮帶產(chǎn)生強(qiáng)烈的向下拉動。該沖擊力作用在滾筒上，對改向滾筒特別是配重改向滾筒產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，導(dǎo)致滾筒筒皮的焊縫發(fā)生開裂、筒皮損壞。其中，N2再次筒皮開裂都是在配重前改向滾筒，也印證了沖擊的影響。

4.3 焊縫的位置與結(jié)構(gòu)

對于三段焊接結(jié)構(gòu)的滾筒筒皮，焊縫的位置與結(jié)構(gòu)對損壞有很大影響。滾筒和輪轂通常是鑄造的，輪轂部分很短，而中間部分的圓筒就很長。這樣，皮帶的全部拉力集中在筒皮的焊接部位，皮帶產(chǎn)生的拉力和沖擊力全部由焊接部位承擔(dān)，容易導(dǎo)致焊接開裂。焊縫的結(jié)構(gòu)對開裂也有很大影響，尤其是對接結(jié)構(gòu)的焊縫。該滾筒在安裝初期就是這樣的焊縫結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的故障也基本在這個部位。

4.4 疲勞

滾筒在旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)筒皮與皮帶接觸時受到皮帶的擠壓，離開皮帶時不受擠壓。材料在這種交變應(yīng)力或應(yīng)變的不斷作用下，最終會發(fā)生性質(zhì)變化。該變化可以定義為疲勞。疲勞是達(dá)到一定程度才會出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象。疲勞壽命則是構(gòu)件從開始受到載荷直到發(fā)生破壞時所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)，也可以等效為時間歷程。

由于疲勞破壞是構(gòu)件在工作中長期累計形成，因此一般破壞之前都沒有明顯征兆。這也是疲勞破壞的危險性所在。皮帶也因未能及時發(fā)現(xiàn)而受到傷害，最長傷害皮帶100 m。

4.5 焊接

焊接質(zhì)量對焊縫的影響很大，因此焊縫各處必須焊透。在交變應(yīng)力或應(yīng)變的不斷作用下易產(chǎn)生裂紋，不焊透就是裂紋源，且在使用過程中容易出現(xiàn)高的應(yīng)力集中。在交變應(yīng)力或應(yīng)變下很容易產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致開裂。

在焊接熱循環(huán)過程中，熱影響區(qū)組織分布是不均勻的，會出現(xiàn)嚴(yán)重的晶粒粗化。焊接過程中母材在加熱的同時會產(chǎn)生相變，這個過程導(dǎo)致熔合線組織產(chǎn)物不穩(wěn)定。熔合線是區(qū)分熔合區(qū)與熱影響區(qū)和焊縫的線，包括熔化線（靠近焊縫）和不熔化線(靠近熱影響區(qū)）。至于熔合區(qū)為什么薄弱是因為其是由部分熔化的母材和部分未熔化的母材組成，其化學(xué)成分、微觀組織和力學(xué)性能極不均勻，常常是熱裂紋、冷裂紋及脆性相的發(fā)源地。

另外，焊接方法和焊接過程中的其他工藝因素，如坡口尺寸、間隙大小、電極傾角、工件的斜度、接頭的空間位置等，也會影響焊縫成形。

5 滾筒筒皮整改措施

針對滾筒筒皮頻繁出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象，首鋼京唐組織科技人員與供貨單位設(shè)計人員共同對其進(jìn)行分析，制定了改造方案。影響焊接強(qiáng)度的因素主要有力學(xué)和材料2個方面：力學(xué)方面的影響包括焊接缺陷、接頭形狀的不完整性、殘余應(yīng)力和焊接變形等；材料方面的影響包括焊接熱循環(huán)引進(jìn)的組織變化、熱塑性應(yīng)變循環(huán)產(chǎn)生的材料變化、焊接后熱處理和校正變形等（圖3）。

圖3 改進(jìn)皮帶輸送機(jī)滾筒

（1）材料方面的改造。筒皮結(jié)構(gòu)的材料由鑄鋼改造為鍛鋼。兩者的材料和密度差異，焊接成型的工序不好，焊接不方便，強(qiáng)度不足。為此，將鑄鋼部分改造為鍛鋼，加大了材料的密度，與軋制的鋼板的焊接性能相對較好。

（2）部分筒皮加厚。針對出現(xiàn)焊縫開裂較多的滾筒，對筒皮進(jìn)行了加厚。隨著鋼板厚度的增加，焊縫的厚度也隨之增加，也就增加了焊縫的受力面積，可以避免了焊縫開裂。

（3）焊縫位置改變。對鍛造的輪轂加工倒角，并在輻板留置部分與圓筒搭接位置。將中間段的鋼板制作的圓筒稍微加長一點(diǎn)，搭接在其上，然后進(jìn)行對接焊接。中段延長只能是一小部分，不能改變較大，要以不影響聯(lián)接件的裝配為原則，即不改變軸的結(jié)構(gòu)和受力。這樣，焊縫的受力大小不會發(fā)生變化，仍然和以前一樣可以承載皮帶的力。但是，搭接以后中間段的圓筒的力就不完全由焊縫來承受，輻板也可以承受皮帶的拉力，受力小了焊縫就不易損壞、開裂。同時，這一結(jié)構(gòu)即使焊縫發(fā)生開裂，由于有輻板的支撐，中間段的圓筒鋼板也不會偏離，不會損壞皮帶。

6 其他未實施方案

從圖2可以看出，當(dāng)滾筒的輪轂在鑄造或鍛造時較短，那么皮帶所有的拉力都集中在中間段的圓筒上。圓筒與輪轂是對接方式焊接在一起的，焊縫承載了所有皮帶的拉力。如果將兩側(cè)的輪轂加長、中間的圓筒部分縮短，外側(cè)的輪轂就可以承載一些皮帶的拉力。也就是說，皮帶對滾筒的拉力有部分是通過的輪轂傳遞到輻板，然后傳遞到軸上。這樣就減小了中間段圓筒部分的擠壓力，焊縫受到的拉力減小后，就不會再發(fā)生開裂現(xiàn)象。

從受力的角度分析，此方案較好，不用增加筒皮的厚度就可以減輕焊縫的受力。但是考慮到軸的強(qiáng)度，沒有采用該方案。因為當(dāng)受力的中心點(diǎn)向軸的中間移動后，軸的彎矩就會增大，軸的強(qiáng)度需要重新計算。如果軸的強(qiáng)度不足，會造成更大的危險。滾筒各個部件的強(qiáng)度和剛度互相影響，不能在增加某一部件強(qiáng)度的同時，削弱了另一部件的強(qiáng)度。本周期內(nèi)其中一次是因軸與輻板的損壞導(dǎo)致滾筒焊縫開裂，說明軸的強(qiáng)度也不是特別大。所以，在沒有進(jìn)行詳細(xì)計算的情況下沒有實施。

7 結(jié)論

首鋼京唐通過對長滾筒的鑄造件改為鍛造件，提高了對接焊接的性能和焊縫強(qiáng)度。將輪轂進(jìn)行了小的變動，改善了中間段的受力狀況，減小了焊縫的承載力。這樣的結(jié)構(gòu)改變也可以避免皮帶因滾筒斷裂造成的劃傷，是對皮帶的一種有效保護(hù)。