原煤破碎辊制造工艺的改进

陈文奇

邯钢设备制造安装有限公司

前言

四辊破碎机是烧结车间用来将原煤破碎成细小颗粒的关键设备，其工作原理是依靠上下两对破碎辊的旋转运动，将从两辊面之间通过的原煤碾碎成较细小的颗粒。其中破碎辊在原煤颗粒长期磨削作用下，逐渐磨损变薄，最终报废。更换新辊必须停机操作，所以破碎辊使用寿命的长短直接关系到烧结车间生产效率的提高。破碎辊是设备制造安装分公司的定型产品，历年的定货量都较大，但随着烧结车间逐年扩产，破碎机使用频率提高，烧结车间反映设备制造安装分公司制造的破碎辊使用寿命平均不到两个月，不能满足目前高负荷、高效率的生产要求。为此设备制造安装分公司专门成立了课题组进行攻关，经过一年多的努力，终于将破碎辊的使用寿命提高到了六个月左右，从而为烧结车间的生产顺行提供了保证。

1 改进方向的确定

首先对破碎辊的使用状况进行考察，破碎辊工作表面的原始厚度为90mm，硬度在HB230～270之间，在使用过程中，随着厚度逐渐减薄，表面硬度逐渐降低，当厚度减薄至60mm左右时，硬度降至HB200左右，此时辊面上出现大小不等的圆形凹坑，然后凹坑逐渐发展成沿物流方向的条状坑，最后在整个辊面上形成一条条类似绳轮的凹槽，凹槽的存在，既降低了原煤的破碎效果，又加速了辊面的磨损，并最终导致破碎辊报废。经分析可知，当铸件存在组织疏松、成分不均匀、含有夹杂物等缺陷时，都可导致热处理后铸件内部硬度不均匀，导致在相同外力作用下形成深浅不一的凹坑。另外，由于热处理硬度偏低和耐磨层较薄，导致耐磨性能较低。

由此可确定出以下改进方向：

⑴ 通过对铸件生产工艺的改进及生产过程的控制，确保获得内部组织均匀致密的铸件。

⑵ 通过对热处理工艺的改进，提高产品的硬度及耐磨层厚度。

2 铸件生产工艺改进

2.1 铸件成分选择

铸件材质为ZG35CrMnSi，其成分为（%）：C：0.3～ 0.4 Si：0.5～ 0.75 Mn：0.9～ 1.2 Cr：0.5～ 0.8 S、P≤0.04 对近期寿命较短的破碎辊核查了成分，发现成分虽合格，但偏于下限，改进为熔炼时Cr、Mn、Si含量偏上限。Cr、Mn、Si调高后强化了对钢的基体的固溶作用，从而提高了钢的强度和硬度，Mn含量的提高可以适当提高钢的淬透性，有利于得到较深的耐磨层。

2.2 生产设备

型砂采用碾轮式混砂机混碾，采用3吨电弧炉熔炼钢水，塞杆式钢水包进行浇注，底注孔直径为φ35mm。

2.3 造型方法及材料

采用钠水玻璃-CO2硬化法造型，石英砂作为造型面砂，七O砂作为背砂，石英砂中SiO2含量在96%以上，水玻璃模数在2.2～2.6之间。

2.4 浇注系统设计

为保证钢水充型平稳，采用上下两道内浇口的阶梯式浇注系统，下层内浇口距铸型底面为300mm，内浇道间距为400mm，内浇道沿辊面的切线方向开设，以防止钢水对中间砂芯的冲击，造成掉砂缺陷。为防止夹杂物由浇注系统带入，内浇道、横浇道、直浇道全部采用成型耐火砖管铺设。

2.5 冒口设计

图1 破碎辊示意图

冒口设计的合理与否将直接影响到能否获得相对致密的铸件，所以对冒口进行了较为细致的设计计算。铸件要求全部加工，加上机加工余量后，毛坯结构及尺寸如图1所示。经计算，毛坯重量为1800Kg，铸件壁厚a＝110mm ，铸件体积VC＝231×106 mm3

采用模数法设计冒口：

（1）热节圆及铸件模数计算

热节圆理论直径T理＝110 +（110/2+10）2/（110+20）＝142.5mm

考虑热节处的补贴尺寸及圆角处对散热的影响，将热节圆直径增大1.1倍为157mm。从而铸件模数M C＝T×h/［2×（T+h）］＝157×720 /［2×（157+720）］＝64mm

（2）冒口直径D的计算

为保证冒口晚于铸件凝固，根据经验，取冒口模数M r＝1.2×MC，则冒口模数Mr＝1.2×64＝76.8mm。采用圆柱形明冒口，冒口直径为D，冒口高度H＝1.5×D，不设冒口颈。

因为不设冒口颈，冒口的一端与铸件直接接触，所以冒口的表面积不应包括该端面的面积，即：冒口表面积Sr＝π×D×H+π×D2/4＝5.495×D2，冒口体积Vr＝π×D2×H/4＝1.1775 D3冒口模数Mr＝Vr/Sr＝0.214×D＝76.8mm，计算冒口直径D＝76.8/0.214＝359m m。

实际取冒口直径D＝360mm，则H＝1.5×D＝540mm

（3）冒口数量计算

冒口个数N＝π×（d1+d2） /［ 2×（ D+4×T）］=3.14 ×（900+720）/［2×（360+4×157）］＝2.574（个）

取 N ＝ 3， 则 V r总 ＝ 3×V r=3×1.1775×3603=165×106mm3

（4）冒口的补缩能力校核

补缩效率η＝εV×（Vr总+Vc）/Vr总×100%＝5.6×（165+231）/165×100%=13.4%，查资料显示此类铸件的补缩效率应为12～15%，12%＜η＜15%。可见三个冒口即可满足使用要求。

2.6 熔炼及浇注工艺要点

严格按照氧化法对钢水进行熔炼，出钢后钢水镇静时间不得低于4分钟，待钢水温度降至1540℃～1560℃后，进行浇注，在冒口凝固前点浇冒口一次。然后向冒口中加覆盖剂，铸件在砂型内保温时间不得低于48小时。

3 热处理工艺改进

铸件初加工前进行完全退火，以消除铸造应力，确保铸件组织均匀。为确保调质质量，初加工后，增加正火工序，以细化晶粒。提高产品的硬度及耐磨层厚度是提高破碎辊耐磨性的有效方法。原图纸技术要求规定铸件硬度范围为HBS228～269，在热处理工序通过调整调质时的回火温度，使铸件硬度提高到HBS280～310。在调质工序前后对铸件进行超声波探伤，质量要符合GB7233-87 Ⅱ级要求。

4 效果

去年第三季度，我公司采用改进后的制造方案，共为炼铁部生产了12支破碎辊。去年第四季度开始陆续上线使用，其中7支使用寿命达到6个月，另外5支在使用5个月后，对辊面进行车削修复，以消除表面不平整，然后再次上线使用，累计使用寿命达到7个月左右。显然，通过生产工艺改进，我公司生产的破碎辊使用寿命明显提高，平均比改进前提高了4个月左右，不但降低了破碎辊的在线维护成本，也提高了炼铁部烧结车间的设备运行效率。

[1]王建南.铸造技术，2001（1）

[2]于永智.铸造，1997（11）

[3]王永云.铸造技术，1997（6）

[4]铸工工艺学.机械工业出版社，1980