φ44..88m m×7474m m回转窑轮带表面出现剥落和裂纹的原因分析及应对措施

2016-09-23何雪梅

水泥技术 2016年3期

何雪梅

何雪梅

水泥回转窑轮带作为回转窑主要支撑件，因其单体重、体积大、生产制作周期较长，受力大、扭矩大、系统复杂，是影响回转窑运转率的主要因素之一。轮带一旦出现质量问题，维修和更换困难，停窑时间较长，对企业的生产影响较大，因此轮带的加工质量和日常维护至关重要。本文对国外某公司φ4.8m×74m回转窑轮带在使用过程中出现的问题进行了分析，并提出了一些应对措施。

1　轮带常见质量问题

以前回转窑轮带大多采用铸造方式，该公司的三档轮带也采用铸造，材质多为ZG35SiMn。若轮带在铸造过程或热处理过程中存在缺陷，带病运行，加之后期运行过程中使用和维护不当，容易产生轮带因疲劳点蚀而出现表面剥落及压溃、表面裂纹，回转窑轴向传动、挡块脱焊，垫板螺栓损坏等现象。

表1　某公司φ4.8m×74m回转窑轮带相关参数

现场采用DP法对两条裂纹进行检测，测出两条裂纹长度为455mm和125mm。经过几个月的观察，随着生产运行，轮带裂纹有继续延伸、脱落部位有继续加大的趋势，随即停窑进行现场维修，确保回转窑正常运转，同时购买新的轮带以备不时之需。

2　轮带出现裂纹或剥落现象的原因分析

图1　第Ⅱ档轮带工作面出现裂纹

2.1使用环境

该回转窑地处非洲，气候干燥炎热，除现场日常维护，正常情况下该回转窑轮带同时承受温差应力、接触应力和弯曲应力等几方面力的综合作用。

（1）回转窑轮带作为支撑件，每个轮带均支撑着该段回转窑筒体、耐火材料、窑皮、熟料等数百吨的重量。轮带工作环境温度较高，回转窑运行时，由于轮带内外表面距回转窑筒体的距离不同，接受筒体热辐射的强度也不同，加上对流和传导的综合作用，致使远离筒体的轮带外表面温度远远低于靠近筒体的内表面，存在着100多度的温差，由此产生温差应力。轮带长期受该应力作用，在外表面5～7mm产生微裂纹，该裂纹和轮带所处的接触应力相互平行或成45°角，且裂纹不断扩散，贯穿甚至剥落，从而形成如图2所示的轮带表面剥落、掉皮现象。

（2）轮带属于大型铸造件，在铸造过程和热处理过程中不可避免地存在空洞、砂眼、结构疏松、裂纹等内部铸造缺陷，另外，钢水浇注时也容易在铸件内部出现成分偏析现象，局部区域由于含碳量增高而使得该区域硬度高于其他区域，同时其韧性塑性降低。所以在轮带运转过程中，该区域正常磨损量小于其他区域，从而造成此区域面凸起，形成接触应力，且应力集中。在接触应力作用下，轮带会沿铸造缺陷处形成微裂纹，并快速发展，在轮带表面产生如图1所示的接触疲劳裂纹。

图2　轮带工作面出现剥落

（3）轮带采用铸钢铸造，其韧性、抗冲击性比较差，塑性变形能力也比较差。因此，在低温条件下，即使很小的变形也容易引起脆性裂纹，并且断裂点大多在砂眼、加杂等杂质处开始形成。正常情况下的停窑检修，窑筒体温度从几百度降到常温时，筒体必然收缩，使得轮带产生弯曲应力，导致轮带与托轮的作用点也发生变化；当冷窑启动时，处于低温脆性下的轮带受弯曲应力作用产生脆性裂纹，加之在实际生产中，经常采用冷却水冷却轮带，冷却水渗入裂纹后，会形成密闭“高压腔”，将加速裂纹的扩展。

2.2润滑不当

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由于回转窑轮带及筒体垫片之间间隙过小，润滑困难，在回转窑运转过程中，轮带与窑筒体垫片接触，形成滑动摩擦，造成垫板磨损加快，导致回转窑筒体抖动、变形，轮带垫板和侧面挡块的磨损及金属拉伤，影响轮带正常使用。

2.3轮带材质及成分的影响

目前轮带大多采用碳素铸钢进行铸造，常用材质为ZG35SiMn或ZG35CrMo，具体见表2。

S和P通常被视为危害元素，其成分超标将降低材料的整体性能。S和Mn的结合可改善钢的切削性能，但S在钢中偏析严重，高温下会降低钢的塑性。S元素通常以FeS的形式存在，FeS熔化将削弱晶体间的结合力，导致钢的热脆性现象，容易造成热裂纹。轮带中S含量过高，补焊接时由于SO2的产生，将在表面形成气孔和疏松，造成焊接质量缺陷，易产生焊接裂纹。

P元素在钢中固熔强化和冷作硬化的作用强，可提高钢的强度和耐大气腐蚀性能，但会降低其冷冲压性能。P也能增加钢的切削性能，增加工件的表面质量，提高钢的强度和硬度，但是P的最大害处是偏析严重，增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，易造成“冷脆”现象，产生冷裂纹。

因此，在轮带铸件中要严格控制各种微量元素的含量，尤其是严格控制S和P的含量，同时尽量减少成分偏析现象的发生。

2.4浇注工艺

目前轮带浇铸通常采用地坑和树脂砂造型的方法，由于φ4.8m×74m回转窑轮带质量较大，通常需3包钢水同时完成浇铸。浇铸温度高低对铸件质量影响较大，浇铸温度偏低时铸件容易出现冷隔，表面出现皱皮缺陷；反之，浇铸温度过高时易出现大面积粘砂，铸件易疏松，严重时出现集中缩孔。通常浇铸冒口部位为裂纹、疏松等缺陷易产生区域。

表2　碳素铸钢轮带微量元素控制范围表，%

2.5热处理

JC/T333-2006《水泥工业用回转窑》明确要求轮带热处理后工作面的硬度＞185HB，常对轮带进行正火+回火处理。热处理控制不当，一方面会造成轮带表面硬度偏低、易磨损，影响其使用寿命；另一方面，轮带表面硬度偏高（一般要求托轮硬度应高于轮带硬度20HB），又容易产生表面裂纹；第三，热处理不均匀造成轮带工作面上硬度偏差大，使用中造成受力、磨损不均。对于轮带补焊部位，如热处理工艺不当，其补焊部位硬度会明显高于母材硬度，在后续生产使用中易造成该处应力集中，易产生裂纹。在制造中进行大面积补焊的轮带，其补焊部位极易出现大面积脱落。如补焊部位没有采取有效的消除应力措施，也会造成该部位延迟裂纹的产生。

2.6补焊修复

通常对粗加工后的轮带进行初次超声探伤，确定轮带中存在的铸造缺陷类型及位置，以便采取必要处理措施。铸造缺陷通常有铸造疏松或缩孔、线形缺陷、晶粒粗大、点状缺陷等几种类型。对于前两类缺陷，制造厂一般采用补焊修复的方式。焊接前需进行预热，焊补后对焊补面进行消除应力热处理，焊补处硬度低于母材硬度，其中心与母材硬度差值≯10%。

在对轮带表面进行磁粉探伤检测时，补焊部位受焊工水平、焊接环境及焊接工艺影响较大，易出现补焊裂纹。

3　应对措施

3.1使用维护

合理使用和周期性养护是延长轮带使用寿命的关键。做好回转窑运转过程的定期巡检和维护，调整好轮带与垫板间隙，定期加润滑油，结合现场实际情况和中控数据，控制好轮带的升温，均是延长轮带使用寿命行之有效的措施。

3.2轮带修复

我们针对该公司轮带表面出现的剥落和非贯通裂纹进行了研究分析，认为该轮带经过修复后还可以正常使用。修复步骤具体如下：确定基准，找准筒体和轮带定位。回转窑筒体轴向伸缩量在停窑前后变化较大，要确定轮带在筒体周向的固定位置，保证窑正常运转时轮带定位中心线与托轮宽度中心线基本保持一致。修复前，先用磁力钻打止裂孔，防止裂纹继续延伸，将裂纹部位刨去，并开出V形坡口或U形坡口（角度视裂纹情况而定），打磨后进行无损探伤，确认无裂纹和其他铸造缺陷后再准备焊接。焊接前用氧炔焰进行局部预热至200～300℃。焊条在焊接前应在200～300℃烘箱烘干2h，用保温桶盛装，随用随取。每层焊接后，立即轻轻捶击焊缝，以消除焊接残余应力；盖面焊缝，高度略高于轮带表面，以便打磨。焊完保温10h。打磨焊缝，用样板复查，待完全冷却后对补焊部位进行UT和MP探伤检测。该轮带在修复后在生产中加强了保养和维护，同时增加了巡检和检查的频率，目前运转正常，没有新的裂纹和剥落情况出现。

3.3后续建议

（1）加强轮带制造过程中的质量监控。轮带的铸造和热处理过程对轮带的使用寿命至关重要，因此加强生产过程中的质量管控非常重要，有问题尽早发现并及时处理，上一道工序检验不合格不得转入下一道工序。

（2）采用新的生产工艺，如采用全冒口浇注工艺或轮带使用锻件。全冒口浇注工艺可使轮带达到更高的质量等级，在加工过程中，将冒口部位及易产生裂纹、疏松等铸造缺陷的区域，作为切削量全部处理，从而提高轮带的质量等级；轮带采用锻件，可有效避免铸造轮带中的一系列铸造缺陷，且锻造轮带组织结构细密、晶粒分布均匀，可大幅提高设备总体性能，大幅延长使用寿命。