烧结机大型星轮齿板焊接修复技术

卢长春， 张显辉

(中冶宝钢技术服务有限公司,上海 201999)

0 前言

烧结机是将铁矿粉、石灰等加热烧结成有足够强度和粒度的烧结矿，作为炼铁的熟料，烧结熟料对于提高高炉利用系数、降低焦比、提高高炉透气性，保证高炉运行均有重要意义[1-2]。烧结机头部的星轮齿板是烧结机的核心部件，齿板由于长期在高温、多尘、重负荷下运行，齿板的表面容易磨损，齿板磨损后如不及时更换容易造成台车跑偏、啃轨等问题[3-5]。星轮齿板使用3～4年后就磨损到不能使用了，需要同时更换两侧的齿板才能使设备恢复正常[6-7]。目前各钢厂通常采用新齿板更换磨损的旧齿板，整体更换齿板不仅材料成本高，而且更换过程需要投入大量人工，并需要花费较长的时间[8]。该文拟采用在线堆焊修复星轮齿板的方法达到降本增效的目的。

1 星轮齿板的特征及其修复难点

1.1 星轮齿板的化学成分及力学性能

星轮齿板材质为50Mn2，其化学成分和力学性能分别见表1和表2。50Mn2具有较高的强度，但塑韧性较差。为了满足生产要求，齿板咬合面洛氏硬度控制在40～50 HRC，修复前50Mn2齿板咬合面实际硬度测量结果见表3。

1.2 星轮齿板的结构形式及磨损部位

星轮齿板直径约5 m，厚度130 mm。整个设备是由两个对称的齿板组成，齿板带着台车运行，长期的运行导致齿板磨损，星轮齿板结构形式如图1所示，磨损部位见如图2所示。

表1 星轮齿板50Mn2钢的化学成分(质量分数，%)

表2 星轮齿板50Mn2钢的力学性能

表3 星轮齿板咬合面硬度测量值 HRC

图1 星轮齿板结构形式

1.3 齿板焊接修复的难点分析

齿板材料50Mn2属中碳调质钢，按照国际焊接学会推荐的碳当量公式计算，其碳当量为0.767，焊接热影响区极易产生硬脆的马氏体，焊接时很容易产生冷裂纹，为了防止冷裂纹的产生，焊接过程需要采取焊前预热和焊后热处理等工艺措施[9-11]，然而烧结机齿板的尺寸庞大，且周边空间受限，现场难以进行有效的预热和焊后热处理，如何防止焊接修复过程中冷裂纹的产生是齿板修复的最大难点。

图2 星轮齿板磨损部位

齿板咬合面工作硬度需控制在40～50 HRC，才能达到耐磨要求。新齿板制作时50Mn2钢经过调质处理，齿面硬度可达到45～50 HRC，但齿板焊接修复之后，即使采用同材质焊材，由于无法做焊后调质处理，齿面硬度也难以达到使用要求。

烧结机星轮齿板修复时焊接位置处于仰焊位置，且空间狭小，焊工操作难度较大。

2 焊接材料及焊接方法选择

由于现场条件限制，无法进行预热，如果选用同质焊材，焊接过程中难以防止冷裂纹的产生，而且由于无法进行焊后调质处理，修复的齿板齿面硬度也难以达到使用要求；如果采用奥氏体不锈钢焊材，根据舍勒夫图，按照焊条电弧焊20%的稀释率计算，焊缝金属不能获得防止冷裂纹产生理想的“奥氏体”组织，且奥氏体不锈钢焊缝强度较低，其硬度根本达不到齿板齿面的工作硬度。通过计算分析，该项目选用ENiCrMo-3焊条进行焊接修复，焊条熔敷金属成分及力学性能分别见表4、表5。由于该焊条Cr，Ni成分较高，在正常的工艺条件下焊接，焊缝组织具有优良的抗冷裂性能，且焊缝金属抗拉强度达到800 MPa，焊缝硬度有望接近齿板要求的工作硬度，同时该焊条的使用工艺性良好，适用于进行位置狭小、仰焊位置的焊接。

表4 ENiCrMo-3焊条熔敷金属成分(质量分数，%)

表5 ENiCrMo-3焊条熔敷金属的力学性能

3 星轮齿板的焊接修复工艺要点

3.1 样板制作

采用薄铁皮制作标准样板如图3所示，使用该样板可以方便找到磨损齿板需要的堆焊位置[10]。

图3 星轮齿板标准样板

3.2 焊前准备

焊接前用四氯化碳清除待修复齿板表面油脂，再用磨光机打磨清除星轮齿板和台车长期接触碰撞而产生的硬化层，以防止硬化层焊接时产生裂纹导致堆焊层脱落。

3.3 焊接工艺参数

堆焊时要尽量用较小的焊接电流，以减小熔合比，从而得到较好的金相组织。第一层、第二层采用φ3.2 mm焊条，填充层和表面层选用φ4.0 mm焊条。焊接时注意控制焊接热输入，在焊条运条上采用直线不摆动运条，以增加焊接速度,打底层采用直线不摆动运条，不宜采用锯齿形运条，打底焊道热输入控制在8 kJ/cm以下、填充盖面焊道热输入控制在10 kJ/cm左右比较理想。采用小热输入多道多层焊技术，利用后焊道对前焊道起到退火作用，改善焊缝组织性能。星轮齿板修复的焊接工艺参数见表6。

3.4 焊接修复其它注意事项

焊接道间温度控制在100～250 ℃之间，焊接中途不停歇，直到一个齿面焊接完成；第一层堆焊完毕，清渣后用铁锤锤击堆焊焊缝使其产生塑性延伸，减小焊接热应力，第4层后可以不用锤击焊道；焊接过程中用样板测量堆焊层的高度，堆焊层高度需要比原齿板高度高约1 mm左右。

表6 星轮齿板修复的焊接参数

4 焊后检验

4.1 外观检验

齿板修复完后，首先用样板检查堆焊尺寸是否符合标准，再检查焊缝外观有无飞溅、夹杂、气孔、未熔合等缺陷。

4.2 探伤检验

外观尺寸检查合格后进行着色探伤，检测是否存在裂纹。确定没有裂纹，再用角向砂轮机修磨焊缝余高使其与样板尺寸相符合。

4.3 硬度检测

将堆焊修复后的齿板打磨平整光滑后进行硬度检测，沿齿板厚度方向间距20～30 mm选3条测试线，每条测试线上每隔10～15 mm测试一点，共测6点硬度，硬度测试如图4所示，测试数据见表7。可见，堆焊修复后齿板咬合面平均硬度42～43 HRC，达到原设备齿板调质后的硬度，可以满足星轮齿板的工作硬度要求。

图4 堆焊层硬度检测

表7 齿板修复后堆焊层硬度实测值 HRC

5 现场应用及经济价值

修复后星轮齿板在烧结机上使用，使用寿命达到了17个月，与更换新齿板相当，证明该修复工艺能够满足星轮齿板的耐磨性能要求。在经济性方面，如果更换新的齿板，国产齿板约43万，进口齿板约87万元，而采用该修复技术材料费用仅为2.8万元，同时采用该技术可节约工时约20 h，由此所创造的产值更为可观。

6 结论

(1) 通过合理选择焊接材料、控制焊接热输入和熔合比等工艺措施，实现了受磨损星轮齿板的在线修复,焊接修复后的星轮齿板硬度及耐磨性能满足生产要求。

(2) 烧结机头星轮齿板在线修复，节约了设备购置费、显著降低了人工费用，达到了降本增效的目的。