回转窑设备的材料选择及性能控制

李晓平，贲道春，陈和根，仲跻松，储小虎，贲道林

（江苏鹏飞集团股份有限公司，江苏 海安226623）

0 引言

回转窑诞生已有百年， 广泛应用与建材、冶金、钢铁、石灰、环保、能源等行业。 它是干法水泥生产不可缺少的设备。 中国从一开始回转窑依赖进口到国产化，再到大量出口国际市场，如今已成为全球产销量、使用量最大的国家。 回转窑相关标准规定了回转窑的制造安装要求， 但是符合标准要求的回转窑未必是完美的回转窑。

随着材料工业的不断发展、 制造水平的不断提升、使用要求的不断提高，对材料性能的发挥和利用、设计制造参数的优化、零部件结构形式的变更、铸钢件缺陷允许程度的改变、特殊零部件检验要求等方面需要重新梳理， 以适应回转窑类产品质量升级要求。 江苏鹏飞集团作为全球回转窑产销量较大的制造企业，有义务和责任总结经验，以推动我国建材机械工业的进一步发展。

1 材料选择

1.1 筒体材料

如图1 所示， 回转窑筒体是回转窑主要的零部件之一，其消耗钢材占整台回转窑的一半左右。

图1 回转窑

回转窑筒体为钢板卷制焊接而成的长圆柱筒，如图2 所示。 长期以来，筒体材料一般选择碳素结构钢Q235B[1]（原牌号A3） 或质量等级较高的Q235C。 低合金高强度结构钢Q345D （原牌号16Mn）或锅炉钢Q245R[2]（原牌号20 g）因屈服强度更高或有害化学成分含量更小、综合性能更高而被得到广泛使用。

图2 焊接中的回转窑筒体

由于使用材料含较高有害化学成分导致回转窑筒体碎裂和严重腐蚀的情况屡见不鲜。新疆某水泥厂3 台预分解窑分别出现大齿轮处筒体裂缝，过渡带大齿轮附近出现窑筒体开裂，自二档轮带至窑尾节处窑体断裂、 窑尾节掉下窑台的重大事故；冀东某水泥厂1 台预分解窑发现窑筒体多条裂缝；2013 年以后， 多地水泥厂相继发生窑筒体碎裂的恶性事故。

随着国家标准对Q245R、Q345D 有害化学成分控制得更加严格，2018 年低合金高强度结构钢Q345D 又被与欧盟标准对应的综合性能更好、有害化学成分更少的Q355D[3]代替。 不同时期筒体材料有害化学成分见表1。

表1 不同时期回转窑筒体材料的有害化学成分

有害化学成分的减少使钢板冷脆性和热脆性降低，延展性、韧性、焊接性、冷弯性提高，这进一步提高了回转窑筒体刚度、冷态和热态性能，有效降低了筒体热态局部碎裂的可能性。

鉴于回转窑筒体的重要性、材料冷脆性和热脆性敏感程度、使用环境的特殊性，优先选择有害化学成分P、S 等含量较低的Q245R、Q355D 材料制作回转窑筒体是防止和避免碎裂的有效途径。单从经济性角度考虑可优选材料Q235C； 单从冷脆性和热脆性敏感性角度考虑应优选材料Q245R；既从冷脆性和热脆性敏感性角度考虑，又从材料力学性能角度考虑，应优选材料Q355D。 筒体材料的选择直接影响回转窑的造价，业主应根据价格承受能力参与材料选择。

1.2 托轮轴等轴类材料

标准规定回转窑托轮轴等轴类材料应不低于优质碳素结构钢[4]45 钢的规定。 由于45 钢成本价低， 因此大部分制造厂选择托轮轴等轴类材料为45 钢，而不使用合金结构钢[5]40Cr 钢。

40Cr 钢比45 钢的材料价格高5%～10%。45 锻钢力学性能与40Cr 钢大体相当， 区别在于热处理性能。 调质处理后的40Cr 钢具有良好的综合力学性能,良好的低温冲击韧性、淬透性和低缺口敏感性[6]。 由于淬透性提高，淬火（或调质）处理后40Cr钢的强度、硬度、冲击韧性等机械性能也明显比45钢高。

40Cr 钢淬透性和调质处理后的综合力学性能优于45 钢，容易把控调质处理后强度、硬度、冲击韧性等机械性能。回转窑重要轴类零件由于机械性能原因断裂的事故不在少数， 因此建议托轮轴、小齿轮轴、挡轮轴等重要轴类的材料最低要选择使用热处理性能优越、性价比高的40Cr 钢。

对于有很高的静力强度及冲击韧性、较高的疲劳极限、高负荷下工作要求的特别重要的轴类零件（如小齿轮轴）可选用比40Cr 钢淬透性更好、性能更优越的合金结构钢35CrMo、42CrMo 等材料。

1.3 轮带和托轮毛坯

标准规定回转窑轮带托轮的材料为铸钢件，如现行国家标准GB/T 32994—2016 《水泥工业用回转窑》[7]规定轮带材料不低于ZG35Mn，托轮挡轮材料不低于ZG35Cr1Mo。 常规制造方法制造的大型合金钢铸件很难保证不存在任何铸造缺陷，但铸造缺陷的危害很大，补焊不当导致的危害也很大。 从提高产品质量角度考虑，根据性价比可优先选用锻造轮带托轮。

锻件的性能之所以比铸件力学性能高，主要是因为通常铸件凝固较低的冷却速率导致铸态晶粒和晶内组织较为粗大， 且难以避免宏微观偏析，往往存在疏松、杂质集中分布等缺陷，锻造过程通过对铸坯施加力的作用， 使金属材料发生塑形变形、流动，进而使材料组织致密、成分均匀、晶粒细化、杂质均匀分布，相比常规铸态组织显著提高了力学性能。

根据国内的锻造能力和锻造水平，Φ4 m 以下规格回转窑的轮带托轮能够通过锻造方法完成毛坯的供应，但是锻件存在材料价格差异。

对于Φ4 m 以上规格回转窑，轮带托轮锻造的材料价格高于铸造的材料加工约30%；对于Φ4 m规格回转窑， 轮带托轮铸造和锻造的材料价格相当，是价格的平衡点；对于Φ4 m 以下规格回转窑，轮带托轮锻造的材料价格略低于铸造的材料价格约5%。 对于小规格回转窑，轮带托轮铸件改锻件，时机基本成熟。

2 材料性能控制

2.1 硬度与匹配

国家标准规定，精加工后外圆表面硬度应不低于170 HB； 托轮精加工后外圆表面硬度应不低于190 HB； 托轮外圆硬度应比轮带外圆硬度高20 HB以上。 “高20 HB 以上”表明托轮硬度要求受制于轮带的实际硬度，因此托轮硬度“不低于190 HB”的要求是多余的或者没有实际意义。 铸钢厂普遍认为：托轮硬度控制比轮带硬度控制容易；通过改进冷却方式轮带正火硬度控制范围可缩小到±15 HB，即轮带硬度可控范围为（185±15） HB。 另外，托轮外圆硬度应比轮带外圆硬度高20 HB 以上的要求，无法界定比对硬度是最低硬度、最高硬度还是平均硬度，因此实际可操作性不强。

国家标准规定大齿圈齿顶圆表面硬度应不低于185 HB； 小齿轮齿顶圆表面硬度不低于230 HB，小齿轮齿顶圆硬度应比大齿圈齿顶圆硬度高20 HB以上。 与轮带托轮硬度及匹配规定要求如出一辙，存在同样问题。

轮带托轮硬度和硬度匹配要求可修改为下列两种可控制要求之一：

（1）轮带精加工后外圆表面最低硬度应不低于170 HB， 托轮外圆的平均硬度应比轮带外圆的平均硬度高20 HB 以上， 且托轮外圆最低硬度不低于轮带外圆最高硬度。

（2）轮带精加工后外圆表面最低硬度应为（190±20）HB， 托轮外圆的平均硬度应不低于210 HB，且托轮外圆最低硬度不低于轮带外圆最高硬度。

齿轮硬度和硬度匹配要求可修改为下列两种可控制要求之一：

（1）最低硬度制：大齿圈齿顶圆硬度应不低于185 HB， 小齿轮齿顶圆硬度应比大齿圈齿顶圆硬度高20 HB 以上， 且小齿轮齿顶圆最低硬度不低于大齿圈齿顶圆硬度。

（2）硬度范围：大齿圈齿顶圆最低硬度185+300HB，小齿轮齿顶圆硬度不低于235 HB， 且小齿轮齿顶圆表最低硬度不低于大齿圈齿顶圆硬度。

上述各两种可控制要求分别为轮带或大齿圈最低硬度定值制和最低硬度公差制。 均去除了国家标准关于匹配件托轮或小齿轮硬度“不低于190 HB”（或“不低于230 HB”）的规定，其中要求（2）对于工艺的稳定性、产品质量的稳定性、零件的互换性均更具优越性。

2.2 齿轮硬度要求与加工工艺关联

齿轮齿面硬度是衡量齿轮质量的重要指标。由于齿面硬度受检测空间的限制难以被测量，因而用顶圆硬度作为齿轮硬度的检验依据。国家标准规定齿轮齿顶圆硬度为齿轮硬度迁就于检测方法的可行性。

通过正火处理的大齿圈，其齿顶圆硬度与齿面硬度基本相同，大齿圈齿顶圆硬度能够代表齿面硬度。而外圆粗加工（不粗开齿）后直接调质处理的小齿轮，由于齿槽较深，其齿顶圆硬度与齿面硬度或齿深方向各处的齿面硬度的悬殊较大。回转窑齿轮模数一般为25～45 mm， 全齿深约为55～100 mm，有限的淬透深度不可能使齿面达到较高的硬度。实践表明，这种不粗开齿直接调质处理的小齿轮齿顶圆硬度与齿面硬度相差40 HB 以上， 因此齿顶圆硬度不代表齿面硬度。

热处理工艺不是影响大模数小齿轮齿面淬透深度的主要因素。齿面硬度的高低取决于调质处理前粗开齿余量。 齿形精加工余量越小，齿面调质硬度越接近于齿顶圆调质硬度。因此小齿轮齿面调质是提高齿面硬度的关键措施。

需要强调的是，国家标准所述的小齿轮应进行“调质处理”与小齿轮“齿面调质处理”有着本质区别。 常规的不开齿小齿轮外圆调质处理，对提高较深芯部待加工齿面区域硬度犹如“隔靴搔痒”，而齿面余量较小的调质处理才是有效且符合机理的提高齿面硬度方法。调质处理前齿面与齿顶精加工余量接近，才能确保齿面与齿顶调质硬度接近，因此保证齿面和齿顶圆的精加工余量基本一致性是保证齿面和齿顶调质硬度接近的有效措施。

也有制造厂采用齿面淬火提高小齿轮齿面硬度，虽然使齿面达到极高的硬度，但是由于淬硬层较薄，在齿面深度方向硬度层不均匀过渡，易发生类似蛋壳外层的硬度突变，导致小齿轮齿面剥落的不良后果。

对于外圆粗加工后直接调质处理的小齿轮，有些制造厂为了齿面硬度达到230 HB 以上或更高硬度， 将齿顶圆硬度提高到280 HB 甚至更高硬度。高硬度齿顶圆使滚齿加工中刀具磨损和消耗特别严重，同时很难达到齿面粗糙度要求。

实践证明，粗开齿调质的小齿轮，只要保证小齿轮齿顶圆硬度比大齿圈齿顶圆硬度高20 HB 以上的要求，小齿轮齿面硬度和使用寿命基本能够得到保证。因此，小齿轮硬度要求应与加工工艺关联。上述硬度与匹配可选择的两种可控制要求可以结合制造工艺修改为：

（1）最低硬度制：大齿圈齿顶圆硬度应不低于185 HB， 齿面调质小齿轮齿顶圆硬度应比大齿圈齿顶圆硬度高20 HB 以上， 顶圆调质小齿轮齿顶圆硬度应比大齿圈齿顶圆硬度高40 HB 以上，且小齿轮齿顶圆最低硬度不低于大齿圈齿顶圆硬度。

（2）硬度范围：大齿圈齿顶圆最低硬度185+300HB，齿面调质小齿轮齿顶圆硬度不低于235 HB， 顶圆调质小齿轮齿顶圆硬度不低于255 HB， 且小齿轮齿顶圆表最低硬度不低于大齿圈齿顶圆硬度。