铸铁烘缸端盖的结构及维护

刘超锋 刘建秀 纪莲清 皇甫为宗 王海泉 陈 虎

(1.郑州轻工业学院材化学院，河南省表界面科学重点实验室，河南郑州，450002;2.河南煤业化工集团安化公司，河南安阳，455133;3.晋城市特种设备监督检验所，山西晋城，048000;4.山东省特种设备检验研究院菏泽分院，山东菏泽，274000)

铸铁烘缸端盖的结构及维护

刘超锋1刘建秀1纪莲清1皇甫为宗2王海泉3陈 虎4

(1.郑州轻工业学院材化学院，河南省表界面科学重点实验室，河南郑州，450002;2.河南煤业化工集团安化公司，河南安阳，455133;3.晋城市特种设备监督检验所，山西晋城，048000;4.山东省特种设备检验研究院菏泽分院，山东菏泽，274000)

简介了铸铁烘缸端盖的种类、工作时所受的载荷情况以及对烘缸端盖材料、端盖安装和维护关注的意义。对铸铁烘缸端盖结构设计的因素、端盖的安装和维护技术进行了分析。

铸铁烘缸端盖;结构;维护

铸铁烘缸是广泛用于造纸机械上烘干纸张的重要部件。它主要由缸体、端盖和转轴三部分组成。其中，端盖包括操作侧端盖、传动侧端盖。端盖外壁不与湿纸幅直接接触。操作侧端盖又名后端盖，开有人孔并且配人孔盖。传动侧端盖又名进气端盖，或驱动侧端盖。开有手孔的端盖还有手孔盖。对于受法规监管的承压元件，如果在设计、制造及使用过程中没有及时发现隐患，可能会造成烘缸端盖断裂甚至端盖爆炸［1］事故。对铸铁烘缸端盖的关注，作为烘缸研究和开发中的热点之一，意义尤为重要。

端盖的应力分析中，需要考虑以下几方面:受到烘缸内部的蒸汽压力，转动中自身产生的离心力，作用于端盖外缘的、由缸体转动产生的离心力组成的径向载荷以及端盖转动中传递功率而产生的扭矩等产生的扭转应力和弯曲应力，快速升温及冷却会由于温差急速变化而形成的热应力等［2］。端盖的结构不连续区域为最薄弱环节。危险区主要分布在以下几处:靠近烘缸轴颈的端盖连接表面，端盖筋板与轮毂过渡区域，端盖与缸体联接处的环带，以及端盖与人孔处的环带。烘缸端盖的强度和密封性对于烘缸的使用安全、经济运行至关重要。除了合理选材外，端盖的结构确定时，使端盖各部分圆弧平滑过渡，采用加强结构以降低端盖应力;减轻端盖质量，对端盖实施保温，以提高工作效率。

1 烘缸端盖材料

1.1 对端盖材料的要求

同样是带加强筋的烘缸端盖，由于铸铁件的特点，使带加强筋的铸铁烘缸端盖的加强筋宽度比钢结构端盖的窄得多。烘缸缸盖的结构材料多采用铸铁。QB2551—2008造纸机械用铸铁烘缸技术条件［3］和QB/T 2556—2008造纸机械用铸铁烘缸设计规定［4］对铸铁端盖材质和热处理的规定是:符合GB/T 9439、GB/T 1348;设计压力≤0.3 MPa时，不低于HT200;0.3 MPa＜设计压力≤0.5 MPa时，不低于HT250;0.5 MPa＜设计压力≤0.8 MPa时，不低于HT300;0.8 MPa＜设计压力≤1.1 MPa时，不低于QT500;人孔盖材质的机械性能应不低于端盖材质的机械性能;端盖材质的机械性能应不低于缸体材质的机械性能;端盖在铸造后应进行时效处理;球墨铸铁端盖可以进行退火处理，以改善性能;直径不小于2500 mm的端盖难以进行时效处理时，应采取技术措施消除铸造残余应力。烘缸端盖所用材质的机械性能见表1。

表1 烘缸端盖材质的机械性能

1.2 端盖材料的铸造要求

在设计压力、温度、车速较高、尺寸较大的端盖时，为减轻烘缸质量，可选用［5］HT300、QT500-7、QT600-3等材料。铸造时，端盖一般多采用分体铸型。国外端盖铸型曲面部分也采用分体，甚至于轴心对称分成8块。端盖浇铸时准确投料，最好使用对称双浇口浇铸。浇铸后，时效处理的方法是:在型腔内至少保温72 h以上，温度降到300℃以下才可以出型腔，不可接触湿地和水。

端盖铸件不得有裂纹、缩松、夹砂、渣眼之类的缺陷。铸铁端盖的铸造过程中，有害杂质含量偏高会导致端盖出现裂纹甚至导致烘缸报废。山东省特种设备检验研究院聊城分院对某纸厂一台长网八缸纸机2#烘缸 (Φ2500 mm×2150 mm，设计压力0.3 MPa，烘缸上一根Φ500 mm的光压辊，光压辊和烘缸水平中心距396 mm，实际使用线压30 kN/m)定检时，发现铸件材料成分为 (质量分数%):碳3.02%～3.34%，硅2.09% ～2.32%，锰0.54% ～0.68%，磷0.11%～0.19%，硫0.056%～0.06%的端盖存在大量径向裂纹，以操作侧端盖居多，裂纹宽1～2 mm，最长从端盖轴颈处裂至止口。原因是该端盖材质［6］成分中硫元素含量偏高，当硫含量从0.020%增加到0.061%，导致端盖在浇铸-冷却阶段从其截面厚度变化处、铸件拐角处及结构不连续处等处开裂。此外，虽然该烘缸设计压力0.3 MPa，但该纸厂为保证干燥部干燥速率，使得烘缸实际使用过程中的最高工作压力达到了0.35 MPa，也是加速端盖裂纹扩展的原因。铸铁缸盖铸造过程中，需要采取有效措施以防止有害杂质含量超标。

2 烘缸端盖的结构

2.1 端盖的基本结构

烘缸缸体的结构形式较固定。烘缸端盖的形状、结构形式比较多样化。端盖曲面形状极其复杂，是内外变曲率、不等壁厚的扁壳。尤其是大烘缸，其端盖为带大法兰和轴颈、厚度由内圈向外圈逐渐减小的内球体或其他曲面形状结构。有些烘缸缸体与其中一个端盖铸成一体。还有些直径较小的烘缸缸体与两端盖铸成一个整体。有些端盖带有铸造的轴颈，有些则是压配式轴颈。由于开孔和结构不连续的原因，使得端盖的厚度比缸体壁厚大1～3倍。QB/T 2556—2008中，有关端盖的结构尺寸主要有:轴颈的计算截面外径D(mm);烘缸传动侧轴承中心至计算截面的距离L(mm);端盖止口直径D1(mm);端盖螺栓中心圆直径Db(mm);轴颈内径D(mm);端盖与缸体连接螺栓的个数N;端盖圆弧半径R1，R2，R3，R4(mm);端盖法兰厚度Δfl(mm)。

工作时，端盖表面承受较大的应力，由于铸铁材料的特性，使端盖表面的拉应力可能达到应力极限，容易出现破坏。对此，增设加强筋可以降低端盖表面上的拉应力。带加强筋的端盖呈曲面，其受力状态比相同条件的平盖好，可以按带支撑结构的平板盖公式，确定带加强筋的端盖厚度。

铸铁烘缸端盖可以是凹形结构，也可以是凸形结构。带加强筋的凹形盖内侧面径向均布加强筋。凹形结构的端盖各圆弧曲率中心在端盖的同一侧 (内侧)。根据端盖内外壁面曲率半径的大小和曲率中心位置的不同，凹形端盖被划分成A、B、C共3类［7］。A类:四段弧线都是内凹，曲率中心在端盖同一外侧，且R1、R2曲率中心位于缸体的轴线上;B类:四段弧线都是内凹，曲率中心在端盖同一外侧，且R1、R2曲率中心不在缸体的轴线上;C类:R1、R2曲率中心位于端盖内侧，R3、R4曲率中心位于端盖外侧，且曲率中心不在缸体的轴线上。上述3类端盖中，以A、B类最常见。A类端盖轴头部分厚度稍微减薄一些，有利于减轻烘缸质量。B类端盖法兰内凹增大，壁厚减薄获得的优化结构烘缸更好。然而凸形端盖与凹形端盖相比，其最大应力有较大幅度下降，烘缸质量也因此减轻。日本关于端盖厚度确定的规范规定为“一部分球面的凸面无支撑受压铸铁封头的最小壁厚，必须在把该封头作为凹面受压最小壁厚以上，且必须在封头折边内径的1/1000以上”是基于凸面封头受外压产生压缩应力，而且发生在压曲前会产生较大的弯曲应力，但因铸铁抗压缩力和弯曲应力的性能较高，使凸面受压和凹面受压两种情况可取相同的壁厚。但为了防止发生压曲，故又对厚径比进行了限制。凸盖的设计要考虑尺寸、材质、设计压力、使用压力、保温、开人孔和跨度增大等因素。自行设计的凸盖应通过有限元法应力分析或应力测试后［8］才能应用。

2.2 端盖的结构改进

大烘缸因使用端盖质量较大，往往需要大功率电机来牵引，对轴承压应力较大，导致轴承和端盖轴头的使用寿命降低。江苏华东造纸机械有限公司公开了一种烘缸端盖结构［9］，使端盖的内曲线表面至少挖设有4个呈轴心对称的扇形孔，相邻的扇形孔之间形成加强筋。该结构可减轻质量、节省材料。

烘缸操作侧端盖的外缘部位同径均布安装孔，引纸绳的开槽在烘缸缸面上，但正好在端盖法兰内侧不连续结构的外侧，开槽后造成应力加大，在生产实际中，多数烘缸事故都发生在该处。目前，为了解决传统烘缸操作侧端盖结构易发生故障的问题，在烘缸操作侧端盖的外圆周或外侧边缘处安装一圆环形外伸体，该外伸体固装在端盖上，由于二者为相互独立的结构，提高了烘缸的安全性，而且在圆环形外伸体与端盖相接触的表面还设置有保温隔热层，减少了热量散失。由于外伸体为圆环形，使得端盖的大部分外侧表面与环境直接接触，而端盖为金属材料制成，所以造成了能源的浪费。焦作市崇义轻工机械有限公司开发的一种烘缸端盖［10］其外缘部位同径均布安装孔，在端盖法兰部位外侧同轴安装有一沿其轴向延伸的圆环，以便解决热应力集中的问题，同时加工制造容易，使用寿命长。

烘缸在工作过程中易产生振动，导致端盖上设置的平衡圈容易松动甚至脱落，所以现有的烘缸端盖质量大、动平衡差、使用寿命短。福建省晋江优兰发纸业有限公司公开了一种造纸机械用烘缸端盖的结构，包括端盖与平衡条［11］。其中，端盖的外圆弧面上设有平衡槽，槽内放置有与之相配合的平衡条，端盖与缸体相配合的平面上设有若干个减重孔;由于平衡条被固设于端盖的平衡槽内，因此不会发生方向性的移动，从而延长端盖的使用寿命;另在端盖上设置的减重孔可减轻端盖质量、节省材料，降低制造成本。

幅宽在4000 mm以上的宽幅烘缸的端盖在计入其自重、在恶劣排水条件下可能出现的半缸水重(冷凝水)及毛毯张力载荷的作用后，使端盖小圆角过渡区域处于下部位置的弯曲应力远高于上部应力。因此，为了防止烘缸端盖小圆角过渡附近发生断裂，应适当［12］增加端盖厚度，即增大与端盖小圆角连接的轴头部位直径，端盖外壁大曲率半径和内壁大曲率半径适当减小，还要修改内外壁小曲率半径及端盖法兰厚度，以保证端盖的小圆角区域或锥颈过渡部位的抗弯刚度。该处受力的交变特性，还必须做疲劳分析，使烘缸端盖最高交变应力幅能保证控制在许用疲劳持久极限内，确保烘缸的安全运行。

烘缸端盖用螺栓与缸体连为一体。端盖与烘缸体连接处有止口对中。端盖直径与缸体直径匹配。缸体与端盖结合的法兰处应力较大，是设计控制因素之一。原因是在内压作用下，端盖与缸体刚度差异较大，导致在结构不连续区域出现应变过大。端盖与缸体连接处做成凸型以减缓该区域过大的刚度。在保证工艺参数的条件下，合理减少缸体与端盖连接处螺栓孔中心线圆的直径，以增加结构不连续过渡范围。端盖最小厚度在端盖的螺栓孔附近。端盖各部分厚度应不小于端盖法兰的厚度。烘缸端盖法兰处的最小厚度见表2［4］。

烘缸端盖密封有止口密封和端面法兰式密封。止口密封时，缸体法兰与端盖法兰之间没有垫片，金属间直接接触。安装时，在端盖止口上缠绕几圈棉纱线，以加强密封性能。缸体与端盖止口采用有少量过盈量的过渡配合。此种密封形式起密封作用的止口处缸体会产生微小变形 (失圆)。为此，使缸体靠上偏差，而端盖靠下偏差，以降低装配难度。其结果会造成少数烘缸漏汽。端面法兰式密封的优点是加工和装配容易。此密封形式中，止口处采用有较大间隙的过渡配合，在止口端面处用石棉橡胶垫片密封;使端盖的端面为斜面，止口处还用有间隙的过渡配合，即端盖采用带翻边结构，有利于提高端盖法兰的刚性和强度。其中，斜度大小随烘缸直径、端盖厚度及材质不同而不同。某公司生产的Φ1800 mm烘缸［13］采用的法兰外缘斜度0.2mm，密封效果很好。

表2 烘缸端盖法兰处的最小厚度 mm

烘缸端盖应力峰值约在端盖半径的1/2处。为降低该峰值，在缸体内加空心杆。烘缸外径大于3000 mm或者外径大于2000 mm且设计压力大于0.5 MPa时，端盖采用对拉缸体与两端端盖连接的结构。外缸体为大烘缸［14］缸体，内缸体为比缸体直径小些的圆柱体，即所谓双层缸体结构。其作用是将操作侧端盖与传动侧端盖对拉，以加强两端盖。两端端盖之间均匀地用多根拉杆拉紧。但拉杆与两端端盖间的连接容易出现松紧不一现象，且受热后拉杆的伸长不均一，导致局部应力骤增的危险。套筒拉杆结构是比双层缸体的内缸体直径小得多的套筒拉杆将两端端盖拉紧、加强，以降低端盖的应力和变形。天津天轻造纸机械有限公司公开了一种高速纸机生产需要的能够承受高达1.8 MPa工作压力的烘缸，由于操作侧端盖和传动侧端盖之间固定连接有防涨管［15］，可以提高两侧端盖的承压能力。

为了便于进缸组装套筒拉杆、水斗、排水管和进行日常维修，操作侧端盖设有人孔。由于后端盖(即带人孔的端盖)开人孔，使后端盖与缸体连接处的应力幅值高于进气端盖与缸体连接处的应力分布。尤其是人孔附近的螺栓受拉应力过大时，螺孔处易出现裂纹，造成端盖损坏。端盖与人孔的连接处，尤其在端盖内侧，应力水平较高。除了在端盖内表面上的凸台和加强筋外，端盖的开孔部位和耳轴部位，还可以采取平滑过渡、增加局部壁厚或整体改进结构设计，例如采用凸缘 (或称凸台)整体补强。ASME规范和JIS规范规定:补强的尺寸不得大于板面垂直厚度的2倍。而QB/T 2556—2008规定，补强质量应不小于削弱质量。端盖人孔采用椭圆形式，人孔短轴在端盖径线方向，并要求人孔尽可能远离端盖法兰止口。外径小于1250 mm的烘缸，其一侧必须开设手孔;外径等于或大于1500 mm的烘缸必须开设人孔，人孔和手孔短轴宜布置在端盖径线方向;外径大于3800 mm的烘缸可在其两侧端盖上各开设一个人孔，两人孔中心相隔180°。小直径的烘缸无法安装心轴，本来应该使用凸形端盖来降低应力，若采用凹形端盖，平直型人孔的最大主应力［16］约为倾斜型人孔最大主应力的1.5倍。尤其是小直径宽幅铸铁缸，其平直型人孔压条的定位槽开得过浅会导致烘缸端盖人孔压条槽处沿人孔边缘向外呈放射状开裂。当然，倾斜型人孔的加工工艺较平直型人孔更复杂。

3 烘缸端盖的安装和维修

3.1 端盖的安装

烘缸端盖开放暴露表面，使周围工作环境变得恶劣，导致热能幅射散失的数量可达到其耗用总数量的5%～6%。端盖上粘满纸毛，会引起烘缸壳体火灾。影响烘缸端盖散热效率的主要参数是:烘缸直径、送入烘缸的蒸汽压力及其过热度、烘缸端盖表面的温度、烘干部环境温度和烘缸旋转速度。烘缸的直径增大，导致端盖散热量随直径呈抛物线关系急剧上升。端盖不加保温板的能耗［17］是加了保温板端盖能耗的19倍之多。价格较低的超细玻璃棉，QGC-800轻质硅酸盐隔热保温层，或者耐高温的石棉板 (用高温胶粘在端盖上)，可以用于烘缸两侧的端盖保温。在保温板的外表面加上一层对辐射有反射作用的铝箔，可以进一步减少端盖上的热损耗。美卓公司帮助Metsa公司Tento Zilina卫生纸厂1#卫生纸机的扬克烘缸安装的耐老化变形最少的金属板材制造的端盖护板［18］，可以降低蒸汽消耗量。此护盖板安装后的2个月内，在端盖上没有发生任何火灾事故。此护板上有一个带盖的开孔，易于拆卸检查。安装工作仅需3天 (每天12 h工作，3名工作人员)即可完成。

凹形结构的烘缸端盖支承点 (安装轴承位置)比凸盖短，凹面可放置平衡铁、法兰处便于安装保温板。凸盖通常不放置保温板 (用密闭气罩使保温板显得多余)。凸盖的平衡铁一般预放于端盖靠近烘缸体的内侧。动平衡时，先对凸盖作动平衡，然后设置好平衡块，待与烘缸装配后一起再作动平衡时，所加平衡块就小多了，从而减轻烘缸的质量。为克服冷凝水在烘缸内形成水环影响固定虹吸管的排水效果，需要设置安装扰流器，一般在操作侧端盖和传动侧端盖安装之前进行。

3.2 端盖的维修

如果烘缸端盖铸造时留下的凹坑深度在壁厚允许的范围内，例如表面裂纹不深，则用打磨方法消除;如果裂纹范围小，也可采用钻孔办法消除。端盖中一些微孔可铆补，透孔则应用螺塞补孔铆补。

烘缸端盖轴头内孔严重磨损也需要及时处理。例如，黑龙江斯达造纸有限公司1#纸机经过30多年的运行，18#烘缸的操作侧轴头［19］由原轴外径160 mm磨损到外径130 mm。换一只新的烘缸端盖需l天时间，故进行现场修复。加工一件内孔与研轴相符合、外径160 mm的45#钢件套，镶到研后的轴上，用大锤打紧后，对其满焊。镶制套硬度HRC38—42，而烘缸轴材质是HTl50。为此，把要焊接的部位加热到400～600℃，用奥102合金焊条直流焊接，焊口为4 mm，焊后用角磨机将高点磨平;再将紧定套安在轴上，将轴承反向安装到紧定套上，用圆螺母锁紧;再加压盖。开机运行使用几年，该设备运转平稳。

端盖与缸体接触面的端盖插口的轴颈台肩处一旦发生严重的缝隙腐蚀聚积，会导致端盖裂开。减小端盖外径、消除接触面的内应力和控制好夹紧力能够消除缝隙腐蚀，消除蒸汽泄漏现象。烘缸端盖出现漏汽，以环氧树脂［20］修补，只需停机3 h。其施工过程是首先打开人孔，冷却后，操作人员进入烘缸内部，将浸有5#配方液的细麻线用钢片塞在渗漏部位，再涂一层浸液，贴上玻璃布，关上人孔，可承受0.5 MPa的压力。泉林纸业有限责任公司Φ2500 mm×2150 mm的新烘缸，上机不到1个月就在操作侧端盖法兰密封处出现7处渗漏，长度累计相当于1/2烘缸法兰周边的长度。若不封堵，时间长了只能更换烘缸。泉林纸业公司用自制的与铸铁亲和性很强、低黏度胶修补［21］，修补后的烘缸在室温下放置0.5～1 h就可使用。

4 结语

在造纸厂，由于超压运行导致烘缸爆炸的事件屡见不鲜。端盖也是烘缸的主要受压元件。尽管可以通过定期检验来发现其铸造缺陷和使用缺陷，但是杜绝隐患是端盖设计者、制造者和使用者要考虑的问题。虽然行业标准也提出了推荐性的意见，对于高压烘缸的端盖需要进行有限元分析和应力测试才能制造和使用，但是烘缸端盖的曲面形状复杂，还要考虑维护用的人孔、相配合的缸体、密封结构和保温结构的设置。烘缸端盖的设计、制造、维修和使用人员应该深入研究，使其更安全、经济的运行。

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Structure Selection and Maintenance of Cast Iron Dryer Cover

LIU Chao-feng1，*LIU Jian-xiu1JI Lian-qing1HUANGFU Wei-zong2WANG Hai-quan3CHEN Hu4
(1．Department of Process Equipment of Institute of Materials and Chemical Engineering of Zhengzhou University of Light Industry，He'nan Provincial Key Lab of Surface and Interface Science，Zhengzhou，He'nan Province，450002;2．Anyang Branch Corporation of He'nan Coal Chemical Industry Group，Anyang，He'nan Province，455133;3．Special Equipment Supervision，Inspection Institute of Jincheng，Jincheng，Shanxi Province，048000;4．Heze Branch Institute of Shandong Province Special Equipment Inspection，Heze，Shandong Province，274000)

The type of cast iron dryer cover，the working pressure on the cover，and the significance of concerning the cover material，structure selection and maintenance of the cover were simply introduced．The design requirements of cover structure of cast iron dryer，installation and maintenance of the cover were analyzed based on the regulation of cast iron dryer design．

cast iron dryer cover;structure;maintenance

TS734

B

0254-508X(2011)05-0053-05

刘超锋先生，硕士，副教授;主要从事过程装备及控制的研究工作。

(*E-mail:zhryng@yahoo．com．cn)

2011-01-01(修改稿)

(责任编辑:马 忻)