在用轮带裂纹分析及应对措施

郑金娣（合肥水泥研究设计院工程设计公司，230000）



在用轮带裂纹分析及应对措施

郑金娣（合肥水泥研究设计院工程设计公司，230000）

引言

回转窑作为水泥生产线非常重要的设备，其质量及稳定性对保障水泥生产线连续运转起至关重要作用。轮带作为回转窑主要支撑件，因其质量大：单体重量＞40T，体积大：直径约6m，生产制作难度较大；且回转窑安装后，因轮带发生的故障，将给水泥厂带来非常巨大的经济损失。

回转窑轮带均在投产使用约8年后出现不同程度的裂纹或脱落，见图1～2。

图1　SD-A轮带工作面裂纹

图2　SD-B轮带工作面块状脱落

随着生产运行，经过几个月的观察，轮带裂纹有继续延伸、脱落部位有继续加大的趋势，需尽快采取补救措施，避免损失进一步扩大，造成不必要的经济损失。本文拟从轮带的生产过程及安装、使用等方面，全面分析造成轮带使用中出现缺陷（裂纹或剥落）的原因，及有效应对措施。

1　可能造成轮带使用寿命下降及裂纹或剥落等缺陷的原因

1.1成分的影响

目前轮带的常用材质为ZG35SiMn或ZG35CrMo，其成分，国标要求如表1。

表1　

众所周知，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，在高温下，降低钢的塑性，是一种有害元素。S元素通常以熔点较低（1190℃）的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。按国内生产厂家的水平，一次铸造出满足质量等级要求的轮带难度较大，一般粗加工后会对缺陷部位进行补焊。钢的含S量过高，焊接时由于SO2的产生，将在钢的表面形成气孔和疏松，造成焊接质量缺陷，易产生焊接裂纹。

1.2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5000T/D生产线轮带质量较大，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；反之浇铸温度过高易出现大面积粘砂，铸件易出现疏松，严重时出现集中缩孔。通常冒口部位为裂纹易产生区域。

1.3焊补修复

通常制造厂对粗加工后的轮带进行初次UT（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。

轮带UT探伤检验出的铸造缺陷通常为：①铸造疏松或缩孔；②线形缺陷；③晶粒粗大：主要表现为检测中草状杂波增多，底波衰减较大，严重时底波消失，铸件整体机械性能下降（常用正火消除）；④点状缺陷：通常为气孔或夹渣，允许当量较小的点状缺陷存在，且对于部分超标的点状缺陷，考虑修复的经济性以及修复可能造成其他危害更大的缺陷产生，此类缺陷一般不作处理。

对于上述①②类问题，制造厂都采用补焊修复的方式。焊接前进行预热，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不大于10%。在对轮带表面进行MP（磁粉）探伤检测时，补焊部位存在补焊裂纹为普遍现象。且补焊受焊工水平，焊接环境及焊接工艺影响较大，增加了缺陷出现不确定性。

1.4热处理

轮带进行正火+回火处理，JC/T333-2006明确要求轮带热处理后工作面的硬度＞185HB。热处理控制不当一方面造成轮带表面硬度偏低，易磨损，影响其使用寿命；一方面是轮带表面硬度较高，容易产生表面裂纹，再者是工作面热处理不均匀造成轮带在工作面上硬度偏差大，使用中造成受力、磨损不均。在制造中进行大面积补焊的轮带，使用中补焊部位极易造成大面积脱落。对于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。

1.5使用维护

1.5.1轮带表面的剥落和掉块

由于回转窑运转过程中，轮带长期受周期性变化的脉动载荷和交变载荷作用，在该应力作用下，轮带在表层5～7mm会产生微裂纹，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，从而形成轮带表面的剥落、掉皮。

1.5.2表面疲劳开裂

据统计，材料破坏的80%为疲劳破坏，轮带属于大型铸造件，不可避免的存在内部铸造缺陷，而且由于轮带工艺处理的原因，内部也存在成分偏析，即局部区域由于轮带含碳量增高而使得该区域轮带表面硬度高于其他区域，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、应力集中；在此应力作用下，轮带会沿铸造缺陷处形成微裂纹，并快速发展。再加上冷却水或轮带温度的急剧变化等一系列外在其他因素，导致轮带表面产生接触疲劳裂纹。

1.5.3轮带的低温脆性裂纹

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，即使发生很小的变形也容易发生脆性裂纹，并且断裂点大多处在砂眼、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，筒体必然收缩，使得轮带产生不均匀内应力，轮带与托轮的作用点也发生变化。当冷窑启动时，使得处在低温脆性下的轮带受内应力作用产生脆性裂纹。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。

1.5.4润滑不当

在回转窑运转过程中，轮带与窑筒体形成滑动摩擦副，因此轮带内表面以及其对应窑筒体垫板间润滑不当，会造成垫板加速磨损，产生轮带下垫板和侧面挡块的磨损及金属拉伤，影响窑筒体平稳运行，进而影响轮带正常使用。

2　应对措施

2.1选取优质供应商并加强质量管控

目前，国内回转窑制造企业水平良莠不齐，选择一个资信较好的制造企业是控制产品质量的基本保证。

由于轮带为大型铸件，铸造及加工生产周期较长（一般要达3个月以上），如果报废，生产厂家经济损失巨大，所以在经济利益驱使下，许多厂家在粗加工补焊时对轮带本体进行大面积切槽、钻孔补焊。虽然补焊后经无损检测未能发现超标缺陷，但轮带母材本身机械性能大大下降，为后续使用埋下隐患。并且重新铸造很容易造成船期延误，及交货进度延迟，进而影响总包工程的整体进度。为赶工期，许多存在超标缺陷的轮带“带病”出厂，为使用过程埋下隐患。因此必须加强生产过程的质量管控，及早发现问题，及时处理

要加强轮带铸造过程的监督检验，全面掌控轮带进度和质量状况。铸造时，要求制造厂增加6个附体试棒，以便进行成分分析和一拉三冲试验，成分不符合要求或力学性能试验不合格的，不得转入下一工序。通常轮带制造中进行两次UT（超声）探伤和一次MP（磁粉）探伤：粗加工后的 UT探伤，精加工后的UT探伤，精加工后的MP探伤。精加工后工作面不允许补焊，对允许存在的小缺陷应仔细修整，原粗加工补焊区域在精加工后进行磁粉探伤，不得有裂纹等缺陷。因此，要在粗加工时把检测到的缺陷处理彻底。

2.2牺牲成本，选取较好工艺

按《铸钢件无损检测》（GB7233-2009），UT探伤 2级探伤高于3级，在实际生产中，对2级要求一般厂家很难达到。为了使轮带达到更高的质量等级，常采用全冒口浇铸的方式。加工中将冒口部位及易产生裂纹、疏松等铸造缺陷的区域，作为加工余量全部切削掉，可提供质量等级较高的轮带，但全冒口浇铸，浇铸量及切削量大，成本有一定提高。

2.3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，调整好轮带与垫板节间隙，定期加润滑油，结合现场实际情况和中控数据，控制轮带的升温。

2.4现场修复

对于非贯通裂纹一般都采取现场修复的方式对轮带进行处理。首先确定基准，找准筒体和轮带定位。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℃。焊条在焊接前应烘干，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。

3　结语

其他总包项目也应吸取其教训，对于不合格的轮带要有壮士断腕的决心，坚决予以拒收或报废。

质量是企业安身立命之根本，质量可靠的产品，是水泥生产线正常运转的基本保障。作为总承包企业，在为业主提供管理和服务时，要做到使项目使用增值，同时实现自身利益最大化，首先要保证产品质量，严把质量关。

［1］国家质量技术监督局.《合金结构钢》（GB/T3077-1999）.

［2］中华人民共和国国家发展和改革委员会.《水泥工业用回转窑》（JC/ T333-2006）.

［3］中华人民共和国国家发展和改革委员会.《重型机械通用技术条件》（JB/T5000.15-2007）第15部分：锻钢件无损检测.

郑金娣（1981-），女，助理工程师，本科，主要从事机械设备质量检查工作。

TD50

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2095-2066（2016）16-0261-02

2016-5-20