豎爐齒輥的改進

孫洪兵

一、存在的問題

濟鋼球團廠目前有4座豎爐，每座豎爐由4根齒輥水平并排構(gòu)成齒輥卸料器，齒輥卸料機作為豎爐主要卸料設(shè)備，兼有托料和破碎卸料作用，它的運行狀況直接影響到豎爐的生產(chǎn)，齒輥長期在高溫（達900℃）豎爐內(nèi)作業(yè)，壽命較短，一般4～6個月就會出現(xiàn)輥身開裂變形、彎曲、漏水等情況，造成熾熱球團爆裂，產(chǎn)生大量的碎球和篩粉，致使豎爐排料不暢，嚴重影響生產(chǎn)和熟球的質(zhì)量，且由于齒輥彎曲易造成密封失效，出現(xiàn)跑風跑火危及崗位工作人員安全，嚴重污染環(huán)境。更換齒輥工期一般為7天，一套備件40萬元左右，齒輥更換周期同時制約豎爐中修周期。

二、原因分析

（1）工況。齒輥處于高溫氧化氛圍中作業(yè)，易造成表面龜裂，輥身開裂漏水現(xiàn)象。在實際生產(chǎn)過程中，當齒輥驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會造成部分齒輥不能正常轉(zhuǎn)動，此時齒輥形成單面受力的狀況，如果不能及時解決，會使齒輥發(fā)生彎曲，同時造成齒輥不均勻磨損和齒輥局部強度降低。另外，當齒輥上部大小水梁發(fā)生泄漏量較大的漏水事故時，漏出的水會穿過料層沖擊到處于高溫狀態(tài)下的齒輥表面，造成齒輥表面激冷激熱而出現(xiàn)開裂，直接影響齒輥壽命。

（2）結(jié)構(gòu)。齒輥為三段式（圖1），輥身采用整體鑄造，與兩端軸頭熱裝后進行焊接、加固定銷固定。由于輥身鑄造中易出現(xiàn)壁厚不均、氣孔、夾渣等鑄造缺陷，造成使用中齒輥開裂和彎曲。

（3）材料。輥身材料為ZG40-45，軸頭材料為45#鋼。曾設(shè)想將輥身改為耐熱鑄鋼，由于未解決輥身與軸頭之間的焊接問題而放棄，但ZG40-45在高溫環(huán)境中耐熱性差，易開裂出現(xiàn)漏水。

三、改進措施

1.齒輥結(jié)構(gòu)改進（圖2）

（1）在輥身內(nèi)鑄入離心鑄造鋼套，并將鋼套延伸到輥身端面，再將軸頭熱鑲?cè)脘撎變?nèi)，軸頭與鋼套外側(cè)開坡口焊接，從根本上解決了45#鋼軸頭與特鋼輥身無法焊接的問題。由于離心鋼套組織致密，克服了原鑄造輥身由于鑄造工藝結(jié)構(gòu)原因造成的縮松、氣孔等缺陷對齒輥使用壽命的影響。保證冷卻系統(tǒng)的耐壓性能，從而保證齒輥在使用過程中不漏水。

（2）在不改動爐皮、密封裝置的前提下，輥身外徑加大20mm，提高了輥身強度，解決齒輥彎曲變形的問題。

2.齒輥材料選擇

齒輥材料選擇正確與否，直接關(guān)系其使用壽命。以前，為了提高齒輥的耐磨性和強度，采用提高鋼的含碳量和含錳量，改前的齒輥使用ZG45，后改成ZG55，有的同行也曾用過ZG40Mn2、ZG50 Mn2，效果都不理想。對此根據(jù)齒輥損壞形式分析，齒輥的材料應(yīng)具有以下性能：

（1）好的導熱性能。好的導熱性能使齒輥將齒面接受的熱量盡量多的傳遞給冷卻水，保護齒面不受損壞，因此，導熱性能越高越好。

（2）在高溫下有較高的強度和硬度。齒輥在使用時，其上面是近1000℃的高溫爐料，齒輥通過轉(zhuǎn)動來疏松、破碎熟球。齒輥除了承受高溫外，還要承受較大的爐料載荷，因此需要承受一定的彎矩和扭矩，并且還要承受爐料的磨損，因此齒輥必須有較好的高溫強度。

（3）較好的抗氧化性、抗腐蝕性。球團豎爐工藝決定爐內(nèi)是強氧化性熱氣氛，所以齒輥必須具有良好的抗氧化性及抗腐蝕性。

（4）好的鑄造性能，提高齒輥輥身的致密性。

（5）單純提高含碳量和含錳量達不到以上目的，從導熱性來說，對于碳鋼，含碳越低，導熱性越好，例如：碳鋼在400℃時，含碳0.06%的導熱率為46.5%；含碳0.23%的導熱率為42.7%；含碳0.40%的導熱率為41.9%；含碳0.80%的導熱率為38.1%。

綜上所述，錳含量的提高不能提高鋼的耐熱性，提高耐熱性能和高溫強度效果顯著的是鉻、鉬、釩等元素，因此，在高溫下使用的鋼應(yīng)采用加入鉻、鉬、釩進行強化，以提高材料的耐熱性能和高溫強度。因此，齒輥的材料應(yīng)選用中含碳量并含有鉻、鉬、釩及少量稀土的低合金鋼ZG45GrMnMo。

3.齒輥冷卻方式的改進

材料改進后的齒輥使用壽命得到有效提高，但提高的幅度與齒輥的冷卻效果密不可分。如果不能進行有效的冷卻，齒輥的壽命提高幅度很小。這是因為熱強鋼金屬在高溫下的強度特性有兩個特點：一是溫度升高，金屬原子間結(jié)合力減弱、強度下降；二是在高溫下金屬原子擴散能力增大，使那些在低溫下起強化作用的因素逐漸減弱或消失，在再結(jié)晶溫度以上，即使金屬受的應(yīng)力不超過該溫度下的彈性極限，也會緩慢地發(fā)生塑性變形，且變形量隨時間的增長而增大，最后導致金屬破壞（即蠕變現(xiàn)象）。因此，改善齒輥的冷卻效果是提高齒輥使用壽命的重要環(huán)節(jié)。具體做法是:改原來閉路循環(huán)冷卻為開路冷卻方式，從而大幅度提高齒輥的冷卻效果。冷卻水從齒輥一側(cè)進入，從另一側(cè)排出。排出的冷卻水先進入回水箱，再由回水箱排入回水總管。通過回水管上的調(diào)節(jié)閥將回水量調(diào)整到略小于進水量保證齒輥內(nèi)腔的充分冷卻，也可以通過提高回水管高度來保證齒輥內(nèi)腔完全充滿冷卻水。這種冷卻方式的優(yōu)點：①齒輥能夠被均勻冷卻，內(nèi)腔不會出現(xiàn)高溫汽堵現(xiàn)象，回水溫度比改造前大幅度降低；②能夠直觀的看出冷卻水的汽化情況，及時調(diào)整冷卻水量；③冷卻水中混雜的氣體能夠及時有效的排出，避免回水管路由于進入氣體而產(chǎn)生振動；④便于隨時觀測回水溫度，掌握齒輥的冷卻情況；⑤可有效防止因水質(zhì)差造成齒輥內(nèi)腔堵死，及時沖出沉淀物，有效保證冷卻面積和效果；⑥由于齒輥內(nèi)腔冷卻水壓力的降低，有效地解決了齒輥軸端冷卻水的泄漏問題。表1為兩種冷卻方式的數(shù)據(jù)對比，從中可以看出改進后齒輥的冷卻效果良好。

表1 齒輥改造前后冷卻數(shù)據(jù)對比

四、改進效果

實際生產(chǎn)表明，通過對齒輥結(jié)構(gòu)改進和材料選擇提高了齒輥的耐熱性和耐溫性，增加了齒輥的強度和硬度，克服了因齒輥龜裂、變形帶來的漏水現(xiàn)象。通過對齒輥水冷方式的改進，有效改善了齒輥冷卻效果。濟鋼球團廠通過改進使齒輥壽命達到一年以上，年可節(jié)約備件費用40萬元，年可避免因更換齒輥給生產(chǎn)帶來的損失達120萬元，為企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升和生產(chǎn)穩(wěn)定提供了有力保障。