三段式貫流齒輥研制與應(yīng)用

王洪剛，姜紹海，胡小琳，紀(jì)云玲，戴 勇

（1.濟(jì)鋼集團(tuán)重工機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.中國重汽濟(jì)南動(dòng)力有限公司鑄造中心，山東 濟(jì)南 250101）

齒輥是豎爐齒輥卸料機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備[1]，其緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，使料柱松散，以保持爐內(nèi)物料均勻下行。豎爐內(nèi)經(jīng)過焙燒的球團(tuán)礦，通過兩齒輥間的縫隙，落入齒輥下面的漏斗；結(jié)成塊的球團(tuán)礦，在輥齒的剪切和擠壓作用下被破碎，達(dá)到想要的形狀。

整體式齒輥具有制造成本低，整體剛性好的優(yōu)點(diǎn)，在豎爐作為一項(xiàng)新技術(shù)被應(yīng)用時(shí)，其工況比較好，工作壓力不太大，此時(shí)它可以滿足生產(chǎn)的需要。但近年來，各燒結(jié)廠為提高產(chǎn)量，都加大了豎爐的工作負(fù)荷，作為豎爐關(guān)鍵部件的傳統(tǒng)齒輥壽命已經(jīng)越來越不能夠滿足生產(chǎn)需要，必須研制一種新型齒輥取而代之，于是三段式貫流齒輥應(yīng)運(yùn)而生。

1 整體式齒輥的缺點(diǎn)

圖1為整體式齒輥簡(jiǎn)圖，材質(zhì)為鑄鋼。鑄造時(shí)采用立澆方案，圖中A，B部位為齒輥鑄造凝固時(shí)的熱節(jié)，凝固后兩處易形成集中縮孔大大影響了輥徑的強(qiáng)度和質(zhì)量。中間部位，因?yàn)榫嚯x冒口較遠(yuǎn)，冒口補(bǔ)縮高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足齒部的補(bǔ)縮要求，齒部必然形成縮松，造成最后打壓漏水和壽命減短。從以上兩點(diǎn)分析可以得出這樣的結(jié)論：此種齒輥輥徑和齒部極易產(chǎn)生缺陷。

圖1 整體式齒輥簡(jiǎn)圖

經(jīng)過10多年摸索與研究，認(rèn)為：只有改變齒輥的結(jié)構(gòu)才能從本質(zhì)上改善其工藝性能和提高其使用壽命。

2 三段式貫流齒輥

圖2 三段式貫流齒輥簡(jiǎn)圖

針對(duì)整體式齒輥存在的問題，設(shè)計(jì)了三段式貫流齒輥如圖2。由于齒部采用了與輥徑相分離的結(jié)構(gòu)，消除了兩端熱節(jié)，工藝性能得到了提高。仍采用立澆方案，由于輥身上部的重力補(bǔ)縮和下部末端區(qū)的存在，整個(gè)齒部不存在潛在的熱節(jié)問題需要解決，可以得到內(nèi)部組織均勻致密的鑄件。在充分的論證之后，我們采用了鑄鋼件凝固模擬軟件華鑄CAE模擬。模擬結(jié)果見圖3，分別為澆注后1800s、400s、5400s、7500s齒輥凝固補(bǔ)縮情況；整個(gè)齒部在冒口足夠高的情況下沒有縮孔、縮松出現(xiàn)，組織致密。這說明改為三段式后的齒部工藝性能從本質(zhì)上得到了極大的改善。

上、下輥徑采用鍛鋼件，組織致密，避免了鑄造過程產(chǎn)生的縮松及其他缺陷，性能較整體式大大提高。

圖3 輥身CAE模擬結(jié)果

3 三段式貫流齒輥的工作原理

將齒輥改為三段式的同時(shí)，我們還對(duì)齒部輥身結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步修改，在輥身內(nèi)部增加了貫流機(jī)構(gòu)，見圖2中件4。

圖4 齒部截面圖

無貫流結(jié)構(gòu)的齒輥截面如圖4所示。由圖2可以看出冷卻水由左端進(jìn)入，右端流出，完成對(duì)齒輥的冷卻。齒部?jī)?nèi)腔截面積為 S1=3.14×1252=49062.5mm2，而輥徑內(nèi)腔截面積為S2=3.14×552=9498.5mm2，S1/S2=5.17，由于內(nèi)腔截面積的突然增大5.17倍，造成工作時(shí)小截面的輥徑部分有充足的水冷卻，到了大截面齒部水冷卻不足，特別上半部無水冷卻（見圖4）。齒部在一個(gè)工作周期無疑是受載最大的部位，而且齒部的上半部較下半部承受載荷大得多；而此時(shí)在齒輥齒部上方無水冷卻，這就使得內(nèi)腔上半部存在空氣，空氣在高溫狀況下被加熱，氣壓增大，壓迫齒部水流，使得齒部水流截面積進(jìn)一步減小。在半個(gè)工作周期結(jié)束時(shí)，上部無水齒部被加熱到很高溫度，轉(zhuǎn)到下部時(shí)遭遇冷卻水激冷，周而復(fù)始，齒部在冷熱交變應(yīng)力下，發(fā)生相變，晶粒逐漸變大，從而開裂漏水。

針對(duì)這個(gè)問題，我們?cè)邶X部?jī)?nèi)腔加入貫流機(jī)構(gòu)的方案，即在齒部加入了阻流機(jī)構(gòu)，使得冷卻水被迫經(jīng)過齒部上半部分，而且單位過水面積比進(jìn)出水口小。在進(jìn)出口面積較大，而中間過水面積較小，水的流量一定時(shí)，面積減小水流速度增加，而且形成紊流帶走更多熱量。對(duì)于硬水冷卻齒輥，流速增加，增加了對(duì)齒輥內(nèi)腔的沖刷，減少結(jié)垢現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

三段式貫流齒輥具有工藝性能好，品質(zhì)高，水冷結(jié)構(gòu)合理，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；并率先在濟(jì)鋼燒結(jié)廠使用，然后在新疆八一鋼廠，萊鋼等推廣應(yīng)用，并取得了非常明顯的效果。這種齒輥已經(jīng)獲得國家使用新型發(fā)明專利，并獲得日內(nèi)瓦國際專利博覽會(huì)金獎(jiǎng)。

［1］孫愛軍，張利軍.球團(tuán)豎爐齒輥卸料機(jī)齒輥的開發(fā)［J］.河北冶金，2004（1）：21-26.