天鐵1#～4#高爐擴容后料車車輪故障分析與排除

鄭蕓

（天津天鐵冶金集團第一煉鐵廠機修車間，河北涉縣 056404）

天鐵1#～4#高爐擴容后料車車輪故障分析與排除

鄭蕓

（天津天鐵冶金集團第一煉鐵廠機修車間，河北涉縣 056404）

針對高爐擴容后料車車輪在使用過程中存在的局部剝落、運行不平穩(wěn)、更換頻繁等問題進行了分析和探討。結(jié)合生產(chǎn)實際，制定出了不拆卸料車車輪，快速進行補焊修復的技術(shù)方案，解決了高爐擴容后料車車輪出現(xiàn)的故障，節(jié)省了設備開支，保障了高爐生產(chǎn)的正常運行，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

高爐 料車 車輪 故障 焊接 工藝

1 引言

天鐵集團煉鐵廠1#～4#高爐均采用斜橋式料車上料機，隨著煉鐵技術(shù)的進步，高爐冶煉強度不斷增加，而且，各個高爐在大修后容積也相繼擴大，原設計容積5.5 m3料車的上料能力已滿足不了生產(chǎn)的需求，影響了生產(chǎn)率的進一步增長，經(jīng)過分析和探討，對大料車進行了擴容。料車擴容至6 m3后，不僅增加了生鐵產(chǎn)量，而且取得了良好的經(jīng)濟效果。但運行一段時間后，出現(xiàn)料車輪轂局部剝落、運行振動等問題，對高爐上料系統(tǒng)造成了影響，導致高爐頻繁被迫休風換輪，每次換料車車輪都需要1.5～2 h，檢修時間較長，影響高爐生產(chǎn)，經(jīng)濟損失較大。在對舊車輪仔細研究分析后，決定在不拆卸損壞料車車輪的情況下，利用高爐的短暫休風對料車車輪進行補焊修復，經(jīng)多次實踐找到了合理的解決方案。該方案在各高爐推廣后，不僅延長了車輪的使用壽命，而且大大減少了對高爐生產(chǎn)的影響，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

2 料車車輪損壞的原因分析

料車車輪是高爐上料車的重要部件之一，具有承載、傳遞牽引力等功能。料車本體自重10 t，裝滿礦后料重約10 t，車輪輪緣在運行過程中與鋼軌接觸部分會承受很大的壓力和沖擊力，其接觸表面產(chǎn)生的彈性變形和接觸應力均比較大。在運行中，兩車輪會以不同的直徑在鋼軌上滾動，產(chǎn)生滑行并出現(xiàn)車輪磨損，車輪表面經(jīng)常發(fā)生不同程度的點蝕及剝落現(xiàn)象。有的車輪出現(xiàn)大面積剝離，深度達40～60 mm，車輪接觸面遭破壞，于是車輪在運行過程中，料車、鋼軌與斜橋產(chǎn)生振動，如不及時處理，將嚴重損壞車輪表面，影響上料系統(tǒng)正常生產(chǎn)。

經(jīng)長期觀察分析，認為缺陷產(chǎn)生的原因為：兩個相互接觸的物體發(fā)生相對滾動并包含滑動時，在接觸表面下0.786b（b為接觸寬度之半）處出現(xiàn)剪應力最大。物體的點蝕裂紋主要產(chǎn)生在接觸面下最大剪應力處，在剪應力的作用下，物體表面內(nèi)將產(chǎn)生位錯，在非金屬夾雜物或晶界等障礙處不斷形成堆積。由于在滾動過程中，剪應力方向長期反復發(fā)生變化，逐步形成位錯方向變化，位錯的互相切割產(chǎn)生空穴，空穴的不斷集中形成空間，進而發(fā)展成裂紋。最初產(chǎn)生裂紋在載荷的繼續(xù)作用下逐漸擴展增大，直到接近表面最終形成點蝕剝落。通過跟蹤分析損壞車輪發(fā)現(xiàn)，在實際工作狀態(tài)下，滾動表面下40～60 mm處剪應力最大，因為車輪材料具有較好的韌性，不會輕易產(chǎn)生龜裂、點蝕等缺陷，但由于其表面及表面下40～60 mm處往往存在某種鑄造缺陷，容易產(chǎn)生應力集中，局部受力遠遠超過計算的規(guī)定值，會造成車輪表面過早疲勞損壞，見圖1。

表150 Mn2合金結(jié)構(gòu)鋼的化學成分

圖1 車輪及損壞位置示意圖

3 解決料車車輪故障的措施

3.1 車輪材料技術(shù)性能

車輪材質(zhì)為50Mn2，合金結(jié)構(gòu)鋼。主要特性為：高強度中碳調(diào)質(zhì)錳鋼，具有高的彈性和耐磨性，同時淬透性也較高。此鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后可得到較高的綜合力學性能，但熱處理時有過熱敏感性及回火脆性，水淬時也有產(chǎn)生裂紋的傾向，且對白點敏感，焊接性差，冷變形塑性低。此種鋼的化學成分見表1。

此種鋼的力學性能如下：抗拉強度（σb/MPa）≥930；屈服點（σs/MPa）≥785；斷后伸長率（δ5/%）≥9；斷面收縮率（ψ/%）≥40；沖擊吸收功（Aku2/J）≥39布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高溫回火狀態(tài)）≤22。

3.2 車輪本體焊接性分析

中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高得多，淬火后得到馬氏體組織，再經(jīng)回火，得到的是回火馬氏體組織，所以在焊接時，要對焊接工藝進行嚴格控制。一般含碳量低和雜質(zhì)S、P含量低的焊接材料在焊接時，不容易出現(xiàn)熱裂紋。同時，在焊接工藝上要做到填滿弧坑和保證良好的焊縫成形，尤其是多層焊的第一層焊道的弧坑中以及焊縫的凹陷部位，這樣才能大大減少熱裂紋產(chǎn)生。

中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及合金元素含量都較高，尤其是加入了增加淬透性的元素，因此淬硬傾向十分明顯，焊接熱影響區(qū)易出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋傾向。為防止冷裂紋產(chǎn)生，應采用小的線能量施焊，并同時采取預熱、緩冷及焊后熱處理等措施。

3.3 修復工藝

3.3.1 焊接工藝及方法

焊接是修復的關(guān)鍵，焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

焊接方法采用焊條電弧焊。在退火狀態(tài)下進行焊接，焊后再進行整體調(diào)質(zhì)處理。在選擇焊接材料時，應考慮焊縫金屬的主要合金系統(tǒng)應盡量與母材相似，并對能使焊縫金屬熱裂傾向增加和促使金屬脆化的元素嚴格限制，以使焊縫金屬在焊后經(jīng)過與母材相同的調(diào)質(zhì)處理規(guī)范后，性能與母材相同。焊條型號選用E5015，因為E5015是低氫鉀型，焊芯主要成分為低碳鋼，熔渣的成分主要是堿性氧化物和鐵合金。由于脫氧完全，合金過渡容易，能有效地降低焊縫中氫、氧、硫，所以焊縫中的力學性能和抗裂性能較好，可用于合金鋼和重要碳鋼的焊接。但這類焊條的工藝性能差，引弧困難和電弧穩(wěn)定性差，區(qū)濺較大，不易脫渣。焊前經(jīng)200～250℃2h的烘烤，用干燥的保溫筒盛裝。做到隨用隨取，以保證焊后的性能。

3.3.2 操作要點及注意事項

（1）由于車輪經(jīng)磨損本體內(nèi)存有大量污物，采用碳弧氣刨吹去污物，然后用手提角磨機打磨損壞部位至露出金屬光澤，用角磨機將損壞部位打磨成U形，減少施焊應力。將焊接區(qū)及周圍100 mm范圍內(nèi)的油、污、銹、水、渣等一切贓物清理干凈。

（2）焊接時采用短道、快速、不擺條、斷續(xù)、分散焊法，每段長度不超過30 mm，收弧時要填滿弧坑。焊完一道立即用鈍頭小錘錘擊整個焊道，以盡快釋放焊接應力，錘擊速度要快，力量由重漸輕，并較徹底清理干凈焊道上的熔渣，方便下層焊接時的融合。填充焊接時焊肉要均勻平整，保持層間溫度，在焊接過程中如發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，應立即進行修磨處理。焊后立即用石棉帶纏包在焊縫周圍，保溫緩冷。

（3）損壞處補焊后，由于是局部焊接，為了消除應力或裂紋，采用損壞部位氧-乙炔火焰局部加熱回火方法。采用大號割炬中性火焰來回緩慢擺動，將車輪加熱到表面出現(xiàn)目視可見暗紅色，保溫，消除應力處理后應立即在損壞處蓋上石棉板保溫。

（4）在溫度冷卻到室溫后對補焊區(qū)域進行打磨，使之與焊補部位周圍形成圓滑過渡。然后進行著色探傷檢查，經(jīng)檢驗補焊區(qū)未見損壞痕跡，補焊工藝成功，運行試車狀態(tài)良好。

此次料車車輪的補焊，從坡口打磨、焊前預熱到實施補焊的全過程要嚴格控制溫度范圍、焊接線能量、表面錘擊、焊后熱處理、保溫以及焊接順序等每道工序，這樣才能確保補焊工作順利完成。

4 改進后效果

采用此種方案修復的高爐料車車輪，經(jīng)使用后，效果良好，不僅確保了擴容后料車的穩(wěn)定運行，而且可以實現(xiàn)在不拆卸車輪的情況下，對車輪進行快速修復，節(jié)約了備件費用，減少了檢修時間及人力，大大減少了因更換車輪造成的高爐休風，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

5 結(jié)束語

通過對高爐料車車輪焊接工藝的改進，摸索出了一套較為可靠的料車車輪修復技術(shù)，不僅提高了料車車輪的使用壽命，滿足了料車擴容后的生產(chǎn)實踐，而且減少了因頻繁更換車輪造成的休風對高爐生產(chǎn)的影響，為高爐其他相關(guān)設備的修復提供了借鑒。

[1]張昌富.冶煉機械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[2]王慶春.冶金通用機械與冶煉設計[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

Analysis and Solution of Material Car Wheel Failure after Tiantie BF's 1～4 Capacity Increase

Zheng Yun
(Mechanical Maintenance Workshop of Iron-making Plant 1,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County,Hebei Province 056404)

The author analyzes and discusses the problems of material car wheel after BF capacity increase,such as local strip,unsteady running and frequent exchange.A technical solution was formulated that the repair was done by fast patch welding without dismantling the wheels.The failure of car wheel was finally handled.Equipment expenditure was saved and BF normal running ensured.Prominent social and economic benefits were acquired.

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鄭蕓，女，工程師，2002年畢業(yè)于寧夏大學過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事高爐設備維護管理工作。

（收稿 2012－03－23 編輯 潘娜）