振動時效技術(shù)在轉(zhuǎn)爐爐口上的應(yīng)用

河北天宇高科冶金鑄造有限公司 （滄州 062350） 沈 猛 鐵金艷

大連大工振動時效科技有限公司 （遼寧 116024） 李明義 馮立新

大連理工大學(xué)工程力學(xué)系結(jié)構(gòu)室 （遼寧 116024） 陳金濤

振動時效在國外被稱作“Vibratory Stress Relief Method”（簡稱VSR）。由于這種方法可以降低或均化構(gòu)件內(nèi)的殘留應(yīng)力，因此可以提高構(gòu)件的使用強(qiáng)度，減少變形而穩(wěn)定精度，防止由于使用環(huán)境惡劣產(chǎn)生的微觀裂紋。特別是在節(jié)省能源、提高工效上具有明顯的效果，國內(nèi)外使用振動處理方法消除金屬構(gòu)件內(nèi)的殘留應(yīng)力，以代替熱時效，因此被許多國家大量應(yīng)用。

1.轉(zhuǎn)爐爐口使用現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)爐爐體一般由爐帽、爐殼（爐身）、爐底三部分組成，為了便于轉(zhuǎn)爐工作時加料、插入氧槍、排出爐氣和倒渣，在爐帽頂部設(shè)有圓形爐口。煉鋼時，爐內(nèi)溫度在1600℃以上。為延長爐帽金屬殼和爐襯的使用壽命，普遍采用循環(huán)水強(qiáng)制冷卻的水冷爐口，其優(yōu)點(diǎn)是減少了爐口上的粘結(jié)物并使粘結(jié)物易于清除，同時可以加強(qiáng)爐口剛度，減少爐口變形，從而延長轉(zhuǎn)爐爐殼、爐襯的使用壽命。但是，一旦水冷爐口的冷卻水管漏水，就必須更換爐口，以避免安全事故的發(fā)生。因此，延長爐口的使用壽命，就成了提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的主要課題之一。

2.水冷爐口的結(jié)構(gòu)形式及鑄造工藝

（1）水冷爐口基本的結(jié)構(gòu)形式 有鋼板焊接結(jié)構(gòu)、埋管鑄造結(jié)構(gòu)。

目前，鋼板焊接結(jié)構(gòu)基本上已經(jīng)淘汰。

埋管鑄造爐口有整體圓式和分體組合式兩種。整體圓式爐口為一個整體圓法蘭形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。分體組合式爐口由2～6部分組成一個整體，如圖2所示。

（2）埋管鑄造爐口的生產(chǎn)工藝 爐口本體的材質(zhì)多為高韌性球墨鑄鐵。冷卻水管采用無縫鋼管彎制，材質(zhì)為20鋼，按圖樣尺寸由彎管機(jī)冷彎成形，最大限度地保證鋼管的性能。成形后對鋼管外表面進(jìn)行拋丸除銹，然后對鋼管表面噴涂特制的防滲碳涂料，以避免鑄造時鋼管表面滲碳，影響爐口使用壽命。

圖1 整體圓爐口

圖2 分體組合爐口

利用實(shí)木制作模樣。采用自硬樹脂砂造型，大爐口采用地坑造型，中小爐口采用砂箱造型。將冷卻水管放入型腔內(nèi)并固定，然后合箱、澆注。

鐵液球化采用專用球化劑和特殊的球化工藝，充分保證爐口的材質(zhì)質(zhì)量。

爐口鑄造完成后必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)，壓力為2MPa，保壓5min，以無壓降、滲漏為合格。

球墨鑄鐵爐口必須進(jìn)行時效處理，以消除本體殘留內(nèi)應(yīng)力。

若采用熱時效處理，處理溫度為550～620oC，從入爐到加熱、保溫、冷卻約需24h，退火后還要再進(jìn)行一次水壓試驗(yàn)。若采用振動時效處理，從裝夾到振動時效完成共需1h左右，處理后不需要再進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

3.轉(zhuǎn)爐爐口損壞原因分析

水冷爐口在使用過程中，由于高溫鋼液的熱輻射和循環(huán)冷卻水的相互作用，轉(zhuǎn)爐在加料、吹煉、濺渣及倒渣過程中，爐口受熱在短時間內(nèi)頻繁波動，使?fàn)t口本體內(nèi)部存在較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。同時，熱時效爐口鑄件殘留的組織應(yīng)力、受阻應(yīng)力，以及微觀的組織應(yīng)力等，致使?fàn)t口處于復(fù)雜的交變應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)這種應(yīng)力的累積大于本體強(qiáng)度極限時，鑄件將會發(fā)生變形開裂，現(xiàn)場使用最短僅兩個月爐口就產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致報廢（見圖3）。

圖3

4.水冷轉(zhuǎn)爐爐口采用振動時效工藝及效果分析

2010年初，我們對轉(zhuǎn)爐爐口的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作工藝等多方面進(jìn)行了改進(jìn)，同時結(jié)合采用振動時效工藝進(jìn)行消除應(yīng)力處理，安裝后進(jìn)行現(xiàn)場使用跟蹤。經(jīng)過首鋼機(jī)械廠、唐山國豐鋼鐵有限公司、唐山天柱鋼鐵有限公司，以及山西、安徽、遼寧等40多家鋼鐵企業(yè)一年的跟蹤測量，均沒有出現(xiàn)使用初期的裂紋及變形現(xiàn)象，爐口使用壽命達(dá)到了預(yù)期效果。綜合上述結(jié)果證實(shí)，振動時效完全可以應(yīng)用于鑄造爐口的應(yīng)力消除。

5.振動時效處理工藝的制訂過程

將被振鑄件用相應(yīng)的彈性物體支撐好，其支承位置應(yīng)盡量選在鑄件共振時的節(jié)線處并保持平穩(wěn)，振動傳感器安裝在鑄件共振時的波峰位置上，再將激振器剛性地固定在靠近波峰的位置并與控制系統(tǒng)連接，調(diào)整適當(dāng)?shù)募ふ窳?。上述?zhǔn)備工作完成后，開始進(jìn)行振動工藝的參數(shù)選擇：操作控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻掃描，當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)共振現(xiàn)象時，振幅-頻率將出現(xiàn)一個波峰，振幅曲線也將出現(xiàn)一個最大幅值。在共振的同時，要注意觀察構(gòu)件的波形，以調(diào)整支撐位置，適當(dāng)調(diào)整激振力及振動傳感器位置，以使構(gòu)件產(chǎn)生最佳振幅。這些操作均需反復(fù)進(jìn)行。

上述工藝調(diào)整好之后，開始進(jìn)行振動時效處理，時效處理過程需要三個步驟。

首先，對構(gòu)件進(jìn)行時效前掃頻，對在掃頻范圍出現(xiàn)的共振峰進(jìn)行有效判斷，掃頻結(jié)束后系統(tǒng)會自動對該有效諧振點(diǎn)進(jìn)行振動時效處理（見圖4）。

圖4

其次，進(jìn)行振動時效處理，時效處理過程中進(jìn)行時效時間的工藝設(shè)定，觀測振動時效數(shù)據(jù)曲線的變化進(jìn)行判斷。根據(jù)我國機(jī)械行業(yè)振動時效工藝標(biāo)準(zhǔn)中振動時效效果評定方法，即參數(shù)曲線觀測法：①a-t（時間-振幅）曲線上升后變平（見圖5）。②a-t曲線上升后下降，最終變平進(jìn)行判斷（見圖6）。在振動時效過程中時效曲線會產(chǎn)生不規(guī)則的變化，但隨著殘留應(yīng)力的下降a-t曲線也變得趨于平穩(wěn)，最終變平。當(dāng)a-t曲線變平后，說明振動時效已經(jīng)達(dá)到消除應(yīng)力效果，再延長10～15min時效時間，起到穩(wěn)固作用。上述累計時效時間可作為工藝時效時間進(jìn)行設(shè)定。

圖5

圖6

最后，進(jìn)行時效后掃頻，掃頻結(jié)束后系統(tǒng)會自動打印出時效前后掃頻曲線和時效曲線及所有參數(shù)，進(jìn)行時效效果分析判斷（見圖7）。

圖7

6.激振力的選擇

激振力的大小是通過工件承受動應(yīng)力值大小來衡量的，是振動時效工藝的一個決定性參數(shù)，直接影響振動時效的效果。

振動時效過程中，激振器施加給構(gòu)件動態(tài)附加動應(yīng)力，其交變周期與激振力的交變周期相對應(yīng)。動應(yīng)力與殘留應(yīng)力之和需大于材料的屈服強(qiáng)度。如果工件的殘留應(yīng)力較小時，只需選用較小的動應(yīng)力，產(chǎn)生不大的塑性變形就能使構(gòu)件達(dá)到時效的目的；如果構(gòu)件的殘留應(yīng)力較大時，就要選用較大的動應(yīng)力，產(chǎn)生較大的塑性變形來達(dá)到時效的目的。但是，動應(yīng)力必須要小于材料的疲勞極限。

構(gòu)件振動的動應(yīng)力來自于激振裝置的激振力。對于機(jī)械式激振裝置，激振力就是偏心輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。

對于振動時效激振力的確定有以下方法：

一般來說，動應(yīng)力大則相應(yīng)的加速度就大，對于不同的結(jié)構(gòu)件在時效處理時對動應(yīng)力的要求是不一樣的。 在有條件的情況下，可以用動態(tài)電阻應(yīng)變儀來實(shí)際測量動應(yīng)力，用以確定激振力的大小。有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，在主振頻率下，最佳激振力值為：鑄鐵件0.025～0.035kN/mm2，若工件剛度大，固有頻率高，激振力達(dá)不到最佳動應(yīng)力值時，可適當(dāng)放寬要求，一般鑄鋼件≥0.015kN/mm2。

為了便于動應(yīng)力的判斷，大工公司睿智VSR—90振動時效的加速度系統(tǒng)進(jìn)行了動應(yīng)力匹配標(biāo)定，可以直觀地判斷激振力大小。

7.結(jié)語

河北天宇高科冶金鑄造有限公司每年生產(chǎn)水冷轉(zhuǎn)爐爐口約2000t，至2011年3月共采用振動時效技術(shù)處理了53套水冷爐口。通過現(xiàn)場使用對比驗(yàn)證，經(jīng)振動時效處理的轉(zhuǎn)爐爐口比經(jīng)熱時效處理的轉(zhuǎn)爐爐口質(zhì)量穩(wěn)定，使用壽命普遍提高，均超過10 000爐次以上。綜合測算，經(jīng)振動時效處理的轉(zhuǎn)爐爐口比經(jīng)熱時效處理的轉(zhuǎn)爐爐口提高壽命3倍以上，時效處理的成本降低了98%以上，并且大大減輕了工人勞動強(qiáng)度。處理過程無環(huán)境污染，無明顯噪聲，社會效益顯著。實(shí)踐證明，振動時效是一種節(jié)能、降耗，并能有效提高轉(zhuǎn)爐爐口使用壽命的工藝措施，有較好的推廣應(yīng)用前景。