歐勇,湯弼華
湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101
燒結(jié)鼓風(fēng)機(jī)作為燒結(jié)機(jī)配套的主抽煙機(jī),屬于離心式鼓風(fēng)機(jī),在進(jìn)行含塵濃度較大、溫度較高的燒結(jié)煙氣輸送時(shí),葉輪的葉片和輪盤沖蝕磨損嚴(yán)重,每次非計(jì)劃性檢修次數(shù)不斷增加,影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。因此,解決風(fēng)機(jī)葉輪磨損,減小風(fēng)機(jī)振動(dòng),是提升燒結(jié)鼓風(fēng)機(jī)效率的當(dāng)務(wù)之急。
燒結(jié)車間的105m2燒結(jié)機(jī)2000年投入使用,主風(fēng)機(jī)為雙吸結(jié)構(gòu)離心鼓風(fēng)機(jī),型號(hào)SJ12000,重量7.59t,工作負(fù)壓16.66kPa,進(jìn)口溫度150℃,進(jìn)口密度0.754kg/m3,進(jìn)口流量12000m3/min,轉(zhuǎn)子直徑2510mm,轉(zhuǎn)速1500r/min,電動(dòng)機(jī)功率4000kW。當(dāng)振動(dòng)>4.5mm/s時(shí)報(bào)警;振動(dòng)>5.5mm/s時(shí)自動(dòng)停機(jī)。
105m2燒結(jié)鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),要求配置的924多管除塵器出口含塵濃度應(yīng)<120mg/m3,但2021年1月檢測(cè)結(jié)果為210mg/m3。由于粉塵濃度超標(biāo)嚴(yán)重,因此多管除塵效率非常差,不能滿足主風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況要求。
風(fēng)機(jī)葉輪采用雙吸結(jié)構(gòu),葉輪輪轂材質(zhì)為35CrMo鍛件,葉片和輪盤材質(zhì)為Q355C。因其長(zhǎng)期處于高負(fù)壓、大風(fēng)量的工作狀態(tài),輸送的介質(zhì)為燒結(jié)煙氣,含塵量大。由于前工序多管除塵效率非常差,粉塵濃度超標(biāo)嚴(yán)重,所以高溫?zé)Y(jié)煙氣中的粉塵對(duì)葉輪進(jìn)行沖刷,造成葉片和輪盤沖蝕磨損嚴(yán)重。葉輪局部磨穿后,煙氣進(jìn)入穿孔部位,造成紊流,擾亂氣場(chǎng),使葉輪失去平衡,導(dǎo)致鼓風(fēng)效率降低和風(fēng)機(jī)振動(dòng)增大。
通常根據(jù)磨損方式來(lái)說(shuō),磨損分為磨料磨損、粘著磨損、沖蝕磨損、表面疲勞磨損及腐蝕磨損5種。
燒結(jié)鼓風(fēng)機(jī)葉輪運(yùn)行過(guò)程中,葉輪表面長(zhǎng)時(shí)間處于高溫高粉塵煙氣的氛圍,煙氣經(jīng)過(guò)葉輪時(shí),由于煙氣中含有CO、SO2等具有腐蝕性的活性氣氛,腐蝕性高溫?zé)煔馀c葉輪表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成腐蝕薄層,所以在沖蝕磨損的過(guò)程中被剝離,露出新的表面,又被腐蝕、沖蝕、剝離,周而復(fù)始。
鼓風(fēng)機(jī)前工序的多管除塵器,除塵效果差,導(dǎo)致煙氣中的粉塵濃度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值,鐵礦粉中強(qiáng)度、硬度較高的SiO2、CaO等顆粒進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī),高溫氣體夾雜著細(xì)微顆粒沿葉片壁面流動(dòng)、沖擊,使葉輪磨損量越來(lái)越大。綜上所述,燒結(jié)鼓風(fēng)機(jī)葉輪屬于沖蝕磨損。
鼓風(fēng)機(jī)為雙吸式結(jié)構(gòu),兩側(cè)風(fēng)門開(kāi)啟角度不一致,進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)葉輪的煙氣沒(méi)有相對(duì)均勻地分布在葉盤表面,而是集中在中盤兩側(cè)貼附繞流,從而形成過(guò)流部位。高速氣流攜帶高溫?zé)煔?,被高速旋轉(zhuǎn)的葉片加速,不斷沖刷中盤兩側(cè)葉片根部,將加劇沖蝕磨損進(jìn)程,嚴(yán)重部位穿孔形成薄刃狀,此處角磨損缺失,導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生(見(jiàn)圖1、圖2)。
圖1 中盤根部薄刃狀穿孔
圖2 出風(fēng)口薄刃狀磨損
(1)原始裂紋多 葉片的原始堆焊層與葉輪母材的焊接屬于異種金屬的焊接,在第一次修復(fù)中,在堆焊層的磨損表面發(fā)現(xiàn)較多裂紋。
(2)葉片新增焊縫熔合區(qū)的冷裂紋傾向大 耐磨焊接材料的Cr、Mn、Mo等合金元素含量高,焊縫金屬為貝氏體或馬氏體組織,硬度高、脆性大;耐磨材料與Q355C低合金鋼表面的焊接,屬于異種金屬的焊接,堆焊成分與母材成分相差較大,且線膨脹系數(shù)比低合金鋼大,熱導(dǎo)率卻比低合金鋼小,因此焊接過(guò)程中焊縫的急劇加熱和冷卻會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。
(3)堆焊金屬易產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋 耐磨堆焊金屬硬度較高、塑性低,在單層和多層的堆焊中,下層母材或焊道的溫度低,對(duì)上層金屬的凝固收縮產(chǎn)生較大的拘束,會(huì)引起相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力,使堆焊層金屬在堆焊后的過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋(即龜裂)及剝離。葉輪輪轂材質(zhì)為35CrMo鍛件,強(qiáng)度高,焊接性能差,裂紋傾向大,其與Q355C輪盤磨損處的焊接,屬于異種鋼焊接,在35CrMo一側(cè)的焊縫熱影響區(qū),易形成冷裂紋。
(4)疲勞裂紋 葉輪經(jīng)多次堆焊,因溫度的循環(huán)變化而產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力,以及風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期高負(fù)載工作和風(fēng)機(jī)高頻振動(dòng)疊加,導(dǎo)致疲勞裂紋。
(5)焊接變形大 葉輪是一個(gè)整體,各部位相互聯(lián)系、制約,不能自由伸長(zhǎng)和縮短,各葉片的磨損程度不同,焊接量也不同,特別是穿孔部位的焊接量較多,不均勻的加熱導(dǎo)致葉輪產(chǎn)生焊接變形;同時(shí),葉輪抵抗變形產(chǎn)生的拘束應(yīng)力也促使葉輪產(chǎn)生冷裂紋。
葉輪出廠時(shí),用多層堆焊的方式,沿葉輪進(jìn)氣道葉片的橫向每隔30mm堆焊一條厚度6mm左右、硬度為48~53HRC的耐磨焊道。一方面,由于焊道稀疏,故局部區(qū)域不足以抵抗大量高溫粉塵的沖蝕磨損;另一方面,在葉輪的外側(cè)特別是出風(fēng)口,氣流加速,底層高速的粉塵煙氣入射角大,沖擊的不是耐磨焊道的上表面,而是凸起焊道的側(cè)面,造成反射角小的折流,各自形成微小的激波(見(jiàn)圖3),干擾上層流動(dòng)的煙氣,產(chǎn)生紊流,減小風(fēng)機(jī)的有效功率。
圖3 煙氣在凸焊道的折射
對(duì)于磨損的葉輪,如單一增加堆焊厚度,可以提高葉輪使用壽命,但會(huì)增加葉輪重量和葉片表面粗糙度,影響離心風(fēng)機(jī)的流量和壓力,增加電耗。從我單位燒結(jié)鼓風(fēng)機(jī)的磨損情況來(lái)看,出風(fēng)口向軸心500mm的中盤兩側(cè)各50mm左右范圍,以及出風(fēng)口的寬度方向30mm范圍內(nèi)是磨損最嚴(yán)重的地方,此處在堆焊恢復(fù)原板厚尺寸后,還需堆焊厚度4mm、硬度為55~60HRC的耐磨層。
對(duì)磨損嚴(yán)重的出風(fēng)口部位,盡量將橫向線狀焊道改為平鋪面狀堆焊,表面平整光滑(見(jiàn)圖4);已焊好的中盤附近橫向焊道,可在凸起焊道兩側(cè)進(jìn)行堆焊緩坡,將柱形圓弧頂?shù)暮傅罊M截面改為40°~45°等腰梯形截面,或平緩的圓弧截面,焊道表面形狀較圓滑。這兩種堆焊形式,均可以增大氣流反射角,減小氣流阻力。
圖4 煙氣在平焊道的折射
如果葉輪表面的腐蝕薄層和硬化薄層在焊接前不能完全清理干凈,薄層中的C、Si、S等物質(zhì)在焊接時(shí),就會(huì)進(jìn)入熔池,使焊縫的熔合區(qū)和粗晶區(qū)惡化;葉輪經(jīng)多次修復(fù),在堆焊位置以及中盤的角焊縫部位,由于多次熱脹冷縮,故產(chǎn)生拉伸塑性變形,形成應(yīng)變硬化,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂紋[1]。
修復(fù)時(shí),過(guò)渡層的堆焊應(yīng)選用塑韌性好的焊接材料,減小焊接應(yīng)力,有效防止高硬度耐磨層堆焊的層狀撕裂;針對(duì)鼓風(fēng)機(jī)粉塵超標(biāo)的情況,在保證抗裂性良好的前提下,耐磨層選擇硬度比原設(shè)計(jì)要求更高的焊接材料。
由于風(fēng)機(jī)葉輪葉片處于半封閉狀態(tài),焊接熔敷量大,故宜采用對(duì)焊接空間位置不敏感的焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊和激光熔覆焊接方法。本文將主要以焊條電弧焊堆焊為例,進(jìn)行性能分析。
(1)堆焊方法分析 焊條電弧焊的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單,應(yīng)用范圍廣;對(duì)焊接場(chǎng)所和焊接空間適應(yīng)性強(qiáng),特別是對(duì)受限空間的焊接,如葉輪在線修復(fù)時(shí),只需要將焊接電纜牽引進(jìn)通風(fēng)走廊內(nèi)即可,操作方便;適合對(duì)形狀不規(guī)則的零件焊接;可隨時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,改變?nèi)鄯蠼饘俚拇笮『蜏囟葓?chǎng)的分布。缺點(diǎn)是焊接效率低,對(duì)焊工技術(shù)要求高,由于熔深大,稀釋率高,致使堆焊層的耐磨性和硬度損失嚴(yán)重,通常要焊2~3層,但多層堆焊易使焊道開(kāi)裂;電弧暴露在空氣中,熔池含氧量高、存在時(shí)間長(zhǎng),導(dǎo)致合金元素?zé)龘p大,焊縫晶粒粗大,裂紋傾向大,力學(xué)性能差[2]。
(2)焊接材料選擇 焊條電弧焊堆焊耐磨層采用D212焊條。常規(guī)D212焊條熔敷金屬硬度為50~55HRC,與原設(shè)計(jì)硬度相同,但裂紋傾向大。預(yù)熱至150℃時(shí),仍有裂紋出現(xiàn),且不適應(yīng)于粉塵超量的高溫磨損環(huán)境。經(jīng)與焊接材料生產(chǎn)廠家交流,調(diào)整焊條中C、Cr、Mo的成分,增加Ni元素,并多次進(jìn)行焊接試驗(yàn),在100~120℃時(shí),堆焊金屬抗裂性良好,硬度達(dá)到55~60HRC,滿足了工況要求。焊接材料的化學(xué)成分和硬度見(jiàn)表1。
表1 D212焊絲、D212焊條(GB/T 984—2001)化學(xué)成分和熔敷金屬硬度
(3)堆焊試驗(yàn) 由于耐磨焊條的多層、單層堆焊試驗(yàn),相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)尚在擬定,所以行業(yè)內(nèi)的熔敷金屬硬度堆焊試驗(yàn)方法一般參考《建材工業(yè)用耐磨件堆焊通用技術(shù)條件》進(jìn)行。此次試件材質(zhì)為Q355C,常溫試樣規(guī)格為200mm×75mm×20mm,預(yù)熱試樣規(guī)格為200mm×150mm×20mm,焊條直徑4mm,焊接電流170A,焊接速度150mm/min,多層焊至少堆焊3層,每道焊縫寬度不大于焊條直徑的4倍。單層焊(見(jiàn)圖5)和多層焊(見(jiàn)圖6)均為空冷,焊后48h將試樣進(jìn)行機(jī)械切割、研磨、腐蝕及金相分析。
圖5 單層堆焊試驗(yàn)
圖6 多層堆焊試驗(yàn)
不預(yù)熱單層焊和四層焊的裂紋非常明顯(見(jiàn)圖7、圖8)。
圖7 不預(yù)熱單層焊的裂紋(100×)
圖8 不預(yù)熱四層焊的裂紋(25×)
在預(yù)熱100℃焊接的單層焊金相組織中(在100倍顯微鏡下),沒(méi)有出現(xiàn)裂紋,基體原始組織為珠光體加鐵素體,熱影響區(qū)中的過(guò)熱區(qū)有粗大珠光體和鐵素體,以及回火托式體,并伴有魏氏組織。由于基體成分與焊接材料成分相差較大,所以過(guò)渡層明顯;同時(shí)由于基體的稀釋作用,焊縫的碳及合金元素的含量降低,成分和組織都發(fā)生了改變,焊縫為針狀鐵素體加少量馬氏體的柱狀晶。經(jīng)檢測(cè),焊縫硬度48HRC,基體硬度18HRC。
在預(yù)熱100℃的多層焊金相組織中(在500倍顯微鏡下),沒(méi)有出現(xiàn)裂紋,靠近基體的第一層焊縫為碳含量低的粒狀貝氏體加馬氏體。因?yàn)榈诙?、三、四層沒(méi)有基體的稀釋,所以成分相對(duì)均勻,都是高硬度的針狀馬氏體加針狀貝氏體,并伴有殘余奧氏體。
由于后焊的焊道對(duì)前面焊道有加熱回火作用,有利于晶粒的細(xì)化,先焊焊層的晶粒較后焊焊道尺寸小,表面的焊道最粗大,為柱狀晶(見(jiàn)圖9)。
圖9 預(yù)熱100℃的第二層(左側(cè))與第三層焊縫(右側(cè))(500×)
在焊縫橫截面進(jìn)行硬度檢測(cè),檢測(cè)位置如圖10、圖11所示,硬度值見(jiàn)表2。根據(jù)《金屬洛式硬度試驗(yàn)法》的規(guī)定,表2中數(shù)據(jù)為3個(gè)試樣均值。
圖10 單層焊檢測(cè)位置
圖11 多層焊檢測(cè)位置
表2 試件的溫度、層數(shù)、硬度和裂紋情況
(4)在線修復(fù)方法 用φ3.2mm的CHE507R焊條進(jìn)行基層堆焊,快速分段焊接。CHE507R熔敷金屬有優(yōu)良的塑性、韌性和抗裂性,脫渣容易,適用于全位置焊接,其化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表3、表4。用φ4mm的D212焊條堆焊耐磨層,焊接時(shí)焊道寬度≤4倍焊芯直徑,具體焊接參數(shù)見(jiàn)表5。
表3 CHE507R焊條化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
表4 CHE507R焊條熔敷金屬力學(xué)性能
表5 焊條電弧焊在線修復(fù)焊接參數(shù)
由于空間限制,故兩名焊工在葉輪的12點(diǎn)和6點(diǎn)位置同時(shí)施焊。因雙吸氣葉輪兩側(cè)的沖蝕磨損不一致,一般非驅(qū)動(dòng)端更大一些,故此側(cè)葉片每片堆焊8根,驅(qū)動(dòng)端葉片每片堆焊6根,進(jìn)風(fēng)口處各堆焊1根。
(1)堆焊方法分析 熔化極氣體保護(hù)焊可進(jìn)行半自動(dòng)或全自動(dòng)的堆焊。由于許多高合金成分的堆焊材料要制成細(xì)焊絲很困難,所以常用的高硬度堆焊焊絲一般為填充合金粉末的管狀焊絲,根據(jù)造氣劑的有無(wú),又分為氣保護(hù)和自保護(hù)兩種。該堆焊方法具有電流密度大,熔敷效率較高,電弧氣氛的氧化性弱,熔滴過(guò)渡均勻穩(wěn)定,合金元素?zé)龘p少,生產(chǎn)效率高、成本低,以及焊工勞動(dòng)條件好等優(yōu)勢(shì)。但如果高合金堆焊時(shí),隨著焊接熱輸入增大,裂紋傾向也會(huì)隨之增加。
(2)焊接材料選擇 熔化極氣體保護(hù)焊基層選用φ1.2mm的CHW-50C6焊絲,以恢復(fù)葉輪的基體尺寸。CHW-50C6焊絲化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表6、表7。采用20%CO2+80%Ar富氬混合氣體作為保護(hù)氣體,焊接飛濺小,焊縫成形好。用φ1.2mm的D212焊絲進(jìn)行耐磨層堆焊,對(duì)出風(fēng)口和中盤兩側(cè)進(jìn)行平面堆焊,采用CO2為保護(hù)氣體,焊接速度快,適用于焊接量較大的堆焊,成本低。具體焊接參數(shù)見(jiàn)表8。
表6 CHW-50C6焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
表7 CHW-50C6焊絲熔敷金屬力學(xué)性能
表8 熔化極氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)
(3)離線修復(fù)方法 焊前準(zhǔn)備:清除葉輪表面氧化物,直至露出金屬光澤;進(jìn)行滲透檢測(cè),檢查葉輪是否存在裂紋、氣孔等缺陷;測(cè)量各葉輪的磨損情況并標(biāo)識(shí)、記錄,然后用便攜式硬度計(jì)測(cè)量待焊部位及相鄰基體的硬度。
焊接工藝:按圓周方向?qū)?8片葉輪編號(hào),焊接時(shí)勤轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪,對(duì)稱交錯(cuò)焊接,進(jìn)行修復(fù)處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況,用氣體火焰或履帶式陶瓷電加熱片,對(duì)葉輪進(jìn)行100~120℃預(yù)熱;采用多層多道焊接,如果單個(gè)葉片的待焊面積較大,則需將待焊面分為100mm×100mm面積的若干小塊,間隔焊接,使葉輪整體受熱均勻,減小焊接應(yīng)力及焊接變形;其余每層焊接完成后,均用尖頭錘錘擊,進(jìn)行消應(yīng)力處理。根據(jù)各葉輪磨損情況,合理安排焊接熔敷量,在保證葉輪使用性能的前提下,不額外增加多量熔敷,以減少焊接工作量和動(dòng)平衡校正工作量,同時(shí)減少電耗[3]。根據(jù)圖樣尺寸要求,設(shè)定焊接參數(shù);兩名焊工用相同的焊接工藝,左右同時(shí)對(duì)稱焊接,以減少焊接變形和應(yīng)力。
(1)激光熔覆方法分析 激光熔覆的熔池體積小,只有焊條電弧焊的幾十分之一,熱影響區(qū)小,焊接變形小。由于激光的控制精度高,輸出功率恒定,且沒(méi)有電弧接觸,所以熔池大小深度一致性好,只要焊接材料和工藝參數(shù)合理,熔敷金屬性能的一致性就非常好。但是激光熔覆對(duì)設(shè)備的精度要求非常高,由于熔池冷卻速度快,氣體析出困難,因此工藝不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生氣孔[4,5]。
(2)激光熔覆材料的選擇 基層選用Fe-20,屬于鐵基自熔性合金粉,熔敷金屬硬度20~25HRC,屬于低硬度、抗中溫腐蝕材料,抗裂性能好。耐磨層選用Fe-55,適用于500℃以下的耐磨、耐腐蝕層的堆焊,熔覆層的硬度高,耐磨性能好。兩種激光熔覆粉末的化學(xué)成分和硬度見(jiàn)表9。
表9 激光熔覆粉末化學(xué)成分及硬度
(3)同步送粉激光熔覆離線修復(fù)方法(見(jiàn)圖12) 根據(jù)圖樣尺寸要求,編制激光熔覆焊接程序,設(shè)定工藝參數(shù),如光斑、速度和焦距,以及焊接層數(shù)等;優(yōu)化激光熔覆工藝,得到最佳參數(shù)匹配。激光熔覆工藝參數(shù)如下:激光功率2000W;掃描速度200~320mm/min;光斑大小φ3~φ4mm;電流120~180A;送粉量12~25g/min;氬氣流量15~20L/min;單層厚度0.8~1.5mm;搭接量40%~50%。由于焊槍形狀及空間限制,所以各葉片出口側(cè)沿縱深方向,寬250mm、長(zhǎng)300mm區(qū)域堆焊鐵基自熔性合金粉兩層,然后在此區(qū)域上進(jìn)行耐磨層的間隔堆焊,堆焊焊道長(zhǎng)120mm、寬15mm、高6mm,各焊道間距30mm。采用此參數(shù)焊接的焊道稀釋率小,金相組織致密,力學(xué)性能好。按編制的焊接工藝,在Q355C試樣件上進(jìn)行堆焊試驗(yàn);取樣進(jìn)行金相、硬度檢測(cè)和耐磨性試驗(yàn),分析熔敷金屬的微觀組織、熔合情況、硬度分布和耐磨性;激光熔覆完成后,進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。
圖12 同步送粉激光熔覆離線修復(fù)葉輪輪盤
(4)同步送粉激光熔覆實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用 2015年主風(fēng)機(jī)葉輪經(jīng)離線激光熔覆修復(fù)后重新投入使用,目前已正常運(yùn)行三年。
鼓風(fēng)機(jī)葉輪如果報(bào)廢,更換需要72h,影響生產(chǎn)進(jìn)度。而本文根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)葉輪磨損的情況,靈活選擇激光熔覆、熔化極氣體保護(hù)焊和焊條電弧焊三種工藝,并與焊接材料廠家合作,優(yōu)化焊接材料性能,制定合理的焊接工藝,多次成功對(duì)同一葉輪進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后的葉輪在目前的高溫高粉塵狀態(tài)下,使用效果良好。并且此葉輪從2000年投產(chǎn)以來(lái),一直沒(méi)有更換。按照當(dāng)年采購(gòu)費(fèi)用18萬(wàn)元,以每三年更換一次的頻率計(jì)算,共節(jié)約資金上百萬(wàn)元,不僅保證了燒結(jié)系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行,還為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。