回轉(zhuǎn)窯托輪開裂原因

張海峰

[中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所(洛陽船舶材料研究所)，洛陽 471023]

回轉(zhuǎn)窯是水泥、冶金生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于建筑、冶金、化工等行業(yè)。托輪是回轉(zhuǎn)窯的重要零件，支承著回轉(zhuǎn)窯回轉(zhuǎn)部分的全部質(zhì)量，并對筒體有徑向定位作用。回轉(zhuǎn)窯通過電機(jī)、減速機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，托輪支撐裝置承受著回轉(zhuǎn)窯筒體質(zhì)量的徑向反力。托輪與托輪軸通過熱裝連接，當(dāng)熱裝工藝不當(dāng)時，托輪極易發(fā)生開裂。

某單位生產(chǎn)的托輪，材料為ZG42CrMo鋼，生產(chǎn)工藝為：澆注→在地坑保溫153 h→出坑落砂→切冒口→熱處理。托輪的正火工藝為，400～450 ℃保溫2 h，650～700 ℃保溫3 h，900 ℃保溫32 h，空冷+風(fēng)冷冷卻。托輪的回火工藝為，350～400 ℃保溫2 h，580 ℃保溫24 h，空冷冷卻。熱處理后將托輪送至機(jī)械廠，在未調(diào)質(zhì)的情況下對托輪進(jìn)行熱裝，熱裝2 d后發(fā)現(xiàn)托輪減重孔處有沿徑向的穿透性裂紋。對托輪進(jìn)行現(xiàn)場測定，發(fā)現(xiàn)托輪內(nèi)孔直徑偏小、軸頸過大，內(nèi)孔與托輪軸的過盈量超過圖紙?jiān)试S值一倍。沿裂紋周圍氣割后托輪的宏觀形貌如圖1所示。

圖1 沿裂紋周圍氣割后托輪的宏觀形貌

為查明托輪開裂的原因，筆者對其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)，以期杜絕該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

托輪斷口的宏觀形貌如圖2所示，可見裂紋產(chǎn)生于減重孔中部內(nèi)表面，沿徑向軸線方向及兩側(cè)方向擴(kuò)展；箭頭所示的月牙形區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū)，裂紋源區(qū)域相對平坦，裂紋沿裂紋源區(qū)向四周擴(kuò)展。

圖2 托輪斷口的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在托輪上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見托輪的化學(xué)成分均滿足技術(shù)要求。

表1 托輪的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 力學(xué)性能測試

對托輪進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示，可見托輪的屈服強(qiáng)度和斷面收縮率不滿足技術(shù)要求，托輪的沖擊吸收能量較低，且波動較大。

表2 托輪的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.4 金相檢驗(yàn)

在托輪斷口裂紋處取樣，拋光后進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：裂紋源區(qū)有裂紋、孔洞等缺陷；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見二次裂紋；依據(jù)GB/T 8493—1987 《一般工程用鑄造碳鋼金相》進(jìn)行評定，可知夾雜物等級為5級，基體晶粒度等級為8.5級。

圖3 托輪斷口拋光態(tài)的微觀形貌

托輪斷口處的顯微組織形貌如圖4所示，可知裂紋源區(qū)的組織為萊氏體+馬氏體+貝氏體，裂紋源區(qū)有焊接組織、焊接缺陷、微裂紋等；熱影響區(qū)的組織為貝氏體+馬氏體；基體組織為珠光體+鐵素體。

圖4 托輪斷口處的顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

托輪斷口處的SEM形貌如圖5所示，可見裂紋源區(qū)有疏松缺陷，且分布有較大的氣孔，疏松缺陷區(qū)域的寬度約為1 mm；沿晶斷裂區(qū)域緊鄰疏松缺陷區(qū)域，該區(qū)域的晶粒較小；裂紋擴(kuò)展區(qū)域呈典型的準(zhǔn)解理特征形貌。

圖5 托輪斷口處的SEM形貌

2 綜合分析

ZG42CrMo鋼是一種常用的中碳鉻鉬合金調(diào)質(zhì)鋼，具有較高的強(qiáng)度和淬透性，無明顯的回火脆性，且生產(chǎn)成本較低，廣泛應(yīng)用于制造強(qiáng)度要求較高、調(diào)質(zhì)截面大的鍛件。淬火和高溫回火處理可以使ZG42CrMo鋼得到均勻的回火索氏體，且具有良好的力學(xué)性能，因此ZG42CrMo鋼制作的產(chǎn)品一般需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后交付使用。ZG42CrMo鋼的碳元素含量較高，焊接性能差，一般不進(jìn)行焊接處理[1]。

理化檢驗(yàn)分析結(jié)果表明：托輪裂紋產(chǎn)生于減重孔的中部靠近軸心側(cè)，裂紋源區(qū)有焊接組織和焊接缺陷，說明托輪減重孔局部經(jīng)過補(bǔ)焊處理；高硬度脆性組織萊氏體+馬氏體+貝氏體為焊后快速冷卻而成，裂紋源區(qū)有大量的孔洞、裂紋等缺陷，說明焊后沒有進(jìn)行熱處理；裂紋源區(qū)有寬度為1 mm的自由結(jié)晶面，說明裂紋源區(qū)有焊接疏松和氣孔缺陷；熱影響區(qū)域呈沿晶斷口特征形貌，說明加熱對該區(qū)域造成不良影響，導(dǎo)致裂紋形成并擴(kuò)展。

托輪組織為正火態(tài)組織，沒有經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，因此材料的屈服強(qiáng)度偏低[2]。ZG42CrMo鋼的焊接性能差，對結(jié)晶裂紋比較敏感，焊接時容易出現(xiàn)疏松、氣孔、微裂紋等缺陷。ZG42CrMo鋼的碳元素含量較高，快速冷卻時得到對冷裂紋較敏感的萊氏體、馬氏體組織，導(dǎo)致過熱區(qū)脆化。對托輪的尺寸進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)托輪內(nèi)孔和托輪軸的過盈量超過圖紙?jiān)试S值的一倍，在冷卻的過程中，托輪會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

綜上所述，托輪減重孔局部經(jīng)過補(bǔ)焊處理，補(bǔ)焊工藝不合理導(dǎo)致焊接部位形成疏松、孔洞、氣孔、微裂紋等缺陷，并產(chǎn)生高硬度、脆性的萊氏體和馬氏體組織。托輪開裂起源于減重孔補(bǔ)焊處，熱裝導(dǎo)致焊接處產(chǎn)生裂紋，冷卻過程中拉應(yīng)力逐漸增大，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終造成托輪開裂[3]。

3 結(jié)論與建議

托輪開裂的原因?yàn)椋和休啘p重孔的補(bǔ)焊工藝不合理以及托輪沒有經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，托輪與托輪軸的裝配過盈量超標(biāo)，加速了裂紋的形成和擴(kuò)展。

建議制定規(guī)范的補(bǔ)焊工藝，進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。確保托輪與托輪軸具有恰當(dāng)?shù)难b配過盈量。