在線修復(fù)燒結(jié)機和鏈篦機星輪齒板的實踐

張進坤，程 猛，高萬里，王 超，劉 帥

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800）

1 前 言

燒結(jié)機、鏈篦機分別是燒結(jié)和球團工序關(guān)鍵設(shè)備，頭部星輪齒板是兩設(shè)備的核心部件。齒板長期在高溫、重載、多塵的情況下運行，容易磨損、壓潰、產(chǎn)生嚴重的凹坑及飛邊，甚至出現(xiàn)局部掉塊，如不及時更換將造成燒結(jié)機臺車和鏈篦機鏈條跑偏，導(dǎo)致燒結(jié)機臺車輪頻繁損壞、鏈篦機剮蹭等問題［1-4］。星輪齒板使用4 a需要更換，現(xiàn)山鋼日照公司1#500 m2燒結(jié)機和150 t鏈篦機均于2017年11月份投產(chǎn)，使用時間均已超過4.5 a。檢修期間，如星輪齒板整體更換，檢修時間要在14 d以上，這無法滿足大高爐對燒結(jié)礦和球團礦的物料需求［5］。為此，山鋼日照公司采用在線堆焊修復(fù)星輪齒板的方法，使星輪齒板功能得到恢復(fù)，并且達到了降本增效的目的［6-7］。

2 星輪齒板的特征及焊材選型

2.1 材質(zhì)特征

燒結(jié)機星輪齒板材質(zhì)采用高強度耐磨鋼（NM400），齒面通過表面淬火提高耐磨性能。此材料可焊性能差，一般焊接材料和工藝方法無法保證修復(fù)質(zhì)量，需要采用特殊的專用抗耐磨材料及焊接工藝焊接。

鏈篦機星輪齒板材質(zhì)3Cr24Ni7奧氏體耐熱鋼，由于長期在高溫下運行，造成碳化物平均間距過大，高溫強度低于承載應(yīng)力導(dǎo)致高溫失效，其熱疲勞是一種低周高應(yīng)力疲勞，氧化裂紋在橫向應(yīng)力作用下沿晶界的擴展［8］。

2.2 星輪焊接材料選擇

2.2.1 燒結(jié)機星輪齒板焊材

燒結(jié)機星輪齒板焊接過程中分別選用了代號為LJ-101、LJ-106、LJ-161 的焊材，實現(xiàn)分層堆焊，保證堆焊層底部韌性和表面硬度。

利用LJ-101 焊材作打底層焊材，此焊接材料延展性優(yōu)良，韌性好且有足夠的強度，側(cè)重于變形協(xié)調(diào)性及結(jié)合強度。利用LJ-106作過渡層的填充材料，主要填充齒面因掉塊而造成的凹坑、材料缺失的彌補，該材料Ni、Cr含量較高，同時又具有足夠的碳含量，其綜合機械性能滿足要求。利用LJ-161耐磨系數(shù)高、硬度相匹配的焊材，以恢復(fù)齒面硬度層。通過焊接材料本身所具有的材料特性，以及后續(xù)熱處理、冷加工等方式，達到齒面所需的耐磨性能、硬度等，達到局部強化的目的。

2.2.2 鏈篦機星輪齒板焊材

鏈篦機星輪采用了碳化鎢耐磨堆焊（CHR 698）焊條或鈦鈣型藥皮的Cr25Ni18Mn8 不銹鋼（A422）焊條。焊前焊條須經(jīng)250 ℃左右烘焙1 h，焊時工件預(yù)熱至400～500 ℃，焊條直徑4.0 mm，焊機電流應(yīng)控制在140～180 A。

3 星輪齒板的焊接修復(fù)工藝

3.1 制作模板

利用燒結(jié)機星輪齒板和鏈篦機星輪齒板進行放樣，使用激光切割制作δ=3 mm不銹鋼樣板，分為施工樣板和測量樣板。施工樣板（外形控制樣板）其目的是施工中便于使用、校對每個齒修復(fù)磨損缺失部分恢復(fù)情況，為施工過程提供依據(jù)，齒形施工樣板見圖1。

圖1 齒形施工樣板

測量樣板主要用于施工過程中整體精度檢測把控。測量樣板分為公模和母模，見圖2、圖3。公模為凸模，為齒板的模型。母模為凹模，檢測齒板的外表面。為防止焊接偏差擴大，樣板偏差尺寸小于±1 mm。為提高修復(fù)質(zhì)量和修復(fù)速度，提前加工1套完整齒形施工樣板，施工時使用專用夾具直接貼敷在待堆焊齒板側(cè)面進行一次定位，以減少重復(fù)定位的時間和提高定位精度［9］。

圖2 齒形測量樣板-公模

圖3 齒形測量樣板-母模

3.2 焊前準備

焊接前用四氯化碳清除待修復(fù)齒板表面的油脂，使用磨光機將待修復(fù)面進行打磨清理，清理齒板卷邊、疲勞面，去除長期和臺車或者鏈節(jié)碰撞而產(chǎn)生的硬化層并去除一定厚度的疲勞層。進行齒板表面缺陷的清理，如氣孔、裂紋等，以防止焊接過程中產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致堆焊層脫落［10］。

3.3 堆焊工藝控制

燒結(jié)機星輪齒板堆焊。焊前預(yù)熱，預(yù)熱范圍為焊縫周邊不少于50 mm，溫度測量點距離焊縫約50～70 mm；使用烤槍進行加熱，預(yù)熱至200 ℃左右。因齒板磨損太大，部分單邊磨損超過30 mm，堆焊須多層焊接。因齒板焊接性能差，焊前需要焊接試驗，基體第一層焊層須進行改性處理。改性處理就是通過焊接試驗，選擇與母體性能相近且又提高焊接性能材料，保證材料在焊接過程中不產(chǎn)生裂紋或剝落，為下一步堆焊填充打下基礎(chǔ)。采取低熱量輸入焊接工藝，嚴格控制齒面溫升，防止產(chǎn)生淬硬組織，減少焊接應(yīng)力。層間溫升控制120 ℃以下，打底層使用直流手弧焊接，短弧短焊道低熱輸入量控制，焊后捶擊至焊縫產(chǎn)生明顯的機械變形。過渡層采用半自動氣體保護焊，嚴格控制焊層厚度和焊道長度，并注意焊道形狀控制，為下一步耐磨層焊接留出3～5 mm均勻尺寸余量，焊接后對過渡層焊接材料進行修磨，修磨后探傷確認焊接缺陷。之后進行3～5 mm 的耐磨層焊接。修磨余量2 mm 左右，保證外形修磨后與靠模相符［11］。

鏈篦機星輪齒板堆焊。根據(jù)測量尺寸對磨損的位置進行局部焊接，堆焊采用短弧低熱輸入量堆焊，防止氣孔產(chǎn)生。

3.4 焊接修復(fù)其他注意事項

每焊完一層及時清理，并施加以高頻率的應(yīng)力捶擊，以消除焊接過程中產(chǎn)生的組織應(yīng)力，防止修復(fù)后因組織應(yīng)力殘余造成焊層裂紋。底層焊層施工后，對上表面進行清理，去除結(jié)合層的氧化皮、焊渣等，再進行上層焊層的焊接施工。清理后若發(fā)現(xiàn)有焊接缺陷，需機械徹底清理打磨后補焊。焊后用平尺檢查焊層平整情況，若發(fā)現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，需焊條補平。

焊后單邊余量1～1.5 mm為宜。焊后對焊層部位粗打磨去除高點，確保無影響使用的缺陷存在，同時嚴格控制材料復(fù)合的比例，保證焊縫材料線膨脹系數(shù)與母體材料一致［8］。

3.5 研修和檢驗

研修。修研過程中要兼顧星輪兩端齒形相似度，確保對應(yīng)的兩端齒面對應(yīng)位置相位角相同，不可出現(xiàn)偏斜、扭轉(zhuǎn)，兩端齒形同步控制應(yīng)在單個齒修復(fù)過程同時控制好，用經(jīng)緯儀檢測，確保兩端對應(yīng)齒無相位角變化。

外觀檢驗。齒板修復(fù)完畢后，先檢查焊縫外觀有無飛濺、夾雜、氣孔和未熔合等，再使用測量樣板中的公模和母模分別檢查堆焊尺寸是否符合標準，檢查確認無裂紋，再用角磨機進行修模。

硬度檢驗。在齒形表面進行耐磨處理，使其提高耐磨性能，適當延長使用壽命。使用便攜式硬度儀對堆焊修復(fù)后的齒板進行硬度檢測，堆焊修復(fù)后齒板嚙合面平均硬度在40～43 HRC，達到原設(shè)備齒板調(diào)質(zhì)后的硬度，滿足工藝要求［12］。

4 結(jié) 語

通過合理選擇焊接材料、控制焊接熱輸入和熔合比等工藝措施，實現(xiàn)了受磨損星輪齒板的在線修復(fù)，焊接修復(fù)后的星輪齒板硬度及耐磨性能滿足生產(chǎn)要求。星輪齒板在線堆焊方法可在不拆除星輪齒板的情況下實現(xiàn)磨損齒板的尺寸復(fù)原，避免了拆裝齒板過程中的配合安裝難題，節(jié)省了檢修時間。齒板堆焊完成后降低了燒結(jié)機的運行負荷，減輕了因齒板磨損對燒結(jié)機臺車造成的損壞，延長了臺車使用壽命。1#燒結(jié)機星輪齒板每套采購價為47 萬元，在線修復(fù)價格為16萬元，同時節(jié)約檢修時間為10 d，每天生產(chǎn)燒結(jié)礦13 200 t，噸礦利潤100元，直接經(jīng)濟效益1 320萬元。