冷鐵工藝設(shè)計(jì)對(duì)回轉(zhuǎn)窯輪帶無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量的影響

王立，徐恩獻(xiàn)，王子含，王鵬飛，石如星，田磊，劉金來(lái)

1.洛陽(yáng)中重鑄鍛有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471003

2.中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471003

1 序言

回轉(zhuǎn)窯即旋轉(zhuǎn)煅燒窯，屬于特種重型裝備，其廣泛應(yīng)用于建材、冶金、化工和環(huán)保等領(lǐng)域，其中水泥回轉(zhuǎn)窯的應(yīng)用最為廣泛?；剞D(zhuǎn)窯主要由筒體、輪帶及支承裝置這三大部分構(gòu)成，其中筒體、窯襯及物料等回轉(zhuǎn)窯的絕大多數(shù)重量都需要通過(guò)輪帶傳遞到支承裝置上，且支承裝置所提供的回轉(zhuǎn)力也需要通過(guò)輪帶傳遞給筒體，使之能夠平穩(wěn)回轉(zhuǎn)，同時(shí)輪帶還可以起到加強(qiáng)筒體徑向剛度的效果，因此輪帶的質(zhì)量好壞直接決定了整窯的運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及使用壽命[1]。

本文對(duì)ZG35Mn回轉(zhuǎn)窯輪帶典型缺陷問題進(jìn)行分析與試驗(yàn)，確定該類缺陷主要形式與影響因素，并通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究制定優(yōu)化工藝方案，為提高大型鑄件生產(chǎn)質(zhì)量提供數(shù)據(jù)及生產(chǎn)指導(dǎo)。生產(chǎn)及試驗(yàn)輪帶技術(shù)要求見表1。

表1 生產(chǎn)及試驗(yàn)輪帶技術(shù)要求

2 缺陷研究

2.1 缺陷分類

通過(guò)對(duì)大型回轉(zhuǎn)窯輪帶質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，現(xiàn)存質(zhì)量問題主要為冒口面UT、MT不合格。其檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 鑄造輪帶無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

冒口面UT、MT不合格缺陷一般都是疏松及疏松裂紋，鑄件最后凝固區(qū)域因沒有得到液態(tài)金屬補(bǔ)縮而形成細(xì)小且分散的孔洞即為疏松，疏松的存在將減少鑄件的有效承載面積，甚至造成應(yīng)力集中。零星且分散的疏松對(duì)零件影響不大，可讓步使用，但其若形成密集疏松裂紋，則需按裂紋進(jìn)行處理，打磨清除至無(wú)線性顯示后依專用補(bǔ)焊工藝進(jìn)行處理。

2.2 缺陷分析

通過(guò)鑄件輪帶無(wú)損檢測(cè)結(jié)果與缺陷所出現(xiàn)的位置，初步判斷兩種缺陷的成因?yàn)椋好翱谖恢脽崃扛患?，凝固時(shí)間長(zhǎng)且冷卻緩慢，造成晶粒過(guò)度生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致此處晶粒組織過(guò)于粗大，另外此處溫度梯度小，金屬更趨近于同時(shí)凝固，即金屬液中同時(shí)出現(xiàn)許多細(xì)小晶粒，晶粒長(zhǎng)大相互連接后將金屬液分割為多個(gè)互不相通的小熔池，這些小熔池在進(jìn)一步冷卻凝固時(shí)得不到液體補(bǔ)縮，便會(huì)形成疏松。

對(duì)缺陷鑄件的冒口進(jìn)行解剖，并通過(guò)滲透檢測(cè)手段對(duì)其進(jìn)行觀察，如圖1所示。

圖1 缺陷鑄件冒口解剖后PT顯示

通過(guò)對(duì)冒口的解剖可發(fā)現(xiàn)：出現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)不合格的輪帶冒口中有著明顯的縮孔、縮松，有部分甚至已經(jīng)延伸到了鑄件本體，確定為冒口補(bǔ)縮不足導(dǎo)致的UT、MT檢測(cè)不合格。

3 工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

解決冒口補(bǔ)縮能力不足一般有兩種思路：一是加寬、加高冒口，通過(guò)提高補(bǔ)縮鋼液量來(lái)解決問題；二是優(yōu)化溫度梯度，提高冒口的補(bǔ)縮效率。加寬加高冒口雖然可以直接提升冒口補(bǔ)縮能力，解決補(bǔ)縮鋼液不足的問題[2]，但是這樣會(huì)降低鋼液利用率，一方面增加了生產(chǎn)成本；另一方面與國(guó)家所倡導(dǎo)的節(jié)能降碳，綠色發(fā)展的理念不符。改善溫度梯度一般有兩種思路，一是延長(zhǎng)冒口凝固時(shí)間；二是加速“末端區(qū)”凝固。目前冒口套的保溫性能較為良好，單從提升保溫材料方面來(lái)著手很難對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有明顯的改善。

工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化確定通過(guò)改善鑄件凝固時(shí)的溫度梯度來(lái)提升冒口補(bǔ)縮效率的解決思路為主。

3.1 冷鐵設(shè)計(jì)

輪帶設(shè)計(jì)方案的核心思路是順序凝固，通過(guò)工藝手段，調(diào)整鑄件的溫度梯度，使缺陷集中于冒口內(nèi)，最后將冒口去除從而得到合格的鑄件[3]。

原輪帶鑄造工藝設(shè)計(jì)采用整圈冒口、其余三面掛砂冷鐵＋階梯堵截式澆注系統(tǒng)的工藝方案，如圖2所示（灰色表示鑄件，紅色表示冒口，藍(lán)色表示冷鐵）。三面掛砂冷鐵的使用確保了鑄件的表面質(zhì)量，如圖3所示。階梯堵截式澆注系統(tǒng)的使用規(guī)避了底部澆口附近過(guò)熱的問題，確保了凝固開始時(shí)鑄件能有一個(gè)合理的溫度場(chǎng)。

圖2 原輪帶澆注工藝

圖3 原冷鐵設(shè)置工藝

若要對(duì)鑄件凝固時(shí)的溫度梯度進(jìn)行優(yōu)化，則從調(diào)整冷鐵方面進(jìn)行考慮可行性更高。設(shè)置冷鐵部位鑄件所需冷鐵重量計(jì)算公式[4]為

式中Gch——冷鐵重量（kg）；

V0——設(shè)置冷鐵部位鑄件體積（dm3）；

M0——設(shè)置冷鐵部位的幾何模數(shù)（dm）；

Mr——相鄰部位的幾何模數(shù)（dm）。

經(jīng)推導(dǎo)，冷鐵壁厚與冷鐵部位鑄件壁厚的關(guān)系式為

式中δch——冷鐵厚度（dm）；

δ——冷鐵部位鑄件壁厚（dm）。

實(shí)際生產(chǎn)中，冷鐵和鑄件之間敷適當(dāng)厚度的掛砂層時(shí)，冷鐵厚度取被激冷部位厚度的0.75倍，可起到最好的激冷效果。

原工藝方案為保證鑄件表面質(zhì)量，確保冷鐵的激冷效果最大化，保險(xiǎn)起見外層采用了三層450mm厚度的冷鐵；現(xiàn)在從控制溫度梯度的角度出發(fā)，將外圈冷鐵調(diào)整為上薄下厚階梯狀分布[5]，并調(diào)整冷鐵厚度為被激冷部位厚度的0.75倍。調(diào)整后輪帶鑄造工藝如圖4所示（灰色表示鑄件，紅色表示冒口，藍(lán)色表示冷鐵），冷鐵設(shè)置工藝如圖5所示。

圖4 調(diào)整后輪帶鑄造工藝

圖5 調(diào)整后冷鐵設(shè)置工藝

3.2 數(shù)值模擬

使用有限元分析軟件對(duì)調(diào)整后的方案進(jìn)行模擬，與原方案進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)凝固分?jǐn)?shù)為78%時(shí)，溫度場(chǎng)分布如圖6所示；當(dāng)凝固分?jǐn)?shù)為90%時(shí)，溫度場(chǎng)分布如圖7所示。

圖6 凝固分?jǐn)?shù)78%時(shí)溫度場(chǎng)分布

圖7 凝固分?jǐn)?shù)90%時(shí)溫度場(chǎng)分布

從圖6、圖7可看出，在鑄件凝固過(guò)程相同固液分?jǐn)?shù)的情況下，調(diào)整后的方案溫度梯度更為理想，本體上端面的冷卻情況有所改善，這說(shuō)明采取的工藝措施切實(shí)起到了預(yù)想效果，但該措施產(chǎn)生的實(shí)際效果還有待驗(yàn)證。

3.3 生產(chǎn)試驗(yàn)

采用優(yōu)化后冷鐵設(shè)置工藝對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了跟蹤記錄，按GB/T 7233.1—2009 中2級(jí)進(jìn)行半精車態(tài)鑄造輪帶UT、MT檢測(cè)，結(jié)果均合格。

將優(yōu)化工藝后鑄造冒口進(jìn)行進(jìn)行解剖，并進(jìn)行著色PT檢測(cè)，如圖8所示。

圖8 合格鑄件冒口解剖后PT顯示

檢測(cè)結(jié)果表明，冒口致密度良好，無(wú)貫穿性疏松產(chǎn)生。通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，表明三層階梯狀布置及0.75倍冷鐵厚度設(shè)計(jì)方案可行。冒口補(bǔ)縮狀態(tài)明顯改善，質(zhì)量結(jié)果反饋良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）回轉(zhuǎn)窯輪帶UT、MT檢測(cè)不合格主要是因?yàn)槊翱谘a(bǔ)縮不足導(dǎo)致的。

2）數(shù)值模擬顯示三層階梯狀布置及0.75倍冷鐵厚度設(shè)計(jì)方案可有效改善鑄件凝固溫度梯度、冷卻情況。

3）經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)后，冒口補(bǔ)縮狀態(tài)明顯改善，質(zhì)量結(jié)果反饋良好。