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            復合耐磨鋼板在燒結引風機葉輪上的應用

            2012-12-20 15:16:19      點擊:

                                                                                                                 張海存 韓增福 賈江平/陜西鼓風機(集團)有限公司    

            摘要 根據燒結風機的工況特點及制造特點,對復合耐磨鋼板做風機葉輪葉片時的制造工藝關鍵點作了介紹,通過對復合耐磨鋼板的可彎曲性能、連接方式、可焊接性、沖蝕磨損性等的研究解決了生產工藝中的關鍵。

            關鍵詞 燒結引風機 ; 復合耐磨鋼板;工藝;應用

            中圖分類號: TH43 文獻標識碼: B

            文章編號: 1006-8155 ( 2008 ) 04-0039-04

            Application of Composite Wear-resistant Steel Plate on Impeller of Sintering Fan

            Abstract: According to the operation and manufacturing characteristics of sintering fan, this paper introduces the key points in manufacturing technology for the composite wear-resistant steel plate used as blades of impeller. The key points in manufacturing technology are solved based on the research on bending performance, connection means, welding and erosion wear of composite wear-resistant steel plate.

            Key words: sintering wind fan; composite wear-resistant steel plate; technology; application



            引言

              燒結類風機由于燒結煙氣中含有大量的固體顆粒,使得風機的工作環境極為惡劣,因此其葉輪葉片是磨損最快的零部件。多年來國內外主要生產廠家采取的防磨措施主要是用耐磨焊條或焊絲堆焊成條狀耐磨層,或者用噴焊耐磨合金粉末的方法。而由于噴焊的方法成本高,工藝復雜,對需要噴焊基體材料的性能影響大,因此應用較少;堆焊的方式為間隔行堆,對于國內大多除塵效果較差的用戶,堆焊層的壽命很難達到設計規定的使用期限。

              利用焊接方法將葉輪葉片形成整體復合耐磨鋼板的生產工藝日臻成熟,其獨特的磨損性能越來越多的在礦山機械、水泥機械等耐磨性較大的行業得到廣泛的應用。作為風機生產單位,開展復合耐磨鋼板的應用研究,提高風機葉輪的使用壽命具有重要的現實意義。

            復合耐磨鋼板 應用研究的內容和方法

              復合耐磨鋼板是用堆焊的方法在低合金鋼板上堆敷一層高鉻及其碳化物材料,從而形成堆焊層具有高耐磨性能、背面具有高韌性能的一種鋼板材料;正是由于復合鋼板正反兩面性能的較大差異,造成了復合鋼板與原低碳合金鋼板的彎曲、焊接、機械加工等性能有很大的不同。為保證復合耐磨鋼板在葉輪上能夠順利進行施工并安全可靠地運行使用,需要有足夠的試驗作為支撐,以解決在使用過程的結構連接形式、加工工藝等多方面的技術難點。根據燒結風機的結構特點,做了以下試驗驗證工作。

            1.1  復合耐磨鋼板彎曲試驗

              復合耐磨鋼板耐磨層是用堆焊的方法形成的,因此不同的生產廠家提供的復合耐磨板、不同的堆焊層的厚度、寬度、堆焊方向對于復合耐磨鋼板的彎曲性能都有直接的影響。當使用復合耐磨鋼板 作為葉輪葉片的襯板時,根據結構要求首先須進行彎曲加工。因此對選定的 3 家不同牌號的耐磨鋼板( CDP4601 、 VAUTID100 、 NEMAMO ),按照同樣的下料尺寸和彎曲工藝要求,對試件進行 R1200 、 R500 、 R250 三種不同半徑、 耐磨層分別在正反兩面的彎曲試驗;由于在國內外同行業中對復合耐磨鋼板彎曲后耐磨層表面裂紋的寬度和深度沒有一個統一的判斷標準,因此只能根據彎曲后開裂程度最小、彎曲半徑最小的作為最終使用的板料。

              彎曲分兩種情況(曲率半徑大于 500mm 時):平行于耐磨層方向彎曲,垂直于耐磨層方向彎曲。平行于耐磨層方向彎曲的裂紋為通長開裂且裂紋開口較大,垂直于耐磨層方向彎曲裂紋為垂直于堆焊層的斷續狀裂紋,單個裂紋長度小于 6 個堆焊層寬度( 30 ~ 35mm )。因此實際葉片下料時葉片長度應沿堆焊層方向。

              曲型形式及結果:在相同曲率半徑下, 3 種材料曲型工藝優劣有明顯的區別,這作為復合耐磨鋼板選擇有了第一位的判別依據。曲率半徑為 250 時, 3 種材料開裂狀況如圖 1 所示。

            1.2  復合耐磨鋼板邊耐磨層的剔除及鉆孔方法的選擇

              復合耐磨鋼板 碳弧氣刨、等離子弧氣割、砂輪磨削等是切割零部件常采用的幾種方法,對于復合耐磨鋼板由于其表面合金成分的不易切割性,不同的切割方法對零部件的質量有直接的影響 [1] 。因此需要 對 復合耐磨鋼板 邊部耐磨層去除采用不同方法進行對比,對剔除堆焊層的難易程度、零部件的外觀質量、連接焊縫底面殘留的堆焊層硬質合金 ( 邊緣 采用 不同切割方法對比 見圖 2 )的多少進行試驗分析,選擇經濟而又高效的切割方法。

              結果表明:采用小直徑碳弧氣刨效率高、成型較好,但母材接觸氣刨時已受到較深的損傷,可通過后續的焊接仍可使用;采用等離子弧氣割操作不便,成形差,堆焊層去除不徹底,不推薦使用;砂輪磨削效率極低,不可采用。

            1.3  沉頭螺釘孔的加工

              復合耐磨鋼板用作襯板與葉輪葉片的連接用螺栓聯接,對于沉頭螺釘孔的加工需要特殊的加工方法。試驗采用的方法: A 數控等離子氣割; B 電焊條熔割; C 手工等離子氣割 ( 不同方法切割的結果如圖 3 所示 ) 。

              試驗結果表明: A 電焊條熔割質量最差,螺栓沉頭孔成型質量差,不易固定; B 手工等離子氣割沉頭孔成型質量也較難保證; C 數控等離子氣割周邊質量最好,但沉頭螺釘錐形孔尺寸也難以保證。

              總之,現有的加工沉頭螺釘孔的方法均不能達到理想的效果。為此,改成圖 4 螺栓聯接形式:


              加大底孔尺寸,采用電弧焊堆焊過渡層,使之與葉片焊接連接在一起,沉頭螺釘頭通過堆焊增加耐磨性。該方法的缺點:螺釘頭堆焊影響外觀質量。

            .4 耐磨板的焊接性試驗及曲型開裂后的補焊

              曲形、焊接后復合耐磨板的耐磨層發生開裂的情況肯定存在,為了減小開裂長度,一般需要對開裂部位進行補焊。采用堆焊焊條( 80 元 /kg )、堆焊實心焊絲( 110 元 /kg )、堆焊用藥芯焊絲( 180 元 /kg ) 3 種不同的焊接材料作為堆焊的焊接材料進行相關的焊接性試驗 [2] 。堆焊試驗結果見圖 5 。

              結果比較及結論: 3 種堆焊材料均滿足堆焊后不開裂的要求,但從材料的成本方面考慮,以采用堆焊 焊條、堆焊焊絲為好。

            .5 堆焊層與基材間的焊接試驗

              為保證連接焊縫的焊接質量,采用焊條為 E7015 、 6710XHD 作為連接焊縫焊接材料,這樣以保證連接焊縫應具有足夠的連接強度和良好的焊縫質量 。

              堆焊層與基體材料間的連接焊縫如圖 6 所示,焊接試驗并進行焊后表面著色檢驗。

              試驗結論:連接焊縫采用 E7015 、 6710XHD 焊接后,成型均較好,未發現開裂現象;在其表面采用 堆焊焊條、堆焊實心焊絲、堆焊用藥芯焊絲 3 種堆焊材料堆焊亦未發現開裂現象,從成本方面考慮焊縫表面的堆焊材料仍選用 堆焊 焊條、堆焊焊絲為好。

            .6 角焊縫模擬試驗

              結構模擬試驗是檢驗工藝可靠性的重要手段之一。葉輪焊縫的結構形式主要為角焊縫,增加復合耐磨鋼板后焊縫的可靠性是最關鍵的問題。為此采用焊條 E7015 、 6710XHD 、 堆焊 焊條、堆焊焊絲進行如圖 7 所示的結構模擬試驗。

              試驗結論:采用焊條 E7015 、 6710XHD 作為連接焊縫焊條、堆焊焊條作為焊縫表面堆焊焊條進行試驗,經過表面探傷檢驗 , 焊縫表面未出現開裂現象,通過焊縫的拉伸、沖擊等一系列試驗檢驗證明了該工藝的可行性和可靠性。

            .7 復合耐磨鋼板的沖蝕 磨損試驗

            表 1 沖蝕磨損試驗參數

            類 別

            參數值

            沖蝕距離S /mm

            20

            壓縮空氣壓力/MPa

            0.6

            空氣流量/(L/min)

            130

            石英砂流速/(m/s)

            25

            噴嘴內徑 /mm

            6

            噴嘴長度 /mm

            380

            磨料(石英砂)/目

            120 ~ 180

            攻角/(°)

            15; 30; 45; 60; 90

              沖蝕磨損試驗是判斷耐磨鋼板耐磨性的高低的有效檢驗手段之一。根據風機工作工況的特點沖蝕是葉輪破壞的主要形式,為此選擇沖蝕磨損試驗。該方法是利用空氣壓縮機產生的高壓空氣通入混料箱,沖蝕試驗在實驗機中進行,沖蝕磨損試驗參數如表 1 所示,其中沖蝕磨損的石英砂砂流沖擊角依次選擇為15°、 30°、 45°、 60°、 90°。沖蝕介質為120 ~ 180 目的石英砂,試樣沖蝕失重用精度為0.1 mg的分析天平測量,取3個平行試樣的平均值作為最終沖蝕失重的結果。

              試驗結論:(1) 3種復合耐磨鋼板的硬度均比葉片母材( Q 390C 鋼板)高,耐沖蝕性能均比葉片高3~7倍不等;( 2 )3號CDP4601復合耐磨鋼板硬度高,其沖蝕磨損規律滿足高硬度金屬材料的沖蝕磨損規律,即小角度下的沖蝕磨損速率低,大角度下的沖蝕磨損速率高,沖蝕磨損速率隨沖蝕角度增大而單調增加; 1 號 NEMAMO 復合耐磨鋼板 和 4 號 VAUTID100 復合鋼板硬度(強韌性)介于普通對比碳鋼板 2 號試樣( Q 390C 鋼板)和 3 號 CDP4601 復合耐磨鋼板試樣之間,因而沖蝕磨損規律基本滿足強韌性綜合性能較好金屬材料的沖蝕磨損變化規律,即小角度和大角度下的沖蝕速率均較低,而中間角度沖蝕條件下,表現出高的沖蝕速率;(3) 單獨考慮小角度(<45°)下的沖蝕磨損抗力,以3號 CDP4601 復合耐磨鋼板最好;單獨考慮大角度下的沖蝕磨損抗力,以普通對比碳鋼板2號試樣(Q 390C鋼板)最好;綜合考慮小角度和大角度沖蝕磨損抗力,以1號NEMAMO復合鋼板最好。另外,注意盡可能降低堆焊復合鋼板內部孔洞和裂紋的出現。

            2 應用

              以充分的試驗為保證,該方法已在多個產品中得到應用,經運轉檢驗,燒結風機葉輪的耐磨壽命提高了3倍以上,延長了用戶產品檢修周期,為用戶創造了可觀的經濟效益;通過相關試驗也為下一步推廣和擴大耐磨鋼板在風機其它部位的應用奠定了基礎。產品生產過程螺栓連接部位如圖8所示。

            3  結論

             。1) 該復合耐磨鋼板的試驗工藝參數對于生產實際具有指導意義。

             。2) 具有較大磨損工況下的燒結風機葉輪,采用 VAUTID100 復合耐磨鋼板是一種行之有效的解決方案。

             。3) 帶有復合耐磨鋼板的風機結構可提高燒結風機的葉輪的使用壽命,對于使用單位具有明顯的經濟效益。

            參 考 文 獻

            [1]  師昌緒,李恒德,周廉.材料科學與工程手冊(上卷) [M] .化學工業出版社, 2004.1 .

            [2]  李亞江,王娟,劉鵬.低合金鋼焊接機工程應用 [M] .化學工業出版社, 2003.6 .

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