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行業(yè)資訊

燒結(jié)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

信息來源：發(fā)布時間：2020-07-16閱讀：355

      燒結(jié)機(jī)配套用的主抽風(fēng)機(jī)，即通常所稱的燒結(jié)鼓風(fēng)機(jī)，是冶金行業(yè)燃料燒結(jié)的關(guān)鍵設(shè)備之一，擁有極其廣闊的市場需求，其耗電量占燒結(jié)廠總耗電量的百分之四十左右，輸送的介質(zhì)為燒結(jié)煙氣，含塵量交大，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子極其蝸殼磨損嚴(yán)重，且因其流量較大，壓力相對較高，一般轉(zhuǎn)速多為1450r/min或3000r/min，因而要求其轉(zhuǎn)子制作的材料在高溫狀態(tài)下既要有較高的屈服極限，又要有一定的耐磨性能，同時還要有較好的焊接性能，這就給燒結(jié)風(fēng)機(jī)的制作增加了一定的難度。

武漢鼓風(fēng)機(jī)廠于八十年代末引進(jìn)日本三菱技術(shù)之后，在原有的SJ系列及D系列燒結(jié)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上，著手開發(fā)、研制了高效率、低耗能、使用壽命廠的AF燒結(jié)風(fēng)機(jī)系列，流量范圍從2500m3/min至13000m3/min，該系列產(chǎn)品因其性能可靠、效率高、結(jié)構(gòu)合理、維修方便等特點(diǎn)而深受用戶歡迎，并且逐漸占有一定的市場份額。正因于此，上海寶鋼于1998年底決定于我廠合作生產(chǎn)450m2IDL風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組。

上海寶山鋼鐵（集團(tuán)）公司燒結(jié)廠450m3IDL主排風(fēng)機(jī)是日本日立造船株式會社生產(chǎn)的產(chǎn)品，使用時間已達(dá)10年之久，運(yùn)行情況良好。但由于長時間的粉粒摩擦。致使轉(zhuǎn)子磨損嚴(yán)重，雖經(jīng)過幾次中間維修后仍可正常使用，但訂購哦備件轉(zhuǎn)子已迫在眉睫。直接從國外進(jìn)口備件價格昂貴，因此，寶鋼決定立足國內(nèi)廠家，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子制造國產(chǎn)化。

450m3IDL主排風(fēng)機(jī)的基本性能要求是：流量：21000m3/min 進(jìn)口壓力：為-19.11KPa，出口壓力為0.49KPa，全壓升19.6KPa，溫度：150℃ 電機(jī)功率為9300Kw ，轉(zhuǎn)速為1000r/min

介質(zhì)為燒結(jié)煙氣，溫度從80℃至250℃，葉輪要求采取耐磨措施。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算確定該風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子為離心式雙進(jìn)氣、雙支撐、錐形前盤、單板葉片附耐磨襯板焊接結(jié)構(gòu)，葉輪外徑D2=4270mm葉輪出口寬度b2=500mm，為減輕轉(zhuǎn)子重量，主軸設(shè)計(jì)為中空管焊接軸頭結(jié)構(gòu)，最大加工外徑為φ810mm，總長為6948mm。轉(zhuǎn)子總重量約26噸。是目前我國風(fēng)機(jī)行業(yè)自己生產(chǎn)制造的最大燒結(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子。

為了確保產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際上同類產(chǎn)品的水平，我們決定與日本荏原工機(jī)株式會社合作進(jìn)行該風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及檢驗(yàn)，且葉輪的關(guān)鍵原材料由荏原工機(jī)負(fù)責(zé)在日本制鋼所采購后進(jìn)口，轉(zhuǎn)子在整個制造過程中由荏原工機(jī)派專業(yè)人員到現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，并接受用戶嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)督。通過前后兩年多的通力合作，此轉(zhuǎn)子已經(jīng)順利制作完成，經(jīng)用戶嚴(yán)格驗(yàn)收后已送交到了用戶現(xiàn)場。

通過完成此轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)、制造，我能又學(xué)到了很多新的東西，也積累了一些經(jīng)驗(yàn)。下面，我僅就450m3IDL主排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子在制造過程中壓膜成型、焊接及焊后表面處理和主軸精加工等涉及到產(chǎn)品表面質(zhì)量的諸方面與各位專家簡要交流一下：

  • 葉輪錐形前盤成型

通常錐形前盤成型采用平板料壓模成型，扇形板料滾彎成型。而450m3IDL葉輪錐形前盤采用的是素線法在1100噸水壓機(jī)上成型，即在前盤展開料上過中心等分劃線，圓棒沿所劃線逐條施壓。采用此方法基于以下幾點(diǎn)考慮：

  • 展開直徑達(dá)φ4376mm，板厚30mm。單件生產(chǎn)的產(chǎn)品采用壓膜成型成本太高
  • 采用滾彎成型需對大型三星滾機(jī)進(jìn)行改造也非易事
  • 采用素線法成型將壓型和整形工序合二為一，成本不高且可行。成型檢驗(yàn)結(jié)果：錐盤高度誤差3mm，錐底平面誤差2.5mm。錐面整體樣板型線最大間隙2.5mm。
  • 二、葉輪組裝（定位焊）

葉輪各零件組裝定位焊遵循對稱分布、先內(nèi)后外的原則。由于葉輪材料的施焊條件必須具備一定的溫度，預(yù)熱和后熱處理（消氫處理）。因此在定位焊和滿焊時都面臨變形量增加和防變形、反變形的問題。根據(jù)葉輪的具體情況采取了相應(yīng)的措施：

  • 組裝葉片時采用了三角形防變形支撐。保證葉片與中盤的垂直度。（葉片長1400mm）
  • 中盤內(nèi)圈防翹曲變形圈，保證了軸盤連接平面的平面度
  • 前盤防波浪變形圈，保證焊后前盤跳動誤差最小
  • 葉片出口防變形支撐，保證葉輪出口寬度
  • 葉輪外圓人字形防變形支撐，保證前盤與中盤不出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形
  • 采用十字形剛性固定以防止進(jìn)口圈拼焊時的收縮變形
  • 在以上六種方法的基礎(chǔ)上，通過焊接順序、位置、和焊接量的調(diào)整來防止焊接變形

這些防變形措施通過實(shí)踐證明起到了很好的作用。檢驗(yàn)結(jié)果：中盤端面跳動4.5mm以內(nèi)，前盤跳動6mm以內(nèi)，葉輪出口寬度±2mm以內(nèi)，葉片垂直度2mm以內(nèi)。

  • 三、主軸焊接

主軸的特點(diǎn)是采用中空軸，目的是降低對軸承承載能力的要求和磨損，減小對電機(jī)功率的要求，使風(fēng)機(jī)能再長期運(yùn)轉(zhuǎn)中節(jié)省相當(dāng)大的能源。該主軸是由中空管和兩端軸頭三段組焊為一體的焊接結(jié)構(gòu)件，其軸長6948mm，軸徑810mm，中空管管壁厚135mm，構(gòu)件剛度很大。而轉(zhuǎn)子葉輪直徑也很大（4270mm），在1000r/min高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下傳動的扭矩很大。因此必須制定和采用合理的焊接工藝及嚴(yán)格的工藝措施，方能滿足該轉(zhuǎn)子的要求。

  • 焊接性分析：主軸所采用材料為S25C，其碳當(dāng)量Cep=0.335%。由此可知其焊接性能較好，產(chǎn)生冷裂紋的傾向不大。但考慮到焊接厚度為135mm且為環(huán)焊縫，有很大的約束力，這是產(chǎn)生冷裂紋的重要因素，且冶金缺陷也大大增加。由此可計(jì)算得碳當(dāng)量CEN=0.47%，則焊接預(yù)熱125±25℃是必須的（層間溫度不大于240℃）
  • 焊接方法及焊材：焊接方法選用直流（反接）手工電弧焊，焊條選用J507Ni，這主要是該焊條熔敷金屬機(jī)械性能好，具有良好的塑性，低溫韌性和良好的抗裂性能，工藝性能也很好；
  • 焊接坡口設(shè)計(jì)：根據(jù)主軸的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了便于X射線探傷，便于施焊及盡量小的焊接量和熱影響區(qū)的坡口
  • 防變形措施：采用楔形定位塊在坡口處安裝定位，然后用鞍形固定板剛性固定，以減小主軸的變形量，同時在焊接中通過焊接順序、焊接量和焊接位置的調(diào)整來消除或減小變形量。
  • 焊后處理：合理的焊后消氫處理和充分的去應(yīng)力熱處理。

按以上焊接要點(diǎn)進(jìn)行的主軸焊接質(zhì)量滿足了設(shè)計(jì)要求（達(dá)GB3323-82Ⅱ級以上），焊接變形量能控制在工藝范圍內(nèi)（同軸度不大于1.5mm）。

  • 四、葉輪焊接

要保證如此大直徑葉輪的制造精度，焊接質(zhì)量（防裂紋和減小變形）是其關(guān)鍵。該葉輪用材較復(fù)雜：前盤、中盤和進(jìn)口圈材料為13Cr-4Ni（進(jìn)口洛鎳鋼），而葉片、襯板及葉片頭為WELTEN590(進(jìn)口低合金高強(qiáng)鋼)因而所對應(yīng)的焊條也較復(fù)雜，其中13Cr-4Ni之間的焊接、13Cr-4Ni與WELTEN590焊接、WELTEN590之間的焊接及兩種耐磨焊條共采用了五種不同的焊條。根據(jù)材料要求，結(jié)構(gòu)焊縫的焊接預(yù)熱150~180℃及30分鐘300℃的后熱消氫處理是必須的，而該葉輪焊接位置板厚較大，板厚差異也大，焊縫強(qiáng)度高，剛度大，焊接收縮量大。因此產(chǎn)生裂紋的傾向和焊接變形的可能性也很大，所以必須采用合理的焊接工藝及嚴(yán)格的工藝措施。

  • 防變形措施（前文已所述）
  • 各部焊接要點(diǎn)：
  • 葉片襯板的耐磨堆焊：葉片襯板材料為WELTEN590。厚度為4mm，長1400mm，在葉片工作面要進(jìn)行大量的塊狀和條狀堆焊。大量的堆焊可導(dǎo)致襯板的嚴(yán)重變形，在校正的過程中勢必產(chǎn)生大量的裂紋（因堆焊層的HRC>60）。為此，將葉片襯板先壓型。然后再剛性固定在相同的胎膜上進(jìn)行堆焊，這樣就大大的減小了變形，從而避免了校正過程中大量的裂紋產(chǎn)生。
  • 葉片與前盤（中盤）的焊接：葉片與前盤（中盤）的焊接為異種鋼焊接（13Cr-4Ni與WELTEN590）。因?yàn)楹附赢a(chǎn)生的收縮量大，給葉片在高度上預(yù)留了3mm的收縮余量，以保證焊接完后葉輪進(jìn)出口的高度符合圖紙要求。再者，因焊接量大，且要在一定范圍內(nèi)（焊接及周邊200~300mm）預(yù)熱150~180℃，為避免裂紋的產(chǎn)生和減小變形，須將葉輪直立，以使焊縫處于平角焊位置，采用雙人以中盤對稱跳躍式后退法，在順序上采用十字交叉焊，每條焊縫在焊完立即進(jìn)行30分鐘300℃消氫處理。
  • 前盤與進(jìn)口圈的焊接：前盤與進(jìn)口圈的材料均為13Cr-4Ni，選擇的焊條應(yīng)使焊縫獲得良好的成分組織和機(jī)械性能。而前盤厚度30mm和進(jìn)口圈厚度80mm兩者間的板厚差異極大，焊縫強(qiáng)度高，剛性大，焊接收縮量大且為環(huán)焊縫，為此我們設(shè)計(jì)出了合理的焊接坡口以減小熱影響區(qū)和焊接量，同時在焊接中采用了局部預(yù)熱等份（10等份）雙人對稱交叉焊，在多層焊中進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制（包括層間溫度控制），焊后立即進(jìn)行消氫處理，從而避免了裂紋的產(chǎn)生和盡可能的減小了焊接變形。
  • 葉片頭的焊接：葉片頭焊接位置處于較為復(fù)雜的地方，這里既有WELTEN590與WELTEN590的焊接，也有WELTEN590與13Cr-4Ni的焊接，且有多條焊縫的交合點(diǎn)，這是應(yīng)力較為集中的地方，也是最易產(chǎn)生裂紋的地方。因此，在焊接中除了要進(jìn)行大范圍充分預(yù)熱外，其焊接要點(diǎn)是：
  • 合理應(yīng)用焊條，特別是焊縫交會處焊條的應(yīng)用；
  • 合理的焊接順序、方向以盡量減小應(yīng)力集中；
  • 焊后立即進(jìn)行消氫處理；
  • 焊后處理：焊后要進(jìn)行充分的消除應(yīng)力熱處理，然后在無火狀態(tài)下去掉防變形裝置。

按以上要點(diǎn)進(jìn)行制作的葉輪，保證了焊縫質(zhì)量（通過了PT滲透,MT磁粉,VT探傷檢查），焊接變形量也控制在工藝范圍內(nèi)（前盤跳動<6mm，中盤跳動<4.5mmVT超聲波RT射線）。

  • 五、主軸精加工

一般情況下，保證主軸精加工同軸度和軸徑位表面粗糙度的加工方法，是以兩端中心孔為基準(zhǔn)，高速精車，或者在磨床上磨削。主軸的加工精度主要是靠機(jī)床本身的精度來保證。而450m2主軸需用重型機(jī)床加工，僅靠機(jī)床本身的精度很難保證。因此，我們在CW2100臥式車床上采用了托架支撐，低速反轉(zhuǎn)、寬刃切削并輔以混合油潤滑冷卻的加工方法，保證了主軸的加工精度。該加工方法不用中心孔定位，以兩個托架支撐，用百分表測主軸與機(jī)床花盤的垂直度和二支撐位的同軸度，隨時修正誤差，使主軸始終保持在理想的狀態(tài)。這樣，避免了機(jī)床尾座和機(jī)床主軸可能出現(xiàn)的同軸度誤差（即機(jī)床本身的精度誤差），同時由于低速寬刃車刀和混合油的配合使用，大大的降低了切削熱量對加工精度的影響，基本上消除了走刀過程中產(chǎn)生的刀紋，提高了表面粗糙度。經(jīng)最終檢驗(yàn)，同軸度誤差在0.012mm，表面粗糙度到了0.4，證明主軸的此加工方法是成功可行的。

  • 六、轉(zhuǎn)子動平衡

轉(zhuǎn)子動平衡是在德國申克公司生產(chǎn)的18噸硬支撐動平衡機(jī)上進(jìn)行的。動平衡機(jī)的平衡精度可達(dá)每公斤重轉(zhuǎn)子0.5克毫米。平衡精度完全靠機(jī)床的精度保證。由于450m2轉(zhuǎn)子重量達(dá)26噸，動平衡機(jī)振擺架的支撐是滾輪支撐結(jié)構(gòu)，與主軸表面的接觸力較大，在旋轉(zhuǎn)過程中容易使軸頸產(chǎn)生壓痕，因而會影響到主軸的表面質(zhì)量。因此，避免動平衡產(chǎn)生壓痕是必須解決的問題。我們采用了在支撐軸頸為套裝（經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45鋼）內(nèi)外錐緊定軸套，以保護(hù)支撐位軸頸，取得了圓滿的效果。這也是我們目前所做過的最大直徑和最大重量轉(zhuǎn)子的動平衡。

結(jié)束語：本文僅介紹了大型燒結(jié)轉(zhuǎn)子在制造過程中壓膜成型、焊接及焊后表面處理和主軸精加工等涉及到產(chǎn)品表面質(zhì)量等方面的一些較為重要的技術(shù)問題。目前，此轉(zhuǎn)子已順利制作完成，并通過了嚴(yán)格的檢驗(yàn)驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足了《技術(shù)協(xié)議》中的技術(shù)要求。

實(shí)踐證明：采用高韌性焊條、焊后熱處理、焊后消氫及焊后去應(yīng)力處理、合理的坡口焊接方式及得當(dāng)?shù)姆雷冃未胧?，在大剛度的中空軸的焊接中，保證焊縫內(nèi)在和外在的質(zhì)量及控制焊后變形是必要的和有效的，而在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度高、剛度大、材料復(fù)雜的大型葉輪組焊中，合理的焊接工藝和有效的防變形措施，也是保證葉輪制造質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

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