引言

羅茨風(fēng)機(jī)以其容積利用率大、容積效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方式靈活多變的特性被廣泛運(yùn)用在水泥生產(chǎn)線上，用來(lái)疏松和輸送密閉容器內(nèi)的粉料。某公司5000t/d熟料生產(chǎn)線煤粉制備供分解爐用羅茨風(fēng)機(jī)墻板材質(zhì)為灰鑄鐵HT150，在使用過(guò)程中，由于固定端軸承間隙過(guò)大造成葉輪軸向竄動(dòng)。在拆檢更換軸承時(shí)發(fā)現(xiàn)其靠近齒輪一側(cè)的墻板軸承室有多處徑向裂紋，如果更換墻板，則風(fēng)機(jī)的外殼和兩側(cè)的墻板難以達(dá)到圖紙所要求的同心度；若整體更換外殼和墻板，交貨周期至少需要36天，勢(shì)必影響正常生產(chǎn)。在對(duì)軸承室產(chǎn)生裂紋原因、工件材質(zhì)性能和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，研究確定了在線修復(fù)方案，實(shí)施后效果良好。本文就修復(fù)情況做一總結(jié)介紹，與同行共享。

1.1 羅茨風(fēng)機(jī)工作原理

羅茨風(fēng)機(jī)屬于容積式氣力輸送設(shè)備，輸送的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成比例，葉輪分兩葉型和三葉型兩種。葉輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一次由2個(gè)葉輪進(jìn)行3次吸、排氣。在2根相平行的軸上設(shè)有2個(gè)三葉型葉輪，葉輪與橢圓形機(jī)箱內(nèi)孔面、前后墻板之間及風(fēng)機(jī)葉輪之間始終保持微小的間隙，由于葉輪互為反方向勻速旋轉(zhuǎn)，使箱體和葉輪所包圍著的一定量的氣體由吸入的一側(cè)輸送到排出的一側(cè)。葉輪軸由設(shè)在墻板上的軸承室定位，2個(gè)葉輪始終由同步齒輪保持正確的相位，因此在運(yùn)轉(zhuǎn)中不會(huì)出現(xiàn)互相碰觸現(xiàn)象。

1.2 性能參數(shù)

羅茨風(fēng)機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 羅茨風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

羅茨風(fēng)機(jī)墻板有上下兩個(gè)軸承室，厚度為105mm，軸承室直徑180mm。軸承室周邊共有6處裂紋(見(jiàn)圖1)，裂紋長(zhǎng)度30～100mm不等，深度在30～40mm之間。

圖1 軸承室結(jié)構(gòu)及裂紋示意圖

3.1 材質(zhì)原因

主要是鑄鐵本身的原因。鑄鐵在鑄造過(guò)程中難免存在夾渣、氣孔、砂眼等鑄造缺陷，在長(zhǎng)期的振動(dòng)和沖擊下，造成應(yīng)力集中，在軸承室墻板的薄弱部位極易出現(xiàn)裂紋。

3.2 結(jié)構(gòu)原因

設(shè)備冷卻方式采用水冷，墻板的結(jié)構(gòu)受循環(huán)水流向、流速的影響，厚度受限。另外鑄造本身也會(huì)造成墻板厚薄不均，在沒(méi)有筋板的部位強(qiáng)度不夠，動(dòng)靜載荷交替沖擊引起裂紋。

3.3 設(shè)備原因

由于羅茨風(fēng)機(jī)是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部空氣的脈動(dòng)效應(yīng)，更加大了羅茨風(fēng)機(jī)的振動(dòng)頻率。直接的后果是誘發(fā)軸承游隙的變化，游隙的變化會(huì)進(jìn)一步加大風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，它們之間相互作用導(dǎo)致軸承間隙超標(biāo)引起葉輪軸向竄動(dòng)，從而造成軸承室裂紋的產(chǎn)生。

4.1 材質(zhì)性能分析

灰鑄鐵中的碳大部或全部以自由狀態(tài)的片狀石墨的形態(tài)存在于球光體或鐵素體中，金屬基體由珠光體與鐵素體按不同比例組成，化學(xué)成分見(jiàn)表2。石墨的力學(xué)能力很低，使金屬基體承受負(fù)荷的有效截面積減小，而且片狀石墨的數(shù)量、形狀都會(huì)使應(yīng)力嚴(yán)重集中，因而灰鑄鐵的力學(xué)性能不高，抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性及彈性模量都低于碳素鋼，力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 化學(xué)成分參數(shù)表(％)

表3 力學(xué)性能參數(shù)表

4.2 可焊性分析

灰鑄鐵在化學(xué)成分上的特點(diǎn)是碳高及硫、磷雜質(zhì)高，這就增大了焊接部位對(duì)冷卻速度變化的敏感性及冷熱裂紋的敏感性。在力學(xué)性能上的特點(diǎn)是強(qiáng)度低，基本無(wú)塑性，焊接過(guò)程中具有冷速快及焊件受熱不均勻而形成焊接應(yīng)力大的特殊性。這些因素都會(huì)導(dǎo)致可焊性不良，表現(xiàn)在焊接金屬容易出現(xiàn)白口及淬硬組織，容易產(chǎn)生裂紋。

4.3 焊接工藝

從可焊性分析來(lái)看，灰鑄鐵的焊接性能較差，如果焊接材料和工藝措施選用不當(dāng)，會(huì)在焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生白口及淬硬組織和裂紋等嚴(yán)重缺陷，影響焊接質(zhì)量。當(dāng)前灰鑄鐵焊接主要有電弧熱焊、半熱焊和冷焊三種工藝，考慮到灰鑄鐵的焊接性、墻板的體積和形狀以及加熱條件等因素，本次修復(fù)選用手工電弧冷焊法，采用以中間向兩頭分段的逆向焊法。

電弧冷焊法簡(jiǎn)稱(chēng)冷焊，因焊前不需要較高溫度預(yù)熱，焊接過(guò)程中也不加輔助熱源，因此焊接工藝簡(jiǎn)單，效率高，成本低，關(guān)鍵是焊接時(shí)工件變形小，不易產(chǎn)生焊接裂紋。

4.4 焊接材料

冷焊一般采用異質(zhì)焊條，如純鎳、鎳鐵、鎳銅焊條以及低碳鋼焊條等。工藝特點(diǎn)是采用合適的最小電流，較快焊速，短弧、短斷焊(焊縫長(zhǎng)度可為每段10～20mm)，焊接處溫度控制在合理范圍內(nèi)，每一段焊后進(jìn)行錘擊以消除焊接應(yīng)力。

本次焊接采用Z100和Z308焊條相互填充的焊接工藝進(jìn)行修復(fù)。Z100焊條屬于低碳鋼芯、氧化性藥皮的鑄鐵焊條，焊接時(shí)可將熔池中的碳、硅部分燒掉，焊縫為鋼組織，焊縫與母材能較好地熔合。Z308焊條是純鎳焊芯、強(qiáng)還原性石墨型藥皮的鑄鐵焊條，施焊時(shí)，焊件可不預(yù)熱，具有良好的抗裂性能和加工性能。

5.1 焊前準(zhǔn)備

(1)首先落實(shí)焊接人員。由于修復(fù)工作必須連續(xù)進(jìn)行，應(yīng)有2～3名焊工在修復(fù)時(shí)輪流施焊。

(2)HT150鑄鐵件模型。

(3)清渣小錘兩把，錘頭的圓弧為1.5～2mm，形狀如圖2所示。

圖2 滑渣小錘示意圖

(4)開(kāi)坡口用角向磨光機(jī)一臺(tái)，手電鉆一臺(tái)，ф6mm鉆頭兩個(gè)以及其他輔助工具。

(5)焊條分2.5mm、3.2mm兩種直徑。

(6)保溫筒4個(gè)，直流焊機(jī)兩臺(tái)。

5.2 坡口制備

根據(jù)裂紋的實(shí)際走向進(jìn)行細(xì)磨精鉆。焊接坡口為Y型坡口，坡口角度為36°，鈍邊為1～2mm，坡口方向?yàn)橥瑐?cè)，如圖3所示。修磨時(shí)要求消除所有裂紋傾向，坡口邊緣平滑過(guò)渡，鈍邊、裂紋消除后，用氧-乙炔焰烘烤觀察無(wú)裂紋后，用手電鉆在在尖端處打上止裂孔。

圖3 坡口示意圖

5.3 焊接

(1)模擬施焊。由擬參與修復(fù)的焊工在HT150鑄鐵件模型上進(jìn)行模擬試驗(yàn)。一是驗(yàn)證維修方案的可行性，二是挑選合格的施焊人員。

(2)焊條烘烤。焊接前Z100焊條必須經(jīng)200℃左右烘干1h，Z308焊條必須經(jīng)150℃烘干1h左右。烘干后放入保溫筒中保溫，隨用隨取。

(3)焊件預(yù)熱。施焊前用氧一乙炔焰對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱至45～50℃。

(4)焊接。一至三層焊接采用ф2.5焊條，每層厚度控制在1～1.5mm之間。第四層開(kāi)始用ф3.2mm焊條焊接，每層厚度不得大于2.5mm。焊接時(shí)要嚴(yán)格控制層間溫度，每焊完一層后應(yīng)冷卻到30℃左右，具體以手觸不燙為宜。層間要及時(shí)清理焊縫上的熔渣和缺陷，整個(gè)焊接過(guò)程中始終保持焊縫的預(yù)熱溫度。另外，要根據(jù)焊條類(lèi)型和直徑隨時(shí)調(diào)整焊接電流，并保證在焊接電流的下限施焊。

(5)釋放應(yīng)力。焊完一層后立即用小錘錘擊以釋放焊接應(yīng)力，錘擊的頻率為2～3Hz。

(6)回火處理。焊接完畢后即可進(jìn)行焊后熱處理，溫度控制在80～95℃之間。隨后保溫自然冷卻。

公司煤粉制備供分解爐用羅茨風(fēng)機(jī)墻板軸承室有多處徑向裂紋，在不能單獨(dú)更換墻板和整體更換外殼和墻板的情況下，以中間向兩頭分段的逆向焊法實(shí)施手工電弧冷焊修復(fù)，水壓試驗(yàn)合格。修復(fù)后完全達(dá)到使用要求，羅茨風(fēng)機(jī)工作正常。

作者：李慶文，胡慶銀

來(lái)源：《山東東華水泥有限公司》

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