燒結機臺車側板開裂問題研究及改進
王國遙，楊慶峰
( 寶山鋼鐵股份有限公司，上海201901)
摘要: 燒結是煉鐵主要工序，燒結機臺車是燒結工序的重要設備。臺車側板使用壽命及狀態(tài)直接影響到燒結工序的穩(wěn)定和燒結漏風情況。通過側板材質及結構型式原始數(shù)據(jù)分析，然后調整側板材質和結構型式進行試驗，最終確定影響側板開裂的主要影響因素，從而進行適應性改進。最終研究顯示，燒結機臺車側板中合金元素含量及側板極限尺寸對側板適應熱交變應力有很大影響。
關鍵詞: 燒結機；臺車側板；熱應力； 材質； 結構
1 前言
燒結工藝是目前國內外鋼鐵企業(yè)最廣泛采用的含鐵原料造塊方法。燒結機臺車是燒結工藝的主體設備，而臺車側板又是其主要部件之一，其使用壽命及狀態(tài)直接影響燒結工序的穩(wěn)定及燒結漏風情況。燒結機臺車經(jīng)常在高低溫交變的環(huán)境下工作，其側板起到對原燃料的支撐作用，在工作過程中其與原燃料直接接觸。由于側板內外表面受熱不均(內表面850～950℃，外表面200～400℃) ，此外臺車載荷狀態(tài)及返程中運行溫度也差異極大(40～50min之間由室溫到最高工作溫度交變循環(huán)一次) ，上述工作環(huán)境造成臺車側板長期承受高低溫循環(huán)、交變產(chǎn)生的熱應力，最終因熱侵蝕而產(chǎn)生熱裂紋及彎曲變形，從而過早損壞。側板開裂失效情況如圖1所示(見下頁) 。
為提高燒結機臺車側板的使用壽命，降低其開裂傾向［1］，有必要對側板進行熱應力分析［2］，從臺車側板的材質、結構等方面著手，通過適應性改進從而改善側板使用情況。
2 側板原始數(shù)據(jù)分析
2． 1 材質分析
燒結臺車側板材質一般采用球墨鑄鐵，而球墨鑄鐵化學成分主要包括碳、硅、錳、硫、磷五種基本元素。而對于一些對組織及性能有特殊要求的鑄件，還包括少量的合金元素。對現(xiàn)有燒結機臺車側板進行材質分析，對于改善側板使用性能的合金元素，如Cr、Cu、Mo 等含量均較低，有害元素S、P 等含量也較低。
2． 2 顯微組織觀察及球化率表征
通過金相顯微鏡下觀察側板球墨鑄鐵顯微組織，并依據(jù)國標GB /T 9441—2009《球墨鑄鐵金相檢驗》標準測定球化率［3］，球化率為石墨(包括團狀V 和球狀VI)個數(shù)所占石墨總數(shù)的百分比。
球化率的表征方法如下：取視場直徑為70mm，被視場周界切割的石墨不計數(shù)，放大100 倍時，直徑小于2mm 的石墨不計數(shù)。如果石墨多數(shù)小于2mm 或是大于12 mm，可以適當?shù)姆糯蠡蚩s小倍數(shù)，視場內的石墨數(shù)一般不少于20顆。在拋光態(tài)下，首先觀察整個受檢面，選擇三個球化視場差的照評級標準進行評定。側板試樣的顯微組織如圖2 所示。
由圖2(a) 可知，球鐵試樣的基體為鐵素體基體，鐵素體基體中分布的石墨大部分為球狀石墨，也有少量呈片狀和團狀石墨存在，鐵素體基體的平均晶粒尺寸在51μm 左右。由圖2(b)可知，球狀石墨的平均直徑在70μm 左右。上述數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有側板具有一定數(shù)量的球狀石墨，但是尺寸偏大，數(shù)量偏少。
臺車側板用球鐵試樣的微觀組織形貌如圖3所示。
根據(jù)GB－T 9441－2009球墨鑄鐵金相檢驗標準［3］，在側板球鐵試樣的金相照片上選擇了三個球化差的視場并編號A、B、C 如圖3(a)所示，在各視場內統(tǒng)計出直徑大于2mm的石墨球的個數(shù)β，再參考圖2中球墨鑄鐵金相檢驗標準中的球狀和團狀石墨形狀，統(tǒng)計得到石墨球總個數(shù)α，球化率η= α /β。由以上方法統(tǒng)計得A視場的球化率為65．9%，B視場的球化率為58．1%，C視場的球化率為59．5%，進而求得側板球鐵試樣的平均球化率為63．2%。
2． 3 硬度測量
采用MODEL HB－3000B 型布氏硬度計測量試樣的布氏硬度，載荷選擇3000kg，鋼球直徑為10mm，在試樣上取三個點測試取平均值。根據(jù)測量結果顯示，側板平均布氏硬度約為131，硬度偏高。雖然高硬度有利于提高燒結機側板耐磨性能，但是不利于控制側板裂紋。
2． 4 結構熱應力仿真
現(xiàn)使用側板采用整體結構型式，利用ANSYS分析軟件，對側板所處的熱場和結構場耦合分析得到原始側板的應力分布如圖4 所示。
由圖示可知，現(xiàn)使用臺車側板的應力主要集中在側板的上端及加強筋處，這與實際情況中側板受熱疲勞而開裂的裂紋起源有明顯的一致性［4］。
3 改進側板情況
3． 1 材質調整
由于現(xiàn)有側板有害元素含量已很低，為了提高側板使用性能，只需考慮在球墨鑄鐵中增加合金元素含量，制成合金鑄鐵，從而達到有效提高其抗熱疲勞能力。試驗側板材質的化學成分對比如表1所示。
由表1中數(shù)據(jù)可知，試驗側板有害元素S、P含量控制較好，合金元素Cr含量由不足0．03%提高到0．18% 以上，有助于改變珠光體相滲碳體脆性，提高強韌性； Cu含量由不足0．03% 提高到0．38% 以上，提高了石墨球形成數(shù)量； Mo含量由不足0．03% 提高到0．25% 以上，細化了石墨，從而進一步提高側板韌性［5］。
3． 2 結構改進
由原整體式結構改為分體式結構，如圖6所示。
對比整體式側板和分體式側板結構形式，改進后的分體式結構具有如下優(yōu)點: 側板尺寸減小后，大大減少了側板應力集中問題，從而減少了開裂問題，此外，分體結構大大降低了制造加工難度，一定程度減少了生產(chǎn)成本。但是，分體式側板由于增加了裝配結合面，對臺車密封性能有一定影響。通過側板間的連接處設計成相互配合的凹凸間隙補償結構，并采用高強度螺栓連接，可以有效解決這一問題，減少側板的漏風幾率。
4 改進側板試驗結果分析
4． 1 顯微組織觀察及球化率統(tǒng)計
按照新設計成分試制的燒結機臺車側板用球墨鑄鐵試樣的顯微組織形貌如圖7所示。
由圖7(a) 可以看出，按照新設計成分試制的側板用球墨鑄鐵試樣的基體為鐵素體基體，大量球狀石墨和少量片狀及團狀石墨平均分布在鐵素體基體中。顯然，試制側板試樣的鐵素體基體晶粒尺寸及分布的球形石墨尺寸明顯小于現(xiàn)用側板試樣，這主要因為新設計的成分中加入了合金元素，可以細化鐵素體基體晶粒，同時球化劑的增加促進了石墨球的形成。
經(jīng)過統(tǒng)計，試樣的鐵素體基體的晶粒平均尺寸在22μm 左右。而由圖7(b)可知，球狀石墨的平均直徑在26μm 左右。
側板球鐵試樣的微觀組織形貌如圖8所示。
同樣在新試制的側板球鐵試樣的金相照片上選擇了三個球化差的視場并編號A、B、C 在圖8(a)中可見，各視場內統(tǒng)計出直徑大于2mm 的石墨球的個數(shù)β，再參考圖7中所示球墨鑄鐵金相檢驗標準中的球狀和團狀石墨形狀統(tǒng)計得石墨球總個數(shù)α，球化率η = α/β。由以上方法統(tǒng)計得A 視場的球化率為88．2%，B視場的球化率為87．8%，C視場的球化率為84．1%，進而得出改進試驗側板球鐵試樣的平均球化率為86．7%。
從以上分析結果可以看出，按照新設計的成分制作的側板，球狀石墨明顯細化，數(shù)量大大增加，球鐵試樣的平均球化率明顯高于原始側板球鐵試樣。由于球化劑加入量的增加促進了石墨球的形成，所以試制側板球鐵試樣的平均球化率有所提高。
合金元素Cr可以促進珠光體組織的形成，穩(wěn)定珠光體相中的滲碳體，使珠光體粒狀化，同時可以形成致密的Cr2O3的薄膜，阻止氧化的進一步進行；Cr的硫、氧、氮等化合物可成為石墨球形核的核基，有利于石墨的析出，促進石墨球數(shù)增加、球徑變小、球的分布更加均勻和強度的進一步提高；Cr能使珠光體內的滲碳體變成合金滲碳體(Fe，Cr) 3C，從而改變了滲碳體原有的脆性，顯著提高了強韌性；加入合金元素Cu可以改善石墨球的形狀，增加石墨球的數(shù)量，同時促進珠光體的形成抑制鐵素體的形成，對基體有沉淀硬化和固溶強化的作用，對于鐵素體球墨鑄鐵，銅的適當加入會使其強度和硬度都相應增加；合金元素Mo是形成碳化物能力較弱的元素，球鐵中加入Mo既可以細化珠光體組織，也可以細化石墨［6］。
原始側板球鐵試樣的平均球化率在63%，球化程度較差，而石墨球的形態(tài)影響球墨鑄鐵在熱循環(huán)過程中的抗熱疲勞能力，非球狀石墨一般具有尖銳的棱角，在冷熱循環(huán)是容易造成應力集中從而成為裂紋萌生的源頭。在新試制的側板球鐵試樣中因為加入了合金元素并且球化劑的量有所增加，從而使側板的球化效果顯著改善。
4． 2 布氏硬度測量結果
側板球鐵試樣的布氏硬度測量結果，包括試驗測定值及計算所得的硬度平均值。
由表2可知，新型試制的側板試樣的布氏硬度平均值分別為125，相比原始側板球試樣的布氏硬度(131)稍微有所降低，從而可一定程度改善其開裂問題。由上述其它分析數(shù)據(jù)可知，硬度的降低未影響側板其它性能，如球化率，而硬度一定程度的降低，又不會影響側板的耐磨性能，而又能有效提高側板韌性，從而有效防止側板開裂。
4． 3 熱應力仿真
對于新型改進后的側板同樣進行熱應力仿真，結果如圖9所示。
顯然，通過結構的改良，側板受力狀況得到明顯的分散，對于避免由于應力集中造成開裂起到積極作用。
5 結論
由試驗分析可見，燒結機臺車側板由于熱應力問題造成的開裂可由如下方法加以改善:(1)側板材質中加入Cr、Cu、Mo等合金元素，從而細化石墨，增加石墨球數(shù)，提高球墨化率，從而改善球墨鑄鐵性能；(2)分體式側板結構也可以有效分散應力，從而提高側板使用性能，減少側板裂紋。
參考文獻
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