燒結(jié)機(jī)臺(tái)車側(cè)板開裂問題研究及改進(jìn)
王國(guó)遙，楊慶峰
( 寶山鋼鐵股份有限公司，上海201901)
摘要: 燒結(jié)是煉鐵主要工序，燒結(jié)機(jī)臺(tái)車是燒結(jié)工序的重要設(shè)備。臺(tái)車側(cè)板使用壽命及狀態(tài)直接影響到燒結(jié)工序的穩(wěn)定和燒結(jié)漏風(fēng)情況。通過側(cè)板材質(zhì)及結(jié)構(gòu)型式原始數(shù)據(jù)分析，然后調(diào)整側(cè)板材質(zhì)和結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行試驗(yàn)，最終確定影響側(cè)板開裂的主要影響因素，從而進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。最終研究顯示，燒結(jié)機(jī)臺(tái)車側(cè)板中合金元素含量及側(cè)板極限尺寸對(duì)側(cè)板適應(yīng)熱交變應(yīng)力有很大影響。
關(guān)鍵詞: 燒結(jié)機(jī)；臺(tái)車側(cè)板；熱應(yīng)力； 材質(zhì)； 結(jié)構(gòu)
1 前言
燒結(jié)工藝是目前國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)最廣泛采用的含鐵原料造塊方法。燒結(jié)機(jī)臺(tái)車是燒結(jié)工藝的主體設(shè)備，而臺(tái)車側(cè)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(jié)工序的穩(wěn)定及燒結(jié)漏風(fēng)情況。燒結(jié)機(jī)臺(tái)車經(jīng)常在高低溫交變的環(huán)境下工作，其側(cè)板起到對(duì)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(cè)板內(nèi)外表面受熱不均(內(nèi)表面850～950℃，外表面200～400℃) ，此外臺(tái)車載荷狀態(tài)及返程中運(yùn)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(tái)車側(cè)板長(zhǎng)期承受高低溫循環(huán)、交變產(chǎn)生的熱應(yīng)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(cè)板開裂失效情況如圖1所示(見下頁) 。
為提高燒結(jié)機(jī)臺(tái)車側(cè)板的使用壽命，降低其開裂傾向［1］，有必要對(duì)側(cè)板進(jìn)行熱應(yīng)力分析［2］，從臺(tái)車側(cè)板的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面著手，通過適應(yīng)性改進(jìn)從而改善側(cè)板使用情況。
2 側(cè)板原始數(shù)據(jù)分析
2． 1 材質(zhì)分析
燒結(jié)臺(tái)車側(cè)板材質(zhì)一般采用球墨鑄鐵，而球墨鑄鐵化學(xué)成分主要包括碳、硅、錳、硫、磷五種基本元素。而對(duì)于一些對(duì)組織及性能有特殊要求的鑄件，還包括少量的合金元素。對(duì)現(xiàn)有燒結(jié)機(jī)臺(tái)車側(cè)板進(jìn)行材質(zhì)分析，對(duì)于改善側(cè)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(cè)板球墨鑄鐵顯微組織，并依據(jù)國(guó)標(biāo)GB /T 9441—2009《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定球化率［3］，球化率為石墨(包括團(tuán)狀V 和球狀VI)個(gè)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(chǎng)直徑為70mm，被視場(chǎng)周界切割的石墨不計(jì)數(shù)，放大100 倍時(shí)，直徑小于2mm 的石墨不計(jì)數(shù)。如果石墨多數(shù)小于2mm 或是大于12 mm，可以適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小倍數(shù)，視場(chǎng)內(nèi)的石墨數(shù)一般不少于20顆。在拋光態(tài)下，首先觀察整個(gè)受檢面，選擇三個(gè)球化視場(chǎng)差的照評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。側(cè)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(tuán)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(cè)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(tái)車側(cè)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［3］，在側(cè)板球鐵試樣的金相照片上選擇了三個(gè)球化差的視場(chǎng)并編號(hào)A、B、C 如圖3(a)所示，在各視場(chǎng)內(nèi)統(tǒng)計(jì)出直徑大于2mm的石墨球的個(gè)數(shù)β，再參考圖2中球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的球狀和團(tuán)狀石墨形狀，統(tǒng)計(jì)得到石墨球總個(gè)數(shù)α，球化率η= α /β。由以上方法統(tǒng)計(jì)得A視場(chǎng)的球化率為65．9%，B視場(chǎng)的球化率為58．1%，C視場(chǎng)的球化率為59．5%，進(jìn)而求得側(cè)板球鐵試樣的平均球化率為63．2%。
2． 3 硬度測(cè)量
采用MODEL HB－3000B 型布氏硬度計(jì)測(cè)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(gè)點(diǎn)測(cè)試取平均值。根據(jù)測(cè)量結(jié)果顯示，側(cè)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(jié)機(jī)側(cè)板耐磨性能，但是不利于控制側(cè)板裂紋。
2． 4 結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力仿真
現(xiàn)使用側(cè)板采用整體結(jié)構(gòu)型式，利用ANSYS分析軟件，對(duì)側(cè)板所處的熱場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合分析得到原始側(cè)板的應(yīng)力分布如圖4 所示。
由圖示可知，現(xiàn)使用臺(tái)車側(cè)板的應(yīng)力主要集中在側(cè)板的上端及加強(qiáng)筋處，這與實(shí)際情況中側(cè)板受熱疲勞而開裂的裂紋起源有明顯的一致性［4］。
3 改進(jìn)側(cè)板情況
3． 1 材質(zhì)調(diào)整
由于現(xiàn)有側(cè)板有害元素含量已很低，為了提高側(cè)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(dá)到有效提高其抗熱疲勞能力。試驗(yàn)側(cè)板材質(zhì)的化學(xué)成分對(duì)比如表1所示。
由表1中數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)側(cè)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(qiáng)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(xì)化了石墨，從而進(jìn)一步提高側(cè)板韌性［5］。
3． 2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
由原整體式結(jié)構(gòu)改為分體式結(jié)構(gòu)，如圖6所示。
對(duì)比整體式側(cè)板和分體式側(cè)板結(jié)構(gòu)形式，改進(jìn)后的分體式結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn): 側(cè)板尺寸減小后，大大減少了側(cè)板應(yīng)力集中問題，從而減少了開裂問題，此外，分體結(jié)構(gòu)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(cè)板由于增加了裝配結(jié)合面，對(duì)臺(tái)車密封性能有一定影響。通過側(cè)板間的連接處設(shè)計(jì)成相互配合的凹凸間隙補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，并采用高強(qiáng)度螺栓連接，可以有效解決這一問題，減少側(cè)板的漏風(fēng)幾率。
4 改進(jìn)側(cè)板試驗(yàn)結(jié)果分析
4． 1 顯微組織觀察及球化率統(tǒng)計(jì)
按照新設(shè)計(jì)成分試制的燒結(jié)機(jī)臺(tái)車側(cè)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(shè)計(jì)成分試制的側(cè)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(tuán)狀石墨平均分布在鐵素體基體中。顯然，試制側(cè)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(cè)板試樣，這主要因?yàn)樾略O(shè)計(jì)的成分中加入了合金元素，可以細(xì)化鐵素體基體晶粒，同時(shí)球化劑的增加促進(jìn)了石墨球的形成。
經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，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(cè)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(cè)板球鐵試樣的金相照片上選擇了三個(gè)球化差的視場(chǎng)并編號(hào)A、B、C 在圖8(a)中可見，各視場(chǎng)內(nèi)統(tǒng)計(jì)出直徑大于2mm 的石墨球的個(gè)數(shù)β，再參考圖7中所示球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的球狀和團(tuán)狀石墨形狀統(tǒng)計(jì)得石墨球總個(gè)數(shù)α，球化率η = α/β。由以上方法統(tǒng)計(jì)得A 視場(chǎng)的球化率為88．2%，B視場(chǎng)的球化率為87．8%，C視場(chǎng)的球化率為84．1%，進(jìn)而得出改進(jìn)試驗(yàn)側(cè)板球鐵試樣的平均球化率為86．7%。
從以上分析結(jié)果可以看出，按照新設(shè)計(jì)的成分制作的側(cè)板，球狀石墨明顯細(xì)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(cè)板球鐵試樣。由于球化劑加入量的增加促進(jìn)了石墨球的形成，所以試制側(cè)板球鐵試樣的平均球化率有所提高。
合金元素Cr可以促進(jìn)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(shí)可以形成致密的Cr2O3的薄膜，阻止氧化的進(jìn)一步進(jìn)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(jìn)石墨球數(shù)增加、球徑變小、球的分布更加均勻和強(qiáng)度的進(jìn)一步提高；Cr能使珠光體內(nèi)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(qiáng)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(shí)促進(jìn)珠光體的形成抑制鐵素體的形成，對(duì)基體有沉淀硬化和固溶強(qiáng)化的作用，對(duì)于鐵素體球墨鑄鐵，銅的適當(dāng)加入會(huì)使其強(qiáng)度和硬度都相應(yīng)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(xì)化珠光體組織，也可以細(xì)化石墨［6］。
原始側(cè)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(yīng)力集中從而成為裂紋萌生的源頭。在新試制的側(cè)板球鐵試樣中因?yàn)榧尤肓撕辖鹪夭⑶仪蚧瘎┑牧坑兴黾樱瑥亩箓?cè)板的球化效果顯著改善。
4． 2 布氏硬度測(cè)量結(jié)果
側(cè)板球鐵試樣的布氏硬度測(cè)量結(jié)果，包括試驗(yàn)測(cè)定值及計(jì)算所得的硬度平均值。
由表2可知，新型試制的側(cè)板試樣的布氏硬度平均值分別為125，相比原始側(cè)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(cè)板其它性能，如球化率，而硬度一定程度的降低，又不會(huì)影響側(cè)板的耐磨性能，而又能有效提高側(cè)板韌性，從而有效防止側(cè)板開裂。
4． 3 熱應(yīng)力仿真
對(duì)于新型改進(jìn)后的側(cè)板同樣進(jìn)行熱應(yīng)力仿真，結(jié)果如圖9所示。
顯然，通過結(jié)構(gòu)的改良，側(cè)板受力狀況得到明顯的分散，對(duì)于避免由于應(yīng)力集中造成開裂起到積極作用。
5 結(jié)論
由試驗(yàn)分析可見，燒結(jié)機(jī)臺(tái)車側(cè)板由于熱應(yīng)力問題造成的開裂可由如下方法加以改善:(1)側(cè)板材質(zhì)中加入Cr、Cu、Mo等合金元素，從而細(xì)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(cè)板結(jié)構(gòu)也可以有效分散應(yīng)力，從而提高側(cè)板使用性能，減少側(cè)板裂紋。
參考文獻(xiàn)
［1］宋清勇，唐銀生．燒結(jié)機(jī)臺(tái)車結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］．四川冶金，1999，(2):57－60．
［2］周立平，劉生，王海平．大型燒結(jié)機(jī)臺(tái)車體的應(yīng)力分析［J］．一重技術(shù)，2001，(3):29－30．
［3］GB /T9441－2009．球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版，2010．
［4］劉萬年．燒結(jié)機(jī)臺(tái)車體的典型結(jié)構(gòu)分析［J］．有色礦冶，2008，24(6):47－49．
［5］郭拔常．改進(jìn)燒結(jié)機(jī)臺(tái)車材質(zhì)的研究［J］．燒結(jié)球團(tuán)，2001，(2):45－47．
［6］常楊．新型燒結(jié)機(jī)臺(tái)車耐裂欄板的研制與開發(fā):［D］．秦皇島:燕山大學(xué)，2015．