郭學武，郭 林

（濟鋼集團重工機械有限公司，山東 濟南 250101）

齒輥破碎機是豎爐球團生產中的關鍵設備，主要任務是將豎爐內部高溫塊狀球團礦破碎成單顆球團礦從爐內卸出。齒輥長期在高溫工況條件下工作，工作環(huán)境惡劣。按原工藝生產的齒輥，使用壽命只有3～5個月，嚴重制約了燒結廠的正常生產，為了改變這一被動局面，我們確定開發(fā)研制長壽命新型齒輥。

1 齒輥結構特點及原工藝存在的問題

齒輥的結構為中間粗兩端細的紡錘形結構，中間為通孔，工作時采用冷卻水冷卻，結構形式如圖1所示。齒輥原鑄造工藝為整體鑄造，中間鑄入焊接好的無縫鋼管形成內孔，平做立澆、水口底返頂接，但因齒輥結構特殊，鑄造工藝性不好，形不成順序凝固和有效補縮，導致鑄件產生縮孔、縮松、氣孔等鑄造缺陷，鑄件質量差，使用壽命短。

2 工藝分析與方案選擇

圖1 齒輥結構形式圖

針對使用過程中出現的質量問題，和對工作狀況及壽命因素分析，確定采用三段式結構，兩端采用鍛造軸，中間輥身部位采用鑄造方式。這樣要提高齒輥使用壽命，關鍵要提高輥身部位質量，按常規(guī)鑄造方法，只能采取加補貼的方法，但是，由于輥身較長，需要加的補貼量較大，給加工和清理造成困難，并且也不能保證鑄件不出現氣孔和夾砂等鑄造缺陷，導致齒輥漏水的可能性仍然很大。因此，要生產該件，就必須采取特殊的工藝方法。經過仔細研究，我們提出了以下2種工藝方案。

方案一：離心鑄造輥身（如圖2圖3所示）。

離心鑄造輥身，輥身致密，是較為理想的改進方案，存在的缺點：

1）輥身需求量不是很大，模具費用較高（約十幾萬），因此輥身價格會很高，技術實用性不強。

2）采用不鑄齒形的簡化離心鑄造工藝，但是齒形的加工費用較高，同樣造成制造成本增幅較大。

圖3 輥身零件結構圖

方案二：在輥身內鑄入離心鑄造鋼套，并將鋼套延伸到輥身端面，再將軸頭熱鑲入鋼套內，軸頭與鋼套外側開坡口焊接，形成復合型齒輥。這樣可以保證冷卻系統(tǒng)的耐壓性能，提高齒輥的使用壽命。

技術難點：

1）離心鋼套厚度的選擇：太薄，鋼套與輥身鑄造同心度要求高，工藝難度大，同心保證不好時，加工過程中易車透鋼套，失去密封性能；太厚，輥身鑄造時易開裂。

2）鋼套與輥身為機械結合，高溫工作時間長了有竄動的風險。

為此我們又對離心鋼套鑄入結構以及與本體的固定結構設計出3種結構形式。

結構形式一：鋼套外預先焊接定位圓鋼如圖4所示，然后將鋼套鑄入輥身，可以防止輥身與鋼套之間竄動。

結構形式二：沿用原設計在軸頭、鋼套、輥身之間鑲入定位銷，可以有效傳遞扭矩，防止竄動。但是此方案加工、焊接工作量較大，同時，設置定位銷破壞了鋼套的密封結構，存在泄露風險。從目前施工效果看，銷軸處經常泄漏，如圖5。

結構形式三：在端部將軸頭與鋼套、輥身焊為一體，既保證密封又防止竄動。但是，焊接工作量較大，焊縫質量出現問題時同樣影響使用壽命，如圖6所示。

經過對以上方案進行研究分析對比，最后確定采用方案二中的結構形式一進行攻關試制，結構設計如圖6所示。

圖4 鋼套焊接定位圓鋼圖

圖5 結構形式二

圖6 結構形式三

3 制造工藝過程

3.1 齒輥本體材質的選擇

根據對齒輥的使用情況的研究認為，齒輥的材質應具有以下性能：

1）好的導熱性能。好的導熱性能使齒輥將齒面接受的熱量盡量多的傳給冷卻水，保護齒面不受損壞，因此，導熱性能越高越好。

2）在高溫下有較高的強度和硬度。齒輥在使用時，其上面是重達數十噸的1000℃多的高溫爐料，齒輥為了將這些燒結的爐料破碎成一定塊度，需要轉動，因此，齒輥除了承受高溫外，還要承受較大的彎距和扭距，并且還要承受爐料的磨損，因此齒輥必須有較好的高溫強度。

3）較好的抗氧化性、抗腐蝕性、好的鑄造性能、低的生產成本。

提高含碳量和含錳量達不到以上目的。從導熱性來說，對于碳鋼，含碳越低，導熱性越好，例如：碳鋼在400℃時，含碳0.06%的導熱率為46.5%；含碳0.23%的導熱率為42.7%；含碳0.40%的導熱率為41.9%；含碳0.80%的導熱率為38.1%；在其他溫度下也是如此，但是碳含量太低鑄件抗彎強度降低；錳含量的提高不能提高鋼的耐熱性，提高耐熱性能和高溫強度效果顯著的是鉻、鉬、釩等元素，因此，在高溫下使用的鋼應采用加入鉻、鉬、釩進行強化，以提高材料的耐熱性能和高溫強度。綜合以上分析，最終確定齒輥的材質為低合金耐磨鋼ZG50GrMnRe，硬度為HRC60，沖擊韌性大于100KJ/m2。

3.2 鑄造工藝設計

3.2.1 齒輥輥身與鑄入鋼套結構確定

由于齒輥的制造關鍵問題就是輥身部位的鑄造質量問題，為保證鋼套與輥身較好的熔合，選擇合理壁厚的鋼套以及鋼套在齒輥輥身中的固定和鋼套鑄入鑄型時的溫度是技術重點。通過對齒輥整體結構的鑄造工藝分析研究，最后確定兩種結構方案，并分別進行仿真模擬實驗。

方案一：鋼套壁厚上下一樣都采用25mm厚，形狀如圖7所示，結構如圖8a）兩端在鋼套外表面分別均布焊接6根φ20mm圓鋼，將鋼套預熱溫度設定為300℃，通過計算冒口高度設定為500mm，冒口直徑下部為φ600mm，上部為φ700mm。澆口采用底返頂接，澆注溫度為1550℃，進行凝固模擬，模擬結果如圖9 a）所示。從模擬結果看出，中間有縮松。

圖7 齒輥結構設計圖

方案二：鋼套壁厚分臺階設計，保證鑄件在凝固時形成溫度梯度，底部340mm，長度范圍壁厚設計為35mm，上部壁厚采用25mm，形狀結構如圖8 b）所示，其余條件不變，模擬凝固結果如圖9b）所示。從模擬結果可以看出，鑄件輥身部位沒有縮孔、縮松等缺陷出現。

3.2.2 模型結構設計

為保證砂型質量，造型操作方便，設計模型工藝方案為平做立澆結構，將齒條部位做成活塊結構，以防止起模時塌箱；為防止鑄件鑄出后偏芯，依據目前現有的實際工裝情況，設計模型分型負數為4mm，上下模各2mm，為保證鑄件在凝固過程中形成順序凝固，保證冒口內金屬液能夠充分補縮鑄件，設計下部芯頭采用離心鋼套的下端為下芯頭，上部冒口部位采用砂芯結構，冒口設計為圓錐結構如圖10所示。

圖8 鋼套結構

圖9 模擬圖

圖10 齒輥模型結構圖

3.2.3 芯盒結構設計與芯子制造

為保證制芯過程中冒口部位、砂芯部分與下部鑄入的離心鋼套同心，我們改變了傳統(tǒng)的半實半刮設計，設計出對分式整體定位結構，從而保證了離心鋼套定位準確，保證了離心鋼套與上部砂芯部位同心。為保證砂芯與離心鋼套連接牢固，防止在吊運及合箱過程中變形，在砂芯與鋼套的中心部位設計采用直徑為φ150×15mm鋼管做芯骨，制芯時先將芯骨放進離心鋼套內找正后，在離心鋼套內放進水玻璃70砂，高度為離心鋼套高度的1/6，緊實后將鋼管芯骨固定在離心鋼套內，并用CO2氣體硬化。然后將填上砂的離心鋼套與芯骨整體放進對分式芯盒內，制造上部砂芯部分。芯盒結構及鋼套在芯盒中的定位如圖11所示。離心鋼套與芯子結構如圖12所示。

3.2.4 澆注系統(tǒng)設計與造型操作質量控制

圖11 芯盒結構及缸套在芯盒中的定置圖

圖12 離心缸套與芯子結構圖

為保證澆注時鋼水能夠平穩(wěn)快速充填型腔，設計澆注系統(tǒng)為底反內澆口φ60mm四道均布，在冒口下部設置φ80mm內澆口一道，橫澆口與直澆口都設計為φ80mm，然后進行充型模擬驗證，最終確定該澆注系統(tǒng)設置較為合理。

造型操作時要保證砂芯、砂型緊實度要高而且均勻，為防止粘砂，保證齒條表面組織致密，在齒條部位采用鉻鐵礦砂，臥澆口時，要保證相鄰澆口磚之間的接口要連接緊密，防止從散砂進入澆口內。砂型制造完成后要進烘干窯烘干，烘干溫度工藝如圖13所示。

圖13 砂型烘干溫度工藝圖

3.2.5 離心鋼套的材質及鑄入前的結構設計

離心鋼套材質的選擇要能有利于輥身本體與離心鋼套的很好熔接，并保證與本體收縮基本一致，還要有較好的導熱性能，盡量降低成本，由于離心鋼套在齒輥輥身本體內部，綜合以上因素考慮，最終確定采用ZG270-500。

由于離心鋼套是在鑄造輥身時鑄入，因此輥身的長度要包括下部芯頭長度，為保證離心鋼套在輥身本體內很好的固定，風別在鋼套上下部設置六根固定圓鋼，圓鋼要牢固的固定在離心鋼套上。焊縫高度要大于12mm，要保證圓鋼在鋼套上的焊接位置正確。離心鋼套在鑄入前要進行打壓檢查，用睹板將兩端孔先焊好，在一端焊上打壓用水管，打壓檢查合格后，再將兩端睹板去掉，并將兩端面修磨平整，以方便打芯合箱。離心鋼套鑄入前尺寸結構如圖14所示。

圖14 離心缸套鑄入前結構圖

3.2.6 合箱及澆注操作工藝設計與質量控制

齒輥質量的好壞關鍵在輥身質量，而輥身質量的重點保證工序就在合箱及澆注操作上。為此在合箱澆注工序采取了重點保證措施。

1）合箱前先將型腔內及澆口內散砂干凈，合箱所需用品全部準備好待用。

2）將離心鋼套預熱350℃以上待用。

3）在出鋼前1 h前進行合箱，保證合箱時溫度在300℃以上。為保證合箱溫度，在合箱場地準備用煤氣輔助烘烤管子一根，在合箱過程中用煤氣輔助烘烤，防止合箱過程中離心鋼套降溫。

4）合箱后30min內要進行澆注，否則要用熱風機對砂型型腔進行升溫。

5）采用鋼包采用底吹氬工藝，凈化鋼液，吹氬壓力0.25mPa，平均吹氬時間3min～5min。澆注溫度控制在1550℃～1570℃。

6）打箱清理工藝設計。

通過查找技術資料并結合實踐經驗，確定澆注后24 h打箱，為了降低成本，防止割冒口后出現裂紋，確定利用打箱后的余熱進行熱割冒口，熱割溫度控制在200℃以上。

7）熱處理工藝設計。

為保證鑄件具有良好的強度和韌性，設計熱處理工藝為正火+回火工藝。

8）齒輥輥身加工工藝設計。

齒輥輥身要和上下軸裝配連接，齒輥輥身的加工工藝結構設計也直接影響著齒輥裝配后的整體工作性能，根據齒輥的工作特性進行研究分析，并根據現場操作的實際情況確定輥身加工結構如圖15所示。為進一步加固齒輥輥身本體與離心鋼套的緊固連接，防止輥身本體與本體使用過程中脫開，采用保守設計，在輥身兩端面又設計加工出焊接坡口。

圖15 齒輥輥身加工結構圖

輥身兩端面先進行粗加工，單面留5mm余量，內孔與軸配合部位按圖紙標注尺寸精加工到位。輥身加工內孔時要以離心鋼套內孔為基準找正進行加工，以保證加工后離心鋼套所剩壁厚均勻。

9）上下軸頭結構設計

軸的結構主要是與輥身軸孔配合部位臺階處設計了裝配后軸與軸孔的焊接坡口，其余結構不變，軸的結構設計如圖16所示。

圖16 軸結構圖

10）上、下段軸與輥身的裝配焊接圖

為保證齒輥輥身與上下兩端軸配合連接緊密，防止使用過程中，脫開，確定軸孔與軸的連接方式采用能夠傳遞較大扭矩的過盈配合H7/s6，熱裝溫度為350℃～400℃

熱裝后再從兩側斷面部位，進行焊接固定，焊接坡口設計如圖17所示，深度35mm寬度25mm，焊接時采用平焊方式焊接，以利于焊材能夠很好的填充，保證焊接質量。注意焊接時，焊縫高度要保證高出端面10mm～15mm，要保證R15能夠加工出來。

圖17 上、下段軸與輥身的裝配焊接圖

4 生產驗證

通過對齒輥結構的創(chuàng)新研制和工藝設計，強化工序工程質量控制，將離心鋼套成功鑄入齒輥本體中，研制出鑄件組織致密，質量好，密封性能好的新型復合齒輥復合齒輥。制造完成后對試制的4件齒輥進行壓力試驗檢查，試驗壓力≥1.5mPa，保持壓力30min都沒有出現滲漏冒汗現象，打壓一次成功。

5 使用情況

我們生產的第一批試制的4件齒輥，與2008年5月使用以來已經使用了兩年多，現在還正在使用，生產的第二批和第三批也正在使用中，沒有出現漏水質量問題。

6 結 論

以上結果表明，新型復合式齒輥解決了齒輥打壓及使用壽命短的問題，由于采用了離心鋼套鑄入，加大了鑄造過程中鑄件凝固冷卻的速度，消除了齒條部位的粘砂現象，從而提高了齒輥輥身的表面質量。從已經制造的3批齒輥在球團廠的使用情況來看，新型復合齒輥質量性能好，比原來使用壽命有較大提高，能夠取得良好的經濟效益，具有廣闊的市場前景。