具有高效冷卻效果的內(nèi)齒面豎爐齒輥

張文周

介紹了一種結(jié)構(gòu)新穎的球團(tuán)豎爐齒輥，齒輥內(nèi)部表面由規(guī)則的圓形孔改進(jìn)為齒形孔，該齒形孔的截面形狀模擬外部齒形的結(jié)構(gòu)形式，顯著增加了內(nèi)孔表面積，冷卻效果明顯改善，有效提高了齒輥抵抗高溫工況的力學(xué)性能，延長(zhǎng)了齒輥的使用壽命。

1. 概述

齒輥是球團(tuán)豎爐破碎過(guò)程中的重要工藝設(shè)備，其齒頂部在高溫、重載的惡劣工況下工作。眾所周知，金屬材料在高溫下的強(qiáng)度和硬度都比常溫下低得多，為抵抗接近1000℃高溫工況對(duì)齒輥力學(xué)性能的嚴(yán)重影響，常規(guī)齒輥的內(nèi)部均制造成圓柱形的空腔形狀，以便通水冷卻齒輥。因此冷卻效果是否良好，直接決定著齒輥使用壽命和球團(tuán)豎爐生產(chǎn)運(yùn)行的成本，是衡量齒輥質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。為此，如何提高齒輥的冷卻效果，是諸多齒輥制造企業(yè)一直在研究的課題。我們根據(jù)多年的制造經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種具有高效冷卻效果的新型內(nèi)齒面球團(tuán)豎爐齒輥。

2. 常規(guī)齒輥的結(jié)構(gòu)與冷卻效果分析

（1）常規(guī)齒輥的結(jié)構(gòu)形式 常規(guī)齒輥的外形鑄造為狼牙齒或條形齒，內(nèi)孔鑄造成圓形，輥身兩端鑲嵌空心軸頭，并與輥身焊接成一體，外部冷卻水通過(guò)空心軸頭進(jìn)入輥身內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)輥身冷卻的目的。但常規(guī)齒輥結(jié)構(gòu)由于外形為尺寸較大的齒形，內(nèi)孔為圓形孔，對(duì)齒根部位來(lái)說(shuō)，齒根部位到內(nèi)孔之間的壁厚相對(duì)較小，而對(duì)齒頂來(lái)說(shuō)，則齒頂部位到內(nèi)孔之間的壁厚明顯增大，故當(dāng)齒輥內(nèi)孔為圓形時(shí)，齒形根部和頂部的壁厚相差較大。

（2）因常規(guī)齒輥的壁厚不均，造成冷卻效果不均衡 齒輥的主要工作部位是齒形的頂部，理想狀態(tài)是讓齒頂部得到最佳的冷卻效果，以便將齒頂部的熱量快速帶走，使得齒頂部能夠在長(zhǎng)期的高溫工況下保持良好的高硬度和耐磨性，提高其抵抗熱疲勞的性能。但實(shí)際上，對(duì)于需要強(qiáng)化冷卻的齒頂工作部位，由于此處壁厚較大，導(dǎo)熱效果差，因此降低了齒頂部的冷卻效果。而壁厚較薄的齒根部反而冷卻降溫較快，這是我們不希望看到的結(jié)果。

（3）常規(guī)齒輥的冷卻能力不足，鑄造缺陷較多 輥身內(nèi)部為圓孔通孔，在通水冷卻時(shí)，圓孔內(nèi)表面的面積即為最大冷卻面積，而冷卻面積的大小直接決定了冷卻效果的優(yōu)劣。在整根齒輥中，當(dāng)內(nèi)部圓形通孔直徑達(dá)到既定的設(shè)計(jì)數(shù)值時(shí)，其內(nèi)孔冷卻表面積的大小也就成為一個(gè)固定數(shù)值，在同等水流量和同等水溫條件下，其冷卻能力也不會(huì)再提高。如想提高冷卻能力，在冷卻水參數(shù)一定的情況下，則只能增加內(nèi)圓孔直徑，獲取內(nèi)孔表面積的增大，但內(nèi)孔直徑的增大，必然降低了齒輥根部最薄處的壁厚，以犧牲了整根齒輥的整體強(qiáng)度和剛度為代價(jià)，齒輥有可能在工作時(shí)斷裂。

由此可見(jiàn)，當(dāng)內(nèi)孔直徑達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，一是常規(guī)結(jié)構(gòu)的齒輥無(wú)法再增加內(nèi)孔冷卻表面積。二是由于常規(guī)齒輥輥身壁厚不均的原因，造成輥身鑄造凝固過(guò)程收縮不均、內(nèi)應(yīng)力不均，齒輥內(nèi)部容易出現(xiàn)縮松、氣孔、夾雜等鑄造缺陷，雖然后期補(bǔ)焊能夠起到一定的補(bǔ)救作用，但治標(biāo)不治本，在后期使用過(guò)程中，表面的補(bǔ)焊層很快就被磨透，導(dǎo)致齒輥發(fā)生漏水現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)，大幅增加使用成本。

3. 內(nèi)齒面齒輥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

（1）內(nèi)齒面齒輥的提出 針對(duì)常規(guī)豎爐齒輥冷卻不佳、使用壽命低、易滲漏等不足，我們深入分析了齒輥的結(jié)構(gòu)和冷卻特點(diǎn)，拋棄了常規(guī)齒輥的圓形內(nèi)孔結(jié)構(gòu)形式，在不增加材料和工藝成本的前提下，將內(nèi)孔截面形狀模擬外部齒形的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，內(nèi)孔不再是規(guī)則的圓形，而是與外部齒形類(lèi)似的齒形孔。這種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是鑄造輥身的壁厚均勻、不易產(chǎn)生鑄造缺陷，齒輥內(nèi)孔表面積顯著增大，即與冷卻水的接觸面積增大，冷卻能力和冷卻均勻性相應(yīng)得到提升。

（2）內(nèi)齒面齒輥的結(jié)構(gòu)原理 圖1和圖2是齒輥改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)對(duì)比。通過(guò)結(jié)構(gòu)對(duì)比可以清晰地看出，新型齒輥內(nèi)孔的橫截面形狀與常規(guī)齒輥圓形內(nèi)孔的橫截面形狀存在明顯差異。圖2中，內(nèi)孔表面不再是有規(guī)則的平滑圓形面，而是模仿外部齒形的內(nèi)齒面，故新型內(nèi)齒面的表面積明顯增大，壁厚相對(duì)均勻。

（3）內(nèi)齒面齒輥具體制造方案 采用鑄造方式制造齒輥輥身毛坯，輥身的內(nèi)孔為齒形孔。在徑向截面上，內(nèi)孔齒形數(shù)量與輥身外部齒形數(shù)量相同，內(nèi)孔齒形的齒頂對(duì)應(yīng)外部齒形的齒頂，但內(nèi)孔齒形的形狀尺寸要小于外部齒形的形狀尺寸。輥身退火處理后在機(jī)床上加工好兩端軸孔，并在孔的端面加工出45?坡口。將熱處理和機(jī)加工好的主動(dòng)端軸頭和被動(dòng)端軸頭采用熱裝配的方式與輥身緊密裝配在一起，裝配到位后采用焊接方式把孔的端面坡口部位焊接牢固，焊接完成后通水做耐壓試驗(yàn)，確保不漏水。為保證這兩個(gè)軸頭與輥身裝配的可靠性，也可采用在輥身端部的徑向適當(dāng)位置安裝圓柱銷(xiāo)的方式，進(jìn)一步固定兩個(gè)軸頭，圓柱銷(xiāo)的外端部與輥身焊接密封牢固。

（4）內(nèi)齒面齒輥的先進(jìn)性 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①冷卻效果明顯改善。齒形內(nèi)孔的內(nèi)部表面積較常規(guī)齒輥的圓形內(nèi)孔表面積顯著增大，通水量和冷卻能力都得到明顯提高，大幅降低齒形工作部位的溫度，且由于壁厚均勻，齒形各部位冷卻均勻，有效改善了齒輥抵抗高溫工況的耐磨性能，解決了常規(guī)齒輥外圓齒頂部位散熱效果差、易過(guò)熱而出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂和脫落的弊端，明顯延長(zhǎng)其使用壽命。

②鑄造質(zhì)量得到提高。由于輥身的內(nèi)孔和外形都是齒形，結(jié)構(gòu)形式完全一致，鑄造輥身的各處壁厚均勻，壁厚的均勻性則為鑄造凝固過(guò)程提供了更加良好的工藝條件，不僅降低了鑄造收縮過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，也明顯減少了縮松、氣孔等鑄造缺陷，提高了鑄件的致密性，從根源上降低了漏水的幾率，減少了由于鑄造缺陷帶來(lái)的補(bǔ)焊、維修等附加成本及齒輥使用運(yùn)行成本。

③降低了材料消耗。與常規(guī)圓形內(nèi)孔齒輥相比，相同外徑尺寸的新型內(nèi)齒面齒輥由于壁厚均勻，不易開(kāi)裂和磨損，不需將壁厚制作得非常厚，因此采用內(nèi)齒面孔較圓形孔明顯減少材料使用量，有效減輕齒輥重量，降低制造成本，節(jié)約使用及維護(hù)成本。

4. 應(yīng)用情況及小結(jié)

齒輥內(nèi)孔形狀的細(xì)節(jié)改進(jìn)已取得了事半功倍之效果。近年來(lái)，我們采用新型內(nèi)齒面結(jié)構(gòu)制造的齒輥在國(guó)內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)的球團(tuán)廠投入實(shí)際生產(chǎn)，首批已經(jīng)使用一年多，實(shí)踐證明，改進(jìn)后的齒輥冷卻效果明顯提高，齒形耐磨性能進(jìn)而得到顯著改善，也沒(méi)有發(fā)生漏水、彎曲、斷裂等現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量得到用戶(hù)一致好評(píng)。

圖1 常規(guī)圓形內(nèi)孔齒輥

圖2 新型內(nèi)齒面齒輥

張文周，副總工程師，濟(jì)鋼集團(tuán)重工機(jī)械有限公司。