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        全氫罩式爐爐臺風(fēng)機(jī)葉輪國產(chǎn)化研究應(yīng)用

        2022-09-22 07:01:36
        山西冶金 2022年5期
        關(guān)鍵詞:爐臺擴(kuò)散器輪轂

        謝 楠

        (山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠,山西 太原 030003)

        全氫罩式爐用于不銹鋼退火工序,罩式爐風(fēng)機(jī)是退火氣氛進(jìn)出爐臺與內(nèi)罩組成的工藝氣氛腔體的工藝設(shè)備之一,其工作溫度最高達(dá)850℃,最高轉(zhuǎn)速2 200 r/min,使用工況屬于“雙高”,所以爐臺風(fēng)機(jī)葉輪材質(zhì)的選擇與加工制造的要求也比較高。

        起初罩式爐的設(shè)計制造工藝由國外引進(jìn),如德國的LOI與奧地利的EBNER等公司。進(jìn)口爐臺風(fēng)機(jī)葉輪的價格約為30萬元人民幣,且國外供應(yīng)商不提供任何圖紙與葉輪材質(zhì)等資料,備件訂貨周期也比較長。隨著國內(nèi)不銹鋼產(chǎn)量的增加,國內(nèi)罩式爐的設(shè)計制造也在不斷開展,所以迫切需要對爐臺風(fēng)機(jī)開展國產(chǎn)化研究制作,從而有效降低用戶制造與使用成本。

        1 爐臺風(fēng)機(jī)葉輪機(jī)構(gòu)及尺寸分析

        罩式爐爐臺風(fēng)機(jī)葉輪安裝于爐臺封閉板上,外加擴(kuò)散器與內(nèi)罩形成封閉腔體。爐臺、擴(kuò)散器由焊接的鋼結(jié)構(gòu)組成,爐臺鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實填充耐火纖維散棉及耐火纖維毯,爐臺鋼結(jié)構(gòu)、封閉板、擴(kuò)散器均采用S30815全耐熱鋼材料[1]。風(fēng)機(jī)葉輪的驅(qū)動為帶水冷套的全密封變頻電機(jī),電機(jī)軸承設(shè)有振動檢測器。爐臺風(fēng)機(jī)在罩式爐加熱、冷卻的全過程都有參與工作,風(fēng)機(jī)葉輪既要在冷熱交替、溫差較大的環(huán)境下工作,又要保持其結(jié)構(gòu)不變形,可見葉輪材料需具備的條件要求是比較高的。

        由于爐臺風(fēng)機(jī)葉輪工作過程中不斷加減速,其質(zhì)量越大,轉(zhuǎn)動慣量就越大,減小葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)動慣量可減少電機(jī)負(fù)荷,故葉輪需具備可靠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時,其構(gòu)成板材的厚度也不易過大,經(jīng)過計算并通過實驗表明,保持葉輪的質(zhì)量在95 kg左右為好。

        奧地利EBNER公司生產(chǎn)的爐臺風(fēng)機(jī)葉輪尺寸為Φ950 mm×310 mm,其主要由輪轂(鍛件)、葉片、前盤、后盤四部分焊接而成。LOI公司的葉輪輪轂采用鑄造件生產(chǎn),其輪轂外圓有類似葉片的部分延伸,以便于與葉片焊接。對EBNER公司葉輪進(jìn)行檢測,所得結(jié)果為:其轉(zhuǎn)速為800 r/min時風(fēng)量為33 395 m3/h,轉(zhuǎn)速2 200 r/min時風(fēng)量達(dá)91 836 m3/h。從圖1與圖2中葉輪的結(jié)構(gòu)可看出,葉片與鍛件輪轂焊接開始處有部分長度的加強(qiáng)板,加強(qiáng)板上有孔。鑄件輪轂葉輪的葉片則不需要加強(qiáng)板。在同等外圓尺寸及高度的條件下,鑄件輪轂葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要好于鍛件輪轂葉輪,但其重量大于鍛件輪轂葉輪,風(fēng)量小于鍛件輪轂葉輪。

        圖1 輪轂為鍛件的葉輪

        圖2 輪轂為鑄件的葉輪

        實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),EBNER公司葉輪(圖1)在長期使用時會與產(chǎn)生輕微變形的爐臺封閉板發(fā)生磨蹭,適當(dāng)調(diào)大葉輪底盤傾斜角度可避免磨蹭,但易會與擴(kuò)散器導(dǎo)葉形成干涉(將葉輪與擴(kuò)散器導(dǎo)葉間隙為10 mm),減小擴(kuò)散器導(dǎo)葉尺寸可避免干涉(葉輪與擴(kuò)散器導(dǎo)葉間隙變成20 mm),但會影響風(fēng)機(jī)效率。在保證風(fēng)量(葉輪高度310 mm不變)及風(fēng)機(jī)效率的條件下,在調(diào)大葉輪底盤傾斜角度的同時要相應(yīng)減小前盤高度。

        2 爐臺風(fēng)機(jī)葉輪材料分析

        中科院金屬腐蝕與防護(hù)國家重點實驗室對EBNER公司爐臺風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行化驗,所得各部分組織分析結(jié)果如下頁表1所示。

        從表1分析的合金組成元素來看,葉片所用合金是一種具有良好的可加工性、可焊接性、良好的抗高溫氧化和冷熱循環(huán)性能的鎳基合金。前盤、后盤為同一種合金。加強(qiáng)板、熔化焊道的填料成分與葉片十分接近。

        表1 EBNER公司爐臺風(fēng)機(jī)葉輪各部分組織分析結(jié)果%

        EBNER葉輪的材料是在溫度高達(dá)1 100℃下仍具有良好的瞬時和長期機(jī)械性能、高抗氧化性、高抗碳化性的鎳鉻鈷鉬合金。目前市場上INCONEL617與RA602CA兩種鎳基合金材料與EBNER葉輪的材料接近,這兩種材料的主要化學(xué)成分如表2、表3所示。

        表2 INCONEL617主要化學(xué)成分 %

        表3 RA602CA主要化學(xué)成分 %

        RA602CA在循環(huán)氧化環(huán)境溫度高達(dá)1 230℃時仍可長期穩(wěn)定工作。從主要化學(xué)成分上看,以上兩種材料都可以滿足罩式爐爐臺風(fēng)機(jī)葉輪的材料需要。

        3 爐臺風(fēng)機(jī)葉輪制作工藝研究

        鍛造輪轂葉輪制作技術(shù)要點及技術(shù)參數(shù):

        1)輪轂選用相應(yīng)尺寸的INCONEL617或材料鍛件圓鋼;

        2)葉片、前盤、后盤、加強(qiáng)筋板制作時采用模具成型;

        3)在葉片加強(qiáng)筋板打孔,如果沒孔,加強(qiáng)板與葉片焊接后,兩者接觸間隙會形成封閉空間,其中的空氣氣體在高溫工作時會膨脹將焊口崩裂;

        4)葉片型線的線輪廓度公差不大于1 mm,葉片出口安裝角的極限偏差為+1°,葉片出口邊對輪盤的垂直度公差應(yīng)小于等于葉片出口寬度的1%,任意三個相鄰葉片出口端的兩個節(jié)距(弦長)之差值不得大于2 mm;

        5)后盤端圓面跳動不大于2.5 mm;

        6)前盤端圓面跳動不大于3.0 mm;

        7)葉輪的外圓徑跳動不大于1 mm;

        8)爐臺風(fēng)機(jī)葉輪在高溫工作環(huán)境下最易出現(xiàn)的問題是焊接部分的疲勞開裂,結(jié)合鎳基合金焊接特性,選擇與基材性能相適合的金屬粉未焊接材料,并最好采用激光熔覆焊接工藝,該工藝焊接溫度相對較低,焊縫光滑,但成本較高;

        9)爐臺風(fēng)機(jī)葉輪也可采用氣體保護(hù)的氬弧焊,焊絲選擇與INCONEL617或RA602CA相適合的材料,焊渣的清理用鋼刷為好;

        10)焊接質(zhì)量符合GB/T 985、GB/T 986、JB/T 5000.3—1998焊接件通用技術(shù)條件;

        11)焊好后的葉輪要進(jìn)行退火熱處理(相應(yīng)熱處理工藝曲線見圖3),在滿足強(qiáng)度等性能的同時消除應(yīng)力;

        圖3 全氫罩式爐風(fēng)機(jī)葉輪熱處理工藝曲線

        12)采用葉輪探傷檢測(著色);

        13)采用軸孔機(jī)加工;

        14)葉輪平衡精度等級做到G2.0級。

        4 應(yīng)用效果

        國產(chǎn)化后的爐臺風(fēng)機(jī)葉輪在實際生產(chǎn)使用中,與純進(jìn)口葉輪無差異,且風(fēng)量基本一致。結(jié)構(gòu)尺寸的小小改動還減少了發(fā)生機(jī)械故障的概率。

        目前國內(nèi)生產(chǎn)鎳基合金薄板材的廠家不多,價格較進(jìn)口便宜,但質(zhì)量不如進(jìn)口材料穩(wěn)定。以INCONEL617為例,國產(chǎn)材料葉輪正常使用壽命為2~3年,進(jìn)口材料葉輪壽命則在3年以上。國產(chǎn)材料葉輪的價格為純進(jìn)口葉輪價格的40%左右。進(jìn)口材料國內(nèi)制作的葉輪價格為純進(jìn)口葉輪價格的55%左右。

        5 結(jié)語

        實際生產(chǎn)使用經(jīng)驗表明,影響爐臺風(fēng)機(jī)葉輪正常工作的主要原因有:長期高低溫交替使用致使的材料疲勞失效,導(dǎo)致葉輪部件(特別是前盤與葉片)開裂、甚至剝落,從而造成動平衡失效而引起振動傳感器報警;維護(hù)不精細(xì)(例如物件掉落)造成高速運(yùn)轉(zhuǎn)的葉輪意外碰傷,這點在日常使用維護(hù)中要特別引起重視。此次對罩式爐爐臺風(fēng)機(jī)葉輪的研究分析,也為其他領(lǐng)域行業(yè)所用高溫風(fēng)機(jī)的國內(nèi)制造提供了一定的技術(shù)支持。

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