張忠圓

1 前言

天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱“天津水泥院”）自主設(shè)計研發(fā)的第四代篦冷機，是目前國內(nèi)綜合性能較為優(yōu)異的篦冷機機型，其核心技術(shù)包括：高效急冷斜坡技術(shù)、新型前吹高效篦床篦板技術(shù)、高溫區(qū)細分供風技術(shù)、高溫耐磨材料創(chuàng)新技術(shù)、新型流量調(diào)節(jié)閥技術(shù)及智能化“自動駕駛”技術(shù)。其中，高效急冷斜坡技術(shù)主要應(yīng)用于具有高速射流效果的新型高溫篦板，替代傳統(tǒng)的固定斜坡高溫篦板。圖1 展示了高效急冷斜坡高溫篦板風道冷卻路徑及優(yōu)化前后軟件模擬分析結(jié)果。

圖1 高效急冷斜坡高溫篦板風道冷卻路徑及優(yōu)化前后軟件模擬分析結(jié)果對比

為實現(xiàn)高速射流風道效應(yīng)，高溫篦板需具備以下三個條件：

（1）形成風道效應(yīng)的篦板葉片，需具備較好的高溫強度，使用過程中不能發(fā)生彎曲變形；（2）篦板葉片需具備較好的高溫耐磨性能，使用過程中磨損速率緩慢；（3）篦板框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，框架整體需具備較好的耐高溫性能，使用過程中不能發(fā)生擠壓彎曲變形。

近年來，第四代篦冷機使用量高速增加，高溫篦板在使用過程中逐漸凸顯出了一些問題。通過對2019年之前投產(chǎn)的高溫篦板進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)約5%高溫篦板使用后存在不同程度的失效問題，失效原因各不相同。天津水泥院對高溫篦板失效狀態(tài)進行了收集匯總分類并分析了失效原因，提出了解決方案，采用力學性能更優(yōu)的新篦板材料、適宜的篦板鑄造成型工藝和質(zhì)量檢驗方法以保證篦板的使用效果。多個項目實際應(yīng)用情況表明，新篦板使用效果良好。

2 篦板的失效方式分類

高溫篦板使用過程中的失效方式分為四類。每類失效方式占總失效方式的比例及發(fā)生時間統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 篦板失效狀態(tài)匯總

第一類：篦板葉片自身塌陷彎曲變形，如圖2所示。

圖2 葉片自身塌陷變形失效

第二類：篦板葉片斷裂，但斷裂位置有規(guī)律，如圖3所示。

圖3 葉片斷裂失效

第三類：篦板葉片前端發(fā)生磨損、開裂、掉塊等問題，影響篦板使用效果和壽命，如圖4所示。

圖4 葉片前端掉塊失效

第四類：篦板葉片和框架整體拱起，彎曲變形，如圖5所示。

圖5 葉片和框架擠壓彎曲變形失效

3 篦板失效原因分析

從表1可以看出，高溫篦板的失效方式以第一類最為常見，約占總失效方式的75%，一般在使用12 個月后發(fā)生；第二、三類失效方式，約占總失效方式的20%，一般發(fā)生在使用初期的1 個月左右；第四類失效方式比較少見，約占總失效方式的5%左右，一般在使用12 個月后發(fā)生。排查分析各類失效方式失效原因如下。

（1）第一類失效方式失效原因

現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，第一類失效方式篦板的葉片在使用12 個月后，磨損減薄嚴重，強度顯著降低，在物料沖擊及高速冷卻風的綜合作用下，葉片自身塌陷彎曲變形。此類失效方式，不僅葉片與葉片配合形成的具有高速射流效果的風道失效，且變形葉片和未變形葉片不同程度貼合在一起，導(dǎo)致通風風道截面減小甚至堵死，造成篦冷機熱交換效果變差。

（2）第二、三類失效方式失效原因

雖然第二、三類失效方式篦板的失效部位不同，第二類是在葉片的一側(cè)開裂，第三類是在葉片的前端開裂、掉塊，但是這兩類失效方式均為葉片本身開裂失效導(dǎo)致，均發(fā)生在使用1個月左右的短時間內(nèi)。分析原因，因物料下落到篦板上，對葉片產(chǎn)生沖擊時，葉片與框架結(jié)合的剛度及葉片本身的剛度均無法有效抵抗物料沖擊所致。

（3）第四類失效方式失效原因

第四類失效方式篦板比較少見，表現(xiàn)為篦板整體變形，即，葉片和篦板框架整體被擠壓拱起，彎曲變形失效?，F(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)，篦板葉片磨損減薄后，發(fā)生彎曲變形并貼合在一起，造成通風不暢，致使篦板溫度過高，發(fā)生整體熱膨脹；同時，固定斜坡的框架制作也存在問題，導(dǎo)致整體熱膨脹的篦板擠壓在一起，最終兩側(cè)均受擠壓力的1～2塊篦板（葉片+篦板框架）拱起，發(fā)生彎曲變形。

綜上分析，為解決篦板失效問題，一方面，需進一步提升目前使用的耐熱鋼材料ZG40Cr25Ni20的力學性能；另一方面，需進一步優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)，提高篦板葉片、葉片和框架組裝后的剛度和抗沖擊力。

4 提高篦板力學性能和優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)的解決方案

研發(fā)了一款可替換ZG40Cr25Ni20耐熱鋼篦板且在900℃高溫狀態(tài)下力學性能更優(yōu)的新材料，對篦板葉片結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化升級。

4.1 篦板新材料的研發(fā)

4.1.1 新材料的設(shè)計思路

ZG40Cr25Ni20 耐熱鋼鑄態(tài)組織為單一的奧氏體，工況溫度＞727℃時不會發(fā)生相變，具有良好的熱穩(wěn)定性能，但缺乏強化相和熱強性碳化物形成元素，高溫力學性能不能滿足使用要求。

新材料的設(shè)計思路為研發(fā)一種碳化物強化奧氏體型、熱強型耐熱鋼，因此，要求新材料的主要組織仍是奧氏體，以保證其在工況溫度＞727℃時不會發(fā)生相變，具有良好的熱穩(wěn)定性能；同時，依靠不同的強化元素，保證新材料的高溫力學性能。

在擬研發(fā)的新材料中，Ni 元素含量低于ZG40Cr25Ni20 中的Ni 元素含量，需添加大量的Ni元素以形成穩(wěn)定奧氏體組織，使新材料獲得完全奧氏體組織，具有熱強性；含有微量的N元素，同樣起到形成并穩(wěn)定奧氏體組織的作用，可提高強度和耐蝕性；含有大量的Cr元素和一定量的Si元素，可保證新材料具有高溫抗氧化性能和耐腐蝕性[1-2]；添加一定量的Mo元素，能夠提高鋼的耐磨性和熱強性，在鋼中形成特殊碳化物，有效防止氯化物的熱腐蝕[3]；添加微量的Nb元素，形成碳化物，產(chǎn)生彌散強化，改善抗晶間腐蝕能力，并細化晶粒；含有微量的Re元素，不僅對鋼液起到凈化作用，而且能夠細化晶粒。

4.1.2 新材料的性能測定

（1）新材料的熱穩(wěn)定性能

采用鑄造成型方式，將新材料制作成Y 型試塊；使用線切割方式，將Y 型試塊制成20mm×20mm×10mm 的小試塊；將小試塊表面分別采用200目、600目的砂紙先后進行拋光處理；使用“90%鹽酸+10%硝酸”溶液進行小試塊表面腐蝕，腐蝕完成后，處理干凈表面并烘干；放置在SEM掃描電子顯微鏡中進行EBSD 電子背散射衍射測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 新材料的EBSD 測試結(jié)果

由圖6 可以看出，新材料中99.8%的成分為奧氏體組織相（fcc），在添加其他強化元素后，鑄態(tài)組織仍為全奧氏體，在700℃及以上溫度時，不會發(fā)生相變，具有良好的熱穩(wěn)定性能。

（2）新材料的力學性能

按照試驗標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》及GB/T 4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》，對新材料和ZG40Cr25Ni20 在室溫、900℃下的高溫力學性能分別進行了測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 室溫及高溫力學性能測試結(jié)果

從表2 可以看出，新材料的室溫力學性能及900℃高溫力學性能均優(yōu)于ZG40Cr25Ni20。

4.2 篦板葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級

使用新材料提升篦板力學性能的同時，對篦板葉片結(jié)構(gòu)也進行了升級優(yōu)化，以提升篦板整體剛度，延長使用壽命。

篦板葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要以增加葉片本體剛度為主，使葉片本體更加抗沖擊，葉片和葉片配合，形成具有高速射流效果的通風道，使其效應(yīng)更加穩(wěn)定持久。優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)后的高溫篦板如圖7所示。

圖7 優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)后的高溫篦板

5 新材料高溫篦板鑄造成型及質(zhì)量檢驗

通過應(yīng)用新材料篦板及優(yōu)化升級篦板葉片結(jié)構(gòu)，能夠有效解決高溫篦板使用失效的問題。為了保質(zhì)保量完成高溫篦板的生產(chǎn)，選擇適宜的鑄造成型工藝及成品質(zhì)量檢驗方法尤為重要。

5.1 新材料高溫篦板的鑄造成型

高溫篦板通過葉片與葉片之間的配合，形成具有高速射流效果的通風道，對于葉片的尺寸和表面光潔度要求較為嚴格，生產(chǎn)新材料高溫篦板，精密（失蠟）鑄造工藝是能夠滿足篦板葉片生產(chǎn)要求的最佳工藝方案。

精密（失蠟）鑄造[4]工藝流程為，用易熔材料（蠟料）制成可熔性模型（簡稱熔模），并在其上涂覆若干層特制的耐火涂料，經(jīng)干燥和硬化，形成整體型殼；再用蒸汽或熱水從型殼中熔掉模型，并將型殼置于砂箱中，在其四周填充干砂造型；將鑄型放入焙燒爐中高溫焙燒（如采用高強度型殼，可不必造型，將脫模后的型殼直接焙燒）；鑄型或型殼經(jīng)焙燒后，澆注入熔融金屬得到鑄件。精密（失蠟）鑄造工藝流程見圖8。該鑄造工藝具有以下優(yōu)點[4]：

圖8 精密（失蠟）鑄造工藝流程

（1）鑄造尺寸精度高，光潔度好。鑄造尺寸精度最高可達名義尺寸的5‰，粗糙度水平為Ra0.8～3.2μm，大大減輕了后續(xù)機械加工的負擔，在近凈形（零件成形后，僅需少量加工或不再加工）甚至凈形的情況下，機械加工幾乎全部被取消。

（2）能夠鑄造外形復(fù)雜的鑄件、異形復(fù)雜小孔及薄壁件鑄件。

（3）用于鑄造的合金材料不受限制。適用于大部分鑄造合金，包括各種鑄鐵、碳素鋼、低合金鋼、工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鎳合金、鈷合金、鈦合金、青銅、黃銅、鋁合金等，總體加工效果較穩(wěn)定，尤其適合難于鍛造、焊接、機械加工的材料。

5.2 篦板的質(zhì)量檢驗

對篦板葉片而言，其質(zhì)量對篦板的使用較為關(guān)鍵，即使采用精密（失蠟）鑄造工藝成型制作，也不能絕對保障葉片內(nèi)部質(zhì)量完全合格，需對葉片的質(zhì)量進行重點檢驗。

為了能夠直觀、清晰地判斷葉片內(nèi)部質(zhì)量是否滿足使用要求，可按照無損檢測標準JB/T 5000.14-2007《重型機械通用技術(shù)條件第14部分：鑄鋼件無損檢測》中的RT射線檢測要求，對葉片進行無損探傷檢驗。篦板葉片前端RT檢測如圖9所示。

圖9 篦板葉片前端RT檢測

6 結(jié)語

優(yōu)化后的高溫篦板已在多個項目投入使用，實地勘察可知，篦板在使用一年后，篦板葉片基本無磨損和變形，整體使用情況良好（圖10），徹底解決了篦板葉片彎曲變形、斷裂失效的問題。

圖10 優(yōu)化后的篦板使用一年后的效果