回转窑大齿圈铸造质量及热处理工艺的研究

邓荣娟

1　前言

回转窑设备作为水泥生产最为关键的设备之一，其运行可靠性和安全性毋庸置疑，其中大齿圈作为回转窑设备的关键部件，其质量和寿命要求尤为重要。

通常，齿圈采用砂型铸造方法进行成型，铸造成型并完成粗加工后，进行UT（超声波无损）检测，执行标准为GB/T 7233.1-2009Ⅲ级（灵敏度ϕ6），精加工完成后，进行MT（磁粉）检测，执行标准为JB/T 5000.14-2007Ⅲ级。在粗加工和精加工之间进行热处理，以达到提高使用性能的目的，热处理工艺为正火+回火。但是，随着技术的进步及市场实际要求的提高，对于大齿圈的内部质量，UT检测需要达到Ⅱ级要求，齿面硬度也由原先的200～240HBS提高到260～300HBS。因此，齿圈的铸造工艺也应进行相应的改进。

2　齿圈铸造工艺改进

齿圈的结构比轮带复杂，在造型上有所区别，图1为工艺造型图，造型重点如下：

图1　大齿圈造型工艺图

（1）采用水玻璃砂造型，相比树脂砂会获得更好的内部致密度。

（2）采用底注的方式让钢液平稳充型，并在内浇道上设有暗冒口，便于内部浮渣。

（3）采用环形横浇道，将竖浇道和内交道衔接起来，让钢液快速平稳地充型。

（4）采用双浇注系统，工件采用底注浇注系统进行充型，在冒口再采用一套浇注系统进行补浇充型，以确保冒口钢液的温度高于工件，形成冷却梯度。

（5）齿圈开齿部位上方采用全明分段式保温冒口，冒口使用耐火材料制作，弹簧孔上方采用暗冒口。

（6）工件内、外壁施加冷铁，保证冷却凝固顺序，更有利于排气、排渣。

（7）浇注完毕后，在冒口上方覆盖助燃材料和保温材料，让冒口最后凝固。

传统齿圈是先铸造成外圆，进行热处理，再开齿。由于热处理的热影响区有限，热处理完后再开齿，齿面的硬度本身就存在偏低和不均匀问题，这样就难以保证使用寿命。从图1可以清晰看出，与以往的齿圈造型不同，本次造型是将齿形铸造出来，这样做的目的是为下一步热处理做准备。

造型中的冒口没有采用整体全冒口，而是采用了分段式全冒口，这样就提高了保温效率，更有效地延缓了冒口冷却速度，更有利于排气和浮渣，见图2。

图2　分段式全冒口宏观形貌以及凝固顺序示意图

为了保证排气顺畅以及在凝固时受力均衡，造型中齿圈冒口端厚度要比底部厚度多出一部分，即采用非对称式布置，见图3。

图3　冒口下端齿圈多出部分示意图

按上述造型方案铸造的米哈万吨线大齿圈，在热处理完成并粗加工后进行超声波（UT）检测，以ϕ 6灵敏度检测，完全能够达到GB/T 7233.1-2009Ⅱ级要求，提高灵敏度后（ϕ4），依旧能够达到Ⅱ级要求；进行磁粉（MT）检测，齿面基本无缺陷，只是在冒口的上平行端面存在一些不超标的疏松缺陷，稍作打磨即可，见图4。

图4　UT、MT检测后的大齿圈宏观形貌图

3　热处理工艺改进

齿圈的使用寿命在于齿面硬度，在一个合理的范围内，齿面硬度越高，耐磨性越好，在同等工况下，使用寿命越长。

国内大齿圈的热处理工艺基本为正火+回火，该工艺的冷却过程（空冷）比较平稳，采用该冷却方式变形量较小，冷裂倾向性低，防变形的预留机加工量较小。但缺点也很明显，成品齿面硬度偏低（210HBS左右），从齿顶到齿根硬度逐步下降，不均匀。

米哈大齿圈的齿形由铸造完成，齿面单边预留10～15mm的机加工量，采用淬火（夏季水冷，冬季油冷）+回火热处理方式，为了避免淬裂倾向性以及变形量大这两个难点，采取了下述办法：

（1）所有圆滑过渡的地方，倒角均提高到R50mm，防止急冷开裂，见图1。

（2）半齿圈随炉铸造连接梁，热处理结束后放置3个月才能去除，防止半齿圈张开变形。

（3）半齿圈两个平行端面加大机加工预留量，能够将热处理产生的扭曲变形机加工掉。

热处理完成后，硬度测试值在290～320HBS之间，达到预期效果。

4　结语

（1）通过造型工艺的改进，齿圈铸造内部质量达到国标Ⅱ级要求。

（2）通过热处理工艺的改进，齿圈的齿面硬度大幅提升，提高了使用寿命。

（3）中材装备集团有限公司热工分公司的大齿圈从2015年开始均采用上述方式制作，产品质量得以提高。■

2018年3月5日，国家发改委办公厅发布《关于发布国家企业技术中心2017-2018年评价结果的通知》，中材装备集团有限公司再次通过国家企业技术中心考评。

企业技术中心建设是国家实施技术创新工程的一项重要内容，是建立以企业为主体的国家技术创新体系和新型科技体制的重要环节。企业技术中心两年一度的评价有着严格的考核条件，要求企业保持持续增长的经济技术实力和经济效益，还要求持续加强提升技术中心的创新平台建设、技术创新能力、科技研发投入，研究开发与创新水平在同行业中保持领先地位等。

再次通过考评认定，是对中材装备研发实力的肯定，也是其作为科技型企业的有力体现。