干燥机滚圈断裂修复实践与研究

裴继华，李晓峰

（金川集团公司铜业公司装备能源部，甘肃金昌 737100）

0 引言

金川集团股份有限公司合成炉干燥机是合成炉系统关键设备，设计处理能力135 t/h，规格Φ4.2 m（筒体直径）×17 m（长度），总重374 t，筒体转速0.71～2.36 r/min，顺流进料。干燥热能是利用余热锅炉的蒸汽进入分布在干燥机内的管道散发出的热量干燥原料，换热面积1400 m2。

滚圈是干燥机旋转支承重要部件，尺寸Φ4200 mm（内径）×220 mm（厚度）×700 mm（宽度）。2014 年12 月19 日，合成炉干燥机滚圈踏面开裂，裂纹部位见图1。外踏面缝隙宽度约20 mm，内径表面1～2 mm，断面裂透。紧急修复后，同一部位又出现裂纹。为尽快修复好该设备，梳理出以下关键点：①抢修失败问题；②分析断裂原因；③确认滚圈材料；④制定合理检修方案；⑤严格控制检修质量和检修时间。

图1 干燥机滚圈踏面开裂

1 抢修失败原因

第一次抢修用时48 h，使用不到3 天即发现裂纹。分析失败原因有：①坡口切割不合理；②坡口切割面没有处理；③选择焊材有问题；④焊接过程未对母材加热；⑤焊后没有消除应力。

1.1 坡口

为加快抢修进度，第一次打坡口用水焊切割，外径面坡口宽尺寸50 mm，底部30 mm，预留20 mm 没有切透，220 mm 厚的滚圈，坡口打成不规则的梯形。由于外口太小，坡口200 mm 深，焊接时焊接工具施展不开，结合面焊接强度不足。

1.2 坡口切割面没有处理

坡口用水焊切割后表面比较粗糙，积累厚厚一层氧化层，坡口小，磨削工具伸不进去，无法磨掉，只用扁铲简单处理。焊材和母材之间有一层氧化层，阻止焊材和母材有效结合。

1.3 选择焊材

对滚圈材料没有确认，采用CO2气体保护焊，焊丝用高强不锈钢焊丝，性能超过母体。焊接后，滚圈在运行过程中夹带一块大硬疤运转。

1.4 焊接忽略环境温度

焊接时，环境温度在-8 ℃，没有对母材加热，焊材收缩快和母材不易熔合，焊材与母材之间形成较大的应力。

1.5 焊后应力未消除

宽700 mm、厚220 mm 滚圈，切割坡口用时24 h，处理坡口用时4 h，焊接用时20 h，整体焊接快，没有做应力消除，就进行使用。

2 滚圈材料确认

该滚圈系统投产初期已经发生过断裂。断裂后紧急找到其他厂家的备用滚圈加工后投入使用，因无正规设计图，故不知道材料。经查，设计滚圈一般采用ZG310-570（ZG45），正火处理后外表面的硬度不低于170 HB。托轮、挡轮采用ZG340-640（ZG55），托轮外表面硬度≥190 HB。但目前国内滚圈多采用ZG35SiMn，表面调质硬度≥156 HB，托轮、挡轮多采用ZG35Cr－Mo，也可用ZG42CrMo，硬度一般≤217 HB。为准确分析材料，在滚圈侧面光洁处不同部位钻孔取样2 份化验，通过化验成分推测，确认该滚圈材料为ZG42CrMo。

3 滚圈断裂原因分析

2005 年12 月，该滚圈安装使用。其间滚圈内表面出现过两道疲劳裂纹，进行过焊补。分析开裂原因有：①铸造缺陷及疲劳损坏；②材料选择问题；③负荷过大。

3.1 铸造缺陷与疲劳损坏

大直径滚圈在加工制造时多存在一定缺陷，浇铸后要进行修补。故障滚圈是2005 年应急加工，浇铸时存在气孔、夹渣及内部冷裂纹等缺陷。表面修补车削后，检验发现有一定缺陷，没有进一步消除就直接安装到干燥机，也没有进行加工后时效处理。铸件在凝固和冷却过程中产生的内应力会造成运行时滚圈局部开裂，长期使用缺陷进一步增大。疲劳损坏和内部缺陷的双重作用是造成滚圈截面断开的原因之一。

3.2 材料选择问题

滚圈的作用是支承筒体转动，材料要求表面热处理后硬度高、耐磨损，芯部韧性好、抗冲击。ZG42CrMo 属于超高强铸钢，淬火时变形小；在高温环境下使用，有高蠕变强度和持久强度。检测截面尺寸250～400 mm 铸件热处理调质后，抗拉强度σb=650～800 MPa、屈服强度σs=350 MPa、延伸率δ=8%、冲击强度Akv（ISO）=9.6 J、硬度220～260 HB。使用的滚圈截面尺寸达到700 mm，延伸率更小，冲击强度Akv（ISO）约在7.2 J，ZG310-570（ZG45）冲击性能Akv≥15 J 是ZG42CrMo 材料的一倍多。干燥机正常生产处于运行状态，托轮表面硬度大于滚圈。调整干燥机上行力时，托轮与滚圈结合面撒上的干灰夹带一些硬颗粒，以及挡轮对滚圈的作用力，均会造成滚圈应力集中，损坏滚圈。干燥机运行时滚圈温度基本在常温状态，发挥不出ZG42CrMo 耐高温金属的特性。这种材料的滚圈用在转炉和阳极炉上较多，转炉和阳极炉生产时其处于100～300 ℃环境，多数时间是静止状态，转动频率少，还是往复转动，冲击概率小，炉体承担载荷大，适用于这种材料的特性。2013 年，公司3#阳极炉滚圈（材料）也出现过整体断裂，说明干燥机选择ZG42CrMo 也是滚圈断裂的原因之一。

3.3 负荷过大

干燥机设计生产能力135 t/h（H2O=10%湿精矿），合成炉技术改造后处理能力提高到165 t/h（H2O≤3%干精矿）。配套的干燥机没变，而要求处理湿精矿能力提高到170 t/h 以上，才能满足下道工序生产，处理量增加35 t/h，也是滚圈断裂的原因之一。

4 再修复方案

滚圈与托轮、筒体、挡轮均存在相对转动，要求内外径、两侧等表面光洁、平整无阻碍，修复后强度满足设备运行。经论证，在环境温度-8 ℃条件下，对ZG42CrMo 采取手工电弧焊方法焊接较好。具体方案：①慎重对大尺寸零部件打坡口；②采用合适焊材；③焊接过程保持母体合适温度；④焊接后消除应力。

4.1 坡口方案

滚圈裂纹部位转到垫板与挡板的空隙处，位置在时钟9时，搭上平台，裂纹周围搭成3 m2小房间。根据裂纹走向，采用电弧气刨挖去裂纹，坡口打成V 形口，外部宽120 mm、底部约30 mm，呈圆弧状，留3～5 mm 的厚度不割穿，如图2 所示。

图2 修复坡口

由于滚圈没有拆卸，虽是静止状态，但仍受到较大负荷。为防止受热、受力造成变形，在700 mm 宽的轮带上分两段切割，第一段先切割350 mm，焊补后，再切割第二段。

4.2 焊材选择

要选择合适焊材，消除母材的焊接性缺陷，就要对母材进行详细分析。ZG42CrMo 的化学成分：C 是0.38%～0.45%，Si 是0.3%～0.6%，Mn 是0.6%～1%，S 和P 均≤0.035%，Cr 是0.9%～1.2%，Ni 和Cu 均≤0.03%，Mo 是0.2%～0.3%。

4.2.1 焊接性分析

ZG42CrMo 焊接性能极差，存在冷、热裂纹和过热区脆化等问题。

（1）焊接热裂纹分析。ZG42CrMo 含碳量高，在焊接过程中，母材金属的一部分要熔化到焊缝金属中，导致焊层金属含碳量增高。焊缝凝固结晶时，结晶温度区间大，偏析倾向也较大。而且受含硫杂质和气孔的影响，容易在焊层金属中引起热裂纹。特别是在收尾处，裂纹更为敏感。热裂纹的特征是裂纹垂直于焊缝鱼鳞状波纹，呈现不明显的锯齿形，但也有沿焊缝金属与基体金属交界处发展产生。为防止产生热裂纹，要求采用低碳钢焊丝，一般含碳量在0.15%以下。

（2）焊接冷裂纹分析。ZG42CrMo 在500 ℃以下过冷奥氏体具有较高的稳定性，因而淬硬倾向较为明显。中碳调质钢的马氏体转变温度一般都很低，在250 ℃以下。低温形成的马氏体，难以产生“自回火”效应，且含碳量高的马氏体，其硬度和脆性更大，冷裂纹倾向较为严重。根据国际焊接学会推荐的碳当量公式Ce=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，可知，ZG42CrMo 碳当量最大为0.92，具有较高的淬硬和冷裂纹敏感倾向。因此，焊接过程中易出现冷裂纹。

（3）过热区的脆化。由于ZG42CrMo 调质钢的淬硬性大，在过热区易产生硬、脆的高碳马氏体，冷却速度越快，产生的马氏体数量也就越多，脆化也越严重。

4.2.2 焊接材料

分析母材滚圈，认为焊接材料应选择碳含量较低的焊条，J507 较为合适。J507 化学成分：C 是≤0.12%，Si 是0.4%，Mn 是1.3%，S 是≤0.35%，P 是≤0.04%。J507 力学性能：抗拉强度490 MPa，屈服强度410 MPa，延伸率δ≥22%，冲击功是47 J。焊条使用前经250～300 ℃烘干4 h，焊接过程焊条保存在保温筒内，随用随取。

4.3 滚圈预热方案

根据母材特性，切割与焊接过程将母材加温，保持温度在100～200 ℃，方法是在滚圈圆周上均匀3 点架设焦碳炉加温，炉子用普通钢板焊接到干燥机筒体上，中间骑跨到滚圈上，焦碳火直接与滚圈接触，距裂纹最近的炉子在裂纹上方200 mm 处。

4.4 焊接应力消除方案

焊接完成后，在焊缝区域温度不低于200 ℃时，立即使用5把烤枪对焊缝两侧300～500 mm 部位进行加热升温，升温速度控制在80 ℃/h。升温至400～450 ℃时，恒定保温4 h，然后盖上生石灰、保温棉对加热区域和焊缝区域实施缓慢降温。

5 滚圈修复过程与质量控制

5.1 坡口切割

焦碳炉对滚圈加温，选用灵敏度高、精度好的红外测温枪检测母材温度。当滚圈外表面温度达到120 ℃时开始切割，根据坡口方案，用电弧气刨追寻母材上出现的裂纹切割，挖出所有缺陷，预留底部3～5 mm 以便堆焊，如图3 所示。

图3 坡口切割

5.2 第一段坡口焊接

第一段坡口打好后，确认滚圈焊接区域表面无油污、锈蚀和毛刺，表面渗碳层已去除，焊接材料干洁。先用Φ4 mmJ507 焊条打底，电流控制在150～180 A。稍高电弧 穿 透 底 部3～5 mm 的 裂缝，整个底部焊接一层。使用风铲清渣，振动清除应力，检查滚圈内表面是否焊平，用电弧气刨刨去一道焊层，检查焊接质量，确认无问题后，再焊接第二层。为加快进度，焊接第二层用Φ5 mmJ507 焊条。

焊接采用多层多道焊接方式进行施焊，每层焊接厚度不超过4 mm，上层焊道压住下层焊道的1/2～2/3。每层焊接后用风铲锤击焊道表面，由中间向侧面方向锤击，去除焊渣，消除焊接应力。焊道横向由里向外向上排列施焊，焊接过程连续进行。第一段焊接留下30°坡口接茬，以备下一段焊接时结合，确保整体质量。层间温度控制在330～370 ℃，检查每层焊道，若存在裂纹、气孔、弧坑未填满等缺陷，及时处理。

5.3 第二段坡口焊接

第一段焊接到滚圈1/2 厚度时停止焊接，用电弧气刨切割另一段焊层，完成后进行第二段焊接。每层焊道压住第一段坡口接茬，待焊接厚度与第一段平齐后，采取两人同步焊接。方法是两人同时打弧，结合处交替施压焊道，焊接速度提高1 倍，更好保证焊接质量。

5.4 焊接余应力消除与表面打磨

焊接完成后，按4.4 焊接应力消除方案消除残余应力。待温度降至常温后，焊口表面打磨光洁，经检测，焊接质量符合使用要求，系统恢复正常生产，滚圈修复成功，修复过程用时85 h。

6 结论

（1）设计滚圈备件时，应根据设备运行环境和受力情况，在满足使用条件下选择材料，即芯部有较好的韧性、表面有较高的硬度、抗耐磨性。例如，ZG310-570（ZG45）、ZG35SiMn，不能参照转炉、阳极炉滚圈选取材料，并非越贵越硬的材料就是好材料。

（2）焊接大型零部件，在负荷没有卸载条件下，为确保部件尺寸不发生形变，坡口切割一定要分段进行，不可整体切断。

（3）对中碳调质钢ZG42CrMo 材料，采用手工电弧焊方法进行堆焊，首先要选择合适的焊接材料。实践证明，选用力学性能综合指标均较母材性能低的焊条，效果较为理想。

（4）为防止ZG42CrMo 材料焊接出现的冷、热裂纹，在严寒的冬季，坡口切割及焊接前工件应进行预热，减少应力集中。焊接过程中控制好层间温度和焊后的热处理残余应力消除，是保证焊接质量的关键。采用合理的焊接工艺，可以使手工电弧堆焊质量满足设计使用要求。

（5）焊接修复后的滚圈不可长期维持使用，需立即着手准备备件，适时更换。