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燒結鼓風機轉子工藝控制

     燒結機配套用的主抽風機，即通常所稱的燒結鼓風機，是冶金行業(yè)燃料燒結的關鍵設備之一，擁有極其廣闊的市場需求，其耗電量占燒結廠總耗電量的百分之四十左右，輸送的介質為燒結煙氣，含塵量交大，風機的轉子極其蝸殼磨損嚴重，且因其流量較大，壓力相對較高，一般轉速多為1450r/min或3000r/min，因而要求其轉子制作的材料在高溫狀態(tài)下既要有較高的屈服極限，又要有一定的耐磨性能，同時還要有較好的焊接性能，這就給燒結風機的制作增加了一定的難度。

      武漢鼓風機廠于八十年代末引進日本三菱技術之后，在原有的SJ系列及D系列燒結風機的基礎上，著手開發(fā)、研制了高效率、低耗能、使用壽命廠的AF燒結風機系列，流量范圍從2500m3/min至13000m3/min，該系列產品因其性能可靠、效率高、結構合理、維修方便等特點而深受用戶歡迎，并且逐漸占有一定的市場份額。正因于此，上海寶鋼于1998年底決定于我廠合作生產450m2IDL風機轉子組。

     上海寶山鋼鐵（集團）公司燒結廠450m3IDL主排風機是日本日立造船株式會社生產的產品，使用時間已達10年之久，運行情況良好。但由于長時間的粉粒摩擦。致使轉子磨損嚴重，雖經過幾次中間維修后仍可正常使用，但訂購哦備件轉子已迫在眉睫。直接從國外進口備件價格昂貴，因此，寶鋼決定立足國內廠家，實現轉子制造國產化。

450m3IDL主排風機的基本性能要求是：流量：21000m3/min 進口壓力：為-19.11KPa，出口壓力為0.49KPa，全壓升19.6KPa，溫度：150℃ 電機功率為9300Kw ，轉速為1000r/min

介質為燒結煙氣，溫度從80℃至250℃，葉輪要求采取耐磨措施。經設計計算確定該風機轉子為離心式雙進氣、雙支撐、錐形前盤、單板葉片附耐磨襯板焊接結構，葉輪外徑D2=4270mm葉輪出口寬度b2=500mm，為減輕轉子重量，主軸設計為中空管焊接軸頭結構，最大加工外徑為φ810mm，總長為6948mm。轉子總重量約26噸。是目前我國風機行業(yè)自己生產制造的最大燒結風機轉子。

為了確保產品質量達到國際上同類產品的水平，我們決定與日本荏原工機株式會社合作進行該風機轉子的設計、生產及檢驗，且葉輪的關鍵原材料由荏原工機負責在日本制鋼所采購后進口，轉子在整個制造過程中由荏原工機派專業(yè)人員到現場進行技術指導，并接受用戶嚴格的質量監(jiān)督。通過前后兩年多的通力合作，此轉子已經順利制作完成，經用戶嚴格驗收后已送交到了用戶現場。

通過完成此轉子的設計、制造，我能又學到了很多新的東西，也積累了一些經驗。下面，我僅就450m3IDL主排風機轉子在制造過程中壓膜成型、焊接及焊后表面處理和主軸精加工等涉及到產品表面質量的諸方面與各位專家簡要交流一下：

• 葉輪錐形前盤成型

通常錐形前盤成型采用平板料壓模成型，扇形板料滾彎成型。而450m3IDL葉輪錐形前盤采用的是素線法在1100噸水壓機上成型，即在前盤展開料上過中心等分劃線，圓棒沿所劃線逐條施壓。采用此方法基于以下幾點考慮：

• 展開直徑達φ4376mm，板厚30mm。單件生產的產品采用壓膜成型成本太高
• 采用滾彎成型需對大型三星滾機進行改造也非易事
• 采用素線法成型將壓型和整形工序合二為一，成本不高且可行。成型檢驗結果：錐盤高度誤差3mm，錐底平面誤差2.5mm。錐面整體樣板型線最大間隙2.5mm。

• 二、葉輪組裝（定位焊）

葉輪各零件組裝定位焊遵循對稱分布、先內后外的原則。由于葉輪材料的施焊條件必須具備一定的溫度，預熱和后熱處理（消氫處理）。因此在定位焊和滿焊時都面臨變形量增加和防變形、反變形的問題。根據葉輪的具體情況采取了相應的措施：

• 組裝葉片時采用了三角形防變形支撐。保證葉片與中盤的垂直度。（葉片長1400mm）
• 中盤內圈防翹曲變形圈，保證了軸盤連接平面的平面度
• 前盤防波浪變形圈，保證焊后前盤跳動誤差最小
• 葉片出口防變形支撐，保證葉輪出口寬度
• 葉輪外圓人字形防變形支撐，保證前盤與中盤不出現扭轉變形
• 采用十字形剛性固定以防止進口圈拼焊時的收縮變形
• 在以上六種方法的基礎上，通過焊接順序、位置、和焊接量的調整來防止焊接變形

這些防變形措施通過實踐證明起到了很好的作用。檢驗結果：中盤端面跳動4.5mm以內，前盤跳動6mm以內，葉輪出口寬度±2mm以內，葉片垂直度2mm以內。

• 三、主軸焊接

主軸的特點是采用中空軸，目的是降低對軸承承載能力的要求和磨損，減小對電機功率的要求，使風機能再長期運轉中節(jié)省相當大的能源。該主軸是由中空管和兩端軸頭三段組焊為一體的焊接結構件，其軸長6948mm，軸徑810mm，中空管管壁厚135mm，構件剛度很大。而轉子葉輪直徑也很大（4270mm），在1000r/min高速運轉的條件下傳動的扭矩很大。因此必須制定和采用合理的焊接工藝及嚴格的工藝措施，方能滿足該轉子的要求。

• 焊接性分析：主軸所采用材料為S25C，其碳當量Cep=0.335%。由此可知其焊接性能較好，產生冷裂紋的傾向不大。但考慮到焊接厚度為135mm且為環(huán)焊縫，有很大的約束力，這是產生冷裂紋的重要因素，且冶金缺陷也大大增加。由此可計算得碳當量CEN=0.47%，則焊接預熱125±25℃是必須的（層間溫度不大于240℃）
• 焊接方法及焊材：焊接方法選用直流（反接）手工電弧焊，焊條選用J507Ni，這主要是該焊條熔敷金屬機械性能好，具有良好的塑性，低溫韌性和良好的抗裂性能，工藝性能也很好；
• 焊接坡口設計：根據主軸的特點，設計了便于X射線探傷，便于施焊及盡量小的焊接量和熱影響區(qū)的坡口
• 防變形措施：采用楔形定位塊在坡口處安裝定位，然后用鞍形固定板剛性固定，以減小主軸的變形量，同時在焊接中通過焊接順序、焊接量和焊接位置的調整來消除或減小變形量。
• 焊后處理：合理的焊后消氫處理和充分的去應力熱處理。

按以上焊接要點進行的主軸焊接質量滿足了設計要求（達GB3323-82Ⅱ級以上），焊接變形量能控制在工藝范圍內（同軸度不大于1.5mm）。

• 四、葉輪焊接

要保證如此大直徑葉輪的制造精度，焊接質量（防裂紋和減小變形）是其關鍵。該葉輪用材較復雜：前盤、中盤和進口圈材料為13Cr-4Ni（進口洛鎳鋼），而葉片、襯板及葉片頭為WELTEN590(進口低合金高強鋼)因而所對應的焊條也較復雜，其中13Cr-4Ni之間的焊接、13Cr-4Ni與WELTEN590焊接、WELTEN590之間的焊接及兩種耐磨焊條共采用了五種不同的焊條。根據材料要求，結構焊縫的焊接預熱150~180℃及30分鐘300℃的后熱消氫處理是必須的，而該葉輪焊接位置板厚較大，板厚差異也大，焊縫強度高，剛度大，焊接收縮量大。因此產生裂紋的傾向和焊接變形的可能性也很大，所以必須采用合理的焊接工藝及嚴格的工藝措施。

• 防變形措施（前文已所述）
• 各部焊接要點：

• 葉片襯板的耐磨堆焊：葉片襯板材料為WELTEN590。厚度為4mm，長1400mm，在葉片工作面要進行大量的塊狀和條狀堆焊。大量的堆焊可導致襯板的嚴重變形，在校正的過程中勢必產生大量的裂紋（因堆焊層的HRC>60）。為此，將葉片襯板先壓型。然后再剛性固定在相同的胎膜上進行堆焊，這樣就大大的減小了變形，從而避免了校正過程中大量的裂紋產生。
• 葉片與前盤（中盤）的焊接：葉片與前盤（中盤）的焊接為異種鋼焊接（13Cr-4Ni與WELTEN590）。因為焊接產生的收縮量大，給葉片在高度上預留了3mm的收縮余量，以保證焊接完后葉輪進出口的高度符合圖紙要求。再者，因焊接量大，且要在一定范圍內（焊接及周邊200~300mm）預熱150~180℃，為避免裂紋的產生和減小變形，須將葉輪直立，以使焊縫處于平角焊位置，采用雙人以中盤對稱跳躍式后退法，在順序上采用十字交叉焊，每條焊縫在焊完立即進行30分鐘300℃消氫處理。
• 前盤與進口圈的焊接：前盤與進口圈的材料均為13Cr-4Ni，選擇的焊條應使焊縫獲得良好的成分組織和機械性能。而前盤厚度30mm和進口圈厚度80mm兩者間的板厚差異極大，焊縫強度高，剛性大，焊接收縮量大且為環(huán)焊縫，為此我們設計出了合理的焊接坡口以減小熱影響區(qū)和焊接量，同時在焊接中采用了局部預熱等份（10等份）雙人對稱交叉焊，在多層焊中進行嚴格的過程控制（包括層間溫度控制），焊后立即進行消氫處理，從而避免了裂紋的產生和盡可能的減小了焊接變形。
• 葉片頭的焊接：葉片頭焊接位置處于較為復雜的地方，這里既有WELTEN590與WELTEN590的焊接，也有WELTEN590與13Cr-4Ni的焊接，且有多條焊縫的交合點，這是應力較為集中的地方，也是最易產生裂紋的地方。因此，在焊接中除了要進行大范圍充分預熱外，其焊接要點是：

• 合理應用焊條，特別是焊縫交會處焊條的應用；
• 合理的焊接順序、方向以盡量減小應力集中；
• 焊后立即進行消氫處理；
• 焊后處理：焊后要進行充分的消除應力熱處理，然后在無火狀態(tài)下去掉防變形裝置。

按以上要點進行制作的葉輪，保證了焊縫質量（通過了PT滲透,MT磁粉,VT探傷檢查），焊接變形量也控制在工藝范圍內（前盤跳動<6mm，中盤跳動<4.5mmVT超聲波RT射線）。

• 五、主軸精加工

一般情況下，保證主軸精加工同軸度和軸徑位表面粗糙度的加工方法，是以兩端中心孔為基準，高速精車，或者在磨床上磨削。主軸的加工精度主要是靠機床本身的精度來保證。而450m2主軸需用重型機床加工，僅靠機床本身的精度很難保證。因此，我們在CW2100臥式車床上采用了托架支撐，低速反轉、寬刃切削并輔以混合油潤滑冷卻的加工方法，保證了主軸的加工精度。該加工方法不用中心孔定位，以兩個托架支撐，用百分表測主軸與機床花盤的垂直度和二支撐位的同軸度，隨時修正誤差，使主軸始終保持在理想的狀態(tài)。這樣，避免了機床尾座和機床主軸可能出現的同軸度誤差（即機床本身的精度誤差），同時由于低速寬刃車刀和混合油的配合使用，大大的降低了切削熱量對加工精度的影響，基本上消除了走刀過程中產生的刀紋，提高了表面粗糙度。經最終檢驗，同軸度誤差在0.012mm，表面粗糙度到了0.4，證明主軸的此加工方法是成功可行的。

• 六、轉子動平衡

轉子動平衡是在德國申克公司生產的18噸硬支撐動平衡機上進行的。動平衡機的平衡精度可達每公斤重轉子0.5克毫米。平衡精度完全靠機床的精度保證。由于450m2轉子重量達26噸，動平衡機振擺架的支撐是滾輪支撐結構，與主軸表面的接觸力較大，在旋轉過程中容易使軸頸產生壓痕，因而會影響到主軸的表面質量。因此，避免動平衡產生壓痕是必須解決的問題。我們采用了在支撐軸頸為套裝（經過調質處理的45鋼）內外錐緊定軸套，以保護支撐位軸頸，取得了圓滿的效果。這也是我們目前所做過的最大直徑和最大重量轉子的動平衡。

結束語：本文僅介紹了大型燒結轉子在制造過程中壓膜成型、焊接及焊后表面處理和主軸精加工等涉及到產品表面質量等方面的一些較為重要的技術問題。目前，此轉子已順利制作完成，并通過了嚴格的檢驗驗收，各項指標均滿足了《技術協(xié)議》中的技術要求。

實踐證明：采用高韌性焊條、焊后熱處理、焊后消氫及焊后去應力處理、合理的坡口焊接方式及得當的防變形措施，在大剛度的中空軸的焊接中，保證焊縫內在和外在的質量及控制焊后變形是必要的和有效的，而在結構復雜、強度高、剛度大、材料復雜的大型葉輪組焊中，合理的焊接工藝和有效的防變形措施，也是保證葉輪制造質量的關鍵所在。