渣处理脱水器外轨裂纹分析及处理

渣处理脱水器外轨裂纹分析及处理

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摘要：

脱水器是高炉渣处理系统中的核心设备。脱水器外轨出现故障是困扰生产顺行一个较大故障。本文以龙钢公司炼铁3#炉渣处理脱水器外轨的故障处理修复为例，为解决脱水器外轨疑难问题，延长脱水器使用寿命提供了有益的思路。

主题词：高炉渣处理脱水器外轨故障处理

引 言

现代高炉普遍使用IBNA法脱离水渣，这是一种将渣水混合物经脱水器脱水后由皮带运出的处理方法。脱水器是该系统中的核心设备。脱水器外轨经常会会出现裂纹、辊道跑偏、链条偏磨、外轨螺栓频松动、档辊损坏频繁等一系列故障，是困扰生产顺行一个较大故障。龙钢公司炼铁3#高炉渣处理脱水器外轨在出现各种故障后，采取了正确的策略，有效的解决或缓解了脱水器外轨存在问题，延长了设备寿命。

1. 外轨裂纹问题及解决

1.1系统介绍

水渣处理的核心设备就是脱水器。脱水器过滤器为一旋转滚筒，其圆周安装有不锈钢滤网和金属支承网，鼔内还均匀分配若干带滤网的轴向叶片。水渣在下半周处滤去部分水后被叶片带走，并边旋转边自然脱水。当转至脱水器上半周处时，渣即落到深入鼔内的运载皮带（可移动折叠带）上运至渣场运出。脱水器的筒体两端安装两道外轨，支承在两组对称分布的托辊上自由旋转。在大负荷连续运转之下，脱水器外轨极易磨损变形，或发生裂纹。外轨在正常运转下一般使用寿命可达5年之久，与滚筒同时更换。

脱水器外轨因尺度大、负荷重、运行时间长，在铸造可能存在缺陷或维护不当的情况下，常发生裂纹现象，若采用常规手工焊接，根本解决不了问题，焊缝随焊随裂且不断延展。且拆卸外轨进行修复，会严重影响高炉的正常生产，加剧环保形势的恶化。因此，如何利用渣处理停机的宝贵间隙，运用合适的焊接方式，采用科学的焊接工艺在线修复脱水器外轨裂纹成为一道棘手而迫切的难题。

1.2外轨裂纹的产生

龙钢公司3#炉脱水器因正常磨损于2015年6月整体更换。运行1年后，出现外轨裂纹现象，继而扩展发生延性断裂，裂纹呈横向贯通外轨表面间距不等，深度5-20mm。断裂处母材呈松散的颗粒状。在裂纹初期脱水器出现爬行、托辊托辊外轨偏磨等现象，裂纹在未采取有效维修措施的情况下发展很快，2周即可透底，边缘起皮、掉屑，反过来加快托辊的磨损，形成恶性循环。如不尽快解决，将导致脱水器运行不稳、爬行，最终停机，系统失效，高炉不得不连放干渣的局面，在环保压力愈增的形势下将会增加全局的困境。

1.3原因追究及初步方案

分析原因外轨出现裂纹的原因，有以下几方面原因：

外轨铸造可能存在缺陷；安装误差；维护不及时，外轨螺栓松动未及时紧固等。如何解决裂纹问题是当务之急，分析解决方案有两条思路：

1.3.1、更换脱水器外轨。该方案优点是从根本上解决问题，直接弃用故障外轨。缺点是必须在大修之际实施，平时更换，势必对正常生产造成损失；在环保形势日益严峻的大背景下，放干渣是不被允许的；且费用巨大，两道外轨的费用是。

1.3.2.设法焊接修复。该方案优点是可延长脱水器外轨的使用寿命，将更换时间最大限度延迟，保证高炉造成生产节奏。缺点是没有先例可循，经验必须自己摸索。

经过反复分析论证，最终决定采用焊接修复的稳妥方案。决定先对外轨进行焊接修复，维持正常生产，再择机更换。

1.4.脱水器外轨焊接修复方案制定及实施

在以不耽搁正常生产的前提下，利用出铁间隙进行外轨裂纹的焊补，每炉间隙为1.5小时，在准备充分的情况下可完成一道裂纹的焊补。

现场焊补的不利因素是焊接位置不便操作，需搭设活动支架，但优点是外轨变形小，不需担心焊接后外轨安装误差大，且节省了拆装时间，符合保证正常生产进行的预期效果。

焊接前脱水器停机断电挂牌专人监护，先检查外轨固定螺栓并进行紧固，以预防二次开裂。

1.5外轨材质分析

脱水器外轨的材质为ZG310-570，属中碳钢，焊接性能较差，淬硬性倾向大，属于较难焊接的材料。且该结构件尺寸较大，厚度达到mm，最低屈服强度310Mpa,最低抗拉强度570Mpa。

外轨材质的化学成分，见下表：

较大厚度工器件由于焊缝金属在冷却收缩时产生较大的内应力，极易发生裂纹现象，外轨在焊接热循环过程中，从高温冷却是易发生淬硬的马氏体组织，冷裂纹的敏感性大，且外轨在长期高负荷下受到重压载荷，在焊接修复工艺中必须注意保证焊缝的力学性能和受力面的同心度要求。

1.5焊接方式的选择

二氧化碳气体保护电弧焊（简称CO2焊）是以二氧化碳气为保护气体，进行焊接的方法。在应用方面操作简单，适合自动焊和全方位焊接。它成本低廉，二氧化碳气体易生产，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊丝即可获得无内部缺陷的高质量焊接接头。因此这种焊接方法目前已成为黑色金属材料最重要焊接方法之一，是焊接脱水器外轨的上选。

1.6.焊接实施

1.6.1.坡口制备

外轨焊接前首先清除表面的水渍、油污，使用手提砂轮机将外轨裂纹周围打磨至金属本色，再去掉母材断裂处的疏松材质，制作合理的坡口。由于母材厚度较大（70-90mm），为控制变形，保证焊接质量，采用V型坡口（见图），以减少填充材料的使用。将坡口周围50mm范围里打磨干净，露出金属光泽。焊前对坡口两侧进行PT探伤，确认无裂纹缺陷。

1.6.2.焊前准备

焊接前外轨裂纹周围需预热，以减小焊接应力，防止开裂。预热是防止冷裂纹的重要工艺措施之一。中碳钢的焊接需要预热和控制层间温度，以降低焊缝和热影响区冷却速度，减小淬硬倾向和焊接应力，并有利于焊接接头中扩散气体的逸出，从而减少和防止马氏体的产生。预热温度的选择取决于碳当量，母材厚度，结构刚性和焊接方法等。

外轨实际焊接时采用氧乙炔焰对坡口两侧150mm范围内加热，预热温度要均匀，不能用大火短时急剧加热，以防止局部应力过大而变形。

ZG310-570的碳当量Ceq-0.72，可知焊前预热温度需在250℃。现场采用红外测温枪专人检测，保证层间温度控制在250℃左右。

1.6.3.焊接材料的选择

焊接材料的选择根据工况条件决定，首先强度上应尽可能与母材等强；其次对于受动载荷或冲击载荷工况条件下使用的构件，焊接材料选用应保证有一定的塑性和韧性。

焊材选用应侧重于力学性能及抗裂性良好，金属冲击吸收能量比较高的材料，综合考虑决定采用1.6mm实心焊丝，该焊丝熔敷金属的化学成分及力学性能与外轨工况较为匹配。

1.6.4.焊接变形的控制

由于此工件属于脱水器设备重要的支承件，焊接质量要求高，焊接量较大，焊接接头存在应力大、易开裂的情况，除焊前检查紧固外轨外，焊接参数的选择原则是尽可能减少热量输入。对于厚度较大的焊件，因焊件速度过快而易产生淬硬组织，可通过适当的措施预热降低焊缝和热影响区冷却速度。

为了控制焊接变形，不能一次焊满，采取合理的焊接顺序才能有效地控制焊接变形。达到预热温度后，开始焊接。定位焊固定后进行打底焊接，打底焊接时首先把定位焊接时遗留的间隙部分补焊完整，保证两面焊透。

填充焊采用多层多道焊接和交替焊接的方法，焊接层数增多对提高焊缝的塑性和韧性有利，因为后焊道对前焊道有正火和回火的作用，使热影响区微组织晶粒细化，每层厚度不超过4-5mm。并采用短段、断续、分散等方法，接头尽量错开。除打底和盖面焊外，其他焊道在焊完后可用锤击的方法对焊道的内应力进行释放，锤击的程度可随焊接层数的增加逐渐减小。每焊完一道后，立即锤击焊缝，锤击要均匀，从焊缝中心向两边锤击，直至焊缝上出现密布麻点，以释放应力。

每焊完一段后，不要急于熄弧，应将弧坑填满，并将电弧引至熄弧点附近熄灭，起附加热处理作用。

1.7焊后处理和检验

焊接结束后，外轨内部产生了大量的残余应力，为了防止产生延迟裂缝，焊后应及时进行退火处理。其实温度为250℃，升温速度50℃/h，温度达到610±10℃，保温6h，以50℃/h的速度进行降温至250℃，随周围温度缓冷。在实践焊接时，因条件所限，采用氧气乙炔火焰对外轨裂纹进行退火处理，根据出铁时间，尽可能延缓其冷却过程。

每焊完一道裂缝后，用手提砂轮机、角磨机、砂纸将外轨焊缝表面正面、侧面按次序打磨平整，保持圆柱度、平面度。

1.8.安全措施

焊接期间岗位工安排专人监护，提前与主控室做好沟通，焊接前皮带、渣泵全部停机断电挂牌，将控制方式打到现场模式，脱水器停至适于焊接位置亦断电挂牌，开机前焊接人员、设施撤离至安全位置，二次确认，确保安全。

2. 外轨位置偏移

实际生产中脱水器出现的另一大问题是脱水器偏移，及脱水器在轴向或径向出现较大幅度的偏移，因外轨为承力部位，我们简称为外轨偏移。

2.1外轨偏移的原因

2.1.1更换托辊过程中脱水器筒体在巨大自重下下移，导致托辊未安装到位；

2.1.2脱水器筒体在更换托辊过程中未进行校正；

2.1.3检修或抢修时间紧张，校正难度大；

2.1.4脱水器链条磨损加快，严重时发生突然断裂事故，不得不抢修更换；

2.1.5脱水器大链轮、小链轮磨损加快；

2.1.6脱水器一侧档辊失效，另一侧档辊承力过大，损坏频繁，或托辊底板撕裂；

2.1.7脱水器外壳磨损；

2.1.7严重时筒体脱出辊道，导致系统瘫痪；

2.3外轨偏移的解决思路

2.3.1双吊车配合法

启用2台吊车，分别从两端外轨内侧着力起吊筒体至自由位置，校正并固定正确位置后将托辊安装到位。优点是筒体可移动至正确位置，但需考虑作业空间是否许可，及吊车的高度配合。有一定难度

2.3.2千斤顶推移法

利用脱水器偏移侧基柱设计焊接基座，两侧对称安装2个50t千斤顶，着力于外轨，将筒体向偏移侧反向推移至正确位置，再调整径向误差。优点是力量大，作业费用低，缺点是基座焊接受空间限制，需巧妙利用。

2.3.3倒链拉拔法

利用皮带钢支柱从两侧搭设倒链，再筒体上非密封位置焊接耳座将脱水器筒体拉回正确位置。优点是易于实施，缺点是受倒链最大能力限制，可作为千斤顶推移法的辅助方法。

2.3.4四角挪移法

利用脱水器筒体外壳四角工字钢立柱挂设4个大型倒链，在筒体两端钢壳上焊接耳座，同时起吊，即可挪移筒体，进一步调整正确位置。这是最佳方案。经测算，4个10t倒链均匀受力即可起吊筒体至正确位置。

2.3.5脱水器校正法

校正脱水器筒体好核心在于首先要最终使脱水器筒体大齿圈与传动小齿轮的中心面相互重合，可使用吊线法和垂直面延长法。其次兼顾筒体中心线与水平面的平行，可使用操平法进行检验及校正。若脱水器筒体为单侧链条装置，则考虑受力不均引起的筒体偏移，应将链条侧适当抬高10-20mm,以消抵偏拉引起的偏移力。

3.脱水器外轨螺栓松动的解决思路

3.1外轨螺栓松动原因

3.1.1外轨尺寸不合格

因外轨二次订购厂家非原厂家，常会出现外轨部件不完全配套问题，应尽量选用原厂家产品。

3.1.2南北外轨规格不同

问题同上，两侧外轨非同一厂家，分段数目不易，一侧分2段，另一侧分3段，导致脱水器筒体在运行中那边外轨摩擦阻力不同，久之引起累积误差加重外轨偏移。

3.1.3外轨结合面安装时未清理

外轨安装时结合面积垢。铁锈的杂物为清理彻底，造成外轨与基座之间的间隙不能消除，为外轨松动埋下隐患。

3.1.4润滑过量

当外轨辊面润滑油过量时，多余的润滑油脂留渗入外轨结合面及螺栓螺纹上，减小了摩擦力引起外轨滑移，螺栓松动、断裂频繁。

3.1.5生产节奏紧，紧固不彻底

当外轨螺栓松动后，因生产任务重节奏紧，每次紧固作业时间短，不能一次性全面紧固螺栓，使得局部紧固的螺栓很快松动，并不断恶化。

3.2外轨螺栓松动危害

3.2.1更换频繁

几乎每天每班都要安排维修人员紧固，疲于应付。且螺栓备件供不应求。

3.2.2作业安全

频繁作业队人身安全形成较大安全隐患。

3.2.3螺栓断裂

螺栓断裂后情况不断恶化，内部断裂不能处理的情况增多，进一步形成恶性循环。导致外轨缝隙加大，链条磨损，甚至外轨脱落，引发系统瘫痪停机事故。

3.3脱水器外轨螺栓松动的解决办法

3.3.1选用正确规格外轨

避免前后厂家不一；保证外轨内径与基座外径的最小误差。

3.3.2安装前底部结合面彻底清理

将底部锈蚀、粘接、凸起全部清除干净，避免外轨压紧不实。

3.3.3安装时结合面打胶

在结合面涂抹密封胶，可有效封闭结合面空隙，避免油脂、水分侵入，增大摩擦力，提高外轨的紧固性。

3.3.4螺栓紧固顺序正确

紧固时应从外轨分段的中部想两端对称均匀紧固，将外轨完全压实。

3.3.5螺栓防松动

可在螺栓螺纹上涂抹放松剂，及加设弹性垫圈、锁紧螺母等，有条件可选用专用放松螺栓。

3.3.6脱水器校正

脱水器校正良好是外轨螺栓防松的大前提，外轨校正良好有利于外轨受力均匀，避免螺栓在过大载荷波动下迅速疲劳以至频繁断裂的发生。

4.正确外轨问题解决实施效果

外轨在现场进行焊接修复后冷却至室温对焊缝进行无损探伤，未发现较大气孔、夹渣等缺陷。整体尺寸长度方向的收缩量在要求范围内，圆柱度达到了外形尺寸要求。此后。陆续对产生的少量新焊缝焊接2次，外轨在焊接修复完成后已安全运行至今，仔细观察，原焊接部位未发现复裂现象。

同时，脱水器偏移、螺栓松动进行一系列有效的维护，将脱水器寿命延长5年之久，且未发生重大事故，或备件费用超标现象。达到了预期效果，安全将外轨运行至大修更换周期里。圆满完成了预期任务。

5.参考文献

[1]《材料的焊接》、中国机械工程学会焊接学会、第三版、2014-10

[2]《焊接残余应力的产生与消除》、中国石化出版社、宋天民、2005-01

[3]《1800高炉脱水器技术协议》、内部资料2010