具有高效冷卻效果的內(nèi)齒面豎爐齒輥

張文周

介紹了一種結(jié)構(gòu)新穎的球團(tuán)豎爐齒輥，齒輥內(nèi)部表面由規(guī)則的圓形孔改進(jìn)為齒形孔，該齒形孔的截面形狀模擬外部齒形的結(jié)構(gòu)形式，顯著增加了內(nèi)孔表面積，冷卻效果明顯改善，有效提高了齒輥抵抗高溫工況的力學(xué)性能，延長了齒輥的使用壽命。

1. 概述

齒輥是球團(tuán)豎爐破碎過程中的重要工藝設(shè)備，其齒頂部在高溫、重載的惡劣工況下工作。眾所周知，金屬材料在高溫下的強(qiáng)度和硬度都比常溫下低得多，為抵抗接近1000℃高溫工況對齒輥力學(xué)性能的嚴(yán)重影響，常規(guī)齒輥的內(nèi)部均制造成圓柱形的空腔形狀，以便通水冷卻齒輥。因此冷卻效果是否良好，直接決定著齒輥使用壽命和球團(tuán)豎爐生產(chǎn)運(yùn)行的成本，是衡量齒輥質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。為此，如何提高齒輥的冷卻效果，是諸多齒輥制造企業(yè)一直在研究的課題。我們根據(jù)多年的制造經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種具有高效冷卻效果的新型內(nèi)齒面球團(tuán)豎爐齒輥。

2. 常規(guī)齒輥的結(jié)構(gòu)與冷卻效果分析

（1）常規(guī)齒輥的結(jié)構(gòu)形式 常規(guī)齒輥的外形鑄造為狼牙齒或條形齒，內(nèi)孔鑄造成圓形，輥身兩端鑲嵌空心軸頭，并與輥身焊接成一體，外部冷卻水通過空心軸頭進(jìn)入輥身內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對輥身冷卻的目的。但常規(guī)齒輥結(jié)構(gòu)由于外形為尺寸較大的齒形，內(nèi)孔為圓形孔，對齒根部位來說，齒根部位到內(nèi)孔之間的壁厚相對較小，而對齒頂來說，則齒頂部位到內(nèi)孔之間的壁厚明顯增大，故當(dāng)齒輥內(nèi)孔為圓形時(shí)，齒形根部和頂部的壁厚相差較大。

（2）因常規(guī)齒輥的壁厚不均，造成冷卻效果不均衡 齒輥的主要工作部位是齒形的頂部，理想狀態(tài)是讓齒頂部得到最佳的冷卻效果，以便將齒頂部的熱量快速帶走，使得齒頂部能夠在長期的高溫工況下保持良好的高硬度和耐磨性，提高其抵抗熱疲勞的性能。但實(shí)際上，對于需要強(qiáng)化冷卻的齒頂工作部位，由于此處壁厚較大，導(dǎo)熱效果差，因此降低了齒頂部的冷卻效果。而壁厚較薄的齒根部反而冷卻降溫較快，這是我們不希望看到的結(jié)果。

（3）常規(guī)齒輥的冷卻能力不足，鑄造缺陷較多 輥身內(nèi)部為圓孔通孔，在通水冷卻時(shí)，圓孔內(nèi)表面的面積即為最大冷卻面積，而冷卻面積的大小直接決定了冷卻效果的優(yōu)劣。在整根齒輥中，當(dāng)內(nèi)部圓形通孔直徑達(dá)到既定的設(shè)計(jì)數(shù)值時(shí)，其內(nèi)孔冷卻表面積的大小也就成為一個固定數(shù)值，在同等水流量和同等水溫條件下，其冷卻能力也不會再提高。如想提高冷卻能力，在冷卻水參數(shù)一定的情況下，則只能增加內(nèi)圓孔直徑，獲取內(nèi)孔表面積的增大，但內(nèi)孔直徑的增大，必然降低了齒輥根部最薄處的壁厚，以犧牲了整根齒輥的整體強(qiáng)度和剛度為代價(jià)，齒輥有可能在工作時(shí)斷裂。

由此可見，當(dāng)內(nèi)孔直徑達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，一是常規(guī)結(jié)構(gòu)的齒輥無法再增加內(nèi)孔冷卻表面積。二是由于常規(guī)齒輥輥身壁厚不均的原因，造成輥身鑄造凝固過程收縮不均、內(nèi)應(yīng)力不均，齒輥內(nèi)部容易出現(xiàn)縮松、氣孔、夾雜等鑄造缺陷，雖然后期補(bǔ)焊能夠起到一定的補(bǔ)救作用，但治標(biāo)不治本，在后期使用過程中，表面的補(bǔ)焊層很快就被磨透，導(dǎo)致齒輥發(fā)生漏水現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)，大幅增加使用成本。

3. 內(nèi)齒面齒輥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

（1）內(nèi)齒面齒輥的提出 針對常規(guī)豎爐齒輥冷卻不佳、使用壽命低、易滲漏等不足，我們深入分析了齒輥的結(jié)構(gòu)和冷卻特點(diǎn)，拋棄了常規(guī)齒輥的圓形內(nèi)孔結(jié)構(gòu)形式，在不增加材料和工藝成本的前提下，將內(nèi)孔截面形狀模擬外部齒形的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，內(nèi)孔不再是規(guī)則的圓形，而是與外部齒形類似的齒形孔。這種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是鑄造輥身的壁厚均勻、不易產(chǎn)生鑄造缺陷，齒輥內(nèi)孔表面積顯著增大，即與冷卻水的接觸面積增大，冷卻能力和冷卻均勻性相應(yīng)得到提升。

（2）內(nèi)齒面齒輥的結(jié)構(gòu)原理 圖1和圖2是齒輥改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)對比。通過結(jié)構(gòu)對比可以清晰地看出，新型齒輥內(nèi)孔的橫截面形狀與常規(guī)齒輥圓形內(nèi)孔的橫截面形狀存在明顯差異。圖2中，內(nèi)孔表面不再是有規(guī)則的平滑圓形面，而是模仿外部齒形的內(nèi)齒面，故新型內(nèi)齒面的表面積明顯增大，壁厚相對均勻。

（3）內(nèi)齒面齒輥具體制造方案 采用鑄造方式制造齒輥輥身毛坯，輥身的內(nèi)孔為齒形孔。在徑向截面上，內(nèi)孔齒形數(shù)量與輥身外部齒形數(shù)量相同，內(nèi)孔齒形的齒頂對應(yīng)外部齒形的齒頂，但內(nèi)孔齒形的形狀尺寸要小于外部齒形的形狀尺寸。輥身退火處理后在機(jī)床上加工好兩端軸孔，并在孔的端面加工出45?坡口。將熱處理和機(jī)加工好的主動端軸頭和被動端軸頭采用熱裝配的方式與輥身緊密裝配在一起，裝配到位后采用焊接方式把孔的端面坡口部位焊接牢固，焊接完成后通水做耐壓試驗(yàn)，確保不漏水。為保證這兩個軸頭與輥身裝配的可靠性，也可采用在輥身端部的徑向適當(dāng)位置安裝圓柱銷的方式，進(jìn)一步固定兩個軸頭，圓柱銷的外端部與輥身焊接密封牢固。

（4）內(nèi)齒面齒輥的先進(jìn)性 主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

①冷卻效果明顯改善。齒形內(nèi)孔的內(nèi)部表面積較常規(guī)齒輥的圓形內(nèi)孔表面積顯著增大，通水量和冷卻能力都得到明顯提高，大幅降低齒形工作部位的溫度，且由于壁厚均勻，齒形各部位冷卻均勻，有效改善了齒輥抵抗高溫工況的耐磨性能，解決了常規(guī)齒輥外圓齒頂部位散熱效果差、易過熱而出現(xiàn)疲勞開裂和脫落的弊端，明顯延長其使用壽命。

②鑄造質(zhì)量得到提高。由于輥身的內(nèi)孔和外形都是齒形，結(jié)構(gòu)形式完全一致，鑄造輥身的各處壁厚均勻，壁厚的均勻性則為鑄造凝固過程提供了更加良好的工藝條件，不僅降低了鑄造收縮過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，也明顯減少了縮松、氣孔等鑄造缺陷，提高了鑄件的致密性，從根源上降低了漏水的幾率，減少了由于鑄造缺陷帶來的補(bǔ)焊、維修等附加成本及齒輥使用運(yùn)行成本。

③降低了材料消耗。與常規(guī)圓形內(nèi)孔齒輥相比，相同外徑尺寸的新型內(nèi)齒面齒輥由于壁厚均勻，不易開裂和磨損，不需將壁厚制作得非常厚，因此采用內(nèi)齒面孔較圓形孔明顯減少材料使用量，有效減輕齒輥重量，降低制造成本，節(jié)約使用及維護(hù)成本。

4. 應(yīng)用情況及小結(jié)

齒輥內(nèi)孔形狀的細(xì)節(jié)改進(jìn)已取得了事半功倍之效果。近年來，我們采用新型內(nèi)齒面結(jié)構(gòu)制造的齒輥在國內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)的球團(tuán)廠投入實(shí)際生產(chǎn)，首批已經(jīng)使用一年多，實(shí)踐證明，改進(jìn)后的齒輥冷卻效果明顯提高，齒形耐磨性能進(jìn)而得到顯著改善，也沒有發(fā)生漏水、彎曲、斷裂等現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量得到用戶一致好評。

圖1 常規(guī)圓形內(nèi)孔齒輥

圖2 新型內(nèi)齒面齒輥

張文周，副總工程師，濟(jì)鋼集團(tuán)重工機(jī)械有限公司。