ATOX-35立磨磨盤開裂的原因及處理措施

ATOX-35型立磨是從丹麥史密斯公司引進的生料粉磨設備，1988年7月投產(chǎn)至今，已運轉(zhuǎn)14年多，期間先后發(fā)生過磨輥開裂，減速器旋轉(zhuǎn)部分損壞，減速器止推軸承燒壞等設備故障。2002年7月由于止推軸承再次燒壞，檢修時發(fā)現(xiàn)磨盤上部靠中心部分有裂紋，運行13d后，磨盤裂紋從上到下斷面全部開裂，磨機再次被迫停機檢修。  
1　磨機技術(shù)參數(shù) 
　　能力:160t/h； 
　　磨機轉(zhuǎn)速:30.12r/min； 
　　減速器:FLS型　TTVLA2660，i=32.7； 
　　電動機:SR電動機　TIM DCK-D，功率1250kW轉(zhuǎn)速985r/min； 
　　質(zhì)量:213.3t。 
2　磨盤的化學成分及性能 
　　磨盤材質(zhì)經(jīng)化學分析，確認為球墨鑄鐵，其化學成分及硬度見表1。  

3　磨盤的受力分析 
　　磨機運轉(zhuǎn)時，磨盤既要承受運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的扭矩M，又支撐著磨輥系統(tǒng)的重力W及3根拉伸桿的拉力3F，磨盤的受力情況見圖1。 
　　  
  

3.1　磨盤傳遞的扭矩M 
　　根據(jù)公式M=159N/n，已知N=1250kW，n=30.12r/min=0.502r/s，則M=395916N•m 
3.2　磨輥對磨盤的壓力 
　　單個磨輥對磨盤的壓力P由磨輥系統(tǒng)重力W/3和拉伸桿的拉力F組成。 
　　磨輥系統(tǒng)的重力W由三角架、磨輥、拉伸桿、機頭、扭力桿、活塞桿等組成，總重力約為531750N。 
　　拉伸桿的拉力F為液壓缸所產(chǎn)生的拉力: 
　　F=π(13.592-6.752)×1250=546068N 
　　其中:13.59為油缸半徑，cm；6.75為活塞桿半徑，cm；1250為油缸壓力，N/cm2。 
　　故單個磨輥對磨盤的壓力: 
　　P=W/3+F=723318N 
4　磨盤裂紋現(xiàn)狀 
　　首次發(fā)現(xiàn)磨盤裂紋后(見圖2)，因為磨盤材質(zhì)為球墨鑄鐵，其焊接性能差，且磨盤壁厚大，焊縫所需坡口深，有可能在施焊過程中因局部過熱產(chǎn)生內(nèi)應力，導致磨盤整體開裂。因此，采取在磨盤襯板平面和支承立面上裂紋的末端20mm處，各鉆Φ20mm的止裂孔來處理。 
　　 
  
　
　　磨機投入正常生產(chǎn)，運行205.3h后，發(fā)現(xiàn)磨盤裂紋處斷面全部開裂，裂縫兩邊襯板上、下平面錯位0.8mm，上部裂紋間隙為δ2=2mm，下部裂紋間隙為δ1=1mm(見圖3)。 
　　 
  
　　圖3　磨盤開裂情況 
5　磨盤裂紋的原因分析 
　　 
5.1　設計缺陷 
　　在磨機運轉(zhuǎn)中，磨盤不僅承受磨機所需的扭矩M和3個磨輥對磨盤的壓力3P，還承受磨機運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的沖力負荷。 
　　立磨工作時，磨盤始終處于沖擊作用下，磨盤設計采用球墨鑄鐵，雖有良好的鑄造性能和較高強度，但由于鑄件中的石墨成球狀存在，其吸振性比灰口鑄鐵差，韌性比鋼差，抗沖擊作用的能力弱，且其斷面為T型單臂結(jié)構(gòu)，承載能力和抗扭剛度不如箱型結(jié)構(gòu)好。磨盤材質(zhì)為球墨鑄鐵時，其結(jié)構(gòu)采用箱型結(jié)構(gòu)比較合理，如采用T型單臂結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)宜選用鑄鋼。 
5.2　疲勞破壞 
　　磨機工作時，隨著料層厚度、物料粒度和易磨性的變化，磨輥對磨盤的作用力P不斷變化，對磨盤的作用點在磨機轉(zhuǎn)動過程中隨時間作交替變化，磨盤截面上任一點處的應力隨著時間周而復始的交替變化，從而產(chǎn)生交變應力，雖然其應力值遠小于抗拉強度σb，但當交變應力的大小超過一定限度時，首先在磨盤最薄弱的內(nèi)圓部分(由于其壁厚相對較薄)、最不利位置的晶粒所在的平面發(fā)生循環(huán)滑移，產(chǎn)生微小的、很細的疲勞裂紋，經(jīng)過應力的多次交替變化后，兩表面的材料將時而壓緊、時而張開，由于材料的反復壓緊、張開，已形成的疲勞裂紋不斷擴展，隨著裂紋的不斷擴展，有效截面不斷縮小，當削弱到一定程度時，在一個偶然的振動或壓力的沖擊作用下，使剩下的有效截面不能承受所加載荷，而導致磨盤斷面全部開裂。 
5.3　工藝原因 
　　磨機停機時，磨內(nèi)噴水未及時關閉，造成磨盤內(nèi)積水，磨盤局部由高溫狀態(tài)突然冷卻到常溫。由于熱脹冷縮的作用，磨盤產(chǎn)生很大的溫度應力，磨盤抵抗疲勞破壞的能力降低，在磨盤未產(chǎn)生微裂紋時，前期的使用壽命大大縮短。 
　　磨機料層厚度控制不當，石灰石粒度過大或金屬鐵塊進入磨內(nèi)，造成磨機振動加大，磨盤承受很大的沖擊負荷，過大的沖擊負荷會將很大的能量積蓄在磨盤內(nèi)，在磨盤最薄弱的內(nèi)圓截面處將造成能量分配不均勻的現(xiàn)象。在磨盤微裂紋附近的小區(qū)域體積內(nèi)能量將高度集中，形成很高的應力集中和應變集中，在磨盤產(chǎn)生微裂紋后，裂紋加速擴展，使磨盤后期的使用壽命縮短。 
6　處理措施 
　　 
6.1　磨盤焊接不能保證磨機正常運轉(zhuǎn) 
　　1)磨盤材質(zhì)為球墨鑄鐵，鑄鐵中的碳和硅含量較高，易產(chǎn)生氣孔，硅易產(chǎn)生二氧化硅，妨礙焊接過程的順利進行。 
　　2)碳和硅等石墨化元素易燒損及速冷，球墨鑄鐵中由于球化劑鎂的作用，焊縫接口處其白口化傾向增加，容易產(chǎn)生極脆的白口鐵組織，焊縫性能差。 
　　3)鑄鐵塑性差，焊接時應力較大，易產(chǎn)生裂縫。 
　　4)磨盤只能現(xiàn)場施焊，且焊縫處壁厚大，不能全部焊透，其焊縫強度只能達到母體強度的15%～20%，無法承受磨機工作時的負荷。 
6.2　加固措施 
　　開裂的磨盤采用加固措施來維持生產(chǎn)，磨盤加固后見圖4。 
　　 
  
　　圖4　磨盤加固結(jié)構(gòu) 
　　1.上抱箍；2.托板；3.下抱箍；4.蓋板；5.蓋板螺栓；6.斜鐵；7.內(nèi)筒；8.法蘭螺栓；9.夾板 
　　1)用厚20mm的20g鍋爐鋼板分別制作寬度為150mm的上抱箍和120mm的下抱箍，每個抱箍分4塊制作，接口處開好坡口，預留5～6mm間隙，每塊之間用螺栓連接，分別套到磨盤上部Φ3865mm和中部Φ2690mm外圓處。 
　　2)根據(jù)磨盤上部Φ1980mm和下部Φ2000mm的法蘭孔尺寸制作內(nèi)筒，內(nèi)筒上、下法蘭用厚30mm鋼板，中間筒體用厚20mm鋼板制作，筒體用12塊筋板加固，內(nèi)筒分3塊放入磨盤內(nèi)再拼焊成1個整體，內(nèi)筒上部法蘭與磨盤之間用24塊斜鐵調(diào)整。 
　　3)蓋板厚度由20mm改為30mm，將磨盤蓋板、內(nèi)筒上法蘭與磨盤上Φ1980處的法蘭螺栓孔一起配鉆24-Φ24mm螺栓孔，用24根M24×240高強度螺栓緊固(8.8級)。 
　　4)磨盤上部下平面裂紋處安裝50mm厚的夾板，利用擋料圈M16螺栓和加大的M27磨盤襯板螺栓各4根，將磨盤上部平面裂紋處夾緊，防止磨盤襯板平面在裂紋處上下錯位。 
6.3　安裝技術(shù)要求 
　　1)安裝前，先清洗磨盤抱箍處、下法蘭上的粉塵和鐵銹等，確保抱箍、內(nèi)筒下法蘭與磨盤接觸良好。 
　　2)用氣割(6～8把)快速將抱箍加熱到150～200℃，邊加熱、邊敲打、邊緊固螺栓，待接口處間隙縮小到2mm時，恒溫焊接抱箍接口。 
　　3)12塊夾板利用擋料圈螺栓固定，上抱箍接口焊接完后，每塊夾板與上抱箍焊牢，將上抱箍的支耳、螺栓割除。 
　　4)內(nèi)筒焊完后，冷態(tài)下先緊固下法蘭6根M42螺栓，力矩為2850N•m。 
　　5)斜鐵打緊后，與內(nèi)筒上法蘭焊牢，然后緊固24根M24螺栓，力矩為600N•m。 
　　6)磨盤加大的4根M27襯板螺栓緊固到力矩850N•m，4根M16擋料圈螺栓緊固到力矩170N•m。 
　　7)開機8h后，停機檢查抱箍焊縫，重新緊固內(nèi)筒上、下法蘭螺栓，夾板襯板螺栓和擋料圈螺栓到規(guī)定力矩，此后每3d緊固1次，直到下次緊固時螺母不動為止。 
　　8)磨盤加固時，必須嚴格按圖紙施工，技術(shù)員必須全過程進行質(zhì)量監(jiān)控和現(xiàn)場指導，每施工一步都必須得到技術(shù)員認可后才能進行下一步，直到加固工作全部結(jié)束。 
7　結(jié)束語 
　　磨盤突然開裂后，一些國內(nèi)知名機械廠均表示無法焊接修復，因無新磨盤，5號窯被迫停產(chǎn)，磨盤進口時間至少需要6個月，費用120多萬元，國產(chǎn)磨盤時間最快45d，費用30多萬元，我們通過采取加固措施，磨機于2002年8月5日開機，目前運轉(zhuǎn)正常，估計能正常運轉(zhuǎn)6個月以上，可待新磨盤到貨大修時再更換國產(chǎn)磨盤。新磨盤采用國產(chǎn)磨盤，牌號QT50-20，屬鑄態(tài)低合金、高強度、高韌性球墨鑄鐵。 
　　該加固措施能節(jié)省磨盤進口費用90萬元，期間可減少停機55d，可多生產(chǎn)熟料11多萬t。