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唐山旋轉窯設備的材料選擇

旋轉窯誕生已有百年,廣泛應用與建材、冶金、鋼鐵、石灰、環保、能源等行業。它是干法水泥生產不可缺少的設備。中國從一開始旋轉窯依賴進口到國產化,再到大量出口國際市場,如今已成為全球產銷量、使用量最大的國家。旋轉窯相關標準規定了旋轉窯的制造安裝要求,但是符合標準要求的旋轉窯未必是完美的旋轉窯。


1.1 筒體材料


旋轉窯筒體是旋轉窯主要的零部件之一,其消耗鋼材占整臺旋轉窯的一半左右。旋轉窯筒體為鋼板卷制焊接而成的長圓柱筒,如圖2所示。長期以來,筒體材料一般選擇碳素結構鋼Q235B(原牌號A3)或質量等級較高的Q235C。低合金高強度結構鋼Q345D(原牌號16Mn)或鍋爐鋼Q245R(原牌號20g)因屈服強度更高或有害化學成分含量更小、綜合性能更高而被得到廣泛使用。


由于使用材料含較高有害化學成分導致旋轉窯筒體碎裂和嚴重腐蝕的情況屢見不鮮。新疆某水泥廠3臺預分解窯分別出現大齒輪處筒體裂縫,過渡帶大齒輪附近出現窯筒體開裂,自二檔輪帶至窯尾節處窯體斷裂、窯尾節掉下窯臺的重大事故;冀東某水泥廠1臺預分解窯發現窯筒體多條裂縫;2013年以后,多地水泥廠相繼發生窯筒體碎裂的惡性事故。隨著國家標準對Q245R、Q345D有害化學成分控制得更加嚴格,2018年低合金高強度結構鋼Q345D又被與歐盟標準對應的綜合性能更好、有害化學成分更少的Q355D代替。不同時期筒體材料有害化學成分見表1。


有害化學成分的減少使鋼板冷脆性和熱脆性降低,延展性、韌性、焊接性、冷彎性提高,這進一步提高了旋轉窯筒體剛度、冷態和熱態性能,有效降低了筒體熱態局部碎裂的可能性。


鑒于旋轉窯筒體的重要性、材料冷脆性和熱脆性敏感程度、使用環境的特殊性,優先選擇有害化學成分P、S等含量較低的Q245R、Q355D材料制作旋轉窯筒體是防止和避免碎裂的有效途徑。單從經濟性角度考慮可優選材料Q235C;單從冷脆性和熱脆性敏感性角度考慮應優選材料Q245R;既從冷脆性和熱脆性敏感性角度考慮,又從材料力學性能角度考慮,應優選材料Q355D。筒體材料的選擇直接影響旋轉窯的造價,業主應根據價格承受能力參與材料選擇。


1.2 托輪軸等軸類材料


標準規定旋轉窯托輪軸等軸類材料應不低于優質碳素結構鋼[4]45鋼的規定。由于45鋼成本價低,因此大部分制造廠選擇托輪軸等軸類材料為45鋼,而不使用合金結構鋼40Cr鋼。


40Cr鋼比45鋼的材料價格高5%~10%。45鍛鋼力學性能與40Cr鋼大體相當,區別在于熱處理性能。調質處理后的40Cr鋼具有良好的綜合力學性能,良好的低溫沖擊韌性、淬透性和低缺口敏感性。由于淬透性提高,淬火(或調質)處理后40Cr鋼的強度、硬度、沖擊韌性等機械性能也明顯比45鋼高。


40Cr鋼淬透性和調質處理后的綜合力學性能優于45鋼,容易把控調質處理后強度、硬度、沖擊韌性等機械性能。旋轉窯重要軸類零件由于機械性能原因斷裂的事故不在少數,因此建議托輪軸、小齒輪軸、擋輪軸等重要軸類的材料最低要選擇使用熱處理性能優越、性價比高的40Cr鋼。


對于有很高的靜力強度及沖擊韌性、較高的疲勞極限、高負荷下工作要求的特別重要的軸類零件(如小齒輪軸)可選用比40Cr鋼淬透性更好、性能更優越的合金結構鋼35CrMo、42CrMo等材料。


1.3 輪帶和托輪毛坯


標準規定旋轉窯輪帶托輪的材料為鑄鋼件,如現行國家標準GB/T32994—2016《水泥工業用旋轉窯》[7]規定輪帶材料不低于ZG35Mn,托輪擋輪材料不低于ZG35Cr1Mo。常規制造方法制造的大型合金鋼鑄件很難保證不存在任何鑄造缺陷,但鑄造缺陷的危害很大,補焊不當導致的危害也很大。從提高產品質量角度考慮,根據性價比可優先選用鍛造輪帶托輪。


鍛件的性能之所以比鑄件力學性能高,主要是因為通常鑄件凝固較低的冷卻速率導致鑄態晶粒和晶內組織較為粗大,且難以避免宏微觀偏析,往往存在疏松、雜質集中分布等缺陷,鍛造過程通過對鑄坯施加力的作用,使金屬材料發生塑性變形、流動,進而使材料組織致密、成分均勻、晶粒細化、雜質均勻分布,相比常規鑄態組織顯著提高了力學性能。


根據國內的鍛造能力和鍛造水平,Φ4m以下規格旋轉窯的輪帶托輪能夠通過鍛造方法完成毛坯的供應,但是鍛件存在材料價格差異。


對于Φ4m以上規格旋轉窯,輪帶托輪鍛造的材料價格高于鑄造的材料加工約30%;對于Φ4m規格旋轉窯,輪帶托輪鑄造和鍛造的材料價格相當,是價格的平衡點;對于Φ4m以下規格旋轉窯,輪帶托輪鍛造的材料價格略低于鑄造的材料價格約5%。對于小規格旋轉窯,輪帶托輪鑄件改鍛件,時機基本成熟。

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