三段式貫流齒輥研制與應用

王洪剛，姜紹海，胡小琳，紀云玲，戴 勇

（1.濟鋼集團重工機械有限公司，山東 濟南 250101；2.中國重汽濟南動力有限公司鑄造中心，山東 濟南 250101）

齒輥是豎爐齒輥卸料機的關鍵設備[1]，其緩慢轉動，使料柱松散，以保持爐內物料均勻下行。豎爐內經過焙燒的球團礦，通過兩齒輥間的縫隙，落入齒輥下面的漏斗；結成塊的球團礦，在輥齒的剪切和擠壓作用下被破碎，達到想要的形狀。

整體式齒輥具有制造成本低，整體剛性好的優點，在豎爐作為一項新技術被應用時，其工況比較好，工作壓力不太大，此時它可以滿足生產的需要。但近年來，各燒結廠為提高產量，都加大了豎爐的工作負荷，作為豎爐關鍵部件的傳統齒輥壽命已經越來越不能夠滿足生產需要，必須研制一種新型齒輥取而代之，于是三段式貫流齒輥應運而生。

1 整體式齒輥的缺點

圖1為整體式齒輥簡圖，材質為鑄鋼。鑄造時采用立澆方案，圖中A，B部位為齒輥鑄造凝固時的熱節，凝固后兩處易形成集中縮孔大大影響了輥徑的強度和質量。中間部位，因為距離冒口較遠，冒口補縮高度遠遠不能滿足齒部的補縮要求，齒部必然形成縮松，造成最后打壓漏水和壽命減短。從以上兩點分析可以得出這樣的結論：此種齒輥輥徑和齒部極易產生缺陷。

圖1 整體式齒輥簡圖

經過10多年摸索與研究，認為：只有改變齒輥的結構才能從本質上改善其工藝性能和提高其使用壽命。

2 三段式貫流齒輥

圖2 三段式貫流齒輥簡圖

針對整體式齒輥存在的問題，設計了三段式貫流齒輥如圖2。由于齒部采用了與輥徑相分離的結構，消除了兩端熱節，工藝性能得到了提高。仍采用立澆方案，由于輥身上部的重力補縮和下部末端區的存在，整個齒部不存在潛在的熱節問題需要解決，可以得到內部組織均勻致密的鑄件。在充分的論證之后，我們采用了鑄鋼件凝固模擬軟件華鑄CAE模擬。模擬結果見圖3，分別為澆注后1800s、400s、5400s、7500s齒輥凝固補縮情況；整個齒部在冒口足夠高的情況下沒有縮孔、縮松出現，組織致密。這說明改為三段式后的齒部工藝性能從本質上得到了極大的改善。

上、下輥徑采用鍛鋼件，組織致密，避免了鑄造過程產生的縮松及其他缺陷，性能較整體式大大提高。

圖3 輥身CAE模擬結果

3 三段式貫流齒輥的工作原理

將齒輥改為三段式的同時，我們還對齒部輥身結構作了進一步修改，在輥身內部增加了貫流機構，見圖2中件4。

圖4 齒部截面圖

無貫流結構的齒輥截面如圖4所示。由圖2可以看出冷卻水由左端進入，右端流出，完成對齒輥的冷卻。齒部內腔截面積為 S1=3.14×1252=49062.5mm2，而輥徑內腔截面積為S2=3.14×552=9498.5mm2，S1/S2=5.17，由于內腔截面積的突然增大5.17倍，造成工作時小截面的輥徑部分有充足的水冷卻，到了大截面齒部水冷卻不足，特別上半部無水冷卻（見圖4）。齒部在一個工作周期無疑是受載最大的部位，而且齒部的上半部較下半部承受載荷大得多；而此時在齒輥齒部上方無水冷卻，這就使得內腔上半部存在空氣，空氣在高溫狀況下被加熱，氣壓增大，壓迫齒部水流，使得齒部水流截面積進一步減小。在半個工作周期結束時，上部無水齒部被加熱到很高溫度，轉到下部時遭遇冷卻水激冷，周而復始，齒部在冷熱交變應力下，發生相變，晶粒逐漸變大，從而開裂漏水。

針對這個問題，我們在齒部內腔加入貫流機構的方案，即在齒部加入了阻流機構，使得冷卻水被迫經過齒部上半部分，而且單位過水面積比進出水口小。在進出口面積較大，而中間過水面積較小，水的流量一定時，面積減小水流速度增加，而且形成紊流帶走更多熱量。對于硬水冷卻齒輥，流速增加，增加了對齒輥內腔的沖刷，減少結垢現象的產生。

4 結束語

三段式貫流齒輥具有工藝性能好，品質高，水冷結構合理，壽命長等優點；并率先在濟鋼燒結廠使用，然后在新疆八一鋼廠，萊鋼等推廣應用，并取得了非常明顯的效果。這種齒輥已經獲得國家使用新型發明專利，并獲得日內瓦國際專利博覽會金獎。

［1］孫愛軍，張利軍.球團豎爐齒輥卸料機齒輥的開發［J］.河北冶金，2004（1）：21-26.