篦冷機高溫篦板使用失效原因分析及解決方案

張忠圓

1 前言

天津水泥工業設計研究院有限公司（以下簡稱“天津水泥院”）自主設計研發的第四代篦冷機，是目前國內綜合性能較為優異的篦冷機機型，其核心技術包括：高效急冷斜坡技術、新型前吹高效篦床篦板技術、高溫區細分供風技術、高溫耐磨材料創新技術、新型流量調節閥技術及智能化“自動駕駛”技術。其中，高效急冷斜坡技術主要應用于具有高速射流效果的新型高溫篦板，替代傳統的固定斜坡高溫篦板。圖1 展示了高效急冷斜坡高溫篦板風道冷卻路徑及優化前后軟件模擬分析結果。

圖1 高效急冷斜坡高溫篦板風道冷卻路徑及優化前后軟件模擬分析結果對比

為實現高速射流風道效應，高溫篦板需具備以下三個條件：

（1）形成風道效應的篦板葉片，需具備較好的高溫強度，使用過程中不能發生彎曲變形；（2）篦板葉片需具備較好的高溫耐磨性能，使用過程中磨損速率緩慢；（3）篦板框架結構穩定，框架整體需具備較好的耐高溫性能，使用過程中不能發生擠壓彎曲變形。

近年來，第四代篦冷機使用量高速增加，高溫篦板在使用過程中逐漸凸顯出了一些問題。通過對2019年之前投產的高溫篦板進行統計，發現約5%高溫篦板使用后存在不同程度的失效問題，失效原因各不相同。天津水泥院對高溫篦板失效狀態進行了收集匯總分類并分析了失效原因，提出了解決方案，采用力學性能更優的新篦板材料、適宜的篦板鑄造成型工藝和質量檢驗方法以保證篦板的使用效果。多個項目實際應用情況表明，新篦板使用效果良好。

2 篦板的失效方式分類

高溫篦板使用過程中的失效方式分為四類。每類失效方式占總失效方式的比例及發生時間統計結果如表1所示。

表1 篦板失效狀態匯總

第一類：篦板葉片自身塌陷彎曲變形，如圖2所示。

圖2 葉片自身塌陷變形失效

第二類：篦板葉片斷裂，但斷裂位置有規律，如圖3所示。

圖3 葉片斷裂失效

第三類：篦板葉片前端發生磨損、開裂、掉塊等問題，影響篦板使用效果和壽命，如圖4所示。

圖4 葉片前端掉塊失效

第四類：篦板葉片和框架整體拱起，彎曲變形，如圖5所示。

圖5 葉片和框架擠壓彎曲變形失效

3 篦板失效原因分析

從表1可以看出，高溫篦板的失效方式以第一類最為常見，約占總失效方式的75%，一般在使用12 個月后發生；第二、三類失效方式，約占總失效方式的20%，一般發生在使用初期的1 個月左右；第四類失效方式比較少見，約占總失效方式的5%左右，一般在使用12 個月后發生。排查分析各類失效方式失效原因如下。

（1）第一類失效方式失效原因

現場勘察發現，第一類失效方式篦板的葉片在使用12 個月后，磨損減薄嚴重，強度顯著降低，在物料沖擊及高速冷卻風的綜合作用下，葉片自身塌陷彎曲變形。此類失效方式，不僅葉片與葉片配合形成的具有高速射流效果的風道失效，且變形葉片和未變形葉片不同程度貼合在一起，導致通風風道截面減小甚至堵死，造成篦冷機熱交換效果變差。

（2）第二、三類失效方式失效原因

雖然第二、三類失效方式篦板的失效部位不同，第二類是在葉片的一側開裂，第三類是在葉片的前端開裂、掉塊，但是這兩類失效方式均為葉片本身開裂失效導致，均發生在使用1個月左右的短時間內。分析原因，因物料下落到篦板上，對葉片產生沖擊時，葉片與框架結合的剛度及葉片本身的剛度均無法有效抵抗物料沖擊所致。

（3）第四類失效方式失效原因

第四類失效方式篦板比較少見，表現為篦板整體變形，即，葉片和篦板框架整體被擠壓拱起，彎曲變形失效。現場勘測發現，篦板葉片磨損減薄后，發生彎曲變形并貼合在一起，造成通風不暢，致使篦板溫度過高，發生整體熱膨脹；同時，固定斜坡的框架制作也存在問題，導致整體熱膨脹的篦板擠壓在一起，最終兩側均受擠壓力的1～2塊篦板（葉片+篦板框架）拱起，發生彎曲變形。

綜上分析，為解決篦板失效問題，一方面，需進一步提升目前使用的耐熱鋼材料ZG40Cr25Ni20的力學性能；另一方面，需進一步優化葉片結構，提高篦板葉片、葉片和框架組裝后的剛度和抗沖擊力。

4 提高篦板力學性能和優化葉片結構的解決方案

研發了一款可替換ZG40Cr25Ni20耐熱鋼篦板且在900℃高溫狀態下力學性能更優的新材料，對篦板葉片結構在現有基礎上進行了優化升級。

4.1 篦板新材料的研發

4.1.1 新材料的設計思路

ZG40Cr25Ni20 耐熱鋼鑄態組織為單一的奧氏體，工況溫度＞727℃時不會發生相變，具有良好的熱穩定性能，但缺乏強化相和熱強性碳化物形成元素，高溫力學性能不能滿足使用要求。

新材料的設計思路為研發一種碳化物強化奧氏體型、熱強型耐熱鋼，因此，要求新材料的主要組織仍是奧氏體，以保證其在工況溫度＞727℃時不會發生相變，具有良好的熱穩定性能；同時，依靠不同的強化元素，保證新材料的高溫力學性能。

在擬研發的新材料中，Ni 元素含量低于ZG40Cr25Ni20 中的Ni 元素含量，需添加大量的Ni元素以形成穩定奧氏體組織，使新材料獲得完全奧氏體組織，具有熱強性；含有微量的N元素，同樣起到形成并穩定奧氏體組織的作用，可提高強度和耐蝕性；含有大量的Cr元素和一定量的Si元素，可保證新材料具有高溫抗氧化性能和耐腐蝕性[1-2]；添加一定量的Mo元素，能夠提高鋼的耐磨性和熱強性，在鋼中形成特殊碳化物，有效防止氯化物的熱腐蝕[3]；添加微量的Nb元素，形成碳化物，產生彌散強化，改善抗晶間腐蝕能力，并細化晶粒；含有微量的Re元素，不僅對鋼液起到凈化作用，而且能夠細化晶粒。

4.1.2 新材料的性能測定

（1）新材料的熱穩定性能

采用鑄造成型方式，將新材料制作成Y 型試塊；使用線切割方式，將Y 型試塊制成20mm×20mm×10mm 的小試塊；將小試塊表面分別采用200目、600目的砂紙先后進行拋光處理；使用“90%鹽酸+10%硝酸”溶液進行小試塊表面腐蝕，腐蝕完成后，處理干凈表面并烘干；放置在SEM掃描電子顯微鏡中進行EBSD 電子背散射衍射測試，測試結果如圖6所示。

圖6 新材料的EBSD 測試結果

由圖6 可以看出，新材料中99.8%的成分為奧氏體組織相（fcc），在添加其他強化元素后，鑄態組織仍為全奧氏體，在700℃及以上溫度時，不會發生相變，具有良好的熱穩定性能。

（2）新材料的力學性能

按照試驗標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》及GB/T 4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》，對新材料和ZG40Cr25Ni20 在室溫、900℃下的高溫力學性能分別進行了測試，測試結果如表2所示。

表2 室溫及高溫力學性能測試結果

從表2 可以看出，新材料的室溫力學性能及900℃高溫力學性能均優于ZG40Cr25Ni20。

4.2 篦板葉片結構的優化升級

使用新材料提升篦板力學性能的同時，對篦板葉片結構也進行了升級優化，以提升篦板整體剛度，延長使用壽命。

篦板葉片結構的優化，主要以增加葉片本體剛度為主，使葉片本體更加抗沖擊，葉片和葉片配合，形成具有高速射流效果的通風道，使其效應更加穩定持久。優化葉片結構后的高溫篦板如圖7所示。

圖7 優化葉片結構后的高溫篦板

5 新材料高溫篦板鑄造成型及質量檢驗

通過應用新材料篦板及優化升級篦板葉片結構，能夠有效解決高溫篦板使用失效的問題。為了保質保量完成高溫篦板的生產，選擇適宜的鑄造成型工藝及成品質量檢驗方法尤為重要。

5.1 新材料高溫篦板的鑄造成型

高溫篦板通過葉片與葉片之間的配合，形成具有高速射流效果的通風道，對于葉片的尺寸和表面光潔度要求較為嚴格，生產新材料高溫篦板，精密（失蠟）鑄造工藝是能夠滿足篦板葉片生產要求的最佳工藝方案。

精密（失蠟）鑄造[4]工藝流程為，用易熔材料（蠟料）制成可熔性模型（簡稱熔模），并在其上涂覆若干層特制的耐火涂料，經干燥和硬化，形成整體型殼；再用蒸汽或熱水從型殼中熔掉模型，并將型殼置于砂箱中，在其四周填充干砂造型；將鑄型放入焙燒爐中高溫焙燒（如采用高強度型殼，可不必造型，將脫模后的型殼直接焙燒）；鑄型或型殼經焙燒后，澆注入熔融金屬得到鑄件。精密（失蠟）鑄造工藝流程見圖8。該鑄造工藝具有以下優點[4]：

圖8 精密（失蠟）鑄造工藝流程

（1）鑄造尺寸精度高，光潔度好。鑄造尺寸精度最高可達名義尺寸的5‰，粗糙度水平為Ra0.8～3.2μm，大大減輕了后續機械加工的負擔，在近凈形（零件成形后，僅需少量加工或不再加工）甚至凈形的情況下，機械加工幾乎全部被取消。

（2）能夠鑄造外形復雜的鑄件、異形復雜小孔及薄壁件鑄件。

（3）用于鑄造的合金材料不受限制。適用于大部分鑄造合金，包括各種鑄鐵、碳素鋼、低合金鋼、工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鎳合金、鈷合金、鈦合金、青銅、黃銅、鋁合金等，總體加工效果較穩定，尤其適合難于鍛造、焊接、機械加工的材料。

5.2 篦板的質量檢驗

對篦板葉片而言，其質量對篦板的使用較為關鍵，即使采用精密（失蠟）鑄造工藝成型制作，也不能絕對保障葉片內部質量完全合格，需對葉片的質量進行重點檢驗。

為了能夠直觀、清晰地判斷葉片內部質量是否滿足使用要求，可按照無損檢測標準JB/T 5000.14-2007《重型機械通用技術條件第14部分：鑄鋼件無損檢測》中的RT射線檢測要求，對葉片進行無損探傷檢驗。篦板葉片前端RT檢測如圖9所示。

圖9 篦板葉片前端RT檢測

6 結語

優化后的高溫篦板已在多個項目投入使用，實地勘察可知，篦板在使用一年后，篦板葉片基本無磨損和變形，整體使用情況良好（圖10），徹底解決了篦板葉片彎曲變形、斷裂失效的問題。

圖10 優化后的篦板使用一年后的效果