ATOX-35立磨磨盘开裂的原因及处理措施

ATOX-35型立磨是从丹麦史密斯公司引进的生料粉磨设备，1988年7月投产至今，已运转14年多，期间先后发生过磨辊开裂，减速器旋转部分损坏，减速器止推轴承烧坏等设备故障。2002年7月由于止推轴承再次烧坏，检修时发现磨盘上部靠中心部分有裂纹，运行13d后，磨盘裂纹从上到下断面全部开裂，磨机再次被迫停机检修。  
1　磨机技术参数 
　　能力:160t/h； 
　　磨机转速:30.12r/min； 
　　减速器:FLS型　TTVLA2660，i=32.7； 
　　电动机:SR电动机　TIM DCK-D，功率1250kW转速985r/min； 
　　质量:213.3t。 
2　磨盘的化学成分及性能 
　　磨盘材质经化学分析，确认为球墨铸铁，其化学成分及硬度见表1。  

3　磨盘的受力分析 
　　磨机运转时，磨盘既要承受运转时产生的扭矩M，又支撑着磨辊系统的重力W及3根拉伸杆的拉力3F，磨盘的受力情况见图1。 
　　  
  

3.1　磨盘传递的扭矩M 
　　根据公式M=159N/n，已知N=1250kW，n=30.12r/min=0.502r/s，则M=395916N•m 
3.2　磨辊对磨盘的压力 
　　单个磨辊对磨盘的压力P由磨辊系统重力W/3和拉伸杆的拉力F组成。 
　　磨辊系统的重力W由三角架、磨辊、拉伸杆、机头、扭力杆、活塞杆等组成，总重力约为531750N。 
　　拉伸杆的拉力F为液压缸所产生的拉力: 
　　F=π(13.592-6.752)×1250=546068N 
　　其中:13.59为油缸半径，cm；6.75为活塞杆半径，cm；1250为油缸压力，N/cm2。 
　　故单个磨辊对磨盘的压力: 
　　P=W/3+F=723318N 
4　磨盘裂纹现状 
　　首次发现磨盘裂纹后(见图2)，因为磨盘材质为球墨铸铁，其焊接性能差，且磨盘壁厚大，焊缝所需坡口深，有可能在施焊过程中因局部过热产生内应力，导致磨盘整体开裂。因此，采取在磨盘衬板平面和支承立面上裂纹的末端20mm处，各钻Φ20mm的止裂孔来处理。 
　　 
  
　
　　磨机投入正常生产，运行205.3h后，发现磨盘裂纹处断面全部开裂，裂缝两边衬板上、下平面错位0.8mm，上部裂纹间隙为δ2=2mm，下部裂纹间隙为δ1=1mm(见图3)。 
　　 
  
　　图3　磨盘开裂情况 
5　磨盘裂纹的原因分析 
　　 
5.1　设计缺陷 
　　在磨机运转中，磨盘不仅承受磨机所需的扭矩M和3个磨辊对磨盘的压力3P，还承受磨机运转时所产生的冲力负荷。 
　　立磨工作时，磨盘始终处于冲击作用下，磨盘设计采用球墨铸铁，虽有良好的铸造性能和较高强度，但由于铸件中的石墨成球状存在，其吸振性比灰口铸铁差，韧性比钢差，抗冲击作用的能力弱，且其断面为T型单臂结构，承载能力和抗扭刚度不如箱型结构好。磨盘材质为球墨铸铁时，其结构采用箱型结构比较合理，如采用T型单臂结构，其材质宜选用铸钢。 
5.2　疲劳破坏 
　　磨机工作时，随着料层厚度、物料粒度和易磨性的变化，磨辊对磨盘的作用力P不断变化，对磨盘的作用点在磨机转动过程中随时间作交替变化，磨盘截面上任一点处的应力随着时间周而复始的交替变化，从而产生交变应力，虽然其应力值远小于抗拉强度σb，但当交变应力的大小超过一定限度时，首先在磨盘最薄弱的内圆部分(由于其壁厚相对较薄)、最不利位置的晶粒所在的平面发生循环滑移，产生微小的、很细的疲劳裂纹，经过应力的多次交替变化后，两表面的材料将时而压紧、时而张开，由于材料的反复压紧、张开，已形成的疲劳裂纹不断扩展，随着裂纹的不断扩展，有效截面不断缩小，当削弱到一定程度时，在一个偶然的振动或压力的冲击作用下，使剩下的有效截面不能承受所加载荷，而导致磨盘断面全部开裂。 
5.3　工艺原因 
　　磨机停机时，磨内喷水未及时关闭，造成磨盘内积水，磨盘局部由高温状态突然冷却到常温。由于热胀冷缩的作用，磨盘产生很大的温度应力，磨盘抵抗疲劳破坏的能力降低，在磨盘未产生微裂纹时，前期的使用寿命大大缩短。 
　　磨机料层厚度控制不当，石灰石粒度过大或金属铁块进入磨内，造成磨机振动加大，磨盘承受很大的冲击负荷，过大的冲击负荷会将很大的能量积蓄在磨盘内，在磨盘最薄弱的内圆截面处将造成能量分配不均匀的现象。在磨盘微裂纹附近的小区域体积内能量将高度集中，形成很高的应力集中和应变集中，在磨盘产生微裂纹后，裂纹加速扩展，使磨盘后期的使用寿命缩短。 
6　处理措施 
　　 
6.1　磨盘焊接不能保证磨机正常运转 
　　1)磨盘材质为球墨铸铁，铸铁中的碳和硅含量较高，易产生气孔，硅易产生二氧化硅，妨碍焊接过程的顺利进行。 
　　2)碳和硅等石墨化元素易烧损及速冷，球墨铸铁中由于球化剂镁的作用，焊缝接口处其白口化倾向增加，容易产生极脆的白口铁组织，焊缝性能差。 
　　3)铸铁塑性差，焊接时应力较大，易产生裂缝。 
　　4)磨盘只能现场施焊，且焊缝处壁厚大，不能全部焊透，其焊缝强度只能达到母体强度的15%～20%，无法承受磨机工作时的负荷。 
6.2　加固措施 
　　开裂的磨盘采用加固措施来维持生产，磨盘加固后见图4。 
　　 
  
　　图4　磨盘加固结构 
　　1.上抱箍；2.托板；3.下抱箍；4.盖板；5.盖板螺栓；6.斜铁；7.内筒；8.法兰螺栓；9.夹板 
　　1)用厚20mm的20g锅炉钢板分别制作宽度为150mm的上抱箍和120mm的下抱箍，每个抱箍分4块制作，接口处开好坡口，预留5～6mm间隙，每块之间用螺栓连接，分别套到磨盘上部Φ3865mm和中部Φ2690mm外圆处。 
　　2)根据磨盘上部Φ1980mm和下部Φ2000mm的法兰孔尺寸制作内筒，内筒上、下法兰用厚30mm钢板，中间筒体用厚20mm钢板制作，筒体用12块筋板加固，内筒分3块放入磨盘内再拼焊成1个整体，内筒上部法兰与磨盘之间用24块斜铁调整。 
　　3)盖板厚度由20mm改为30mm，将磨盘盖板、内筒上法兰与磨盘上Φ1980处的法兰螺栓孔一起配钻24-Φ24mm螺栓孔，用24根M24×240高强度螺栓紧固(8.8级)。 
　　4)磨盘上部下平面裂纹处安装50mm厚的夹板，利用挡料圈M16螺栓和加大的M27磨盘衬板螺栓各4根，将磨盘上部平面裂纹处夹紧，防止磨盘衬板平面在裂纹处上下错位。 
6.3　安装技术要求 
　　1)安装前，先清洗磨盘抱箍处、下法兰上的粉尘和铁锈等，确保抱箍、内筒下法兰与磨盘接触良好。 
　　2)用气割(6～8把)快速将抱箍加热到150～200℃，边加热、边敲打、边紧固螺栓，待接口处间隙缩小到2mm时，恒温焊接抱箍接口。 
　　3)12块夹板利用挡料圈螺栓固定，上抱箍接口焊接完后，每块夹板与上抱箍焊牢，将上抱箍的支耳、螺栓割除。 
　　4)内筒焊完后，冷态下先紧固下法兰6根M42螺栓，力矩为2850N•m。 
　　5)斜铁打紧后，与内筒上法兰焊牢，然后紧固24根M24螺栓，力矩为600N•m。 
　　6)磨盘加大的4根M27衬板螺栓紧固到力矩850N•m，4根M16挡料圈螺栓紧固到力矩170N•m。 
　　7)开机8h后，停机检查抱箍焊缝，重新紧固内筒上、下法兰螺栓，夹板衬板螺栓和挡料圈螺栓到规定力矩，此后每3d紧固1次，直到下次紧固时螺母不动为止。 
　　8)磨盘加固时，必须严格按图纸施工，技术员必须全过程进行质量监控和现场指导，每施工一步都必须得到技术员认可后才能进行下一步，直到加固工作全部结束。 
7　结束语 
　　磨盘突然开裂后，一些国内知名机械厂均表示无法焊接修复，因无新磨盘，5号窑被迫停产，磨盘进口时间至少需要6个月，费用120多万元，国产磨盘时间最快45d，费用30多万元，我们通过采取加固措施，磨机于2002年8月5日开机，目前运转正常，估计能正常运转6个月以上，可待新磨盘到货大修时再更换国产磨盘。新磨盘采用国产磨盘，牌号QT50-20，属铸态低合金、高强度、高韧性球墨铸铁。 
　　该加固措施能节省磨盘进口费用90万元，期间可减少停机55d，可多生产熟料11多万t。