100t铁水罐耳轴强度分析与修复

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摘要：对梅山炼铁厂100 t铁水罐的耳轴磨损进行了分析,通过耳轴弯曲强度核算,确认需修复磨损量。通过对焊缝强度校核,证明更换耳轴的方案不可行,从而选用耳轴表面堆焊的处理工。焊后采用退火处理,以消除焊接残余应力,效果良好。
铁水罐是冶金行业使用非常广泛的一种设备,它的作用是装运炼铁厂生产出来的铁水,并通过铁水罐车将其运送到铸铁车间铸铁或炼钢厂炼钢。梅山炼铁厂100 t铁水罐型号为ZT -100 - 1型,其结构的特点是罐臂(包括图1所示2, 3部分)采用铸造,罐身采用焊接,罐臂与罐身互焊。
- [& S9 O. ~, ]- G$ T7 u5 e1 耳轴磨损分析
: E* Z0 w. w7 t; x梅山炼铁厂100 t铁水罐如图1所示, 36只铁水罐由于使用年久,正常生产时耳轴表面与吊钩内衬频繁接触、挤压,导致耳轴表面凹凸不平,耳轴局部与吊钩接触位置磨损严重,导致耳轴与原中心偏心。
4 h  C! t: m2 G  p
$ }# G0 D/ U$ w& {4 J0 B2 Q- }当耳轴摩擦副产生相对运动时,软基材料表面较粗大的凸起由于粘着磨损而产生脱落,形成较硬的粗大磨粒;同时耳轴表面也由于粘着磨损产生了高硬度的细小磨粒。两种磨粒滞留在接触区内共同参与磨粒磨损。在摩擦副中粗大磨粒承受了大部分载荷,仅有极少部分高硬度细小磨粒参与磨料磨损。由于粗大磨粒硬度小于耳轴表面硬度。因此粗大磨粒对耳轴磨损作用很小,耳轴磨损速度显著降低。实践证明,由于耳轴处于高温辐射区,油脂润滑失效,耳轴磨损相当严重,并多次发生耳轴表面大面积拉伤。
36只铁水罐耳轴原直径为φ310 mm,磨损后其直径分布为φ260 mm ～φ 280 mm不等,铁水罐中心线偏离原中心线10～20mm。从而导致铁水罐不能安全使用。而且,耳轴表面凹凸不平也加速对铁水罐吊钩衬瓦的磨损。因此必须对耳轴的强度进行校核,并采取相应表面修复措施修复铁水罐耳轴。
2 耳轴强度的校核
铁水罐使用时,耳轴主要受弯矩,通过受力分析,如图2所示以最大应力计算轴径。耳轴安全系数n取为12。
1 v! _3 |$ U; j, z  J  [& ~) d, g- c钢包装满钢水的重量125 t, 龙门钩距离3620mm,钩内圆φ310mm,厚为180mm。
35#钢的许用应力
* o$ [; M$ n: ]+ A5 h
式中W ———抗弯截面系数, mm3 ;
, o: g, G* [. t) M4 E* C2 A2 [Iz ———耳轴的转动惯量, mm4 ;
d———耳轴直径, mm。

断面处最大弯矩

" n9 Q2 `, G5 A9 G式中Q———钢水包总重量;
L ———耳轴长度, L = 180mm。

分别代入数值得：
4 t" f  X: s$ H7 n
耳轴最小轴径dmin：
, u7 C. b( p( ?/ E1 M7 k
, U% ?- u+ `( v( h' v( {9 ddmin > 260～280mm,强度计算表明,铁水罐耳轴现有的直径已不能满足安全生产需要。必须对耳轴表面修复或者对耳轴部分整体更换。耳轴部分整体更换时需核算新耳轴与罐体连接处的焊缝强度, 下面针对焊缝进行强度校核。
$ r! k7 y, h4 ?9 M$ a& B3 焊接强度核算

/ {. b' w& r+ n9 o针对更换耳轴的方案, 以剪应力校核耳轴焊缝强度
& w. A6 v9 }2 {
# P, S! L3 }& Z" Q+ b5 U  H式中P———焊缝拉力, P =Q /2 = 680kN;
a———角焊缝的计算厚度, a = 0. 7K;
/ C- i. `% [) N  S5 hK———焊缝高度,取为25mm;
l———焊缝长度;
3 ^7 n( y/ F4 X0 Q$ t6 |n———安全系数, 12;
Q ———钢水包总重量。
4 B  u: i4 W2 {% s4 ?35#钢的许用剪应力为118MPa。代入公式计算得焊缝的最短长度。而耳轴所在的位置由于枢轴位置的干涉不能平铺395mm长焊缝。
8 U* |* H0 y" [2 g$ s0 O# \8 q上面的计算表明100 t铁水罐采用耳轴部分整体更换的方案不能满足安全要求。只能采用耳轴表面堆焊修复耳轴磨损量。
4 耳轴堆焊及热处理
1) 找如图1所示耳轴轴心,以两枢轴2的中心位置为基准,在耳轴外圆面上确定耳轴的上下中心线、左右中心线。以这两条中心线为基准可以定出耳轴表面所要堆焊的高度。
6 G: S/ b, F5 ^2) 焊前准备。用磁粉探伤仪与超声波探测仪分别对耳铀表面及内部, 尤其是对耳铀与罐体连接过渡圆弧处进行探伤检查, 确保焊前无裂纹。若耳铀内部有裂纹, 打磨至无裂纹时再行施焊。焊条经300 ～350℃烘箱, 烘干1 ～2h 后使用。
焊前应将罐倒放,使罐底向上,修复面向上,可以方便焊接;用砂轮抛光机对修复部分进行彻底除锈和打磨处理。
6 x, x& _; B( B8 b* R6 W2 }: R6 d
& z# U) p6 v3 C1 {9 T3) 堆焊。以耳轴两条中心线为定位找正,与堆焊样板配合确定耳轴每个部位堆焊量。用507焊条堆焊至图4所示位置。
4) 焊后处理
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堆焊完成后,用角向砂轮机、电磨头、砂轮抛光机对堆焊面修磨, 并用样板控制最终尺寸, 过渡圆角特别是耳轴与罐体连接过渡圆弧处修磨达图纸要求。分别用磁粉、超声波探测仪进行检测,确保焊后耳轴无裂纹。
! o) k- C& I: J; F4 ~; e. W残余应力会引起钢件在使用一定时间以后,或在随后的切削加工中产生变形或裂纹。耳轴退火主要用来消除堆焊造成的残余应力、细化金相组织。采用局部退火装置:制作一钢筒, 钢筒内、外衬石棉, 内盘电热丝; 钢筒一端开口, 套在耳轴上开口部与包体焊接固定;退火时钢筒四周覆石棉,钢包内耳轴位置覆石棉; 对每只铁水罐退火过程严格按照图5所示温度曲线要求。
5 结论
+ M& [  K/ w6 B通过对铁水罐耳轴强度校核以及焊缝强度核算,对这种型号的100 t铁水罐采用更换耳轴的方案不能满足安全生产的要求,而使用堆焊的方法修复100 t铁水罐耳轴是可行的。焊后必须退火,以消除焊接残余应力。采用堆焊可以以较少的费用修复铁水罐耳轴,是一种经济实用的维修方案。
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