全氫罩式爐爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪國產(chǎn)化研究應(yīng)用

謝 楠

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠，山西 太原 030003）

全氫罩式爐用于不銹鋼退火工序，罩式爐風(fēng)機(jī)是退火氣氛進(jìn)出爐臺(tái)與內(nèi)罩組成的工藝氣氛腔體的工藝設(shè)備之一，其工作溫度最高達(dá)850℃，最高轉(zhuǎn)速2 200 r/min，使用工況屬于“雙高”，所以爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪材質(zhì)的選擇與加工制造的要求也比較高。

起初罩式爐的設(shè)計(jì)制造工藝由國外引進(jìn)，如德國的LOI與奧地利的EBNER等公司。進(jìn)口爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪的價(jià)格約為30萬元人民幣，且國外供應(yīng)商不提供任何圖紙與葉輪材質(zhì)等資料，備件訂貨周期也比較長。隨著國內(nèi)不銹鋼產(chǎn)量的增加，國內(nèi)罩式爐的設(shè)計(jì)制造也在不斷開展，所以迫切需要對(duì)爐臺(tái)風(fēng)機(jī)開展國產(chǎn)化研究制作，從而有效降低用戶制造與使用成本。

1 爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪機(jī)構(gòu)及尺寸分析

罩式爐爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪安裝于爐臺(tái)封閉板上，外加擴(kuò)散器與內(nèi)罩形成封閉腔體。爐臺(tái)、擴(kuò)散器由焊接的鋼結(jié)構(gòu)組成，爐臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實(shí)填充耐火纖維散棉及耐火纖維毯，爐臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)、封閉板、擴(kuò)散器均采用S30815全耐熱鋼材料[1]。風(fēng)機(jī)葉輪的驅(qū)動(dòng)為帶水冷套的全密封變頻電機(jī)，電機(jī)軸承設(shè)有振動(dòng)檢測(cè)器。爐臺(tái)風(fēng)機(jī)在罩式爐加熱、冷卻的全過程都有參與工作，風(fēng)機(jī)葉輪既要在冷熱交替、溫差較大的環(huán)境下工作，又要保持其結(jié)構(gòu)不變形，可見葉輪材料需具備的條件要求是比較高的。

由于爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪工作過程中不斷加減速，其質(zhì)量越大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就越大，減小葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可減少電機(jī)負(fù)荷，故葉輪需具備可靠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，其構(gòu)成板材的厚度也不易過大，經(jīng)過計(jì)算并通過實(shí)驗(yàn)表明，保持葉輪的質(zhì)量在95 kg左右為好。

奧地利EBNER公司生產(chǎn)的爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪尺寸為Φ950 mm×310 mm，其主要由輪轂（鍛件）、葉片、前盤、后盤四部分焊接而成。LOI公司的葉輪輪轂采用鑄造件生產(chǎn)，其輪轂外圓有類似葉片的部分延伸,以便于與葉片焊接。對(duì)EBNER公司葉輪進(jìn)行檢測(cè)，所得結(jié)果為：其轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)風(fēng)量為33 395 m3/h，轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)風(fēng)量達(dá)91 836 m3/h。從圖1與圖2中葉輪的結(jié)構(gòu)可看出，葉片與鍛件輪轂焊接開始處有部分長度的加強(qiáng)板，加強(qiáng)板上有孔。鑄件輪轂葉輪的葉片則不需要加強(qiáng)板。在同等外圓尺寸及高度的條件下，鑄件輪轂葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要好于鍛件輪轂葉輪，但其重量大于鍛件輪轂葉輪，風(fēng)量小于鍛件輪轂葉輪。

圖1 輪轂為鍛件的葉輪

圖2 輪轂為鑄件的葉輪

實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，EBNER公司葉輪（圖1）在長期使用時(shí)會(huì)與產(chǎn)生輕微變形的爐臺(tái)封閉板發(fā)生磨蹭，適當(dāng)調(diào)大葉輪底盤傾斜角度可避免磨蹭，但易會(huì)與擴(kuò)散器導(dǎo)葉形成干涉（將葉輪與擴(kuò)散器導(dǎo)葉間隙為10 mm），減小擴(kuò)散器導(dǎo)葉尺寸可避免干涉（葉輪與擴(kuò)散器導(dǎo)葉間隙變成20 mm），但會(huì)影響風(fēng)機(jī)效率。在保證風(fēng)量（葉輪高度310 mm不變）及風(fēng)機(jī)效率的條件下，在調(diào)大葉輪底盤傾斜角度的同時(shí)要相應(yīng)減小前盤高度。

2 爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪材料分析

中科院金屬腐蝕與防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)EBNER公司爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行化驗(yàn)，所得各部分組織分析結(jié)果如下頁表1所示。

從表1分析的合金組成元素來看，葉片所用合金是一種具有良好的可加工性、可焊接性、良好的抗高溫氧化和冷熱循環(huán)性能的鎳基合金。前盤、后盤為同一種合金。加強(qiáng)板、熔化焊道的填料成分與葉片十分接近。

表1 EBNER公司爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪各部分組織分析結(jié)果%

EBNER葉輪的材料是在溫度高達(dá)1 100℃下仍具有良好的瞬時(shí)和長期機(jī)械性能、高抗氧化性、高抗碳化性的鎳鉻鈷鉬合金。目前市場(chǎng)上INCONEL617與RA602CA兩種鎳基合金材料與EBNER葉輪的材料接近，這兩種材料的主要化學(xué)成分如表2、表3所示。

表2 INCONEL617主要化學(xué)成分 %

表3 RA602CA主要化學(xué)成分 %

RA602CA在循環(huán)氧化環(huán)境溫度高達(dá)1 230℃時(shí)仍可長期穩(wěn)定工作。從主要化學(xué)成分上看，以上兩種材料都可以滿足罩式爐爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪的材料需要。

3 爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪制作工藝研究

鍛造輪轂葉輪制作技術(shù)要點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)：

1）輪轂選用相應(yīng)尺寸的INCONEL617或材料鍛件圓鋼；

2）葉片、前盤、后盤、加強(qiáng)筋板制作時(shí)采用模具成型；

3）在葉片加強(qiáng)筋板打孔，如果沒孔，加強(qiáng)板與葉片焊接后，兩者接觸間隙會(huì)形成封閉空間，其中的空氣氣體在高溫工作時(shí)會(huì)膨脹將焊口崩裂；

4）葉片型線的線輪廓度公差不大于1 mm，葉片出口安裝角的極限偏差為+1°，葉片出口邊對(duì)輪盤的垂直度公差應(yīng)小于等于葉片出口寬度的1%，任意三個(gè)相鄰葉片出口端的兩個(gè)節(jié)距（弦長）之差值不得大于2 mm；

5）后盤端圓面跳動(dòng)不大于2.5 mm；

6）前盤端圓面跳動(dòng)不大于3.0 mm；

7）葉輪的外圓徑跳動(dòng)不大于1 mm；

8）爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪在高溫工作環(huán)境下最易出現(xiàn)的問題是焊接部分的疲勞開裂，結(jié)合鎳基合金焊接特性，選擇與基材性能相適合的金屬粉未焊接材料，并最好采用激光熔覆焊接工藝，該工藝焊接溫度相對(duì)較低，焊縫光滑，但成本較高；

9）爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪也可采用氣體保護(hù)的氬弧焊，焊絲選擇與INCONEL617或RA602CA相適合的材料，焊渣的清理用鋼刷為好；

10）焊接質(zhì)量符合GB/T 985、GB/T 986、JB/T 5000.3—1998焊接件通用技術(shù)條件；

11）焊好后的葉輪要進(jìn)行退火熱處理（相應(yīng)熱處理工藝曲線見圖3），在滿足強(qiáng)度等性能的同時(shí)消除應(yīng)力；

圖3 全氫罩式爐風(fēng)機(jī)葉輪熱處理工藝曲線

12）采用葉輪探傷檢測(cè)（著色）；

13）采用軸孔機(jī)加工；

14）葉輪平衡精度等級(jí)做到G2.0級(jí)。

4 應(yīng)用效果

國產(chǎn)化后的爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪在實(shí)際生產(chǎn)使用中，與純進(jìn)口葉輪無差異，且風(fēng)量基本一致。結(jié)構(gòu)尺寸的小小改動(dòng)還減少了發(fā)生機(jī)械故障的概率。

目前國內(nèi)生產(chǎn)鎳基合金薄板材的廠家不多，價(jià)格較進(jìn)口便宜，但質(zhì)量不如進(jìn)口材料穩(wěn)定。以INCONEL617為例，國產(chǎn)材料葉輪正常使用壽命為2~3年，進(jìn)口材料葉輪壽命則在3年以上。國產(chǎn)材料葉輪的價(jià)格為純進(jìn)口葉輪價(jià)格的40%左右。進(jìn)口材料國內(nèi)制作的葉輪價(jià)格為純進(jìn)口葉輪價(jià)格的55%左右。

5 結(jié)語

實(shí)際生產(chǎn)使用經(jīng)驗(yàn)表明，影響爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪正常工作的主要原因有：長期高低溫交替使用致使的材料疲勞失效，導(dǎo)致葉輪部件（特別是前盤與葉片）開裂、甚至剝落，從而造成動(dòng)平衡失效而引起振動(dòng)傳感器報(bào)警；維護(hù)不精細(xì)（例如物件掉落）造成高速運(yùn)轉(zhuǎn)的葉輪意外碰傷，這點(diǎn)在日常使用維護(hù)中要特別引起重視。此次對(duì)罩式爐爐臺(tái)風(fēng)機(jī)葉輪的研究分析，也為其他領(lǐng)域行業(yè)所用高溫風(fēng)機(jī)的國內(nèi)制造提供了一定的技術(shù)支持。