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關(guān)鍵詞：風(fēng)機葉片；壽命；堆焊
引 言
鍋爐是火力發(fā)電的動力源。排粉機、 引風(fēng)機(統(tǒng)稱風(fēng)機)是鍋爐機組中的重要組成設(shè)備。排粉機用于輸送煤粉；引風(fēng)機用來抽吸煙氣，使其經(jīng)煙囪排煙。太原一電廠 1#～8# 鍋爐機組的風(fēng)機葉輪，在工作過程中，因轉(zhuǎn)速高(1 480 r/min 以上)，且承受一定的風(fēng)壓，葉片會受到塵埃顆粒及煙氣的摩擦與腐蝕作用，一般運行 7 個月左右，就會發(fā)生葉片被沖刷磨穿現(xiàn)象，導(dǎo)致葉輪壽命下降，需要停機檢修。這會造成相應(yīng)的鍋爐機組停止運行，不僅增加了工人維修的勞動強度，加大了裝拆費用、 備品備件用量及相應(yīng)費用，更為嚴重的是停機會影響發(fā)電量，造成嚴重的經(jīng)濟損失及社會影響。
如何提高風(fēng)機葉片的壽命(最起碼在鍋爐的一個大修期內(nèi)不發(fā)生磨損破壞)，是迫切需要解決的一個重要問題。作者根據(jù)風(fēng)機使用的工作條件，對葉片磨損原因進行了分析，基于提高葉輪葉片壽命的需要，對葉片表面進行強化處理。選擇了堆焊方法及堆焊材料，確定了堆焊工藝，并應(yīng)用于生產(chǎn)實際，取得了令人滿意的效果。
1 風(fēng)機葉輪結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求
鍋爐機組的風(fēng)機規(guī)格一般不統(tǒng)一，葉輪直徑在 (1 600～2 000) mm 之間。作者以直徑 1 600 mm 的排粉機葉輪為例加以說明。圖 1 為葉輪結(jié)構(gòu)示意圖。
圖 1 葉輪結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.1 Scheme of the fan blade
(1) 后盤不平度≤0.5/100；
(2) 后盤外圓處端跳偏差≤4 mm；
(3) 圓盤外圓處徑跳偏差≤3 mm；
(4) 錐形前盤外圓處端跳偏差≤6 mm；
(5) 葉片出口工作面對后盤的不垂直度偏差≤1/100；
(6) 經(jīng)靜、 動平衡校正。
2 葉片強化方法及材料的選擇
磨損是一種與材料表面狀態(tài)有關(guān)的現(xiàn)象。要提高葉輪的壽命，必須對葉片表面進行強化，使其能經(jīng)受住磨損。
2.1 磨損原因分析
作者現(xiàn)場考察了已磨損葉片的表面狀況，發(fā)現(xiàn)磨損最嚴重的部位已成豁口狀(局部磨穿)，稍嚴重部位已磨成薄刃狀，其他部位的表面磨成一道道微細溝槽。根據(jù)現(xiàn)場工作條件，判定葉輪受到磨料磨損、 沖蝕磨損、 熱磨損等多重作用。其中，主要是受到磨料磨損，即微小的塵埃和煤灰等顆粒，在風(fēng)壓作用下，對高速運轉(zhuǎn)的葉片表面進行了顯微切削，造成了葉片的磨損[1]。
2.2 選擇強化方法
就一般情況而言，對工件表面進行強化的方法有多種，如滲碳、 刷鍍及等離子噴涂等。針對風(fēng)機的使用工況及現(xiàn)場條件，可行的方法僅有氧乙炔噴焊及電弧堆焊。
在試板上分別進行了氧乙炔噴焊與電弧堆焊的對比試驗。噴焊(噴涂后重溶)加熱速度慢、 加熱時間長，導(dǎo)致試件變形嚴重，但稀釋率較低；而電弧堆焊加熱時間短，試件變形較小，但稀釋率較高。因葉輪的形狀及剛度等原因，葉輪變形后校形較困難，加之在生產(chǎn)制造葉輪的過程中，葉輪本身已有一定的制造偏差，故為保證葉輪的尺寸及形位偏差這一基本要求，采用變形較小的電弧堆焊方法。
2.3 選擇材料
受磨料磨損的工件，一般選用碳化鎢或高鉻合金鑄鐵作為堆焊材料。但采用電弧堆焊的方法，會使碳化鎢原始顆粒大部分熔化，在堆焊層析出硬度并不算高的含鎢復(fù)合化合物，影響耐磨性的提高；而采用高鉻合金鑄鐵作為堆焊材料，可使堆焊層含有 Cr7C3 高硬相，且其價格比碳化鎢便宜[2，3]。作者分別選擇了牡丹江、 天津、 哈爾濱三個廠家生產(chǎn)的堆焊材料進行了對比試驗，結(jié)果如表 1 所示。
表 1 堆焊材料對比試驗
序號生產(chǎn)地合金體系堆焊后硬度表面狀況1#牡丹江Fe-Cr-BHRC>50積瘤狀2#天 津Cr-Ni-SiHRC43平整3#哈爾濱Fe-Cr-BHRC>50平整
3 堆焊工藝及結(jié)果
3.1 堆焊工藝
工藝是影響堆焊質(zhì)量的重要因素。根據(jù)對葉輪的要求，把堆焊葉片的工藝重點放在了降低稀釋率和減少焊后變形這兩個方面。
3.1.1 降低稀釋率
堆焊層的稀釋率，反映了堆焊層中母材熔入數(shù)量的百分比。葉輪母材一般為 Q235 或 16 Mn。母材熔化后對耐磨合金材料起稀釋作用，會降低堆焊層合金化的效果，影響耐磨性。
在保證母材與耐磨合金相互熔合的前提下，降低稀釋率就是減少母材熔化量。為此，在正式堆焊葉輪前，進行了工藝試驗。作者分別采用不同規(guī)范參數(shù)對各組試件堆焊，然后比較各組的硬度值結(jié)果，選擇出較理想的工藝規(guī)范。
試驗時，把試件分成 6 組，每組 3 塊試板，試板尺寸為 120 mm×50 mm×6 mm；材質(zhì)與葉輪相同，均為 Q235；耐磨合金粉塊尺寸為 90 mm×30 mm× 3 mm；使用 AX1-500 直流弧焊機，采用直流正接(正接較反接熔深淺)；用直徑 10 mm 碳精棒作電極(電極直徑大，可減小電流密度)；特制加長焊把(減少碳弧對人體的烘烤)。每塊試板上堆焊一塊耐磨合金粉塊，堆焊層硬度值按每組試件平均值記錄。試驗結(jié)果如表 2 所示。
表 2 工藝規(guī)范對堆焊層硬度的影響
試件組電流I/A電壓 U/V焊接時間硬度(HRC)1280～30025～302′15″542300～32025～301′50″583330～35025～301′30″614360～38025～301′20″535400～42025～301′05″586430～45025～3058″56
為減少母材熔化量，應(yīng)注意使堆焊電流減小、 電壓降低、 堆焊速度加快；但堆焊電流過小，會使耐磨合金粉塊不易熔化，導(dǎo)致堆焊速度減慢。欲使堆焊速度加快，又需加大堆焊電流。這一矛盾只有通過試驗才能找到最佳組合。
焊工操作時需注意以下兩點：
(1) 電弧擺動幅度盡量小，以剛超出粉塊邊緣為宜，但不可咬邊；
(2) 采用坡度為 5°～10° 的下坡焊，使熔池流動方向與施焊方向一致。
3.1.2 控制葉輪變形量
堆焊后的葉輪，在驗收時不僅需作靜、動平衡試驗，還需各表面的尺寸、 形狀及位置滿足偏差要求。由于堆焊會使葉輪受熱不均勻，產(chǎn)生焊接應(yīng)力，導(dǎo)致焊接變形等，故還需采取適當工藝措施，才能把葉輪變形控制在公差范圍內(nèi)[4，5]。
在堆焊時采取了以下工藝措施：
(1) 保證焊接順序
在每一葉片上堆焊完一塊粉塊后，轉(zhuǎn)動葉輪，在對稱葉片相應(yīng)位置，堆焊另一粉塊，順序如圖 2 所示。如此循環(huán)往復(fù)，直至把各葉片堆焊完畢。以此順序堆焊，可使葉輪前、 后盤均勻收縮，并可避免熱應(yīng)力過于集中，減少焊接變形。
圖 2 堆焊粉塊順序示意圖
(2) 錘擊焊縫
葉輪變形是由于堆焊層在冷卻過程中發(fā)生縱向、 橫向收縮造成的。每堆焊完一粉塊，用小錘輕擊，延展堆焊層，可補償部分收縮量，減少變形。
(3) 減少線能量
減小線能量能使葉片受到的熱輸入量減少，熱應(yīng)力變小。這與降低稀釋率的要求是一致的。
3.2 結(jié) 果
采用上述工藝措施，對葉輪進行堆焊。焊后檢查，葉輪變形量在技術(shù)要求范圍內(nèi)，并用便攜式硬度計對各葉片堆焊層進行抽查，測得各點 HRC>56。
電廠運行表明，堆焊后的風(fēng)機葉片壽命提高 4 倍左右，避免了葉輪在鍋爐的一個大修期內(nèi)，因葉片磨損而造成更換或修理，保證了機組的正常工作，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
4 結(jié) 論
經(jīng)實際生產(chǎn)考驗，該堆焊技術(shù)是切實可行的，可以大大提高風(fēng)機葉片的使用壽命，該技術(shù)適用于承受磨料磨損的其他工件。
丁京濱(1955-)，男，高級工程師.從事專業(yè)：材料成型加工.
丁京濱（華北工學(xué)院 材料工程系，山西 太原 030051）
曹海燕（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）
張保富（太原一電廠，山西 太原 030024）
參考文獻：
[1] [英]薩凱 A D 著；邵荷生譯。金屬磨損原理
[2] 周振豐。焊接冶金學(xué)(金屬焊接性)
振動和噪聲不僅污染環(huán)境，損害人體健康，而且會影響機械產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短機械部件的壽命，降低儀表的精度和可靠性。
工業(yè)上過去一直采用一些消極的方法來消除噪音和減小振動，如把機器整體做得非常結(jié)實笨重，或采用多孔的吸聲材料，把振源包起來，以阻止聲音泄漏和傳播。但這些方法都不理想。人們發(fā)現(xiàn)，積極的減振措施應(yīng)該是用具有高減振性能的金屬材料來制作振動源或噪聲源部件，從而達到減振消聲的目的。塑料代替金屬具有很好的減振消音效果，用尼龍制造的齒輪就是這方面成功的例子。但是，塑料的強度和耐高溫腐蝕性能現(xiàn)代還無法滿足一些特殊的需要。
50年代初，英國和美國首先開始金屬減振特性的研究，并開發(fā)了錳-銅系減振合金。當含錳80％的合金鑄塊掉到地上時，只發(fā)出微弱的聲音。經(jīng)過30多年的研究，出現(xiàn)了數(shù)十種減振合金。如耐腐蝕的鈷-鎳系合金。用作火箭衛(wèi)星的精密儀器防振臺架的鎂-鋯系合金、耐蝕性優(yōu)良的鎳-鈦合金、加工性和耐蝕性均優(yōu)的鐵-鋯-鋁系合金等，形成了一個新興的功能材料領(lǐng)域。
1968年，英國首先使用減振材料錳-銅合金來制作潛艇的螺旋槳，使?jié)撏г谒逻\行的噪音大為降低，大大提高了潛艇的隱身生存能力，引起了各國對減振合金的高度關(guān)注。錳-銅合金螺旋槳迄今漂洋過海近20年，狀況良好。這種合金減振系數(shù)高，耐蝕性能優(yōu)良，常用來制作高負荷的轉(zhuǎn)動部件和受沖擊的結(jié)構(gòu)件，如鑿巖機鉆桿、鏈式輸送機的鏈條導(dǎo)軌、蒸汽透平機和汽車凸輪軸齒輪等。
目前已經(jīng)進入應(yīng)用階段的減振合金主要有復(fù)相型合金、鐵磁型合金、孿晶型合金等。使用已久的鑄鐵是應(yīng)用最廣泛的一種的復(fù)相型減振合金。鋁-鋅合金也是復(fù)相型合金，用它作立體聲放大器底板，擴音器框架等，能取得提高保真度的良好效果。
錳-銅系合金在外界振動作用下，由于馬氏體相變所產(chǎn)生的孿晶界容易移動，伴隨孿晶界的移動產(chǎn)生靜滯作用而造成能量損失，所以也具有減振作用。將含鉛12％的鉻鋼經(jīng)過適當?shù)臒崽幚�，也會有良好的減振性能。這種鋼一得到外界的振動能，就會出現(xiàn)磁疇壁移動和磁矩轉(zhuǎn)動，振動能的一部分便會迅速衰減。這種合金鋼很早就已經(jīng)作為蒸汽透平機的葉片材料使用。
目前減振合金已被用于各個領(lǐng)域。在宇宙航天方面，用作衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭、噴氣式飛機的控制盤和陀螺儀等精密儀器的防振臺架；汽車方面，用于車體、制動器、發(fā)動機轉(zhuǎn)動部分、變速器、濾氣器等；土木建筑方面，用于橋梁、鑿巖機、鋼梯等；機械方面，用作大型鼓風(fēng)機框架及葉片、圓盤鋸、各種齒輪等；鐵路方面，用于火車車輪等；船舶方面，用作發(fā)動機轉(zhuǎn)動部件、螺旋槳等；家用電器方面，用于空調(diào)器、洗衣機、垃圾處理機等；音響方面，用作演出轉(zhuǎn)動臺、擴音器框架、立體聲放大器底盤等。
來源：佳工機電網(wǎng)
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