铸焊联合结构在转炉大齿轮制作中的应用

翟成河

1.概述

转炉是目前钢铁行业炼钢的关键设备，转炉加料与出钢水是依靠倾动系统驱动托圈旋转完成的。由于大齿轮是该系统中的核心部件，关系到转炉的正常运行，所以该部件的制造加工要求非常严格。

我厂制作的转炉及其附属设备在钢铁行业有一定的知名度，转炉倾动用大齿轮一直沿用铸造结构。由于铸造本身缺陷，尤其对于转炉齿轮这种大吨位铸件，铸造组织不稳定是多年来一直难以克服的难题；虽然通过不断改进工艺，成品率越来越高，但面与面过渡处产生的各种缺陷（气孔、砂眼等）始终难以根除。加工中出现的单个或多个气孔、砂眼，清除彻底后，焊补就能回用；但缺陷成片出现，处理（局部或整体预热、控温焊接、焊后保温等）非常棘手；若此缺陷出现在关键部位，就有可能造成正在加工中的产品报废；如果关键部位的缺陷未检出，运行中就有可能酿成不可想象的后果。缺陷不仅造成了人力、物力的极大浪费，增加了产品的制作成本，而且还会延长产品的加工制作周期。

2.改进措施探讨

（1）缺陷分析 根据经验，要想减少铸造缺陷，就必须尽可能减少产品形状的变化，形状变化越小，缺陷越小；尽可能减少铸件重量，铸件用钢(铁)液越少，缺陷越少。因此要想提高产品质量必须在这两方面下功夫。

（2）结构分析 此种大齿轮典型结构如图1所示，一般分为轮缘、轮辐、轮毂三部分。轮缘位于基体外缘，是传递扭力的部分，轮齿是直接从轮缘基体上加工而成，是形状一致的圆盘状；轮毂位于基体内部，是基体与轴相连部分，也是传递扭力的部分，是形状简单的厚壁圆筒体；轮辐位于以上二者之间，起连接和传递作用，为双幅板结构，中间被立筋分为六个空腔。

（3）改进分析 轮缘厚、形状一致，且为向外传力部分，不适合减轻重量或改进结构。轮毂同轮缘一样，也不适合改进，仍沿用原铸造结构。轮辐与轮缘、轮毂间横截面形状变化大，过渡处是产生缺陷的敏感部位；六个空腔是为了减轻铸件重量，且其在轮缘、轮毂间起连接作用，为非直接受力部分；故轮辐为适合改进部分。

3.结构设计

（1）替代结构 借鉴小齿轮由铸造结构改为铆焊结构的经验，轮辐部分由铸造结构改为钢板组焊结构，继续保留抗弯和抗扭刚度好的双幅板内部空腔结构，立筋由钢管代替，这样可以增加两个方向的刚度。

（2）材料选择 轮体上各部分所处地位和作用不同，应按实际需要选择材料。由于轮缘、轮毂有硬度要求，故仍沿用35CrMo材质不变；由于轮辐起支撑和联接作用，需要有一定的柔韧性，且与轮缘、轮毂易于焊接，故钢板材质选用焊接性好、价格便宜的普通结构钢Q235B。

图1

（3）钢板厚度 根据轮辐部分铸造结构分析，辐板厚度是由齿轮强度和铸造工艺（相邻结构厚度不能相差悬殊）要求确定的；经过计算，钢板厚度只要达到铸造辐板厚度的一半就能满足齿轮性能要求；通常根据铸造厚度一半的整数值，并参考相应钢板规格，确定钢板厚度。两辐板间外部尺寸与原辐板外部尺寸一致。

（4）焊缝布局 齿轮轮体是在动载下工作，其破坏形式主要是疲劳；考虑到辐板与轮缘、轮毂过渡处应力集中问题，焊缝布局如图2所示，在轮缘和轮毂上均加工出高度为辐板厚度1.5～2倍的凸台（要求凸台与本体间圆滑过渡）；把轮缘与腹板、辐板与轮毂间的丁字接头变为对接接头，避开了结构的应力集中区。

图2

（5）钢管布局 为了增加两辐板的刚度，把原铸造结构立筋改为钢管，钢管规格及壁厚不受限制，钢管数量可参考原铸件确定。

（6）结构优化 利用Solid-Works软件中的COSMDSXpress插件，模拟齿轮运行条件，对结构设计测试评估；根据结果进行优化，制定合理、可靠的设计结构方案。

4.结构制作

（1）焊材选择 由于轮缘、轮毂材质为35CrMo中碳钢，而轮辐为Q235A低碳钢，它们之间属于异种钢焊接；轮体上四条环形封闭焊缝，因为刚性拘束应力大，焊接过程中易产生裂纹，故选用抗裂性能好的低氢型焊接材料E4316。

（2）组装顺序 先将其余各件按图样要求组装一体，定位焊采用E4316，φ3.2mm焊条，定位焊缝长度50mm，间距200mm，定位焊缝不得有裂纹、夹渣、气孔，否则应清除重焊；定位焊缝两端应便于接弧，否则应予修整。坡口及两侧50mm范围内将水、铁锈、油污、积渣和其他杂物清理干净。

（3）焊前准备 为防止裂纹产生，焊前要用履带式电加热器进行预热（或炉内进行整体加热），预热温度为200～250℃；E4316焊条使用前应进行烘干，烘干温度400℃，保温2h，烘干后应立即使用。

（4）焊接参数 具体焊接参数如附表所示。

焊接参数

（5）焊接工艺 预热后要立即施焊，并连续焊接一次焊完，接弧处应保证焊透与熔合，同时层间温度控制在200～250℃之间；每道环缝均由四名合格焊工沿圆周方向对称同时施焊，焊条规格、焊层厚度、焊接参数均相同；每层焊缝应严格检查，未焊透及夹渣、裂纹等缺陷要彻底清除后，再进行下道工序；每道环缝焊至1/2辐板厚时，翻转工件，焊接对称侧环缝；最后焊管子焊缝。

（6）焊后处理 焊缝完成后要立即进行退火处理，将工件加热到（550±20）℃，保温4h，升降温速度<50℃/h，然后缓冷至室温。注意：退火前必须在辐板上钻透气孔，并严格控制退火温度范围，以免降低调质硬度。

（7）焊缝检测 焊缝和热影响区表面不得有裂纹、气孔、弧坑和夹渣等缺陷；焊缝咬边深度≤0.5mm，咬边连续长度≤100mm，焊缝两侧咬边的总长度不得超过该焊缝长度的10%；按图样要求进行超声波探伤检测，并符合GB11345—1989标准规定的Ⅱ级为合格。

5.结语

结构改造后的大齿轮，经使用厂家反馈，运行状况良好。这种联合结构实用性强，减少了铸造缺陷和返修次数，减轻了结构重量（减轻约20%），降低了制作成本，缩短了制作工期。实践证明，可以广泛推广应用到类似重型机器的大型零部件制作中。只要在受力分析的基础上，结合成熟的焊接技术，对各结构巧妙组合，进行创造性的设计，然后利用SolidWorks软件进行设计优化，就可获得强度高、刚性好和重量轻的新颖实用结构。20140615