张忠圆

1 前言

天津水泥工业设计研究院有限公司（以下简称“天津水泥院”）自主设计研发的第四代篦冷机，是目前国内综合性能较为优异的篦冷机机型，其核心技术包括：高效急冷斜坡技术、新型前吹高效篦床篦板技术、高温区细分供风技术、高温耐磨材料创新技术、新型流量调节阀技术及智能化“自动驾驶”技术。其中，高效急冷斜坡技术主要应用于具有高速射流效果的新型高温篦板，替代传统的固定斜坡高温篦板。图1 展示了高效急冷斜坡高温篦板风道冷却路径及优化前后软件模拟分析结果。

图1 高效急冷斜坡高温篦板风道冷却路径及优化前后软件模拟分析结果对比

为实现高速射流风道效应，高温篦板需具备以下三个条件：

（1）形成风道效应的篦板叶片，需具备较好的高温强度，使用过程中不能发生弯曲变形；（2）篦板叶片需具备较好的高温耐磨性能，使用过程中磨损速率缓慢；（3）篦板框架结构稳定，框架整体需具备较好的耐高温性能，使用过程中不能发生挤压弯曲变形。

近年来，第四代篦冷机使用量高速增加，高温篦板在使用过程中逐渐凸显出了一些问题。通过对2019年之前投产的高温篦板进行统计，发现约5%高温篦板使用后存在不同程度的失效问题，失效原因各不相同。天津水泥院对高温篦板失效状态进行了收集汇总分类并分析了失效原因，提出了解决方案，采用力学性能更优的新篦板材料、适宜的篦板铸造成型工艺和质量检验方法以保证篦板的使用效果。多个项目实际应用情况表明，新篦板使用效果良好。

2 篦板的失效方式分类

高温篦板使用过程中的失效方式分为四类。每类失效方式占总失效方式的比例及发生时间统计结果如表1所示。

表1 篦板失效状态汇总

第一类：篦板叶片自身塌陷弯曲变形，如图2所示。

图2 叶片自身塌陷变形失效

第二类：篦板叶片断裂，但断裂位置有规律，如图3所示。

图3 叶片断裂失效

第三类：篦板叶片前端发生磨损、开裂、掉块等问题，影响篦板使用效果和寿命，如图4所示。

图4 叶片前端掉块失效

第四类：篦板叶片和框架整体拱起，弯曲变形，如图5所示。

图5 叶片和框架挤压弯曲变形失效

3 篦板失效原因分析

从表1可以看出，高温篦板的失效方式以第一类最为常见，约占总失效方式的75%，一般在使用12 个月后发生；第二、三类失效方式，约占总失效方式的20%，一般发生在使用初期的1 个月左右；第四类失效方式比较少见，约占总失效方式的5%左右，一般在使用12 个月后发生。排查分析各类失效方式失效原因如下。

（1）第一类失效方式失效原因

现场勘察发现，第一类失效方式篦板的叶片在使用12 个月后，磨损减薄严重，强度显著降低，在物料冲击及高速冷却风的综合作用下，叶片自身塌陷弯曲变形。此类失效方式，不仅叶片与叶片配合形成的具有高速射流效果的风道失效，且变形叶片和未变形叶片不同程度贴合在一起，导致通风风道截面减小甚至堵死，造成篦冷机热交换效果变差。

（2）第二、三类失效方式失效原因

虽然第二、三类失效方式篦板的失效部位不同，第二类是在叶片的一侧开裂，第三类是在叶片的前端开裂、掉块，但是这两类失效方式均为叶片本身开裂失效导致，均发生在使用1个月左右的短时间内。分析原因，因物料下落到篦板上，对叶片产生冲击时，叶片与框架结合的刚度及叶片本身的刚度均无法有效抵抗物料冲击所致。

（3）第四类失效方式失效原因

第四类失效方式篦板比较少见，表现为篦板整体变形，即，叶片和篦板框架整体被挤压拱起，弯曲变形失效。现场勘测发现，篦板叶片磨损减薄后，发生弯曲变形并贴合在一起，造成通风不畅，致使篦板温度过高，发生整体热膨胀；同时，固定斜坡的框架制作也存在问题，导致整体热膨胀的篦板挤压在一起，最终两侧均受挤压力的1～2块篦板（叶片+篦板框架）拱起，发生弯曲变形。

综上分析，为解决篦板失效问题，一方面，需进一步提升目前使用的耐热钢材料ZG40Cr25Ni20的力学性能；另一方面，需进一步优化叶片结构，提高篦板叶片、叶片和框架组装后的刚度和抗冲击力。

4 提高篦板力学性能和优化叶片结构的解决方案

研发了一款可替换ZG40Cr25Ni20耐热钢篦板且在900℃高温状态下力学性能更优的新材料，对篦板叶片结构在现有基础上进行了优化升级。

4.1 篦板新材料的研发

4.1.1 新材料的设计思路

ZG40Cr25Ni20 耐热钢铸态组织为单一的奥氏体，工况温度＞727℃时不会发生相变，具有良好的热稳定性能，但缺乏强化相和热强性碳化物形成元素，高温力学性能不能满足使用要求。

新材料的设计思路为研发一种碳化物强化奥氏体型、热强型耐热钢，因此，要求新材料的主要组织仍是奥氏体，以保证其在工况温度＞727℃时不会发生相变，具有良好的热稳定性能；同时，依靠不同的强化元素，保证新材料的高温力学性能。

在拟研发的新材料中，Ni 元素含量低于ZG40Cr25Ni20 中的Ni 元素含量，需添加大量的Ni元素以形成稳定奥氏体组织，使新材料获得完全奥氏体组织，具有热强性；含有微量的N元素，同样起到形成并稳定奥氏体组织的作用，可提高强度和耐蚀性；含有大量的Cr元素和一定量的Si元素，可保证新材料具有高温抗氧化性能和耐腐蚀性[1-2]；添加一定量的Mo元素，能够提高钢的耐磨性和热强性，在钢中形成特殊碳化物，有效防止氯化物的热腐蚀[3]；添加微量的Nb元素，形成碳化物，产生弥散强化，改善抗晶间腐蚀能力，并细化晶粒；含有微量的Re元素，不仅对钢液起到净化作用，而且能够细化晶粒。

4.1.2 新材料的性能测定

（1）新材料的热稳定性能

采用铸造成型方式，将新材料制作成Y 型试块；使用线切割方式，将Y 型试块制成20mm×20mm×10mm 的小试块；将小试块表面分别采用200目、600目的砂纸先后进行抛光处理；使用“90%盐酸+10%硝酸”溶液进行小试块表面腐蚀，腐蚀完成后，处理干净表面并烘干；放置在SEM扫描电子显微镜中进行EBSD 电子背散射衍射测试，测试结果如图6所示。

图6 新材料的EBSD 测试结果

由图6 可以看出，新材料中99.8%的成分为奥氏体组织相（fcc），在添加其他强化元素后，铸态组织仍为全奥氏体，在700℃及以上温度时，不会发生相变，具有良好的热稳定性能。

（2）新材料的力学性能

按照试验标准GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》及GB/T 4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》，对新材料和ZG40Cr25Ni20 在室温、900℃下的高温力学性能分别进行了测试，测试结果如表2所示。

表2 室温及高温力学性能测试结果

从表2 可以看出，新材料的室温力学性能及900℃高温力学性能均优于ZG40Cr25Ni20。

4.2 篦板叶片结构的优化升级

使用新材料提升篦板力学性能的同时，对篦板叶片结构也进行了升级优化，以提升篦板整体刚度，延长使用寿命。

篦板叶片结构的优化，主要以增加叶片本体刚度为主，使叶片本体更加抗冲击，叶片和叶片配合，形成具有高速射流效果的通风道，使其效应更加稳定持久。优化叶片结构后的高温篦板如图7所示。

图7 优化叶片结构后的高温篦板

5 新材料高温篦板铸造成型及质量检验

通过应用新材料篦板及优化升级篦板叶片结构，能够有效解决高温篦板使用失效的问题。为了保质保量完成高温篦板的生产，选择适宜的铸造成型工艺及成品质量检验方法尤为重要。

5.1 新材料高温篦板的铸造成型

高温篦板通过叶片与叶片之间的配合，形成具有高速射流效果的通风道，对于叶片的尺寸和表面光洁度要求较为严格，生产新材料高温篦板，精密（失蜡）铸造工艺是能够满足篦板叶片生产要求的最佳工艺方案。

精密（失蜡）铸造[4]工艺流程为，用易熔材料（蜡料）制成可熔性模型（简称熔模），并在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经干燥和硬化，形成整体型壳；再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型，并将型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型；将铸型放入焙烧炉中高温焙烧（如采用高强度型壳，可不必造型，将脱模后的型壳直接焙烧）；铸型或型壳经焙烧后，浇注入熔融金属得到铸件。精密（失蜡）铸造工艺流程见图8。该铸造工艺具有以下优点[4]：

图8 精密（失蜡）铸造工艺流程

（1）铸造尺寸精度高，光洁度好。铸造尺寸精度最高可达名义尺寸的5‰，粗糙度水平为Ra0.8～3.2μm，大大减轻了后续机械加工的负担，在近净形（零件成形后，仅需少量加工或不再加工）甚至净形的情况下，机械加工几乎全部被取消。

（2）能够铸造外形复杂的铸件、异形复杂小孔及薄壁件铸件。

（3）用于铸造的合金材料不受限制。适用于大部分铸造合金，包括各种铸铁、碳素钢、低合金钢、工具钢、不锈钢、耐热钢、镍合金、钴合金、钛合金、青铜、黄铜、铝合金等，总体加工效果较稳定，尤其适合难于锻造、焊接、机械加工的材料。

5.2 篦板的质量检验

对篦板叶片而言，其质量对篦板的使用较为关键，即使采用精密（失蜡）铸造工艺成型制作，也不能绝对保障叶片内部质量完全合格，需对叶片的质量进行重点检验。

为了能够直观、清晰地判断叶片内部质量是否满足使用要求，可按照无损检测标准JB/T 5000.14-2007《重型机械通用技术条件第14部分：铸钢件无损检测》中的RT射线检测要求，对叶片进行无损探伤检验。篦板叶片前端RT检测如图9所示。

图9 篦板叶片前端RT检测

6 结语

优化后的高温篦板已在多个项目投入使用，实地勘察可知，篦板在使用一年后，篦板叶片基本无磨损和变形，整体使用情况良好（图10），彻底解决了篦板叶片弯曲变形、断裂失效的问题。

图10 优化后的篦板使用一年后的效果