钢渣抓斗斗齿弯曲变形的分析与改进

钢渣抓斗斗齿弯曲变形的分析与改进

王宏平1 谭龙2

广东中南钢铁股份有限公司   韶关市蓝耀智能科技有限公司    广东韶关 512000

摘要：本论文主要研究了钢渣抓斗斗齿在使用过程中出现的高温变形问题。对斗齿材料及热处理工艺、使用过程进行了分析。通过分析，发现工作过程中的高温导致的退火是斗齿变形的主要原因。提出了改进措施，并对实施效果进行了评估。

关键词：钢渣抓斗，斗齿，高温变形，材料选取，受力分析，温度影响

一、引言

钢渣抓斗是钢铁企业转运及处理钢渣时的重要设备之一，其斗齿作为主要工作部件，需要承受高强度的冲击载荷和高温环境。在实际使用中，由于斗齿受材料的耐温能力、受力情况、磨损等因素的影响，斗齿常常出现弯曲变形的问题，影响抓斗的作业效率、使用寿命。因此，本研究旨在深入探讨钢渣抓斗斗齿变形的原因，并提出相应的改进措施。本文将从斗齿材料及热处理工艺、使用过程等环节分析原因，以求寻找合适的材料、优化工艺的方法、减少使用过程中的高温回火现象等措施，从而避免出现弯曲现象，并通过在表面堆焊耐材达到提高使用寿命的目的。

1、斗齿的热处理工艺

斗齿图纸设计材料为40Cr锻件,40Cr钢是一种低合金结构钢，具有较高的强度和硬度，耐磨性和耐热性能也较好。对应的热处理工艺为整体淬火+低温回火，金相组织为马氏体和残余奥氏体。表面硬度 HRC400～480，芯部硬度HRC275～300，正常使用寿命为18～21天。

2、斗齿使用过程中出现的问题

在使用过程中，部分斗齿在使用 3～7 天后出现弯曲的状况，见图①。经过多次现场实地测量工作中的斗齿，温度在 200～ 350 之间。但由于生产节奏变化，部分时间斗齿温度能达到650~780℃，并且挂高温红渣严重。                                                  图①                                                        

3、弯曲变形斗齿的取样分析情况

随机选取现场2件弯曲变形的斗齿，在弯曲部位距端部100mm左右的位置横向锯断，做两种分析：分层硬度分析、晶相结构分析， 见表①。斗齿工作段横截面为接近120mm*120mm的正方形。

                              表①

根据试样测量结果，结合现场观察测量的使用温度情况分析，斗齿为典型的高温回火态。应该是较长时间维持超600℃的高温导致的。试样2表面部分出现退火态，应该是有部分时间工作温度超800摄氏度。同时根据40Cr测量不同热处理工艺后的硬度对比(表②)，也能证明斗齿试样处于高温退火硬度。

                              表②

根据表②可见，40Cr在中温回火（温度350～500℃）后，硬度下降较少；高温回火（温度500～650℃）后，硬度大幅下降。根据查询金属材料手册，大部分金属材料的屈服强度与其硬度成正比，硬度下降屈服强度也会下降。40Cr硬度与屈服强度对照表③

                                     表③

同时，斗齿使用过程中，凿击结块的钢渣时承受大的冲击载荷。另外使用过程中斗齿也会磨损，变薄变细。结合高温回火后的强度下降，导致斗齿弯曲变形。

4、改进措施

材料改进：由于斗齿属于消耗件，考虑使用性能、寿命的同时也要考虑经济性，尽量在常用材料中选。鉴于在大部分工作时间、使用温度不超过500℃左右的情况下，40Cr制作的斗齿能正常使用，可选择价格差不多的42CrMo材料，其强度、硬度比40Cr钢更高，抗拉强度和屈服点也较大，同时还具有良好的韧性、淬透性和高温强度等特点。通过变更材料，斗齿强度提高约 10%，耐温性也略有提高（相近材料还有45CrMo，回火时在 300～350℃的范围有第一类回火脆性；有形成白点的倾向，容易出现断裂现象，不易在这个温度段工作）。

使用过程改进：减少抓斗及斗齿挂高温红渣的情况发生。尽量控制抓斗的使用温度，避免斗齿温度超过500摄氏度。发现斗齿达到暗红色（600℃以上），暂停使用，特别是不要在斗齿高温的情况下干凿击结块钢渣的工作。

通过增加冷却装置：确保安全的情况下在抓斗放置点修一个刚好可以浸没斗齿的大水池，发现斗齿达到暗红色后把抓斗斗齿放进水池急冷。通过急冷减缓高温回火现象。

最后在斗齿工作段表面堆焊耐高温耐磨材料，通过在钢渣抓斗斗齿表面堆焊耐高温耐磨材料，可以提高抓斗的使用寿命和可靠性，降低维修成本和停机时间，提高经济效益。虽然某些耐高温耐磨材料具有出色的性能，但价格过高或施工难度大可能导致经济效益不佳。因此，我们需要权衡材料的性能、价格和施工难度等因素，以选择最具有经济效益的耐高温耐磨材料。在选择耐高温耐磨材料时，我们主要考虑材料的硬度、韧性、耐磨性、耐高温性等。常见的耐高温耐磨材料有钴基合金、镍基合金、碳化钨等。这些材料都具有出色的高温硬度和耐磨性，适用于钢渣抓斗斗齿的表面堆焊。出于性价比考虑，选用了市场常见的铬-镍-钨合金焊材，焊层硬度HRC52-55。

5、实施效果

通过对斗齿材料及热处理工艺、使用过程等方面的研究，得出了导致斗齿变形弯曲的主要原因是高温导致的高温回火，使斗齿屈服强度严重下降。同时高温回火导致斗齿硬度下降、加速磨损，磨薄磨细后的斗齿也更容易弯曲。通过更换材料、增加冷却装置、表面堆焊耐材等改进措施的实施，成功解决了斗齿的高温变形问题，钢渣抓斗斗齿的使用寿命提升了30%，未再出现弯曲情况。提升了钢渣抓斗的工作效率和安全性。本研究成果对于钢铁企业的类似设备维护和改造具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 傅 璞 . 40Cr热处理工艺及其组织与性能.机械工程与自动化, 2005年10月第5期

[2] 李 昂 . 42CrMo硬度研究及改善措施. 冶金与材料, 2020年6月第3期