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膨胀干燥烘干机螺旋叶开裂原因分析和预防措施的研究
发布时间：2013-07-11 07:52 来源：未知
1、前言
膨胀干燥烘干机是顺丁橡胶生产中的关键设备，它的作用是脱去橡胶中的水分。经挤压脱水机脱水的物料连续加入料斗，被连续式螺旋叶推入机体内，随着物料的向前推动，依靠机器内部物料间的相互摩擦和膨胀干燥烘干机简体蒸气夹套的不断给热，物料到达机头模板之前，就达到所需要的温度(150～180℃)和所需要的压力(10～5MPa)。当过热状态的水和处于高温、高压状态的物料被挤出机头喷入大气时，压力突然降低到常压，这时胶料中过热状态水立即汽化，从物料内逸出，从而达到干燥的目的。
螺杆是膨胀干燥烘干机的关键部件，螺杆呈悬臂状态工作在高压筒体中，螺杆上的螺旋叶不断受到高压和高粘度顺丁橡胶的挤压和剪切，因此螺旋叶的磨损是影响其正常工作的关键因素。螺叶的材料为ZGICr18N112M02T1，为提高螺叶的耐磨损能力，在螺叶的端部表面堆焊了3毫米的硬质合金，该硬质合金的硬度在HRC50～54之间。在实际使用中，存在螺旋叶堆焊层的脱离，螺旋叶的损坏相当严重，其实际工作寿命只有6个月左右，最短的仅3个月。
由于螺旋叶上堆焊层的脱落，严重影响了膨胀干燥烘干机的正常工作。因此研究膨胀干燥烘干机螺旋叶的磨损原因，提高螺套的使用寿命，对顺丁橡胶装置的正常运行和真正达到装置的“二年一修”具有极其重要的意义。
2、螺旋叶损坏情况的宏观分析
膨胀干燥烘干机螺杆上的螺旋共有13只螺套套合而成，每只螺套均为铸件，按零件图上的技术要求：铸件不得有气孔、砂眼、夹渣等缺陷存在，螺旋工作面及根部表面打磨光洁，螺旋外圆表面3mm厚的硬质合金，表面硬度HRC45～50，富通新能源销售木屑颗�；�、木屑烘干机等生物质成型、烘干机机械设备。
图1为螺旋叶上堆焊层脱落的情形，从使用后螺套表面颜色看，螺套表面均已失去金属光泽，且位于高压端的大部分螺套均存在类似的现象，从其表面颜色上判断，这层表面物质为金属氧化物，它是在衬套内的高温和介质共同作用下形成的。螺套端部硬质合金堆焊层存在大量的脱落现象，这种堆焊层的脱落在整个螺杆上的螺套是不均匀的，期中尤以螺杆中间的膨胀段的螺旋叶上更甚。
在高压端的螺旋叶表面均出现大量的裂纹，裂纹的形状主要有两种：径向裂纹和网状裂纹。径向裂纹大都发生在螺套的轮毅上，裂纹粗大，个别裂纹已深入到螺旋叶上。至于网状裂纹，它遍布于整个螺旋叶的表面，从螺套表面的着色检查可见，这种裂纹主要在螺旋叶基材表面大量存在，裂纹颜色深浅不一，这表明裂纹的深浅不一。但在堆焊层未见有网状裂纹，在堆焊层只发现从基材扩展而来的裂纹（见图2）。为进一步了解裂纹的来源和了解螺套的原始状况，我们对未经使用的螺套进行宏观检查。图3表示一新螺套表面着色探伤的结果，螺旋叶表面光洁，无网状裂纹存在，螺旋叶表面的缺陷主要存在于堆焊层热影响区附近存在有零星的气孔和焊接裂纹，整个螺套上缺陷比较集中的是在螺旋叶和螺套连接的变截面处，该处存在大量的气孔和缩松，严重的区域已连成一线，这些缺陷应该是在螺套铸造时产生的。纹。 由于螺叶材料为含碳量较高的ZGICr18NiI2M02Ti，在材料的晶界较易形成铬的碳化物，由于碳化物的生成，降低了晶界的铬含量，从而使得晶界易于被介质腐蚀。图6表示大块碳化物在材料中的形态，大块碳化物存在于晶界，裂纹沿着黑色碳化物的两端不断扩展，在碳化物附近的晶界裂纹明显比其它部位的裂纹粗大。图7表示晶界裂纹地扩展方向，从图中可看出，裂纹在晶界生成，之后在介质地作用下完全沿晶界扩展。图8是表示另一只金相试样较大裂纹处的裂纹形貌，该裂纹靠近堆焊层，从该图可看出该部位的裂纹使材料腐蚀后的形貌呈干固的河床状，由于该试样的腐蚀时间较长，在品粒的表面已形成大量深浅不～腐蚀凹坑，该腐蚀凹坑的生成进一步说明在该试样上的各个部位的抗腐蚀性能是不同的。由此可见由于该材料中的含碳量较高，使得材料中的铬与碳结合在材料的晶界和晶粒形成大量的碳化物，从而使材料的局部区域产生贫铬现象，而这
种贫铬情况若出现在晶间形成晶间裂纹。
4、堆焊层的金相分析
图9为堆焊层材料经王水腐蚀后的金相组织，从图中可看出该材料的金相组织非常均匀，其组织形态为亚共晶组织，在富铬固溶体周围有大量的碳化物析出。这种金相组织与Stelite 6极为相似。
对螺叶表面着色检查可见，不同于螺叶基体材料中的网状裂纹，堆焊层中的裂纹为径向直裂纹，金相分析更明确地显示了堆焊层中这种裂纹的形貌。从对堆焊层的金相分析可见，堆焊层中的裂纹大多从母材扩展而来，如图10所示，有的直接起始于堆焊层的界面，少数地方的裂纹在堆焊层中直接生成，如图11所示。从金相分析可见，在堆焊层的界面，存在大量的条状碳化物，这些碳化物的存在大大降低堆焊层的抗腐蚀能力，从而在堆焊层界面产生腐蚀裂纹，这种腐蚀裂纹不断向材料内部丌展，就使得螺叶堆焊层从螺叶基体上脱落。至于图11所示的细微裂纹很可能是应力腐蚀裂纹，其依据有两点：1）从介质要求看，有关文献资料可知，有的牌号的司太立合金抗盐酸腐蚀能力类似于316不锈钢，而本螺叶的本体材料就是316不锈钢，这种材料在该介质中形成大量的表面裂纹，因此堆焊层材料具有与介质组合形成应力腐蚀裂纹的条件；2）生成应力腐蚀裂纹自勺另一条件就是存在足够大的应力，如果堆焊层在堆焊后未作消除应力退火，则堆焊层中将存在达到材料屈服限的残余应力。
5、防止螺套腐蚀措施的研究
从对螺叶和堆焊层的金相分析可知，铸造螺叶基体材料为粗大的柱状品，且在晶界上或晶粒内存在有大量的碳化物，由于碳化物的存在使晶界和晶粒内产生贫铬现象，最终造成螺叶表面产生晶间腐蚀裂纹。对于堆焊层主要产生应力腐蚀裂纹和螺叶表面品间腐蚀裂纹扩展而深入到堆焊层中的裂纹，就应力腐蚀裂纹其应力来源主要为堆焊过程中产生的焊接残余应力，这一应力可通过热处理的方法消除，而扩展裂纹只要螺叶表面上的品间腐蚀裂纹得以消除问题自然就得到解决。为改善基体材料中碳化物分布的均匀性，可采用热处理的方法对铸造后的不锈钢采用固溶化处理，使碳在材料中均匀分布。
图12表示螺叶基材经热处理后金相组织的变化情况，所采用的热处理工艺为：将试样加温到1050℃，在炉子保温半小时后，采用水淬的方法快速冷却到室温。从图中很明显可看出，经固溶化处理后的不锈钢，粗大的晶粒不见了，碳化物的分布更均匀了。山于碳化物的分布均匀，降低了晶界上的碳化物含量，从而使品界上的贫铬状况得以改善。可想而知，由于晶界上的铬含量得增加，晶界的抗腐蚀能力必将大大改善，从而可防止或减轻改善晶界腐蚀裂纹的产生。但在基体材料中依然可见粒状碳化物的存在，在粒状碳化物存在的区域依然可能产生腐蚀。
针对ZGICr18N112M02Ti含碳量高的缺点，且尽管采用固溶处理依然无法保证碳化物的均匀分布，其耐介质腐蚀的能力很低。为此在实际应用中螺旋叶的材料改用OCr1 7Ni4Cu4Nb不锈钢，这种不锈钢由于化学组分中含有铜元素，它在提高该材料硬度的同时，提高了其耐腐蚀和耐高温的能力，因此采用浚类型的不锈钢不仅可防止介质刈材料产生晶问腐蚀，而且可有效降低螺套内橡胶对螺叶的磨损速度。根据这一情况，高化公司化工厂自2002年1月开始对膨胀干燥烘干机的螺旋叶采用OCr17N14Cu4Nb作为基体制材料，在螺旋叶的端部堆焊Stelite6司太立合金。从实际使用效果看，螺旋叶采周浚种新材料后，其耐腐蚀性能得到很大程度的提高，新的螺套从投用至今已使用一年多时间，依旧完好无损，比未改造前的3个月的使用寿命得到很大程度的提高。
6、结论
膨胀干燥烘干机为橡胶生产中的关键设备，该机器中的螺旋叶腐蚀和磨损是困扰正常生产的一大问题。经分析，造成螺旋叶腐蚀的原因是由于ZGICr18N112M02T1的含碳量较高，该材料在该介质中易产生晶间腐蚀裂纹，特别是在堆焊层焊缝的附近材料的抗腐蚀能力更差，为此可断定铸造不锈钢的晶间腐蚀是造成堆焊层脱落的主要原因。沉淀型不锈钢OCr17N14Cu4Nb由于具有很好的耐蚀性和耐高温性能，因此选用该材料制作的螺旋叶具有较长的使用寿命，满足生产实际的需求。
