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安钢二炼轧150t2＃转炉倾动机构断齿事故现场修复工程参加单位：人员名单协作单位：人员名单2007年12月28日摘要安钢二炼轧150t2＃转炉倾动机构发生大面积断齿事故，在大小齿轮均无备件的情况下组织现场修复取得成功，减少停机时间，迅速恢复生产，获得了巨大的经济效益。关键词转炉倾动机构齿轮修复1150t2＃转炉倾动减速机断齿事故状况及影响2006年4月安钢二炼轧150t2＃转炉因倾动机构发生大面积断齿事故而停产，照片1－6显示出当时的破坏状况：照片1倾动机构二次减速机大齿轮断齿局部照片2倾动机构右上二次减速机小齿轮断齿局部照片3倾动机构左上二次减速机小齿轮断齿局部照片4倾动机构左下二次减速机小齿轮断齿局部照片5倾动机构右下二次减速机小齿轮断裂报废照片6倾动机构一次减速机大齿轮断齿局部事故发生后整个倾动机构已完全被卡死，经过两天拆卸才将断裂为两半的右下二次减速机小齿轮割断拆除，经维修技术人员进入一次减速机内部反复核实，倾动机构整体破坏情况如下：一次减速机大齿轮总齿数为136，整齿断裂齿数为5，严重断裂齿数为36，局部积压变形和掉块齿数为46；右下二次减速机小齿轮断裂为两半，彻底报废；右上二次减速机小齿轮断齿数为6；左上二次减速机小齿轮断齿数为1；左下二次减速机小齿轮断齿数为3。上述情况清楚的表明倾动机构的这次事故是毁灭性的。事故发生后在二炼轧现场召开了总公司领导参加的设备部二炼轧联合事故分析会，对事故发生的原因和事故产生的损失进行分析和评估，对如何全力抢修尽快恢复生产进行决策，会议要点综合如下：（1）初步判定事故是由于右下二次减速机小齿轮制造质量问题产生早期断裂引起倾动机构进一步破坏；（2）由于二号炉投产时间较短，而倾动机构预期寿命较长，二次减速机大小齿轮均无备件。与有关生产厂家联系确认大齿轮的制作周期为一年，小齿轮的制作周期为3个月。（3）事故直接的损失是倾动机构近乎报废的破坏，价值高达数百万，但与由此造成的间接损失和影响比则变得微不足道。二号炉每天的产量为5000吨，且大多为高附加值的品种钢。每天的产值损失为―――――万元，利税损失可达―――－万元。停产3个月的将损失产值――――万元，利税――――万元。如果真的停产三个月，将直接影响到总公司全年各项经济指标的完成。（4）面对如此严峻地局面，长时间停产等备件是无论如何都不能接受的。只有现场抢修事故损坏的备件才有可能在短时间内恢复生产，将事故的影响降到最低。与会总公司领导明确指示：调动一切可以利用的技术和资源，全力现场抢修，尽快恢复二号炉运行。2150t2＃转炉倾动减速机断齿事故成因分析2-1宏观断口分析从前述照片断齿宏观断口发现：小齿轮断齿均为典型的脆性断裂特征，断裂过程中未发生塑性变形;大齿轮虽有整齿的断裂破坏，但在齿根部位尚未完全断开，而且多数严重破坏的齿都存在相应的挤压变形。由此可以作出两点判断：一是断裂首先发生在右下的小齿轮上；二是未发现疲劳裂纹扩展特征的情况下齿轮断裂为脆性瞬间失稳断裂。2－2金相分析图11#马氏体组织400X图21#网状碳化物400X图31#心部组织400X金相分析取样部位为小齿轮断口边沿。图1为渗碳表层组织，粗大的针状马氏体加较多的残余奥氏体构成渗碳层的组织特征，显示出表面渗碳层含碳量较高且回火不够充分，这对后续加工和服役工况均会产生不利的影响。图2是渗碳层式样经深度腐蚀观察到的网状碳化物形貌，较大颗粒的碳化物沿晶界断续分布形成较为明显的封闭网状，这在渗碳表层中是极为有害的组织结构，可极大地增加渗碳层的脆性。碳化物网状形成的原因多为渗碳处理时气氛碳势偏高且渗碳后冷却缓慢所致。图3为远离渗碳层的心部组织，大量的低碳条状马氏体加极少量的铁素体显示出典型的低碳高合金优质渗碳钢淬火组织特征，由此亦可推出该钢种具有超强的淬透性且采用了较高的淬火温度。因为小齿轮的重量也达2000kg以上，没有超强的淬透性是无法获得全淬透的心部组织的。将上述的渗碳层组织与有关国家标准相对照，马氏体和网状碳化物可明显判为不合格组织，制造过程工艺控制不严格为以后服役事故埋下了诱因。2－3机械性能分析对倾动机构大小齿轮的进行了硬度测试：大齿轮齿圈心部硬度为HRC23-28,齿面硬度为HRC50-57;小齿轮心部硬度为HRC32-37,齿面硬度为59－63。硬度的测试结果与大小齿轮破坏的宏观断口形貌相互对应。正是小齿轮的高硬度和高脆性使得裂纹一旦发生就迅速扩展，大面积的失稳断裂就在所难免。2－4设备运行状态与工况是故发生的突然性还表现在倾动机构控制和检测系统的控制检测记录上。在此之前的设备运行参数一切正常，均未表现出异常的载荷和振动变化。事故发生时系统的过载保护也未能发挥应有的作用。失稳断裂的瞬间能量冲击将破坏迅速地传递到减速机的其它部件，局部的断裂扩展为系统的大面积断裂。3现场抢修的关键技术难点和技术对策3－1大齿轮免拆卸断齿重建修复大齿轮在二次减速机箱体内，其输出轴直接与转炉耳轴连接，紧迫的抢修周期不允许拆卸，只能在机箱内对多达87个不同程度的断齿修复。3－1－1清理探伤为避免进一步的损坏扩展，先将挤压变形的断齿部位进行清理，然后用渗透法对大齿轮整体进行探伤，以确认所有的裂纹缺陷。进一步磨削清除断口层，并加工除适合焊接的坡口形状。3－1－2断齿堆焊3－1－2－1焊接材料考虑到大齿轮为焊接工艺制造，齿面为硬齿面，焊接修复后的综合机械性能须完全模拟原齿圈性能，断齿的堆焊采用符合材料堆焊。打底材料采用高结合强度低应力焊条EC2222;过渡材料采用高强韧性的EC66;齿面则采用可通过焊后处理调整硬度的功能焊丝EC6055。3－1－2－2焊接工艺打底用直流手弧焊接，短弧短焊道，焊后捶击至焊缝产生明显的机械变形。特别注意焊接过程的预热温度，控制在150－180℃。过渡层焊接采用半自动气体保护焊接，严格控制焊层厚度和焊道长度并注意堆焊齿形的控制，为下一步的齿面堆焊留出均匀的尺寸空间。硬齿面堆焊采用手工氩弧焊进行，关键在于硬化层的均匀性，特别注意与原硬齿面的结合面焊接，用精确的收弧控制焊层形状和过渡区性能。3－1－2－3焊后处理严格的焊后处理是大齿轮修复后能否长期稳定运行的关键。由于现场条件所限只能采用火焰加热的处理方式，过程中注意实现温度高低和均匀性，用反复的硬度测试检验焊后处理的效果。最终实现既最大限度的降低了焊接应力又将断齿堆焊层调整到最佳综合机械性能。3－2小齿轮离线断齿重建修复在进行材料选择的模拟试验时，遇到了特别严重的焊接开裂问题，无论用何种打底材料和何种焊接工艺都因整体的焊接过渡区开裂而失败。面对如此困境参与抢修工程的各级领导和有关专家都感受到了极大的压力。在大齿轮修复顺利进行的情况下，能否成功修复小齿轮就成了此次抢修战役成败的关键。3－2－1小齿轮焊接开裂原因确定小齿轮为优质渗碳钢17CrNiMo6锻件机加后渗碳淬火处理。渗碳温度为930℃，回火温度为180℃。前文已经说到，该钢中具备超强的淬透性，而高的淬透性即意味着低的可焊性，高性能打底材料的开裂即证明了这一点。图4是打底焊缝两侧的金相组织图片，焊缝过渡区为大量针状马氏体＋残余奥氏体。由此说明150－180℃的预热温度下焊后过渡区发图41#焊缝与母材结合部400X生了马氏体相变，淬火组织的出现必然产生严重的过渡区开裂。提高焊接预热温度可以避免淬火组织的出现。图5是预热温度在350℃打底焊接焊缝两侧组织，图6是过渡区的金图52#焊缝与母材结合部400X图62#焊缝热影响区400X相组织图片。从中可以明显地看出无论在焊缝区还是过渡区都没有出现淬火组织而全部是索氏体组织，实验结果也显示焊后未发现任何裂纹。以上这一组针对性很强地对比试验，既发现了焊接开裂的成因，也找到了避免开裂的解决方案。但预热温度的提高带来必须解决的两个问题。3－2－2修复后小齿轮的整体齿面硬度降低小齿轮渗碳淬火后的回火温度为180℃，因为小齿轮断齿堆焊连续作业达10小时以上，会导致原有HRC60的硬齿面下降到HRC40－45。经过有关专家和领导专题会议讨论，本着求真务实的态度，一致决定以降低硬度来确保焊接质量，换取抢修工程的加快实施。3－2－3焊接过程的工艺保证现场抢修不是试验室，模拟试验时很容易实现的工艺保证在小齿轮上难以实现。小齿轮是一次减速机的输出轴，和一次减速机安装为一个整体。由于结构复杂安装精度高无论从时间还是技术上都不允许拆卸，为此专门设计制造了两台煤气加热的热处理炉来保证焊接全过程的预热保温。炉子采用分体结构，热电偶自动温度检测，手动煤气调节控温。另外小齿轮通过轴承油封与一次减速机相连，轴承部位不允许超过150℃的高温，而油封为橡胶制品超过80℃就会失效。在靠近一次减速机的油封外加装淋水装置，焊接过程中油封轴承部位温度始终控制在80℃以下。整套装置简单而实用，是创造性的解决现场工程问题的典型案例。3－2－4焊接材料和工艺调整和大齿轮堆焊修复相类似的材料选择和工艺控制不再详述。只是最后一层的齿面材料采用了硬度较低的EC6033焊丝，以实现与原齿面降低后的匹配性能。3-3断齿堆后的形状恢复转炉倾动机构的制造精度，装配精度和传动精度都有着严格的要求。大面积修复的断齿重建能否满足苛刻的生产工况要求不仅仅在于高质量的焊接性能，随后的精度恢复将成为更直接更直观的决定因素。由于现场抢修的条件所限定齿面精度的加工只能靠模具钳工手工完成。在小齿轮回装之前采取靠模法磨削加工；整体回装后进行配研修齿。此项工作说来简单，实际上参战员工作出了十分艰苦的努力，实践证明取得了优异的效果，而且是任何其它的加工方式都不能完成的。4装机运行，恢复生产经过16天的昼夜抢修，2007年5月5日150t2#转炉倾动机构完成装机运行，重新恢复生产。到07年12月已安全运行半年以上，炼钢产量累计―――万吨，为总公司全年任务的完成作出了重要贡献。5讨论5-1动态检测系统未能对避免事故提供帮助转炉倾动机构是转炉炼钢生产的最为关键的设备之一，设备和生产安全性能是设备设计和制造者优先考虑的最为重要的指标。正因如此近几年投产的大吨位电炉的倾动机构均配置了完备的设备运行动态检测系统，以便及时发现设备运行的动态参数变化和关键部件异常运行现象，进而采取必要的技术处理排除事故隐患避免事故发生。这次发生在2#转炉倾动机构的严重事故动态检测系统未能提供应有的帮助。其实类似的转炉倾动机构二次减速机小齿轮断齿事故在济钢，宣钢等多家钢厂不止一次的发生过，且无一例外的动态检测行动没有预警，过载保护装置也未启动。虽然此类事故都具有偶然加突然的性质，但从技术层面来讲偶然现象的背后存在这必然的因素。因为事关重大我们至少可以提出这样的质疑：在现有的动态检测系统中低频的最大冲击峰值没有得到及时的发现和控制。已有多篇有关转炉动态测控的文章关注到这一问题。如转炉倾动过零位垂直位置和紧急制动刹车时，由于传动系统间隙（如齿轮改变啮合面）在耳轴上产生很大的冲击相应，其最大尖峰冲击力矩远超过设备的设计最大力矩。当我们更加关注设备运行的安全性能时，最大冲击峰值理应得到足够的重视。从材料断裂力学的上来解释，脆性断裂来源与一次最大的冲击载荷，如何检测最大冲击峰值并在实际运行中降低到可控的水平将会对提高设备安全避免恶性事故发生十分有益。5－2小齿轮的材料设计和强度配置有待商榷经过修复的小齿轮齿面硬度从HRC60降到HRC40－45，其心部硬度降到HRC25左右。在经过长达半年多的生产运行后停机检查，齿面并未发现严重的磨损，可以预期再使用数年也不会对传动精度产生大的影响。可以肯定的是小齿轮材料设计更多的考虑了高强度，高耐磨和高寿命，忽视了在高冲击载荷的情况下必须具备良好的强韧配合。联系到国内多家钢铁公司都出现了倾动机构小齿轮断齿的事故，目前设备制造厂家对小齿轮的材料和强度设计的确值得商榷。即使采取和大齿轮类似的材料和热处理工艺，也许这类事故就可以避免。5－3刹车方式和刹车位置有待改进从动态检测结果和实际生产运行的观察都可以得出，刹车是低频冲击峰值产生最为关键的因素。现有设备的刹车装置设在倾动机构的电极端，以最小的刹车力矩对抗重载的惯性系统。