水泥机械大型铸件常见质量问题分析及应对措施

耿锋涛（中材建设有限公司，北京 100176）

0 引言

大型铸件是水泥机械设备的关键核心部件，生产制造周期长、质量要求高、体积重量大、安装施工和更换难度大，一旦在制造或使用过程中出现重大质量问题，就会对整个工程项目的工期以及整条水泥生产线的正常运营造成致命影响。大型铸件的质量检查和控制也就成为质量管理中很重要的一个环节，本文对水泥机械大型铸件常见缺陷及影响因素做了深入分析，并提出针对性的应对和预防措施。

1 水泥机械大型铸件常见质量问题

水泥机械常见大型铸件主要涉及回转窑的大齿圈、托轮、轮带、挡轮，管磨机大齿圈、中空轴，立磨磨盘、磨辊等部件。影响铸件质量有诸多因素，如铸件材质，铸造工艺方法，铸造、热处理和机加工设备的性能和过程的控制，技术人员、操作人员的经验和能力，质量检验和控制方法等。水泥机械大型铸件的质量控制节点通常分为粗加工后的检查和精加工后的检查，常见的质量问题如下[1]。

（1）外观质量不合格。铸件常见外观质量问题主要是多肉缺陷、缺肉缺陷、砂眼、气孔、裂纹、夹渣等肉眼可见的表面缺陷，以及粗糙度不达标问题。

（2）机械性能不达标。铸件的机械性能主要检查屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、断面收缩率、伸长率等，具体指标在图纸、技术合同、标准规范中都有详细的规定。

（3）超声波探伤不合格。超声波探伤常见质量问题有：

①探伤表面存在毛刺、粗糙度达不到探伤要求。主要是由于加工过程中进刀量过大，一般要求机加工表面粗糙度应达到Ra≤12.5 μm。

②铸件局部或大面积晶粒粗大。晶粒粗大的组织可能遍布于铸件整体，也可能发生在铸件的局部区域，其本质上属于冶金缺陷。造成铸件晶粒粗大的影响因素很多，如铸件自身结构和铸造工艺设计、浇冒口系统的设置、型砂胀砂、型芯放热反应、冷铁布置、铸件自身化学成分、浇铸温度过高、冷却速度过慢、热处理不当等原因[2]。铸件中粗大的晶粒、不均匀的组织都会导致超声波产生严重的散射和声能损失，在荧光屏上显示为较强的草状杂波信号，粗糙的铸造表面对声波的散射也会形成草状杂波。另外，如果铸件形状比较复杂，也容易产生轮廓反射回波及延时波。这些干扰信号将会影响对缺陷信号的识别，应注意区别。

③铸件本身存在超出验收标准等级的铸造缺陷。根据铸件的探伤技术和等级标准要求，采用适宜的扫查灵敏度进行扫查，根据底波衰减和缺陷回波高度进行缺陷评判。

（4）磁粉探伤不合格。通过磁粉探伤可发现铸件的表面和近表缺陷，常见磁粉探伤缺陷为气孔、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷。其中：①大齿圈、磨盘等铸件的非加工面未进行喷砂或打磨处理，不具备磁粉探伤条件。探伤时应对探伤面进行喷砂或打磨处理，并在探伤表面喷涂反差增强剂以提高背景对比度。②对精加工铸件做磁粉探伤时采用水基磁悬液，探伤后造成工件锈蚀。

铸件在粗加工状态超声波探伤、磁粉探伤合格的情况下，在精加工后磁粉探伤不合格，大部分是因表面砂眼、疏松缺陷导致。其原因如下：

一是磁粉探伤对表面和近表缺陷的规定相对于超声波对内部缺陷的允许范围更为严格，超声波探伤合格后，在后续机加工过程中在超声波探伤标准允许范围内的缺陷被加工裸露在近表或表面时，可能会出现达不到磁粉探伤的等级要求。

二是由于铸件粗加工状态到精加工状态加工余量很小，超声波探头存在盲区（到探伤表面一定距离范围内无法检测出缺陷），可能会导致缺陷的漏检。

三是超声波探伤有一定的局限性，由于缺陷的性质、走向等原因导致有些缺陷无法被超声波探伤检测出或者超声波检测的缺陷大小要远小于实际缺陷大小。

（5）硬度不合格。常见铸件硬度问题是硬度值偏低或硬度偏差过大。硬度值偏低一般与热处理工艺过程控制有关，硬度偏差过大一般与热处理炉或部件在炉内与其它工件同炉摆放造成受热和冷却不均匀所致。在粗加工阶段一般可通过二次热处理修正，精加工之后发现硬度问题一般无法进一步处理。

粗加工后硬度检查可以反映出铸件毛坯的热处理效果，对于正火+回火处理后的大型铸件，硬度值一般随着距表面深度的增加而呈下降趋势。因此，粗加工后的硬度值应尽量接近或稍高于目标值。对于局部存在表面氧化皮的铸件，氧化皮及边缘位置的硬度值相对较低，需打磨一定深度，不受脱碳层的影响后再进行硬度检测，并观察硬度的变化情况。硬度检测的点位要有代表性，并详细记录位置和所测硬度值，以作为是否再次进行热处理的评估依据。硬度检查时，可选用锤击式硬度计或数字里氏硬度计，必要时可同时采用两种硬度计对所测数据互相印证参考。因锤击式硬度计在检测时会在工件表面留下锤痕，铸件精加工后的硬度检查大都采用里氏硬度计，相比锤击式硬度计，其对检测面粗糙度有更高的要求。

（6）尺寸超差。常见的尺寸超差多发生在公差精度相对较高的机加工尺寸，诸如托轮的内孔尺寸超差因加工精度控制不当所致；另外，由于加工设备操作不当也容易造成加工尺寸超差。

2 应对措施

2.1 制造控制

（1）在供应商考察和合同技术条款上进行具体约定，加强事前预防措施。为规避铸件在铸造、热处理、加工、包装运输各环节出现缺陷引起的各类损失，建议在供应商考察、合同谈判环节就具体细节提前做出澄清，从铸件质量技术要求、铸造厂的技术实力、铸造能力、热处理能力、机加工能力等进行综合评判，找出可能引起质量问题的薄弱环节，采取针对性的控制措施。必要内容可在合同条款中做出约定，并重点监控。诸如铸造工艺对砂型、铸造砂、冷铁的大小及布置要求，是否采用全冒口工艺或冒口的数量及具体布置，对型砂粘合剂、粘合度、砂型的质量控制要求，模拟浇铸技术、真空脱气技术的应用，铸造后的保温时间，热处理炉燃料类别，炉内测温点数量，热处理（正火、回火的阶段和次数），焊补工艺，关键工序的控制点，检验的内容、范围及标准等级要求，包装规范等。

（2）订货周期考虑一定的缓冲时间，加强生产制造计划的制订与监督实施，为有序生产创造条件。在合同订单签约环节，除考虑铸件的合理生产制造周期外，还应有一定的缓冲时间，以从容应对因各种原因造成铸件重新热处理、质量返修，甚至重新铸造而产生的时间损失。另外，订单下达后也应督促供应商及时编制合理的生产制造计划，并加强对计划的实施跟踪，同时在关键节点上进行监督和控制，确保产品在质量合格的条件下能够按期交货。

（3）制订科学的制造工艺规程和质量控制计划，加强全流程控制。供应商应在充分了解客户质量技术要求的前提下，制订科学严谨的铸造、热处理、机加工工艺规程和质量控制计划，明确具体操作要求、质量控制环节、检查要求和内容，加强生产制造的全过程控制，避免事后检查发现不可挽回的质量缺陷造成拒收或报废。必要时，在供应商生产准备阶段，总承包商可对其做进一步的质量技术交底和澄清，在生产制造过程中参与检验控制。质量控制计划应重点规定和明确粗加工状态和精加工状态的各项检查。粗加工状态的检查一般包括：外观检查、尺寸检查、机械性能测试、超声波探伤检查、硬度检查等。精加工状态的检查指铸件最终尺寸加工到设计尺寸时进行的各项查，检查项主要包括：外观检查、粗糙度检查、磁粉探伤检查、硬度检查、尺寸检查等。需要强调的是所有检测仪器和量具在使用前，应进行标定、校验或校正，有计量检定要求的量具需在检定合格期内。

在此基础上，铸造厂在熔炼环节需做好精准的化学成分配比和铸件热处理控制，其对机械性能、硬度起决定性作用。机械性能测试要求，一般是每一个独立铸造部件做一组拉伸测试、三组冲击测试，并对试样和铸件本体做硬度检测。机械性能试样要确保是从铸件本体上切割下来，且要求与铸件本体同炉热处理。力学性能试验的切割、加工和试验可作为质量控制的见证点，试样要留有样冲标记。

热处理过程中，要严格遵循热处理工艺规程要求，尤其是在热处理的温度、时间上的控制，防止热处理不彻底，造成精加工后的储存和物流运输中应力进一步的释放而造成产品的变形，给后续安装造成难度，甚至因尺寸超差导致产品报废。

超声波探伤检查时，应客观、公正，严格遵循超声波探伤工艺规程和质量验收等级标准，探伤扫查时要求探头有10%～15%的扫查重合，以确保探测区域的全面扫查。在超声波探伤时，应尽量选用盲区小的探头，必要时可采用横波斜探头辅助检查。针对轮带、托轮、大齿圈的外圆面还可采用双晶探头以更高的灵敏度进行全面扫查，以有效检测经进一步加工可能呈现出来的浅表缺陷，并提前评判缺陷，制订处理方案予以返修。缺陷评定时要考虑到加工余量：缺陷深度小于加工余量时可不预考虑；缺陷深度大于加工余量时按标准评定；缺陷深度在加工余量附近时要增加特殊规定，慎重处置。

因铸件粗加工后一般保留10～15mm的加工余量，超声波探伤探头自身有一定的盲区，磁粉探伤有一定的探伤深度限制（采用交流磁化的便携式磁粉探伤仪有效探测深度一般为3 mm以内，采用半波直流磁化的磁粉探伤仪有效探测深度可达8 mm），对浅表缺陷的探测均有一定的局限性。为确保或降低精加工后表面或近表可能出现的超标缺陷，建议在半精加工环节增加一次外观、尺寸、硬度、磁粉探伤检测，该环节检查时可采用半波直流磁粉探伤，最大限度的发现铸件表面或浅表的潜在超标缺陷。该环节所测缺陷一般较小，可采取小范围补焊处理，同时进行热处理。半精加工检查时，通常留4～6 mm的加工余量。具体所有加工余量大小，除了受磁粉探测深度的影响外，还与工件尺寸、热处理温度，工厂对铸件在热处理过程中变形控制能力有关。

精加工后铸件在吊装过程中应注意做好防护，避免用钢丝绳与铸件机加工面直接接触造成表面划痕和破损，同时应做好防碰撞和防腐蚀的包装防护措施，避免在储存、运输（包括远洋海运）中可能造成的铸件腐蚀、破损。货物抵达项目现场后除了按要求做好各项防护措施外，针对尺寸大、精度高的部件（如大齿圈）要注意合理的包装和防护，存放时底部支垫物要均匀受力，避免因不合理包装和支撑导致在运输和存放过程中导致变形。

2.2 出现问题的处理

（1）外观质量不合格：①多肉缺陷和缺肉缺陷。多肉缺陷若存在于机加工表面，可经机加工方式进行去除，若存在于大齿圈、磨盘等铸件的非机加工面可用铲、磨、冲切等方法去除。缺肉缺陷可依据尺寸大小，在粗加工阶段进行焊补修复处理，焊补应严格遵循焊补工艺规程，并做焊后热处理。②肉眼可见的砂眼、气孔、裂纹、夹渣缺陷。根据缺陷的性质、大小、位置及验收标准进行综合评判，可采取不处理、圆滑打磨过渡、焊补等方式进行处理。③粗糙度不达标。一般采取打磨或机加工的方法满足设计要求。

（2）机械性能不达标。铸件机械性能除受自身化学成分的影响之外，还与热处理有关。若机械性能不达标，在粗加工阶段可依据材质和铸件规格尺寸做二次热处理，对铸件晶体组织进一步细化，均匀钢的组织和成分，提升机械性能。在热处理过程中要合理布置热源，与其它工件同炉摆放时，充分考虑到在加热和冷却过程中因受其它工件的影响以及铸件自身的温差过大，可能造成的铸件内部晶粒粗大、力学性能不达标、硬度不均匀的情况出现。

（3）超声波探伤不合格。铸件晶粒粗大的原因很多，因成分而引起晶粒粗大的铸钢件，可通过退火或正火处理使晶粒得到细化。正火与退火相比，操作简便，周期短，能量消耗少，退火往往会降低铸件硬度，所以一般选用正火处理。

超声波探伤发现超出验收等级的内部缺陷，一般要对铸件的重要程度、缺陷的位置、大小、性质（线性缺陷、体积型缺陷）、交货期进行综合评判，有条件返修处理的，需进行焊补处理。缺陷焊补要根据铸件材质、缺陷位置、缺陷大小制订针对性的焊补工艺规程，辅以必要的热处理措施和检查。当采用碳弧气刨清除缺陷时，因其温度高，清除铸件缺陷后，铸件瞬间温差很大，遗留区域会形成硬层，应对其进行打磨后再补焊。焊后焊接区域温度较高，容易在熔合线区域出现冷缩所致的裂纹，应通过锤击的方式抑制收缩，直至冷却。对于点状缺陷及小面积缺陷建议用铣头清除，或磨光机加水打磨，可采用冷焊，但需注意短段、锤击和小电流焊接。大面积和有一定深度的缺陷焊补前应开坡口，焊补后采用整体回火处理，小面积的缺陷可采用局部回火保温处理。

无法进行返修的缺陷，必要时应进行有限元分析，如无法让步接收的铸件需重新铸造。若不影响部件的安全性和正常使用，可出具不合格报告并向客户做出质量担保，同时做好缺陷标记，诸如图号、生产单号、铸造号、缺陷大小和位置的三维尺寸、缺陷的性质。在生产线使用过程中定期监测超标缺陷是否有延展性的变化。

（4）磁粉探伤不合格。针对精加工检查可能出现的质量问题，在粗加工状态应做好预判性的检查，一旦某项检查测试数据或检查结果不符合要求，还可以采取有效的措施予以修正。针对不同的铸件缺陷，除了可通过机加工、热处理等措施消除外，相关铸件标准允许对一定尺寸大小和深度的缺陷在粗加工环节采取焊补修复处理。但要对焊补区域、热熔区及周边母材区域的硬度偏差进行控制，尤其是针对轮带、托轮、挡轮的工作面以及齿面的硬度，防止补焊区域硬度偏高造成在运转过程中碾压脱落[3]。基于此，在铸件精加工后一般不允许进行补焊处理，尤其是针对工作接触面的补焊。但可根据买卖双方或经客户同意，对小面积的浅表缺陷进行圆环打磨过渡处理，并用磁粉探伤检测确保缺陷彻底清除。

2006年由我公司同时实施的沙特和摩洛哥两个EPC工程总承包项目，回转窑托轮、轮带均由国内同一个厂家制造生产，精加工后的检查也在同一周进行，由于业主/咨询公司的要求不同，使用过程中出现了两种迥然不同的结果。沙特项目的两件托轮在精加工后磁粉探伤时发现外圆面存在几处浅表夹渣缺陷，为使业主对外观质量满意，咨询公司的质量检查人员坚持要求对缺陷进行清除，审核焊补工艺规程并亲自见证和指导了具体的焊补修复过程，磁粉探伤和着色渗透探伤复查合格后发运至现场安装，但托轮在运转不足3个月的时间内，焊补区域就出现了块状脱落。摩洛哥项目的托轮和轮带在精加工磁粉探伤检查时也同样发现多处夹渣、气孔缺陷，在业主工程师代表的要求下对缺陷进行了圆滑打磨过渡处理，其中一条轮带的外圆工作面打磨后呈现50余处大小不一的凹坑，但至今已正常运转13年未出现任何质量问题的反馈。

（5）硬度不合格。在粗加工后的检查发现硬度值不达标或硬度值偏差过大，可采取二次热处理的方式进行修正。一般在精加工后，对硬度无法做进一步的处理。有个别供应商在精加工后发现托轮或轮带等铸件的硬度不达标，采用机械辊压的方式提高硬度，这种方式只能提高铸件表层的硬度，属于应对客户检查的不当举措，应特别引起注意。表面硬度偏低往往影响铸件的正常使用寿命，尤其是针对大齿圈的齿面硬度，低于设计要求指标时，负载运行会加快正常磨损。精加工后若发现硬度不合格，当工作面存在硬度偏差过大时，在后续使用过程中会出现接触磨损不均匀，造成振动或使用寿命的缩短，甚至引起质量事故。处置措施一般是根据硬度偏差对部件的安全可靠及使用寿命的影响程度进行综合评估，常做报废处置、出具不合格报告和延期质保后让步接收或折价接收等。

（6）尺寸超差。对于有装配公差精度要求的尺寸超差，如托轮内孔尺寸超差的问题，需通过托轮轴的后续加工进行公差配合，确保最终的装配公差符合设计的过盈配合要求。建议先加工托轮内孔等公差控制难度大部件，再加工托轮轴外径等公差控制相对容易的部件，一旦检查发现托轮内孔尺寸超差，可通过托轮轴的加工控制予以修正，从而满足设计的公差配合。

对没有装配公差要求的尺寸超差，如我公司阿塞拜疆项目托轮加工中扎刀造成的外径尺寸减小问题，需进行技术评估并与客户积极沟通。该项目是总承包商与业主进行技术沟通后，业主同意在出具NCR报告的条件下允许托轮发货和安装，同时通知项目现场安装施工人员在托轮标高找正时，注意托轮的实际外径尺寸。

3 结语

综上所述，水泥机械设备大型铸件质量问题普遍，影响因素多，控制难度大，需要紧密围绕客户质量需求和工程项目的实际需要，全流程、多维度采取控制和预防措施，多方面协调配合，将质量管理与风险管理有机结合起来，确保项目顺利实施和设备可靠运行。