大型粉磨設備耐磨堆焊再制造技術

劉寶峰

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大型粉磨設備耐磨堆焊再制造技術

劉寶峰

摘要針對不同磨損工況、不同材質的大型粉磨設備擠壓研磨面金屬材料的特性及疲勞層深度，研制了三種高硬度、高耐磨、微渣型自保護藥芯焊絲，用于大型粉磨設備磨損后的修復再制造，延長了設備的使用壽命，縮短了設備修理時間，降低了生產成本。

關鍵詞藥芯焊絲；耐磨堆焊；大型粉磨設備；修復

0　引言

立式輥磨和輥壓機是水泥工業中的重要裝備，用于磨制煤粉、水泥生料、水泥礦渣粉和預碎熟料。在使用中，由于物料的摩擦作用，特別是生料、水泥、熟料和礦渣等物料的硬度高、可磨性差，對磨輥、磨盤、擠壓輥等耐磨件的磨損相當嚴重。磨耗使得磨輥與磨盤或擠壓輥對輥之間的間隙加大，設備運轉效率下降，能耗不斷提高，并最終可能導致設備停產檢修。為解決磨損問題，提高設備運轉率，采用硬面堆焊技術成為最為可行和經濟的方法之一［1］。

硬面材料在磨損失效后，通常會采用藥芯焊絲堆焊修復的方法恢復其尺寸與性能。藥芯焊絲相比手工焊條具有效率高、成型好、飛濺小等優點，而自保護藥芯焊絲更可以實現不用外加氣體裝置，在焊道表面形成微渣或無渣，從而也可省去多層多道焊時敲渣的麻煩。因此，研制一種性能良好的微渣型自保護藥芯焊絲，使堆焊金屬具有高硬度、高耐磨性，從而延長耐磨零件使用壽命具有重要的意義。

1　研制的藥芯焊絲

本文通過添加不同合金元素，分析對堆焊合金組織及耐磨性能的影響規律，得到組織優秀的堆焊合金成分，研制出以下三種藥芯焊絲。

1.1HC-O高鉻鑄鐵型藥芯焊絲

HC-O高鉻鑄鐵合金藥芯焊絲，當控制鉻碳比在4 h～6 h，可得到M7C3型高硬度碳化物，耐磨性能好。可用在低應力磨粒磨損工況下的煤磨和耐磨板。解決了高鉻鑄鐵磨輥的堆焊修復問題。M7C3型高硬度碳化物的形態、數量、種類和分布是力學性能的決定因素。

高鉻鑄鐵的碳化合物多為復合相，合金中鉻含量高，碳化物析出時部分Fe原子被Cr取代而形成，主要有（Cr，Fe）3C、（Cr，Fe）7C3、（Cr，Fe）23C6三種。其中初生（Cr，Fe）7C3、（Cr，Fe）23C6相常以塊狀存在，具有高硬度和優異的抗磨料磨損性能。高鉻鑄鐵堆焊合金的組織主要有過共晶、共晶、亞共晶三種。其中過共晶高鉻鑄鐵堆焊合金因其組織中含有更多硬度高的M7C3碳化物，而被優先用于修復承受嚴苛磨損工況條件的磨損部件［2］。M7C3硬度平均高達HV1 700左右，比M3C硬度高的多（M3C硬度在HV1 060～HV1 240），并且M7C3型碳化物多為大六角晶纖維桿狀，硬度高，韌性好，而M3C型碳化物為網狀，周圍被奧氏體及轉變組織包圍，形成萊氏體共晶組織，這種組織硬度低、韌性差。

M7C3高硬質相可以使合金具有很高的抗低應力磨料磨損和耐熱、耐蝕性能。在高鉻鑄鐵堆焊合金中，隨著成分中鉻含量增加，碳化物組成改變，基體組織也隨之改變。鉻延長等溫轉變的孕育期，使冷卻轉變曲線右移，起到穩定奧氏體的作用，鉻含量的增加還能夠起到增加合金中碳化物的穩定性的作用。

可見，合理的鉻含量，可以形成大量的M7C3型初生碳化物，初生碳化物M7C3的數量及分布，直接影響組織耐磨性。但還要注意C元素含量，如C元素含量過高，組織粗大，有效碳化物支撐基體相少，組織并不理想，會形成大量粗大的M7C3碳化物，它在磨損過程中會有從基體剝離的趨勢，這在一定程度上限制了這類鐵基堆焊合金在嚴重沖擊磨損條件下的應用。

1.2HC-O-Mo和CN-O型藥芯焊絲

HC-O-Mo和CN-O顯微組織都是由馬氏體+少量的奧氏體+大量細小復合碳化物組成，通過在焊絲中加入Mo、Nb等合金元素，使得析出的碳化物更多、細小、密集，提高了基體硬度、耐溫能力。研發的HC-OMo型焊絲用于磨料質硬粒小的工況（如：鋼渣磨修復），堆焊金屬剪切強度較同類產品提高1.5倍；研發的CN-O型用于高應力磨粒磨損工況（如：輥壓機疲勞磨損修復），堆焊金屬剪切強度提高2倍。

堆焊合金中硬質相的尺寸、形態、分布、化學成分，以及硬質相與基體組織兩者之間的匹配、結合，最終決定了堆焊合金的綜合性能。

試驗過程中，通過過冷度的控制，可以得到細小、密集的碳化物來提高磨損壽命，當磨損顆粒接觸到磨損表面時，由于碳化物足夠細小、密集，顆粒體積會大于碳化物的間隙，同時有多個碳化物在阻礙顆粒犁鏵，顆粒也就無法直接完全犁鏵到基體金屬，對于減少犁鏵，提高磨損壽命有利。在堆焊立磨時往往要控溫和急冷，這是為了獲得熔池結晶時的溫度過冷度。

為了彌補高C、Cr單一合金溫度過冷的不足，在合金中加入必要的強碳化物形成元素，如Zr和Nb，因為這兩個元素的碳化物熔點即析出溫度最高，因此可以大大提高熔池中碳化物的成分過冷度。并且形成的復合碳化物硬度更高，對耐磨損有利。

對復合碳化物硬度的提高，也可控制細小的Nb、Mo碳化物在基體中分布，彌散強化基體組織，提高基體強度。碳化物的自身韌性和生長方向對于磨損也是有很大影響的。由于堆焊層基體的顯微硬度（Hv750～Hv950）遠低于碳化物的顯微硬度（Hv1 500以上），因此基體總是先被磨損，而碳化物不易被磨損。碳化物的硬度越高，其耐磨顆粒磨損的能力越強，其作為障礙物存在的時間越長，對提高耐磨壽命越有利；碳化物的韌性越高，其抗沖擊脆斷的能力越強，發揮磨損障礙物的時間、能力越強，對提高磨損壽命越有利。強碳化物合金元素加入后，與C、Cr形成復合碳化物，比單一的C、Cr化合物硬度高，對提高碳化物的硬度都有利。

綜述上述三種藥芯焊絲，研發的HC-O高鉻鑄鐵型藥芯焊絲，控制鉻碳比，可得到M7C3型碳化物，用于低應力磨粒磨損工況下的高鉻鑄鐵型粉磨設備修復，堆焊后硬度60 HRC以上，使用壽命提高1.5倍。用強碳化物形成元素作變質劑，金相組織由大量的細小復合碳化物組成。研發的HC-O-Mo型焊絲用于磨料質硬粒小的工況（如：鋼渣磨修復），堆焊金屬剪切強度較同類產品提高1.5倍；研發的CN-O型用于高應力磨粒磨損工況（如：輥壓機疲勞磨損修復），堆焊金屬剪切強度提高2倍。

2　堆焊工業性試驗

2013年7月，立磨磨輥、磨盤在線堆焊再制造試驗在同煤建材公司內進行了試驗。立磨磨輥、磨盤材質為ZG20SiMn。有相關工作人員對立磨磨輥磨損程度進行評估，選擇HC-O-Mo型焊絲堆焊。

將堆焊機運到現場，在立磨磨輥、磨盤部拆除的情況下，使用焊絲進行明弧堆焊子再制造。因為不用拆卸磨輥等設備，很大程度上縮短了停工時間，降低了設備拆裝帶來的風險，施工更安全。

以下圖1至圖3是部分在線堆焊立磨磨輥、磨盤、煤磨磨輥，以及成都利君輥壓機圖片。

圖1在線堆焊立磨

圖2在線堆焊磨煤機

圖3在線修復成都利君輥壓機

經堆焊修復的成都利君輥壓機，至今已在線穩定運行15 000 h以上；經堆焊修復的煤立磨，在線穩定運行了8 000 h；經堆焊修復的日本宇部公司的立磨，已在線穩定運行7 000 h，實現了同煤集團建材公司粉磨系統的安全穩定運行。以同煤建材生料立磨為例，每年節約成本170萬元，社會經濟效益顯著。

3　結論

依靠表面耐磨堆焊的方法進行部件的表面防護堆焊和已磨損部件的耐磨堆焊修復，可以顯著增加設備的使用壽命，降低更換部件的成本，為企業帶來巨大的經濟效益。在水泥等行業的大型粉磨設備實施綠色再制造，促進循環經濟發展非常具有社會效益，為國家可持續發展做出貢獻。

參考文獻

［1］黃智泉，楊威，李軍偉.水泥工業粉磨設備配件堆焊修復的細節探討［J］.新世紀水泥導報，2014（2）：44-46.

［2］龔建勛，肖選鋒.Fe-C-Cr-V高鉻堆焊合金的M7C3型碳化物及耐磨性［J］.焊接學報，2010（1）：33-36.

劉寶峰，男，1974年出生，本科學歷，現在大同煤礦集團公司云崗礦工作，助理工程師。

Hardfacing Remanufacturing Technology of Large Grinding Equipment
Liu Baofeng

Abstract：According to the characteristics and fatigue layer depth that the large grinding equipment of the different wear conditions and different materials extruding the metal materials of the grinding surface，three kinds of high hard?ness，high wear resistance and self-shielded flux-cored wire of micro slag type are developed for the repair remanufactur?ing after large grinding equipment wear，they extend the service life of the equipments，shorten the repair time of the equipments and reduce the production cost.

Keywords：flux-cored wire；hardfacing；large grinding equipment；repair

收稿日期：2016-01-12

作者簡介

中圖分類號TG423

文獻標識碼B

文章編號1000-4866（2016）02-0044-03