大型和超大型冶金軋輥再制造技術(shù)研究與應(yīng)用

褚秀軍

摘要：采用先進的再制造工藝與技術(shù)，對鋼鐵行業(yè)大宗消耗工具備件——大型和超大型支承輥（重量50噸和100噸以上）和水泥行業(yè)用磨輥、擠壓輥報廢或完成服役的舊品進行再制造，使其性能和質(zhì)量達(dá)到或超過原來的新品。該技術(shù)的應(yīng)用符合國家鼓勵建設(shè)的循環(huán)經(jīng)濟項目，在創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益的同時，還可以達(dá)到節(jié)約資源和能源、保護環(huán)境的效果。

關(guān)鍵詞：大型和超大型冶金軋輥；再制造技術(shù)；鋼鐵行業(yè)；消耗工具備件；循環(huán)經(jīng)濟 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TF306 文章編號：1009-2374（2017）07-0065-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.031

1 技術(shù)背景

再制造產(chǎn)業(yè)是指以產(chǎn)品全壽命周期理論為指導(dǎo)，以實現(xiàn)廢舊產(chǎn)品性能提升為目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，在性能失效分析、壽命評估等分析的基礎(chǔ)上，進行再制造工程設(shè)計，以先進技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，進行修復(fù)、改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術(shù)措施或工程活動的總稱。再制造與制造新品相比，一方面是通過再制造技術(shù)可以花費較小的成本延長產(chǎn)品的壽命，創(chuàng)造較大的經(jīng)濟價值，成本實際上不到原來的50%；另一方面，還可以達(dá)到節(jié)約資源和能源、保護環(huán)境的效果，可節(jié)能60%、節(jié)材70%、節(jié)約成本50%，幾乎不產(chǎn)生固體廢物，大氣污染物排放量降低80%以上。

近幾年，隨著社會節(jié)能減排意識的增強，再制造產(chǎn)業(yè)受到越來越多的重視。再制造產(chǎn)業(yè)在資源節(jié)約、能源節(jié)約和減少環(huán)境污染等方面具有非常重要的作用，符合當(dāng)今節(jié)能環(huán)保的時代主題，具有較高的經(jīng)濟價值，因此政府非常重視再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近幾年，國家發(fā)改委和工信部加大了政策推進力度，從提高再制造技術(shù)水平、擴大再制造應(yīng)用領(lǐng)域等方面，加強法規(guī)建設(shè)，強化政策引導(dǎo)，積極推進再制造規(guī)模化、市場化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，努力將再制造產(chǎn)業(yè)培育成為新的經(jīng)濟增長點。特別是國家頒布實施了《循環(huán)經(jīng)濟促進法》，為推進再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了法律依據(jù)。當(dāng)前，我國已進入到以國家目標(biāo)推動再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展為中心內(nèi)容的新階段，國內(nèi)再制造的發(fā)展呈現(xiàn)出前所未有的良好發(fā)展態(tài)勢，出現(xiàn)多家以機械設(shè)備再制造為核心業(yè)務(wù)的專業(yè)公司，如：以再制造汽車發(fā)動機的濟南復(fù)強動力有限公司等國家發(fā)改委和工信部批準(zhǔn)的再制造試點企業(yè)，具體分布見表1。

從以上企業(yè)分布可以看出，國內(nèi)還沒有一家軋輥、軸類零件與水泥用輥的再制造專業(yè)公司。

近幾年以來，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本不斷上升，市場鋼材價格低位運行和鋼鐵生產(chǎn)成本不斷上升給鋼鐵企業(yè)帶來了雙重壓力，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營總體面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。大中型鋼鐵企業(yè)銷售利潤率非常的低，低于我國工業(yè)行業(yè)的平均盈利水平。如何使鋼鐵企業(yè)走出低效益運行的態(tài)勢是目前行業(yè)關(guān)注的焦點，按照國務(wù)院《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》的意見，鋼鐵工業(yè)要重點關(guān)注以下三項工作：一是加快鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級，促進鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)由大變強；二是加強全行業(yè)的聯(lián)合兼并重組，提高全行業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度，促進鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級；三是進一步加大全行業(yè)節(jié)能減排的工作力度，按建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的要求發(fā)展鋼鐵工業(yè)。

支承輥是軋鋼生產(chǎn)中的重要部件之一。是軋機大型消耗性部件，在整個生產(chǎn)過程中支承輥因磨損而消耗的部分僅占軋輥總重量的10%～20%，而有80%～90%的重量是因軋輥直徑減小而導(dǎo)致報廢的，造成鋼廠巨大的經(jīng)濟損失。另外還有大量因各種事故引起的非正常報廢，全國各大型軋鋼廠每年都要消耗大量支承輥。由于消耗量大，支承輥價格昂貴，特別是2800mm以上中寬板生產(chǎn)線所用支承輥，新品直徑在1800～2300mm之間，單重最小的達(dá)77噸，最重的達(dá)220余噸。市場價格每噸國內(nèi)約為8～9萬元，進口則超過10萬元，單支軋輥總價在幾百萬、上千萬元，國內(nèi)目前只有第一重型機械制造集團、第二重型機械制造集團生產(chǎn)部分支承輥，其余全部依賴進口。2800mm以上中寬板生產(chǎn)線所用支承輥每年消耗約15～20支，2113～2600噸。特別是近年我國海軍的航母和大型艦艇建造急需大量寬厚船板，這些軋機經(jīng)過多年軋鋼，未來2～3年內(nèi)支承輥大部分已經(jīng)開始進入報廢期，逐漸退出使用，實現(xiàn)使大批報廢支承輥通過再制造技術(shù)，恢復(fù)和提高功能回到軋機上，繼續(xù)為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)，具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益，同時對國防建設(shè)也具有重要的意義。

尤其是在當(dāng)前鋼鐵行業(yè)低迷時期，鋼廠采購成本壓力非常大，且生產(chǎn)周期很長，不能及時交貨，越來越引起技術(shù)人員和備件管理部門的重視。隨著當(dāng)前堆焊材料、焊接工藝與設(shè)備自動化的快速發(fā)展與進步，國內(nèi)外大型軋輥堆焊技術(shù)也相應(yīng)得到提升，而采用堆焊方法修復(fù)的再制造軋輥，不但修復(fù)成本低，而且能提高軋輥使用壽命，降低軋輥耗量，合理使用并節(jié)約合金元素，同時能夠提高軋機的效益和產(chǎn)品的質(zhì)量，是一種有效的技術(shù)經(jīng)濟措施。因此，對熱、冷軋板帶軋機支撐輥進行堆焊修復(fù)，進一步提高其性能和使用壽命越來越受到鋼鐵企業(yè)的高度重視。

支承輥再制造技術(shù)是指在去除報廢軋輥表面的疲勞層或缺陷后，采用合理的堆焊方法和工藝，在報廢軋輥上堆焊上一層硬度高、耐磨性好、耐疲勞性強的金屬表面層，使堆焊后軋輥使用性能達(dá)到或超過新軋輥水平。采用軋輥堆焊再制造技術(shù)是鋼鐵行業(yè)降低成本、增加企業(yè)綜合經(jīng)濟效益的一項重要技術(shù)措施。是貫徹落實“資源→產(chǎn)品→廢舊產(chǎn)品→再制造產(chǎn)品”循環(huán)經(jīng)濟的最佳模式，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的客觀要求。目前，該技術(shù)還僅用于熱軋開坯輥、連鑄輥道輥、熱軋平整輥、型鋼輥、小型焊管輥和30噸以下的熱軋支承輥的修復(fù)，其修復(fù)工藝經(jīng)過近些年的研究和應(yīng)用相對已經(jīng)成熟。而對于重量在50噸以上的大型支承輥的修復(fù)，由于其技術(shù)難度大、過程控制要求高、技術(shù)風(fēng)險大，并且需要大型的加工設(shè)備和熱處理爐，國內(nèi)外鮮有企業(yè)問津。正是定位于市場需求大、修復(fù)技術(shù)水平高，過程控制要求嚴(yán)的50噸以上大型和超大型支承輥的再制造技術(shù)研發(fā)，將成為國內(nèi)工藝技術(shù)最先進、規(guī)格最大、裝備水平最高的大型和超大型支承輥以及大型軸類零件的修復(fù)和再制造生產(chǎn)基地。

環(huán)鍛技術(shù)是近年我國引進的快速鍛造技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于大型的環(huán)形零件制造，比如大型軸承套、大型法蘭、環(huán)形結(jié)構(gòu)等，這些零件主要應(yīng)用于船舶、水利風(fēng)力發(fā)電機的大型軸承、核電的法蘭結(jié)構(gòu)、大型工程機械、航天航空領(lǐng)域。錐型軋輥是環(huán)鍛機主要工件，材質(zhì)為耐熱鍛鋼，在環(huán)鍛機工作時靠兩個錐型輥同時對環(huán)件進行軸向與徑向鍛壓。其與熱軋輥的工況條件不同，主要是工作時不噴冷卻水，以避免環(huán)件溫度下降太快，產(chǎn)生裂紋。待鍛好一件后再噴水將軋輥冷卻，然后碾壓下一件，因此錐型軋輥受熱疲勞消耗較快，一般需要半年更換一對新軋輥。而采用在報廢錐輥表面堆焊一層特殊耐熱疲勞更好的高合金材料的技術(shù)，則會大大降低環(huán)鍛軋輥采購成本，而使用效果好于新品。德國獨資公司——徐州羅特艾德環(huán)鍛公司合作，對錐形軋輥的堆焊修復(fù)進行了嘗試。已投入90余萬余建起國內(nèi)唯一一臺全自動的專用修復(fù)錐型輥設(shè)備，填補了國內(nèi)空白。錐形軋輥技術(shù)水平已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，現(xiàn)國內(nèi)部分廠家在要求制作新品時，即在表面堆焊一層高合金材料，以提高軋輥使用壽命。因此采用堆焊方法修復(fù)的再制造錐形軋輥，不但修復(fù)成本低，而且能提高軋輥使用壽命，是一種有效的技術(shù)經(jīng)濟措施，不僅能夠提高軋機的效益，還將創(chuàng)造巨大的社會效益。

另外一個適合再制造推廣領(lǐng)域的是水泥行業(yè)用輥壓機輥與磨輥的堆焊修復(fù)。輥壓機是用途廣泛的一種高效節(jié)能的粉磨設(shè)備。尤其適用于水泥熟料的粉磨，而且對石灰石、高爐礦渣、石灰砂巖、原煤、石膏、石英砂、鐵礦石等的粉磨也很有效。輥壓機的主要特點就是高壓，利用50～300MPa的高壓對物料進行擠壓，達(dá)到粉碎的目的。輥壓機在水泥工業(yè)中已使用了十幾年，主要用于水泥熟料的粉磨。輥壓機在極其惡劣的工作條件下造成輥面磨損嚴(yán)重，因此在制造輥壓機時就必須對擠壓輥表面進行有效防護。而在擠壓輥表面堆焊耐磨材料是目前全世界公認(rèn)的最有效、最簡便的方法。這主要有兩個原因：一是使堆焊材料和工藝便于不斷進行改進和調(diào)整；二是擠壓輥在使用一段時間后必然要產(chǎn)生磨損，而由于擠壓輥非常昂貴，絕大多數(shù)情況下不可能報廢，只有繼續(xù)對其進行修復(fù)。立磨是粉碎水泥生料的關(guān)鍵設(shè)備。新型干法水泥生產(chǎn)企業(yè)采用立式輥磨制備生料、煤粉、礦渣粉，配合使用輥壓機作為熟料粉磨設(shè)備。由于立磨、輥壓機最初由國外進口，目前國內(nèi)也只是處于簡單仿制階段，其關(guān)鍵部件——磨輥、擠壓輥的制作是鑄造或鍛造坯料，然后外層堆焊一層耐磨層，耐磨層用完后再重新堆焊。使用堆焊修復(fù)再制造技術(shù)可以大幅度降低水泥行業(yè)采購新品成本，節(jié)約資源和能源。近幾年中國經(jīng)濟的快速發(fā)展帶動水泥行業(yè)實現(xiàn)了產(chǎn)量的高速增長，有1280條左右日產(chǎn)700噸以上的新型干法生產(chǎn)線，水泥產(chǎn)量年達(dá)到18.5億噸左右，新型干法熟料產(chǎn)能的比例將超過80%。在當(dāng)今全社會堅決貫徹科學(xué)發(fā)展的前提下，節(jié)能環(huán)保已成為發(fā)展的主題，因此可以預(yù)見，水泥行業(yè)節(jié)能減排、資源綜合利用將成為水泥企業(yè)的主要任務(wù)，再制造產(chǎn)品的開發(fā)和推廣將是行業(yè)的熱點。

2 技術(shù)優(yōu)勢

軋輥修復(fù)作為國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的專業(yè)的再制造行業(yè)，已有十多年的大型軋輥修復(fù)經(jīng)驗，大型支承輥修復(fù)技術(shù)日益成熟，在軋輥修復(fù)領(lǐng)域已取得了不凡的業(yè)績，同時還應(yīng)與多家國際知名焊接材料、設(shè)備生產(chǎn)商進行合作，共同研究開發(fā)堆焊新技術(shù)、新工藝。我們與美國猶他州立大學(xué)和武漢理工大學(xué)共同對國內(nèi)常用軋輥材料和焊接材料的熱物理性能的研究，是目前國內(nèi)最完整的研究成果。武漢理工大學(xué)焊接專業(yè)的碩士研究課題多數(shù)結(jié)合我們的技術(shù)難題，在我們的教授級高級工程師指導(dǎo)下完成。為我們系統(tǒng)總結(jié)生產(chǎn)中的經(jīng)驗，提高技術(shù)隊伍的理論水平，規(guī)范我們的技術(shù)文件和管理程序提供了理論支持。以上所述均為我們進行超大型軋輥再制造技術(shù)開發(fā)和實際生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

我們對于水泥行業(yè)的再制造也有多年的研究，就水泥行業(yè)的耐磨堆焊工藝、材料等做了大量工作。其修復(fù)原理、技術(shù)和軋輥堆焊基本上是相通的，只是堆焊材料、磨輥的工作環(huán)境和磨損機理和軋輥不同。另外，我們還與國際知名焊接材料生產(chǎn)商——比利時伯樂帝森公司合作，利用該公司強大的技術(shù)研發(fā)實力，在焊接材料和工藝上為我們提供支持。在國內(nèi)具有較強的競爭能力，并一直是冀東水泥集團的戰(zhàn)略合作伙伴，長期進行合作，非常了解和熟悉水泥行業(yè)用輥的使用條件和修復(fù)技術(shù)。

3 市場分析

3.1 國內(nèi)冶金大型支承輥市場分析

根據(jù)市場調(diào)查分析，在所進行統(tǒng)計的141（部分小型軋鋼廠未完全統(tǒng)計在內(nèi)，估計約800～1000噸）條板帶軋線中。按照各軋機歷年來支承輥的平均輥耗計算，其中熱軋56條，年消耗需求在14514噸；冷軋38條，年消耗需求4358噸；2800mm以下中板20條，年消耗需求在935噸；2800mm以上中寬厚板27條，年消耗在2113噸，合計年消耗21920噸。

另外，再加上小型鋼廠的1000噸，全年總需求為22920噸，按照全年需求總量的30%使用再制造支承輥軋輥，堆焊熔覆量按軋輥總重的15%計算，每年堆焊金屬可達(dá)1032噸，按每噸平均12萬計算，則每年堆焊再制造市場可達(dá)12382萬元。考慮到我們的市場競爭優(yōu)勢，至少可以占到50%的市場份額，因此該項目目標(biāo)年產(chǎn)值5000萬元是可以實現(xiàn)的。

如果我們僅計算國內(nèi)50噸以上大型和超大型軋輥年消耗量，根據(jù)我們的調(diào)查，其中包括2000mm以上熱軋線10條，年消耗軋輥4298噸；2800mm以下中板軋線12條，年消耗軋輥644噸；2800mm以上寬厚板軋輥2113噸，支承輥共消耗7055噸，以上三項合計年消耗7055噸。以上軋機多為單機架形式，再制造軋輥現(xiàn)已較多應(yīng)用，市場推廣相對較容易，可按照50%的軋機使用修復(fù)軋輥，堆焊熔覆量按軋輥總重（7055噸）的15%計算，每年超大型堆焊金屬可達(dá)1058噸，按每噸平均12萬計算，則每年堆焊再制造市場可達(dá)12696萬元。

3.2 國內(nèi)水泥行業(yè)用輥修復(fù)市場需求分析

根據(jù)中國水泥協(xié)會統(tǒng)計，有1280條左右日產(chǎn)700噸以上的新型干法生產(chǎn)線在運行，全年水泥生產(chǎn)到18.5億噸左右，新型干法熟料產(chǎn)能的比例將超過80%。而每條生產(chǎn)線至少有一臺輥壓機和立磨機，現(xiàn)僅計算日產(chǎn)700噸以上的新型干法生產(chǎn)線，按輥壓機和立磨機磨輥平均壽命為一年，則每年市場至少有2500支輥壓輥、3600多個立磨輥和1200余個磨盤需要修復(fù)。按每件平均20萬計算，每年修復(fù)費用估計在14億元左右。這僅僅是水泥行業(yè)的修復(fù)市場，還不包括其他電場、鋼廠用于磨煤、鐵礦石等磨輥的修復(fù)費用。因此，在耐磨堆焊修復(fù)市場上市場容量十分可觀，從目前看這項應(yīng)用技術(shù)是一項有著較好的發(fā)展前景的朝陽行業(yè)。僅估算北京、天津、山西、河北、河南、山東等華北及周邊地區(qū)有新型干法生產(chǎn)線應(yīng)該在400條左右，則輥壓機和立磨修復(fù)市場在4億元左右。

3.3 錐形軋輥、大型鑄鍛件、風(fēng)電設(shè)備等修復(fù)市場分析

據(jù)不完全市場調(diào)查，隨著國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備、機械工程的快速發(fā)展，國內(nèi)環(huán)鍛機至少有40～50臺，按每臺一年堆焊一對錐輥，則全年就有100支錐輥修復(fù)，每支錐輥修復(fù)費用以5萬元計算，則一年收入達(dá)500萬。再加上大型鑄鍛軸類零件、風(fēng)電設(shè)備的修復(fù)市場，年預(yù)計也有500萬元，因此該部分修復(fù)市場產(chǎn)值可達(dá)1000萬余元。

4 技術(shù)研究與工藝

4.1 技術(shù)研究

針對大型和超大型軋輥再制造過程中的課題進行研究，解決以下問題：（1）焊接材料的性能熱模擬研究與工藝性研究；（2）大型和超大型軋輥的焊接、激光表面處理、噴涂工藝的熱模擬和工藝性研究；（3）大型和超大型軋輥的熱處理工藝研究；（4）大型和超大型軋輥的再制造后的使用性能工藝研究。

4.2 生產(chǎn)工藝

支撐輥新品與再制造工藝流程比較：

4.2.1 支撐輥再制造工藝流程。（1）進行表層和深層探傷處理確定疲勞層，對軋輥表層和深層探傷以確定裂紋的位置和分布區(qū)域，探清裂紋的深度。探傷手段為表面著色和超聲波探傷；（2）車削疲勞層；（3）預(yù)熱，將加工好的支撐輥進專用的電加熱爐預(yù)熱；（4）堆焊；（5）焊后應(yīng)立即進行回火熱處理；（6）機加工：將堆焊及熱處理完畢的軋輥進行車削；（7）檢驗：對修復(fù)好的軋輥進行無損探傷（表面著色、超聲波探傷），對關(guān)鍵部位打硬度，并出具相關(guān)證明。

4.2.2 支承輥新品生產(chǎn)工藝流程。冶煉→鋼包精煉→澆注鋼錠→熱處理→加熱→鍛造→退火→淬火→熱處理→加工→檢查。

通過以上流程對比也可以看出，再制造軋輥比制造新品在能源與材料的利用方面要節(jié)省約70%以上。

4.2.3 水泥用輥再制造工藝流程。

第一，立磨磨輥或輥套再制造工藝流程。（1）使用碳弧氣刨對輥面進行徹底清理，把輥面殘留硬層、裂紋、粉塵、鐵銹等都要清理干凈，然后打磨出金屬光澤；（2）磨輥本體進行探傷；（3）預(yù)熱，堆焊打底層，打底層的作用是防止堆焊裂紋向基體擴展；（4）做局部堆焊，采用單向堆焊方式將磨輥凹坑填補平整，補層應(yīng)有適當(dāng)?shù)臋M向裂紋，以釋放焊接應(yīng)力；（5）堆焊至規(guī)定尺寸；（6）檢查磨輥圓度，對于產(chǎn)生的焊瘤應(yīng)及時用電弧氣刨清理平整。

第二，擠壓輥再制造工藝流程。（1）用短電弧切削裝置對輥面進行徹底清理，把輥面殘留硬層、裂紋、粉塵、鐵銹等都要清理干凈，然后打磨出金屬光澤；（2）焊前預(yù)熱；（3）用明弧焊絲堆焊打底層，通過預(yù)打底層的焊接，使高低不平的輥面形成較平緩的外圓面，以便于過渡層及耐磨層的焊接；（4）用明弧焊絲焊接過渡層，這是一種高強度、中等硬度的堆焊材料，具有良好的抗疲勞性和結(jié)合性，同時又具有一定的抗磨性能，在輥體和耐磨層之間起到了很好的橋梁作用。良好的緩沖層材料選擇及焊接，是保證耐磨層安全有效運行的重要前提；（5）用硬層焊絲焊輥面耐磨層，堆焊時注意測量輥體尺寸及圓度，焊到輥體要求尺寸為止；（6）耐磨層堆焊完后，然后用硬層焊絲連續(xù)堆焊耐磨橫條。

第三，擠壓輥新品生產(chǎn)工藝流程。冶煉→鋼包精煉→澆注鋼錠→熱處理→加熱→鍛造→退火→淬火→熱處理→加工→檢查。

通過以上流程對比也可以看出，再制造擠壓輥比制造新品在能源與材料的利用方面要節(jié)省約70%以上。

5 社會效益分析

該技術(shù)的應(yīng)用符合國家鼓勵建設(shè)的循環(huán)經(jīng)濟項目，在創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益的同時，還可以達(dá)到節(jié)約資源和能源、保護環(huán)境的效果，大氣污染物排放量比新品降低80%以上。

（責(zé)任編輯：蔣建華）