連鑄輥的表面缺陷原因分析及修復工藝

唐定忠，成世奇

（柳鋼工程技術有限公司，廣西柳州545002）

0 前言

隨著冶煉技術的進步，轉爐煉鋼廠的鋼坯成型已經從模鑄發展到連鑄工藝，采用連鑄工藝可以大幅度提高鑄坯產量質量、降低鋼廠能耗、提高鋼水成材率[1]。連鑄輥就是各板坯連鑄設備的關鍵備件之一，其作用主要是控制鑄坯的引導、冷卻、驅動和成型。連鑄坯出結晶器的溫度一般在1 200℃，到水平段時仍有800℃，連鑄輥與鑄坯接觸的最高溫度可達到近500℃.這些連鑄輥在工作中主要承受高溫鋼坯的高溫磨損、鋼坯重量載荷、噴淋冷卻水的冷熱疲勞、高溫潮濕氣體的氧化腐蝕。經過長期的冷熱疲勞、氧化腐蝕、高溫紅坯的摩擦磨損的作用，就會在輥子表面出現無數條環狀裂紋、凹陷、焊層塊狀脫落等缺陷，而這些缺陷又直接影響到拉坯的表面質量，因此，只要連鑄輥出現缺陷就不能再使用。一條板坯連鑄線上使用的連鑄輥大大小小的數量在200根以上，每年購買連鑄輥的費用都在數千萬元以上，在生產中所占成本的比例較大，如果全部換新輥，不僅成本難以消化，而且對社會資源也是極大的浪費。因此，通過對連鑄輥表面進行堆焊修復后重新上線使用，具有較大的經濟效益和社會效益。

1 連鑄輥表面缺陷產生原因分析

連鑄輥在生產使用過程中主要出現表面環狀裂紋、磨損凹陷、焊層脫落等缺陷（見圖1），產生這些缺陷的主要原因分析如下：

圖1 連鑄輥缺陷圖

（1）焊絲中的碳含量控制不當。取樣檢查連鑄輥表面成份，見表1.

表1 連鑄輥成份表

從表1看出，由于C含量過高，會使碳化鉻（Cr23C6）含量增加，而碳化鉻易于偏析于晶界上，使得在晶界附近產生一個貧鉻區。由于貧鉻區的Cr含量過低而C含量過高，使得該區域的抗腐蝕性和硬度相對降低，從而發生晶間腐蝕。晶間腐蝕在高溫作用下會沿母材方向延生，進而形成裂紋形式的缺陷，在擠壓力作用下出現焊層脫落的情況。同時，碳在鋼中是引起結晶裂紋的主要元素，C的含量過高，導致焊縫金屬的臨界應變率和抗裂性能顯著下降。焊縫的碳含量增大后，不僅導致硫和磷等有害雜質元素的偏析，而且增大了焊縫的固液結晶區間，使脆性溫度區間增寬，使得焊層抗裂性降低。因此，選擇這種含碳量高的焊絲材料，容易導致連鑄輥表面裂紋和剝落。（2）該成份抗冷熱疲勞性能不足。連鑄輥在工作時長期與高溫鋼坯接觸，不僅受到高溫鋼坯運動的摩擦和溫度快速上升，而且還受到高壓冷卻水的快速冷卻溫度急速下降，同時在拉坯過程中還時有發生漏鋼和粘坯現象，連鑄輥在這些因素的共同作用下，輥身表面就會出現不同程度的熱裂紋和凹陷變形。

（3）該材質抗氧化能力不足。由于該材質的焊絲成份含鉻量小于13.5%，含鎳量也小于3.5%，當輥子與高溫鑄坯接觸時，其抗氧化能力不足，同時在冷卻水和鋼水保護渣的腐蝕作用下，容易引起輥身表面氧化脫落，導致輥面呈磨損彎曲狀現象。

2 焊材選擇[2]

如何選擇焊絲材質將對連鑄輥壽命產生較大影響，通過在高鉻的基礎上添加少量的 Mo、Ni、V、Ti、W、Re等元素以細化晶粒，改善碳化物和晶界的分布狀態，通過控制焊接層間溫度達到提高韌性的目的，從而保證產品在使用過程中不剝落掉塊，提高耐磨性的目的。根據連鑄輥使用工況，堆焊層應具備抗氧化腐蝕、耐冷熱疲勞、耐摩擦磨損等良好性能。根據國內生產堆焊焊絲的品種，在成份選擇上主要是以抗氧化的中鉻系列為主，通過加入適量的Ni、Mo、V等合金成份來達到細化晶粒，提高強度，從而提高表面堆焊層的機械物理和化學性能。焊絲成份配比見表2.

表2 連鑄輥焊絲成份表

調整成份后，Cr和Ni元素成份控制在馬氏體組織要求范圍內，在該成份下，可確保焊絲材質為馬氏體不銹鋼型，從而保證合金層硬度和耐磨耐腐蝕性能；C元素控制在較低的含量，可有效抑制其對Cr元素耐磨抗腐蝕性能的影響，增加V元素可適當提高焊絲的硬度、強度和耐高溫腐蝕性能。焊后硬度要求達到HRC42-48.

3 堆焊工藝控制

為保證連鑄輥堆焊的外觀成型和熔覆質量，堆焊過程中必須嚴格按照工藝參數控制要求實施，具體堆焊工藝參數要求見表3.

表3 堆焊工藝控制表

4 堆焊前的準備

4.1 舊輥表面清理

由于輥子在使用和裝配過程中其表面有一些油污和鐵銹等雜物，因此輥子在堆焊前表面必須進行處理，以保證連鑄輥堆焊層的焊接質量。清理輥身表面的油污采用高溫蒸汽清洗。

4.2 舊輥疲勞層的去除

連鑄輥使用一段時間后由于受到摩擦磨損、冷熱疲勞、機械應力作用，致使連鑄輥表面出現凹凸不平、環狀裂紋、全身龜裂等缺陷，這些缺陷只有采用車床車削才能徹底清理干凈，而對于個別的小而深的孔狀缺陷，為減少車削量就用磁力鉆將孔擴大，再焊補平整。車削量的選擇應根據輥身表面的缺陷深度等具體情況來確定。輥身表面加工后要進行探傷檢查，以確認內部缺陷是否清理干凈。

4.3 連鑄輥表面堆焊過程控制[3]

輥子堆焊時必須進行預熱，這是因為當連鑄輥碳當量較大時，如果在常溫下進行焊接，由于冷卻強度較大，容易出現焊接裂紋，而預熱目的就是減少堆焊層金屬的冷卻速度，避免焊接層產生裂紋。通過不斷的試驗，將連鑄輥的預熱溫度確定為150~250℃.

堆焊過程控制，由于連鑄輥在堆焊時是不斷旋轉的，如何保證熔融的金屬液體和保護渣不掉落。為延長熔渣冷卻凝固時間，堆焊時需將連鑄輥中心頂點與焊絲的位置保持一定的傾斜角度，根據實際操作經驗，通常取5°左右即可保證熔融金屬和保護焊劑不掉落。

4.4 焊后熱處理及金相檢驗

輥子在焊接過程中會產生熱應力，如果不及時消除就會影響到焊層質量，甚至引起表層脫落。因此在焊接過程中必須做好保溫緩冷工作，焊接完成后要及時進入加熱爐中進行熱處理。熱處理工藝是，升溫至500℃，升溫速度保持100℃/h,保溫5 h后隨爐冷卻至150℃時出爐[4]，冷卻到室溫后檢查硬度，硬度達到HRC42~48之間為合格。

從金相分析報告可知，試樣基體組織為回火索氏＋少量針條/小塊狀鐵素體，過渡層結合良好，沒有焊接縫隙及分層現象（如圖2所示）；表層組織為馬氏體+殘余奧氏體＋少量顆粒合金化合物，有柱狀晶向結構（如圖3所示），具有較高的硬度和良好的耐蝕、耐磨性[2]，符合焊接焊層組織要求。

圖3 連鑄輥表層焊縫金相圖

5 結束語

通過調整輥子表面堆焊焊絲成份后，嚴格按照堆焊工藝進行修復和處理，經過轉爐一段時間的使用，在通過額定過鋼量的情況下沒有出現環裝裂紋、磨損凹陷、彎曲剝落等表面缺陷，完全達到了用戶對連鑄輥的表面質量和使用壽命要求。同時通過修復，舊輥資源得到了充分的再生利用，不但降低了新輥采購量，而且降低生產成本，提高了生產效率，也減少對資源的浪費，實現了可觀的經濟效益和社會效益。