連鑄輥表面堆焊技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

成 陽， 朱敏敏， 秦 威

(上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900)

連鑄輥表面堆焊技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

成 陽， 朱敏敏， 秦 威

(上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900)

摘要：分析了煉鋼廠連鑄輥部件表面堆焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用空間，分別從連鑄輥母材、焊材成分、堆焊技術(shù)、用戶需求等維度，闡述了連鑄輥表面堆焊技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展。目前，連鑄輥表面改性技術(shù)領(lǐng)域，以表面堆焊技術(shù)為主流技術(shù)。其它表面處理技術(shù)(如激光熔敷技術(shù)、熱噴涂技術(shù)等)僅僅處于試驗(yàn)研究階段，堆焊技術(shù)仍然具有較大的工程應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢(shì)。連鑄輥表面堆焊技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)使產(chǎn)品全生命周期價(jià)值最大化，實(shí)現(xiàn)與用戶共贏。

關(guān)鍵詞：堆焊技術(shù)；連鑄輥；表面技術(shù)

引 言

連鑄輥是煉鋼廠連鑄機(jī)設(shè)備的核心部件，服役中連鑄輥受到高溫鋼坯凝固時(shí)鼓肚力和靜壓力施加的循環(huán)載荷，以及噴淋冷卻水和酸性保護(hù)渣的影響，連鑄輥使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)高溫氧化、電化學(xué)腐蝕、彎曲變形、網(wǎng)狀裂紋、磨損等缺陷，直接影響連鑄機(jī)設(shè)備的作業(yè)效率、生產(chǎn)成本、鑄坯質(zhì)量，嚴(yán)重制約了連鑄生產(chǎn)線生產(chǎn)能力[1-2]。采用表面堆焊技術(shù)對(duì)連鑄輥進(jìn)行新品或修復(fù)制造，可以改善連鑄輥表面特性，獲得具有高強(qiáng)度、高耐腐蝕氧化、抗高溫磨損性能、抗冷熱疲勞性能的功能層。連鑄輥表面性能的提高，也使得連鑄輥產(chǎn)品的使用壽命延長，從而滿足煉鋼廠連續(xù)生產(chǎn)需求和鋼坯質(zhì)量。表面堆焊技術(shù)的應(yīng)用程度，也體現(xiàn)了連鑄輥產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)和技術(shù)檔次。

目前，國內(nèi)各大中型鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中，針對(duì)連鑄輥長壽化的研究蓬勃發(fā)展，各種表面新技術(shù)嘗試著在連鑄輥壽命提高上一展宏圖。但基本上僅僅停留在設(shè)想和實(shí)驗(yàn)室研究階段，即使有新產(chǎn)品上機(jī)試用，也不能取得理想的效果。因此，連鑄輥的表面改性技術(shù)中，堆焊技術(shù)仍然作為連鑄輥的復(fù)合制造技術(shù)加以應(yīng)用和研究。本文對(duì)連鑄輥產(chǎn)品表面處理技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行概述，重點(diǎn)探討和展望表面堆焊技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展。

1 連鑄輥表面處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)以來，技術(shù)變革的步伐加快，許多新興表面處理技術(shù)紛紛在全球的研究機(jī)構(gòu)及高等學(xué)府搭建研究平臺(tái)，并迅速向產(chǎn)學(xué)研縱深發(fā)展，技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭萍忌a(chǎn)力得以充分的體現(xiàn)。一些新興表面技術(shù)如3D打印技術(shù)、冷熱噴涂技術(shù)、表面仿生技術(shù)、激光強(qiáng)化技術(shù)、熱解析模擬技術(shù)等得到了深度研究與開發(fā)。技術(shù)的進(jìn)步不可避免的給傳統(tǒng)的電弧堆焊技術(shù)帶來沖擊，打破堆焊技術(shù)在冶金輥類表面改性領(lǐng)域的統(tǒng)治地位，出現(xiàn)各表面技術(shù)百花齊放，共同競爭的狀況。同時(shí)，各表面技術(shù)相互滲透，跨領(lǐng)域應(yīng)用，交互式發(fā)展。

目前，在連鑄輥表面處理領(lǐng)域，新的表面處理技術(shù)已經(jīng)嘗試研究應(yīng)用。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用氣體爆炸噴涂工藝制備以NiCr為底層，Cr3C2-NiCr為表層，厚約0.3 mm的功能涂層，在寶鋼煉鋼廠連鑄機(jī)上使用7000爐沒有發(fā)生明顯的變化，延長了輥?zhàn)釉诰€使用壽命[3]。激光熔敷技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于連鑄結(jié)晶器足輥上，該技術(shù)方法利用激光熔敷設(shè)備產(chǎn)生的高能連續(xù)激光束，通過側(cè)向送粉方式，可將鎳基合金粉末和連鑄結(jié)晶器足輥表面一薄層金屬同時(shí)熔化，從而在連鑄結(jié)晶器足輥表面制備出耐高溫磨損腐蝕的高性能合金涂層，通過在寶鋼二煉鋼4CC連鑄機(jī)上試車，可提高結(jié)晶器足輥的使用壽命6倍以上。并且國內(nèi)已有文獻(xiàn)報(bào)道熱軋卷取夾送輥采用激光熔敷處理已處于研發(fā)階段[4]。與堆焊技術(shù)相比，激光熔敷技術(shù)也是一種有效的連鑄輥表面處理工藝。此外，寶鋼寧鋼薄帶連鑄結(jié)晶輥采用電鍍技術(shù)表面處理，制備高性能Ni，Co+Ni鍍層已開發(fā)成功，目前成功應(yīng)用于寧鋼薄帶連鑄生產(chǎn)線[5]。因此，面對(duì)其他表面技術(shù)的迅猛發(fā)展，有必要思考堆焊技術(shù)在未來的工程應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展方向。

能夠繼續(xù)作為連鑄輥表面改性領(lǐng)域的主要表面技術(shù)，堆焊技術(shù)與其它表面技術(shù)相比，具備以下一些技術(shù)優(yōu)勢(shì)：堆焊層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，冶金結(jié)合；堆焊厚度可達(dá)幾十毫米，抗沖擊性能好；工藝實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，熔敷效率高，堆焊所用設(shè)備簡單，投資少，生產(chǎn)費(fèi)用低[6]。通過焊材成分的多樣化，堆焊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)堆焊層的功能多樣化，從而滿足產(chǎn)品在不同工況條件下使用。其他表面處理技術(shù)，例如激光熔敷處理技術(shù)，因?yàn)槿鄯笮屎图す庠O(shè)備及粉末價(jià)格等方面因素，仍然在國內(nèi)外連鑄輥表面處理上得不到大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，僅僅停留在試驗(yàn)開發(fā)階段。

綜上所述，在連鑄輥表面改性技術(shù)領(lǐng)域，其他表面處理技術(shù)(如激光熔敷技術(shù)、熱噴涂技術(shù)等)僅僅處于試驗(yàn)研究階段，離工業(yè)化應(yīng)用尚有一段距離。考慮到成本、效率、設(shè)備等多方面，堆焊技術(shù)仍然具有較大的工程應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 連鑄輥表面堆焊技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

據(jù)統(tǒng)計(jì)連鑄設(shè)備的維護(hù)費(fèi)中約20%～40%用于連鑄輥的維護(hù)[7]。對(duì)于連鑄輥產(chǎn)品而言，日本新日鐵和中國寶鋼采用周期離線檢修管理模式，針對(duì)產(chǎn)品的全生命周期管理。因此，人們不應(yīng)該過多關(guān)注第一次的新品制造成本，而要考慮到后續(xù)產(chǎn)品使用中的各個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)該關(guān)注產(chǎn)品的全生命周期時(shí)間及性價(jià)比。那么對(duì)于堆焊技術(shù)應(yīng)用發(fā)展而言，就應(yīng)當(dāng)從新產(chǎn)品論證設(shè)計(jì)時(shí)開始介入，然后應(yīng)用到具體的制造過程、然后到用戶使用后反饋改進(jìn)、最后再論證設(shè)計(jì)的閉環(huán)過程，如圖1所示。

圖1 連鑄輥產(chǎn)品生命周期示圖

2.1 向連鑄輥的母材應(yīng)用進(jìn)展

隨著連鑄技術(shù)的進(jìn)步，世界各大鋼鐵企業(yè)應(yīng)用連鑄技術(shù)生產(chǎn)高等級(jí)和高附加值鋼材的比例逐年增加，落后產(chǎn)能逐漸被淘汰。這些高等級(jí)鋼材對(duì)連鑄設(shè)備也提出了越來越高的要求。由于設(shè)備制造工藝的不斷進(jìn)步，連鑄輥從普通碳鋼棒材、整體低合金鍛鋼輥發(fā)展到堆焊復(fù)合制造輥。20世紀(jì)80年代以前，連鑄輥母材主要以Q235，Q345，25#，15CrMo，20CrMo鋼為主。20世紀(jì)80年代以后，世界連鑄技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，連鑄輥母材也逐漸以日本R73、德國42CrMo4和21CrMoV-5.11為主，以滿足連鑄輥體良好的機(jī)械性能。母材由簡單低合金結(jié)構(gòu)鋼，向多元Cr-Mo-Ni-V低合金鋼發(fā)展。多元Cr-Mo-Ni-V低合金鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)后，硬度適中，良好的力學(xué)性能，具有良好的冷熱加工性能及抗疲勞性能。典型連鑄輥母材化學(xué)成分如表1所示。以斯凱孚(SKF)公司制造的 ConRo輥為例，母材全部采用21CrMoV-5.11鍛件制造，輥體經(jīng)過900～950 °C，油冷+680～740 °C，≥2 h空冷調(diào)質(zhì)處理，可獲得基體力學(xué)性能如下：σs≥550 MPa，σb：700～850 MPa，δ5≥17%，φ≥60%，HB210～250，Akv≥38 J/cm2；而采用Q345低合金鋼鍛件正火后，基體力學(xué)性能為：σs≥345 MPa，σb：470～630 MPa，δ5≥21%，φ≥55%，HB140～180，Akv≥34 J/cm2。由此可見：多元Cr-Mo-Ni-V低合金鋼，由于合金元素的添加，鋼材具有更好的熱處理特性，材料綜合力學(xué)性能大幅提高，從而使得連鑄輥在上線使用過程中能夠滿足高等級(jí)鑄坯的連鑄鑄造，在線使用時(shí)發(fā)生輥?zhàn)訑嗔训膼盒允鹿蕼p少，連鑄輥下線后能夠多次再制造，即產(chǎn)品全生命周期延長。

2.2 面向連鑄輥的焊材應(yīng)用進(jìn)展

目前，連鑄輥體調(diào)質(zhì)處理后，進(jìn)行堆焊復(fù)合制造。所采用的焊接材料可分為藥芯焊絲和實(shí)心焊絲，為馬氏體不銹鋼材料。國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)針對(duì)連鑄輥成功開發(fā)一系列堆焊材料。目前已形成若干代，第一代焊接材料：Cr13系(1Cr13，2Cr13等)，該堆焊材料為馬氏體不銹鋼材料，無其他合金元素強(qiáng)化，早期連鑄輥的堆焊主要采用此類材料，隨著對(duì)連鑄輥使用性能要求的提高，該類材料已不能滿足現(xiàn)場使用要求；第二代焊接材料：Cr13NixMoy(0Cr13Ni4，0Cr13Ni4MoV，0Cr13Ni4MoCoV，1Cr13NiMo，1Cr13Ni2Mo，1Cr13Ni4Mo，2Cr13NiMo等)，該類材料仍延續(xù)了Cr13馬氏體不銹鋼特性，主要特征以添加Ni，Mo，V，Co等合金強(qiáng)化元素來提高堆焊層綜合性能[8]，是目前國內(nèi)各連鑄機(jī)型連鑄輥選用的主要堆焊材料；第三代堆焊材料Cr13-N-NixMoy(0Cr13Ni4MoVN，0Cr13Ni4MoCoVN等)，該類材料為Cr13系馬氏體不銹鋼，主要特征以添加N元素替代C元素強(qiáng)化，極大的增加堆焊層冷熱疲勞性能和耐腐蝕性能；第四代堆焊材料為W630(1Cr17Ni4Cu4Nb)，該材料為沉淀硬化型焊絲，提高連鑄輥在中高溫區(qū)域的韌性和綜合性能。國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)開發(fā)的一系列連鑄輥堆焊材料，焊后熱處理溫度一般集中在380～560 ℃之間，含氮焊絲堆焊后無需進(jìn)行熱處理消應(yīng)力。連鑄輥成品輥面硬度一般集中在HRC32～48之間。所制造產(chǎn)品符合德國西馬克、奧地利奧鋼聯(lián)、日立三菱、意大利達(dá)涅利等世界知名冶金設(shè)備制造商的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。面向連鑄輥產(chǎn)品焊材開發(fā)歷程如圖2所示。

表1 典型連鑄輥母材化學(xué)成分/%

圖2 面向連鑄輥產(chǎn)品焊材開發(fā)歷程

2.3 面向連鑄輥的堆焊技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

再好的技術(shù)也不能脫離實(shí)際生產(chǎn)，優(yōu)良的焊材性能是依靠先進(jìn)的堆焊設(shè)備和穩(wěn)定的工藝實(shí)現(xiàn)的。人們必須關(guān)注面向生產(chǎn)過程中的堆焊技術(shù)，改進(jìn)的堆焊新技術(shù)，能夠不斷降低產(chǎn)品的制造成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，才能深受生產(chǎn)廠家的歡迎，從而有利于市場推廣應(yīng)用。否則，新焊材、新技術(shù)不可能持續(xù)性發(fā)展，只能止步于實(shí)驗(yàn)研究階段，沒有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

采用埋弧堆焊技術(shù)，連鑄輥在堆焊前需要進(jìn)行預(yù)熱處理，以保持基體良好的塑韌性，避免堆焊合金冷卻過程中產(chǎn)生裂紋；堆焊后需要進(jìn)行焊后消應(yīng)力處理，消除堆焊層的殘余應(yīng)力。這些工序都是保證堆焊層質(zhì)量的關(guān)鍵工序。工藝繁瑣，延長了連鑄輥制造周期，提高連鑄輥生產(chǎn)的成本，而且需要為此配置相應(yīng)熱處理工業(yè)爐設(shè)備和操作人員，消耗大量能源的同時(shí)，還要增加人工成本。英國焊接合金公司開發(fā)了400N-O系列超低碳含氮藥芯焊絲的明弧堆焊技術(shù)，與埋弧焊技術(shù)相比，該技術(shù)工藝上更加簡單，不需要進(jìn)行焊前焊后熱處理，節(jié)省能源，使用壽命是埋弧焊的2～3倍，綜合成本比埋弧焊低。但是明弧焊實(shí)際生產(chǎn)操作過程中存在電弧光輻射、煙塵污染現(xiàn)象。

在表面堆焊技術(shù)領(lǐng)域，研究人員圍繞如何提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性作了大量的研究工作。先后開發(fā)了一系列堆焊新技術(shù)，例如單絲、雙絲、單帶極、多帶極電弧堆焊。就效率而言，已從單絲電弧堆焊的11 kg/h發(fā)展到多帶極電弧堆焊的70 kg/h[9]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，輥?zhàn)由暇€使用后，由于輥?zhàn)邮艿嚼鋮s介質(zhì)、潤滑、軸承壽命等因素的影響，而不得不及時(shí)下線修復(fù)。導(dǎo)致性能較好的焊材體現(xiàn)不出性能上的優(yōu)越性，造成成本上的提高，性能上的過剩和資源的浪費(fèi)[10]。

2.4 面向連鑄輥的用戶需求

堆焊技術(shù)的發(fā)展必須緊貼用戶的需求，增加用戶體驗(yàn)滿意度，才能為該技術(shù)的發(fā)展注入動(dòng)力。用戶使用產(chǎn)品過程中反饋的問題，對(duì)于堆焊技術(shù)的發(fā)展極具價(jià)值。

近些年，研究人員更多關(guān)注堆焊技術(shù)本身的發(fā)展，對(duì)于面向用戶的堆焊技術(shù)發(fā)展關(guān)注較少。主要有以下原因：其一，連鑄輥表面堆焊技術(shù)，僅僅作為連鑄機(jī)整體設(shè)備制造技術(shù)之一，更不要說液態(tài)鋼水的連鑄技術(shù)，不同連鑄生產(chǎn)線生產(chǎn)的鑄坯千差萬別，工況條件(保護(hù)渣、冷卻水、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng))和管理模式都有很大的區(qū)別。因此，各種因素綜合起來對(duì)產(chǎn)品的影響結(jié)果和程度并不能被連鑄輥產(chǎn)品制造技術(shù)人員所掌握，從而不能進(jìn)行連鑄輥產(chǎn)品全生命周期論證。其二，產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息平臺(tái)無法有效建立，全壽命周期信息鏈不完整和不連續(xù)，無法采集全面的產(chǎn)品信息，造成技術(shù)人員無法優(yōu)化制造工藝和完善產(chǎn)品使用信息。失去了產(chǎn)品寶貴的數(shù)據(jù)信息，各方技術(shù)人員就不能對(duì)產(chǎn)品使用過程中遇到的問題進(jìn)行全面分析和解決。因此，制造方和用戶方技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)信息共享，面向用戶需求的連鑄輥表面堆焊技術(shù)的發(fā)展應(yīng)與產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù)相互融合。掌握鋼液連鑄過程中熱交換和熱傳導(dǎo)的規(guī)律，對(duì)于連鑄輥的制造維護(hù)和堆焊技術(shù)具有重要的意義。此外，各方也應(yīng)該嘗試建立連鑄輥全生命周期信息數(shù)據(jù)庫。以寶鋼為例，寶鋼連鑄離檢中心成功開發(fā)《MRO循環(huán)品管理系統(tǒng)》，驅(qū)使寶鋼連鑄離線檢修業(yè)務(wù)逐步步入信息化。連鑄輥?zhàn)鳛檠h(huán)品典型，進(jìn)行全生命周期跟蹤，不僅有利于管理和生產(chǎn)，還大大促進(jìn)技術(shù)的研發(fā)。將使得堆焊技術(shù)更容易站在用戶需求的角度上去開發(fā)。

隨著鋼鐵產(chǎn)品過剩和鋼鐵企業(yè)經(jīng)營壓力的進(jìn)一步加劇，用戶方鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用不斷降低，必然會(huì)推動(dòng)發(fā)展性價(jià)比更優(yōu)的技術(shù)解決方案，來保障企業(yè)正常生產(chǎn)運(yùn)營。也必將促進(jìn)了堆焊技術(shù)與其他表面技術(shù)的交互滲透、融合發(fā)展。

3 結(jié)束語

綜上所述，堆焊技術(shù)在不斷地進(jìn)步，堆焊技術(shù)仍然具有自身不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。未來的連鑄輥表面處理領(lǐng)域，其他表面處理技術(shù)(如激光熔敷技術(shù)、熱噴涂技術(shù)等)僅僅處于試驗(yàn)研究階段，堆焊技術(shù)仍然具有較大的工程應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢(shì)。連鑄輥表面堆焊技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)考慮產(chǎn)品的全生命周期，使得產(chǎn)品全生命周期價(jià)值最大化，實(shí)現(xiàn)與用戶共贏。

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收稿日期：2018-01-03

作者簡介：成 陽(1986—)，男，工程師

中圖分類號(hào)：TG44；TG231