基于綠色再制造的水泥行業用磨輥/擠壓輥耐磨堆焊修復技術

王志中

摘 要：水泥行業用磨輥/擠壓輥的耐磨性是技術人員面臨的主要問題，在其表面進行耐磨堆焊修復是綠色再制造的范疇。本文論述了碳的添加方式、鉻、鈮、錳、釩元素對提高耐磨堆焊焊縫的硬度和減小抗裂性的影響，并分析了其對延長磨輥/擠壓輥使用壽命方面的有益效果。

關鍵詞：磨輥;綠色再制造;耐磨堆焊

中圖分類號：F426 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0062-03

1 水泥行業的發展

隨著我國經濟的飛速發展和工農業現代化建設的需要，水泥行業已成為經濟發展、生產建設、保障性安居工程領域不可缺少的基礎原材料生產的重點行業，越來越受到國家各相關部門的高度重視，國家相繼出臺了許多相關政策，對促進水泥行業的發展起到了至關重要的作用。

根據中國水泥網水泥大數據研究院分析，2018年水泥全行業的利潤超過1500億元，成為2011年之后的新巔峰。其中，水泥的噸毛利超過了100元，而2017年的噸毛利為80元，同比增長了25%。

在偉大時代的建設宏圖面前，我國水泥工業面臨著新的發展機遇：環境水利等基礎設施建設的巨大需求、工業化的迅速擴張、城鎮化的穩步推進、新農村建設的發展，高速公路、高速鐵路的連網連片，保障性安居工程的實施，等等，都會帶動水泥需求的迅速增長。

水泥的生產加工過程為：破碎礦石→粉磨碎石→煅燒碎石→粉磨熟料，其中“粉磨”是水泥生產過程的重點。目前行業內常用的“粉磨”一般均采用“立磨機”或“輥壓機”，它的工作原理是兩輥面間物料的相互擠壓，物料在其壓力作用下變小、變平、密度增大，大大降低了進一步加工成料的難度[1]。兩個相對運動的擠壓輥或磨輥、磨盤與磨料間屬于高應力的三體磨粒磨損[2]，由于被碾磨料成分復雜，在長期的碾磨過程中容易對磨輥產生嚴重磨損，使磨輥與磨盤之間的間隙不斷加大，由此導致輥面耐磨層嚴重磨損等問題[3]，降低了其使用期限，實際生產表明，磨輥/擠壓輥的使用壽命問題已成為制約水泥行業發展的主要因素[4]。

2 磨輥/擠壓輥的綠色再制造

近年來，人們越來越希望盡可能提高輥壓機的使用效率，這就使得其規格的大型化成為必要的發展趨勢[5-6]。無論是“立磨機”或“輥壓機”，其關鍵部件磨輥或擠壓輥的重量大，一般由幾噸到幾十噸不等，其結構大多為芯部韌性強硬度小、表面硬度大耐磨性好的雙金屬或其它復合鑄造方法得到。但是，物料與輥面的摩擦非常嚴重，輥子表面的耐磨層在很短的時間內就會磨損完畢（一般一周左右），這時就需要停機更換新的磨輥。

在制造磨機時，磨輥輥套及磨盤襯板一般采用整體耐磨合金鑄造（高鉻鑄鐵或鎳硬鑄鐵）或復合耐磨堆焊的方法制造，以期提高輥體及磨盤的耐磨性和使用壽命[7]。制造一個直徑500mm-3000mm、長度為1000mm-3000mm的新磨輥或擠壓輥，其合金熔煉過程中需要大量的鋼鐵及各類合金，整個過程產生了巨大的資源浪費，冶煉、鑄造、運輸等過程對環境的污染非常嚴重，完全違背了“綠水青山”就是金山銀山的新時代發展戰略方針。在這種背景下，圍繞輥壓機擠壓輥失效、修復及強化等方面的研究亦逐步展開[8]，廣大科技工作者集思廣益，發明了用對磨輥或擠壓輥的表面進行再制造修復的技術，這是一種節約資源、造福后代的先進的制備方法，它可以最大限度的降低生產過程中對環境的污染，屬于綠色再制造范疇。而且修復后的磨輥或擠壓輥完全可以正常使用，延長了輥壓機的使用壽命，減少了磨輥或擠壓輥的更換次數，降低了水泥企業的生產成本，為我國的可持續發展和“綠色經濟”做出了應有的貢獻[9-10]。

3 耐磨堆焊修復技術

焊接分為熔焊、釬焊和壓焊三大類，而堆焊是熔接的一個分支，是金屬間內結合的一種熔化焊接方法[11]。耐磨堆焊是采用藥芯焊絲，將具有可在一定程度上增大硬度、提高耐磨性能的合金材料通過焊接電弧的作用使之熔敷在磨輥或擠壓輥的表面，再制造出磨輥或擠壓輥的耐磨層，有效延長其使用壽命。

3.1 碳添加方式對堆焊耐磨性能的影響

焊縫的形成一般都要經歷電弧加熱→母材及焊絲熔化→形成熔池→熔池內冶金反應→熔池凝固結晶→固態相變→形成焊縫。

影響堆焊焊縫耐磨性的主要因素是化學成分，付景山[12]研究了母材含碳量不同時異種鋼焊接熔合區的特征，結果表明：堆焊焊縫與母材的熔合區由較平整的白亮帶和針狀類馬氏體層組成。

若采用碳作為主要強化元素，則其含量不宜過高，否則隨著碳含量的增大將顯著提高焊縫開裂風險，而碳含量過低則強度和硬度無法保證。可見，增加含碳量可以提高堆焊層的硬度，但也同時增大了堆焊層開裂的傾向。所以常規加大添加石墨的含量以增強焊縫的耐磨性能的方法已逐漸被淘汰，許多新技術則不斷研發出來。在研究過程中，采用在藥芯焊絲中添加納米尺寸的石墨烯或碳納米管的方式，能有效增大焊縫碳含量進行提高其耐磨，并同時降低其裂紋敏感性。納米尺寸石墨烯或碳納米管的添加，為原子擴散提供了高密度的短程快擴散路徑，使其在焊接熔池中更容易擴散，避免了尺寸大小不均勻的夾雜物的產生，凈化了焊縫熔敷金屬的化學成分，提高了焊縫熔敷金屬的強度和硬度。

3.2 鉻元素的加入對堆焊耐磨性能的影響

鉻可提高堆焊焊縫的強度、硬度、高溫力學性能性能，鉻還能阻止石墨化并提高淬透性，所以在堆焊焊縫中含有鉻會增大輥面的耐磨性，進行有效延長磨輥或擠壓輥的使用壽命。

Fe-Cr-C三元系合金在擠壓輥堆焊上應用廣泛，它具有的優點[13]為：成本低廉、優異的力學性能且可調范圍廣、形成硬質相以增強耐磨性、具有一定的加工硬化潛力可在磨損過程中提高堆焊層的耐磨性。

3.3 鈮元素的加入對堆焊耐磨性能的影響

鈮有很好的耐蝕性及提高硬度的作用，對γ相有很好的穩定作用，并降低碳氧等雜質元素的含量，顯著提高熔敷金屬的耐蝕性，而且鈮還可以在一定程度上提高熔敷金屬的焊縫的硬度進而提高其耐磨性，有效延長磨輥或擠壓輥的使用壽命。圖1為鈮-碳相圖，圖2為鈮-氮相圖，從中可以看出，鈮與碳反應主要形成NbC、Nb2C、Nb6C5、Nb4C3-X，氮與鈮反應主要形成NbN、Nb2N、Nb4N3等，鈮對堆焊焊縫的強化作用主要是的是細晶強化和彌散強化，鈮能與焊接熔池中的碳氮生成穩定的碳化物（Nb2C、Nb6C5、Nb4C3-X）和氮化物（Nb2N、Nb4N3、NbN），而且還可以使碳化物分散并形成具有細晶化的焊縫，有效提高了耐磨堆焊焊縫的硬度和抗裂性。

3.4 錳元素的加入對堆焊耐磨性能的影響

錳是增加焊縫金屬強韌性的有益元素，錳含量的增加不僅有利于防止焊縫金屬出現熱裂紋，還有利于焊縫金屬的脫氧。若錳含量過高就容易導致熔敷金屬出現偏析和裂紋，也容易使熔敷金屬的碳當量過大，有降低焊縫金屬的韌性的風險，因而，采用的技術方案中應確保熔敷金屬中錳的質量分數不大于5.0%。

3.5 釩元素的加入對堆焊耐磨性能的影響

圖3為釩-碳相圖，圖4為釩-氮相圖，從中可以看出，鈮與碳反應主要形成VC、V8C7、αV2C、V4C3-X，氮與鈮反應主要形成V2N、VN等，這些物質通過細化焊縫的組織和晶粒，提高晶粒粗化溫度，可使堆焊焊縫具有強度高、韌性大、耐磨性好等優良特性。

4 結語

利用堆焊的形式對磨輥或擠壓輥進行表面綠色再制造耐磨修復，可有效節約資源，延長磨輥或擠壓輥的使用壽命;采用添加納米尺寸的石墨烯或碳納米管的方式，可保證提高堆焊層硬度的同時降低其產生裂紋的傾向;添加鉻、鈮、錳、釩元素均可有效提高耐磨堆焊焊縫的硬度和抗裂性。

參考文獻

[1] 黃智泉.立磨磨輥堆焊用焊接材料研究及應用[C].第三屆水泥工業用耐磨材料技術研討會，2009.

[2] 中華人民共和國工業和信息化部.JC/T 2104-2012.水泥工業用耐磨件堆焊通用技術條件[S].北京：建材工業出版社，2013-06-01.

[3] 黃智泉，魏建軍，潘健.耐磨堆焊藥芯焊絲的發展及應用前景[C].全國表面工程學術會議，2004.

[4] 王欣，張永生，黃智泉，等.輥壓機輥面的堆焊修復工藝[J].金屬加工（熱加工），2004（4）：54-56.

[5] 王繼生，張光宇，王素玲.輥壓機技術及其發展[J].水泥工程，2011（2）：44-49.

[6] 劉文敬.輥壓機技術及其發展[J].建材發展導向：下，2016，14（5）：129.

[7] 付禮成.輥壓機的擠壓輥表面堆焊技術研究[D].吉林大學，2011.

[8] 魏建軍，潘建，黃智泉，等.耐磨堆焊材料在我國水泥工業中的應用[J].中國表面工程，2006，19（3）：9-13.

[9] 魏建軍，潘健，等.輥壓機輥面的破壞形式及其修復[C].第二屆水泥用耐磨材料技術研討會，2007.

[10] 魏建軍，潘健，黃智泉，等.綠色再制造工程及其在我國水泥工業中的應用[C].“十二五”堆焊、熱噴涂及表面工程技術發展前瞻學術會議，2011.

[11] Grum J，Slabe J M.The use of factorial design and response surface methodology for fast determination of optimal heat treatment conditions of different Ni-Co-Mo surfaced layers[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，S155-156（1）：2026-2032.

[12] 付景山.母材含碳量對珠光體-奧氏體異種鋼焊接熔合區形態的影響[J].寧夏工程技術，2003，2（3）：239-242.

[13] 禹潤縝，劉勝新，王朋旭，等.Fe-Cr-C系硬面合金及其硬質相的研究進展[J].材料導報，2018，32（11）：3780-3788.