大型粉磨设备耐磨堆焊再制造技术

刘宝峰



大型粉磨设备耐磨堆焊再制造技术

刘宝峰

摘要针对不同磨损工况、不同材质的大型粉磨设备挤压研磨面金属材料的特性及疲劳层深度，研制了三种高硬度、高耐磨、微渣型自保护药芯焊丝，用于大型粉磨设备磨损后的修复再制造，延长了设备的使用寿命，缩短了设备修理时间，降低了生产成本。

关键词药芯焊丝；耐磨堆焊；大型粉磨设备；修复

0　引言

立式辊磨和辊压机是水泥工业中的重要装备，用于磨制煤粉、水泥生料、水泥矿渣粉和预碎熟料。在使用中，由于物料的摩擦作用，特别是生料、水泥、熟料和矿渣等物料的硬度高、可磨性差，对磨辊、磨盘、挤压辊等耐磨件的磨损相当严重。磨耗使得磨辊与磨盘或挤压辊对辊之间的间隙加大，设备运转效率下降，能耗不断提高，并最终可能导致设备停产检修。为解决磨损问题，提高设备运转率，采用硬面堆焊技术成为最为可行和经济的方法之一［1］。

硬面材料在磨损失效后，通常会采用药芯焊丝堆焊修复的方法恢复其尺寸与性能。药芯焊丝相比手工焊条具有效率高、成型好、飞溅小等优点，而自保护药芯焊丝更可以实现不用外加气体装置，在焊道表面形成微渣或无渣，从而也可省去多层多道焊时敲渣的麻烦。因此，研制一种性能良好的微渣型自保护药芯焊丝，使堆焊金属具有高硬度、高耐磨性，从而延长耐磨零件使用寿命具有重要的意义。

1　研制的药芯焊丝

本文通过添加不同合金元素，分析对堆焊合金组织及耐磨性能的影响规律，得到组织优秀的堆焊合金成分，研制出以下三种药芯焊丝。

1.1HC-O高铬铸铁型药芯焊丝

HC-O高铬铸铁合金药芯焊丝，当控制铬碳比在4 h～6 h，可得到M7C3型高硬度碳化物，耐磨性能好。可用在低应力磨粒磨损工况下的煤磨和耐磨板。解决了高铬铸铁磨辊的堆焊修复问题。M7C3型高硬度碳化物的形态、数量、种类和分布是力学性能的决定因素。

高铬铸铁的碳化合物多为复合相，合金中铬含量高，碳化物析出时部分Fe原子被Cr取代而形成，主要有（Cr，Fe）3C、（Cr，Fe）7C3、（Cr，Fe）23C6三种。其中初生（Cr，Fe）7C3、（Cr，Fe）23C6相常以块状存在，具有高硬度和优异的抗磨料磨损性能。高铬铸铁堆焊合金的组织主要有过共晶、共晶、亚共晶三种。其中过共晶高铬铸铁堆焊合金因其组织中含有更多硬度高的M7C3碳化物，而被优先用于修复承受严苛磨损工况条件的磨损部件［2］。M7C3硬度平均高达HV1 700左右，比M3C硬度高的多（M3C硬度在HV1 060～HV1 240），并且M7C3型碳化物多为大六角晶纤维杆状，硬度高，韧性好，而M3C型碳化物为网状，周围被奥氏体及转变组织包围，形成莱氏体共晶组织，这种组织硬度低、韧性差。

M7C3高硬质相可以使合金具有很高的抗低应力磨料磨损和耐热、耐蚀性能。在高铬铸铁堆焊合金中，随着成分中铬含量增加，碳化物组成改变，基体组织也随之改变。铬延长等温转变的孕育期，使冷却转变曲线右移，起到稳定奥氏体的作用，铬含量的增加还能够起到增加合金中碳化物的稳定性的作用。

可见，合理的铬含量，可以形成大量的M7C3型初生碳化物，初生碳化物M7C3的数量及分布，直接影响组织耐磨性。但还要注意C元素含量，如C元素含量过高，组织粗大，有效碳化物支撑基体相少，组织并不理想，会形成大量粗大的M7C3碳化物，它在磨损过程中会有从基体剥离的趋势，这在一定程度上限制了这类铁基堆焊合金在严重冲击磨损条件下的应用。

1.2HC-O-Mo和CN-O型药芯焊丝

HC-O-Mo和CN-O显微组织都是由马氏体+少量的奥氏体+大量细小复合碳化物组成，通过在焊丝中加入Mo、Nb等合金元素，使得析出的碳化物更多、细小、密集，提高了基体硬度、耐温能力。研发的HC-OMo型焊丝用于磨料质硬粒小的工况（如：钢渣磨修复），堆焊金属剪切强度较同类产品提高1.5倍；研发的CN-O型用于高应力磨粒磨损工况（如：辊压机疲劳磨损修复），堆焊金属剪切强度提高2倍。

堆焊合金中硬质相的尺寸、形态、分布、化学成分，以及硬质相与基体组织两者之间的匹配、结合，最终决定了堆焊合金的综合性能。

试验过程中，通过过冷度的控制，可以得到细小、密集的碳化物来提高磨损寿命，当磨损颗粒接触到磨损表面时，由于碳化物足够细小、密集，颗粒体积会大于碳化物的间隙，同时有多个碳化物在阻碍颗粒犁铧，颗粒也就无法直接完全犁铧到基体金属，对于减少犁铧，提高磨损寿命有利。在堆焊立磨时往往要控温和急冷，这是为了获得熔池结晶时的温度过冷度。

为了弥补高C、Cr单一合金温度过冷的不足，在合金中加入必要的强碳化物形成元素，如Zr和Nb，因为这两个元素的碳化物熔点即析出温度最高，因此可以大大提高熔池中碳化物的成分过冷度。并且形成的复合碳化物硬度更高，对耐磨损有利。

对复合碳化物硬度的提高，也可控制细小的Nb、Mo碳化物在基体中分布，弥散强化基体组织，提高基体强度。碳化物的自身韧性和生长方向对于磨损也是有很大影响的。由于堆焊层基体的显微硬度（Hv750～Hv950）远低于碳化物的显微硬度（Hv1 500以上），因此基体总是先被磨损，而碳化物不易被磨损。碳化物的硬度越高，其耐磨颗粒磨损的能力越强，其作为障碍物存在的时间越长，对提高耐磨寿命越有利；碳化物的韧性越高，其抗冲击脆断的能力越强，发挥磨损障碍物的时间、能力越强，对提高磨损寿命越有利。强碳化物合金元素加入后，与C、Cr形成复合碳化物，比单一的C、Cr化合物硬度高，对提高碳化物的硬度都有利。

综述上述三种药芯焊丝，研发的HC-O高铬铸铁型药芯焊丝，控制铬碳比，可得到M7C3型碳化物，用于低应力磨粒磨损工况下的高铬铸铁型粉磨设备修复，堆焊后硬度60 HRC以上，使用寿命提高1.5倍。用强碳化物形成元素作变质剂，金相组织由大量的细小复合碳化物组成。研发的HC-O-Mo型焊丝用于磨料质硬粒小的工况（如：钢渣磨修复），堆焊金属剪切强度较同类产品提高1.5倍；研发的CN-O型用于高应力磨粒磨损工况（如：辊压机疲劳磨损修复），堆焊金属剪切强度提高2倍。

2　堆焊工业性试验

2013年7月，立磨磨辊、磨盘在线堆焊再制造试验在同煤建材公司内进行了试验。立磨磨辊、磨盘材质为ZG20SiMn。有相关工作人员对立磨磨辊磨损程度进行评估，选择HC-O-Mo型焊丝堆焊。

将堆焊机运到现场，在立磨磨辊、磨盘部拆除的情况下，使用焊丝进行明弧堆焊子再制造。因为不用拆卸磨辊等设备，很大程度上缩短了停工时间，降低了设备拆装带来的风险，施工更安全。

以下图1至图3是部分在线堆焊立磨磨辊、磨盘、煤磨磨辊，以及成都利君辊压机图片。

图1在线堆焊立磨

图2在线堆焊磨煤机

图3在线修复成都利君辊压机

经堆焊修复的成都利君辊压机，至今已在线稳定运行15 000 h以上；经堆焊修复的煤立磨，在线稳定运行了8 000 h；经堆焊修复的日本宇部公司的立磨，已在线稳定运行7 000 h，实现了同煤集团建材公司粉磨系统的安全稳定运行。以同煤建材生料立磨为例，每年节约成本170万元，社会经济效益显著。

3　结论

依靠表面耐磨堆焊的方法进行部件的表面防护堆焊和已磨损部件的耐磨堆焊修复，可以显著增加设备的使用寿命，降低更换部件的成本，为企业带来巨大的经济效益。在水泥等行业的大型粉磨设备实施绿色再制造，促进循环经济发展非常具有社会效益，为国家可持续发展做出贡献。

参考文献

［1］黄智泉，杨威，李军伟.水泥工业粉磨设备配件堆焊修复的细节探讨［J］.新世纪水泥导报，2014（2）：44-46.

［2］龚建勋，肖选锋.Fe-C-Cr-V高铬堆焊合金的M7C3型碳化物及耐磨性［J］.焊接学报，2010（1）：33-36.

刘宝峰，男，1974年出生，本科学历，现在大同煤矿集团公司云岗矿工作，助理工程师。

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

作者简介

中图分类号TG423

文献标识码B

文章编号1000-4866（2016）02-0044-03