气粉机粉碎室的耐磨堆焊修复方法

赵国宏，和文云，何爱红，张琼芬，张朝寿

（1.昆明工业职业技术学院，云南安宁 650302；2.云南昆钢激光技术有限公司，云南安宁 650302）

0 前言

气流粉碎机亦称气流磨、喷射磨或流能磨（简称气粉机），是利用高速气流或过热蒸汽的能量使颗粒相互产生冲击、碰撞、摩擦而实现超细粉碎或解聚的设备。气流磨粉碎的产品有粒度细、粒度分布窄、颗粒形状规整、纯度高、活性大、分散性好等特点，在化工、医疗行业中应用较为广泛，特别是钛白粉的终端粉碎，目前国内大多数选用圆盘式气流粉碎机。但是，气粉机工况相对恶劣，粉碎室的磨损情况较为突出，一般2月使用周期后粉碎室内壁的耐磨层（靶材）就会被冲刷、磨损殆尽。因此，气粉机在使用一段时间后就必须整机更换新设备，增加了企业的运行成本。下面根据粉碎室磨损的现状，分析失效机理，并给出相应修复方法。

1 圆盘式气粉机的粉碎原理及粉碎室失效机理

1.1 圆盘式气粉机的粉碎原理

云南某有色金属有限公司生产钛白粉，采用圆盘式气粉机作为成品的最终粉碎。气粉机工作原理：通过均匀地分布在粉碎室（呈圆盘式）周围并与粉碎室半径方向成一定角度的喷嘴（分布于同一平面），将压缩热蒸汽变换成高速气流；从加料喷射器进入粉碎室的粉体物料颗粒互相激烈碰撞、摩擦及与粉碎室内腔表面碰撞，达到超微粉碎的目的。被粉碎的物料随气流到达分级区，达到细度要求的物料由捕集器收集，其余的物料返回粉碎室继续粉碎，直至达到所需细度并被捕集为止。圆盘式气粉机结构如图1所示。

图1 圆盘式气粉机结构示意

1.2 粉碎室失效机理

气粉机工作时，进入粉碎室的蒸汽压力约1 MPa，温度≥300℃，高压高温的蒸汽夹带固体颗粒不断与粉碎室的内腔表面碰撞，特别是粉碎室的外缘壁和底面。冲蚀磨损指流体或固体粒子以一定速度和角度对材料表面进行冲击所造成的材料表面流失的现象，也称为侵蚀或侵蚀磨损[1]。可见，粉碎室是在高温条件下以冲蚀磨损为主的失效形式存在。从流动介质来看，可来将其失效形式归为气固冲蚀磨损。

对于此类汽粉机，粉碎室的冲蚀磨损率主要受环境、磨粒性质和靶材性质3方面因素的影响[2～4]，前两者在生产工艺设计时已经定性，如环境因素中的冲蚀速度、冲角、冲蚀时间、环境温度及磨粒性质中的磨粒硬度、形状、粒度、破碎性等，所以汽粉机粉碎室的修复工艺中主要考虑靶材因素，也就是堆焊修复材料及施焊工艺。气粉机局部放大剖视图如图2所示。

图2 气粉机局部放大剖视

2 粉碎室的堆焊修复方法

2.1 靶材（焊材）的选择

粉碎室内腔的主要失效形式是高温下的冲蚀磨损，因此在选择靶材时主要考虑材料的高温抗氧化性和耐磨性。陈学群等的研究发现，在低冲角时，相同成分的碳钢，马氏体组织比回火索氏体更耐冲蚀磨损；当均为马氏体组织时，中碳马氏体比低碳马氏体更耐磨[5]。因为低角度冲蚀磨损机制主要是微切削和犁沟，硬基体更能抵抗磨粒的刺入。由于待修复的气粉机24个喷射嘴轴线与粉碎室的半径成夹角28°，属于低冲角，因此靶材要求以中高碳马氏体为主。其次，钛白粉作为白色基础颜料，对杂质特别是铁类杂质敏感，所以还应考虑硬面靶材与基材的结合力。

综合考虑粉碎室工况，要求内腔表面靶材有抗氧化性、高耐磨性，并能与基体之间形成牢固的冶金结合，所以修复工序采取打底层+硬面层联合堆焊修复：打底焊材选取国产ER309不锈钢焊丝，主要用于补焊较大冲蚀凹坑及打底焊。焊丝抗拉强度580 N/mm2，延伸率39%，化学成分见表1。

表1 ER309不锈钢焊丝化学成分

硬面靶材选用明弧系列药芯焊丝HC-OMo，该焊丝有与打底层材料相容、优异的耐磨损、耐冲击和抗高温氧化性的综合性能。硬面靶材的硬度58～62 HRc，化学成分见表2。

表2 硬面靶材成分范围

2.2 堆焊修复工序

2.2.1 焊前清理

用碳弧气刨对整个粉碎室内腔进行清刨，彻底祛除腔内残留硬层、裂纹、粉尘等缺陷，使之露出基体母材金属光泽。

控制点：气刨中，用目测观察+着色探伤联合判断，彻底清刨，确保基体焊前无残余缺陷。

2.2.2 补坑及打底焊

打底焊起隔断母材与硬面堆焊靶材的作用，要求打底焊丝既能与母材（ZG35）相容，又能确保与硬面靶材形成冶金结合，有效阻断靶材的堆焊裂纹和疲劳裂纹向基体延伸发展的能力。

①如果冲蚀磨损比较严重（密封槽已缺损），可先用ER50-6焊丝CO2气保焊填补整个密封槽，再用立车加工出新密封槽，然后在粉碎室内壁（硬面靶材堆焊对应部位）用不锈钢ER309焊丝MIG补坑及打底焊，堆层厚度2～3 mm；②如果冲蚀磨损不严重（密封槽完好），仅用不锈钢ER309焊丝MIG堆焊一层2～3 mm后的打底过渡层即可。

控制点：①焊前务必清尽内腔表面气刨积碳、灰尘等污物；②保护气体采用Ar+2%O2；③小电流，薄层焊，焊层厚度控制在3 mm以内，确保基材完全覆盖；④打底焊过程，用游标卡尺实测粉碎室壁厚，采取“低补高刨”的手段，确保整个打底层厚度误差控制在1 mm以内。

表3 硬面层的堆焊工艺参数

2.2.3 硬面靶材堆焊

硬面层堆焊材料：既具有与打底层材料的相容性，又能体现高硬度、高耐磨、抗高温冲蚀的优异性能。

控制点：①焊前，彻底清除预堆焊表面积尘；②粉碎室底部采用全自动堆焊（堆焊工艺参数见表3），一次成形，硬面靶材总厚控制在2～3 mm，整个焊层表面的高低差控制在≤1 mm；③粉碎室边缘采用手工半自动焊，焊接参数略低于全自动焊，硬面靶材总厚控制在3～4 mm，整个焊层表面的高低差控制在≤1.5 mm；④堆焊过程中，注意清除辊面上每层药芯焊丝燃烧产生积尘，并随时用游标卡尺实测监控焊层厚度。

2.2.4 检验

硬面靶材堆焊完工后，应对堆焊质量进行检验。检验项目包括：①用角向钢丝轮抛光硬面靶材表面，去除焊接飞溅和积尘；②用卡尺实测粉碎室的壁厚，检验硬面靶材的有效厚度；③轻敲整个靶面，听金属回声，检测堆焊层是否熔合牢固；④堆焊靶材面上均布取几点，检测靶材硬度。

图3为云南某有色金属有限公司的气粉机粉碎室使用3个月后的实物照片。其粉碎室靶材由本工艺堆焊完成，运行时间增加了1.5倍，而且在使用中靶材无脱落、掉块现象，整个靶面磨损均匀且耐磨。

3 结束语

由于钛白粉粉碎工况特殊，使用过程中气粉机粉碎室的冲蚀磨损无法避免。从实践修复得知，选用药芯焊丝HC-0MO作为硬面靶材可以满足钛白粉粉碎工况使用要求，而且使粉碎室的耐冲蚀磨损及抗高温氧化性得到提高，使用周期增加，此修复方法简单易行，性价比较高，使用中靶材无掉块、剥落现象。

图3 使用3月后的靶材表面

［1］王振延.摩擦磨损与与耐磨材料［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2013.

［2］马颖，任峻，李元东，等.冲蚀磨损研究的进展［J］.兰州理工大学学报，2005，31（1）：22-25.

［3］董刚，张九渊.固体粒子冲蚀磨损研究进展［J］.材料科学与工程学报，2003，21（2）：307-312.

［4］何奖爱，王玉玮.材料磨损与耐磨材料［M］.沈阳：东北大学出版社，2002.

［5］陈学群.风扇磨冲击板的磨损方式及粒子撞击磨损的研究［D］.北京：清华大学，1982.