水泥工业耐磨件硬面堆焊技术探讨

　　立式辊磨和辊压机已成为水泥工业中的重要装备，在国内外得到了广泛应用，用于磨制煤粉、水泥生料、水泥矿渣粉和预碎熟料。立磨按粉磨物料的不同，可以分为煤磨、生料磨、水泥磨、矿渣磨、预碎磨等。我国4000t/d以上的水泥熟料生产线，生料磨基本上已全部采用立式辊磨（在2500t/d及以下的熟料生产线上，生料磨还较多采用球磨机或少量应用立磨），辊压机的应用就更为广泛了。

　　不论何种碾磨设备，不论研磨何种物料（水泥熟料、石灰石、粘土、瓷土、石膏、长石、重晶石及煤等），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，且物料常常含有一些硬杂质，如石英石、铁块等，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。极端情况下，磨辊、磨盘运行时间仅1000多小时就失去碾磨能力，不仅不能保证物料的细度和出粉量，电耗也将成倍加大。

　　为解决磨损问题，提高设备运转率，最直接有效的方法就是选择不同材质的铸造耐磨件，或者通过各种工艺（如堆焊、喷涂等）来提高工件的耐磨性能。由此，硬面堆焊技术得到了长足的发展，成为对金属材料进行表面硬化的最为可行和经济的方法之一。现在我们针对硬面堆焊技术在中国水泥工业耐磨件应用实践中的一些问题作一探讨。

　　1 焊接方法和施工方式的选择
　　1.1 焊接方法的选择
　　焊接方法有很多，如气焊、手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、明弧焊等。对于立磨磨辊、磨盘衬板、挤压辊辊体等回转体耐磨件以及耐磨板等平面状态的耐磨件，均可采用自动焊机堆焊的方法，包括埋弧堆焊和明弧堆焊。其它无法实现自动焊的耐磨件可采用焊条电弧焊、手工焊机补焊、半自动焊机堆焊。

　　那么这些堆焊方法该怎么选择呢？我们认为，应从工件的最终性能要求来考虑，例如，煤磨、立磨的磨辊/盘这类工件，它们要求高耐磨、低抗冲击性，工艺选择要从碳化物的数量和形态上来考虑；而辊压机挤压辊这类产品则要求高抗冲击、中低耐磨，工艺选择要考虑碳当量的概念，碳当量决定耐磨件本身的强度、韧性和抗冲击性。简单的说，辊压机挤压辊的堆焊要考虑预热和保温，要围绕碳当量做工艺，原则上要采用热焊，需要在一定的条件下进行焊接，焊接、保温温度都比较高。而立磨、煤磨的辊/盘要求有足够的耐磨性能，要考虑碳化物的形态，只考虑控制小的变形和快的冷却速度，采用冷焊就可以了。因此，埋弧焊更适合辊压机的堆焊，明弧自保护焊更适合立磨、煤磨的辊/盘的堆焊。只有针对不同的工件和场合综合考虑堆焊方式，才能兼顾不同的堆焊方法，得到所需要的性能。

　　1.2 施工方式的选择
　　目前的耐磨堆焊再制造方式包括离线堆焊和在线堆焊，离线堆焊发展较早，技术已经比较成熟，在线堆焊是我公司2000年在国内首先做起来的，并且获得了国家专利和国家创新基金支持。

　　1.2.1 在线堆焊再制造
　　立磨磨辊和盘瓦在线再制造是将堆焊机运到现场，在立磨磨辊/盘不拆除的情况下，使用药芯焊丝进行明弧堆焊再制造。因为不用拆卸磨辊和衬板，用户可在设备检修和设备停机的较短时间内进行堆焊再制造，满足即时检修的需要，最大程度缩短停工时间。

　　在线堆焊再制造具有如下明显优势：1）降低磨机检修成本；2）缩短设备检修停工时间，施工时间更灵活、更机动，适合处理紧急情况；3）降低设备拆卸带来的风险，施工更安全；4）尤其适合矿渣磨和分块式磨辊的堆焊，尤其适合大直径圆环形磨辊套的堆焊再制造。

　　最初的在线堆焊施工是2000年从电力系统的煤磨开始的。因为电厂一台机组至少有五到六台煤磨机，而停机检修时间只有10-15天，典型磨型如ZGM113系列磨煤机，一个机组六台煤磨共有18只磨辊、6套盘，若要在检修期间堆焊完，即使堆焊场地离工厂不是很远，加上拆装和运输时间，以一台设备堆焊一只辊子计算，共需要24台设备、10-14天完成施工，而在线堆焊施工却可以在10天内顺利达到同样的效果。

　　从2000年至今，嘉克公司一直在进行在线堆焊施工，到工程量最多的时候一共有28只队伍在外进行在线堆焊施工，每个施工队伍堆焊量都在5-10吨，能一次性堆焊完成电厂一个机组的全部磨机。水泥厂因为立磨的尺寸比较大，像ATOX50、MLS3626等大的辊套和磨盘堆焊量也都很大。

　　大量的实践证明了在线堆焊再制造是比较实用的，不仅能保证堆焊再制造后的质量和使用寿命，保证磨辊和磨盘的原有工作尺寸，而且大大提高了生产效率和出粉产量，降低了更换磨盘和磨辊所带来的人工成本增加、备件周期及不安全因素的影响。

　　有人认为在线焊质量可能有问题，我们经过上百个堆焊再制造的案例比较后认为，在线焊如果在装备上、工艺上真正达到要求，表面质量和耐磨性能和离线堆焊一样经得起足够的耐磨时间。

　　1.2.2 离线堆焊再制造
　　在线堆焊的成功实施并不能完全取代离线堆焊，这两种焊接方法同样重要。用户如拥有备件，可把磨辊/盘瓦拆卸下来运到堆焊生产基地进行堆焊再制造。

　　离线堆焊再制造具有下述优点：
　　1）堆焊再制造的磨辊/盘瓦尺寸不受限制，且各种形状的磨辊/盘瓦均可堆焊再制造；2）无论工作量多大，离线堆焊施工都不会影响停机时间，也不会造成任何附加损失；3）磨损后的磨辊、磨盘拆下来后可以详细检查母材是否存在裂纹等缺陷，施工品质可以得到保证。

　　离线堆焊风险虽小，但相对施工周期长，且存在拆卸、运输费用、安装费用，检修成本较高，同时堆焊后设备还存在安装及安装中的安全等问题。

　　1.2.3堆焊复合制造
　　堆焊复合制造是目前行业中采用较多的立磨磨辊/磨盘等耐磨件的制造方式，它是指采用低碳铸钢如ZG20SiMn、ZG25、ZG35等铸造基体，采用硬面堆焊作为耐磨保护层，通过在基材表面堆焊一定厚度的高硬度、抗磨损的耐磨层，由基体提供抵抗外力所需的强度、韧性和塑性等综合性能，由表面堆焊层提供满足指定工况需要的耐磨性能。此方法不仅解决了高铬、镍硬系列合金材料的高脆性、易开裂、可焊性差的问题，还大大提高了辊套及衬板的耐磨性能。

　　复合耐磨件在堆焊前其铸造基体应经严格的超声波探伤检测，确保基体不存在铸造缺陷，否则应先进行铸造缺陷的处理。同时应根据基材成份和成品耐磨性能要求，选择合理的堆焊材料作为打底层、过渡层和硬面层。目前中国常见的几种型号的生料磨都已开始采用此制造方案，如宇部50.4磨辊套，Polysius57/28磨辊、磨盘，MLS3626磨辊、磨盘，ATOX50磨辊、磨盘等。电厂的煤磨辊也有采用复合新品的趋势。

　　但这种耐磨件制造方法最大的风险就是耐磨层的剥落。所指剥落一是耐磨层与母材铸钢间的剥离；二是耐磨层之间的剥离。一般耐磨层越厚剥落的可能性越高，特殊结构的磨辊发生耐磨层剥落的风险也较大。要想降低剥落风险，在堆焊层厚度设计、铸造基体的结构设计、各层焊丝的选择、施工工艺和施工操作上都需要严格控制，必要时应作焊接工艺评定。总之，采取何种制造方式，关键取决于用户对耐磨件运转时间、堆焊时机、堆焊风险、产品产量、物料性能、耗电量、费用等的综合考虑。

　　2 焊前检测
　　工件经磨损或其它破坏后，堆焊前需要通过目视和探伤检验，确定工件的可焊性。
　　焊前探伤包括着色探伤、磁粉探伤和超声波探伤，如存在贯穿性裂纹、局部基体被磨穿、基体厚度过薄等可能导致工件整体破坏的缺陷时，不宜进行堆焊。

　　对复合堆焊耐磨件的基体，焊前应采用超声波探伤方式，确定铸造基体无影响堆焊的重大缺陷，如沙眼、缩孔、裂纹、铸造空洞等。

　　对确定可进行堆焊的工件，应记录堆焊前的母材材质成分、表面硬度、结构尺寸、磨损型线等原始数据。 

　　3 焊前处理
　　3.1磨辊套/磨辊衬板、磨盘衬板的焊前处理：清除工件待焊处的油污、锈迹及其它杂物，通过气刨等方式去除工件上存在的不牢固裂纹部分，坑洼处先用打底层焊丝补齐。

　　3.2 复合堆焊磨辊套/磨辊衬板、磨盘衬板胎体的焊前处理：胎体表面光亮平滑，见金属光泽，无残余金属氧化层，尺寸复合堆焊设计要求。 

　　3.3挤压辊的焊前处理：
　　1）用碳弧气刨刨去辊面上不完整的花纹层、硬面层及疲劳层，刨掉部分应尽量少。气刨过程中要注意辊面的平整和辊体圆度，刨除后辊体的椭圆度≤3mm。

　　2）彻底清除辊面上的残渣和增碳层，探伤确认无裂纹后清洗辊面并烘干。

　　4 自动堆焊时对堆焊及其辅助设备的要求
　　4.1焊接电源能保证长时间连续稳定工作。 
　　4.2操作机能实现自动焊枪的上下左右方向移动。
　　4.3变位机能实现水平方向的旋转和垂直方向的翻转。
　　4.4除尘系统能对自动焊时释放的焊接烟尘进行净化。
　　4.5设备应具有遮弧功能，通过遮弧装置屏蔽明弧焊产生的弧光，避免弧光对操作人员的伤害和对环境的污染。
　　4.6工装卡具应根据相应型号的磨机来制作，并且不能破坏耐磨件的装配尺寸。
　　4.7 立磨在线堆焊施工时，应采用导电装置，并保证良好的导电性能，以确保磨辊辊芯及轴承不受损害。
                  
　　5 硬面堆焊材料（焊条、焊丝、焊剂等）的选择
　　堆焊合金材料的化学成分、组织结构以及合金的特点和性能是被选择使用的基础。实际操作中，我们难以找到万能的耐磨材料，关键在于如何合理选用。
                        
　　5.1焊前应分析确定耐磨损部件的使用环境和工作条件,对耐磨件母材的化学成分和力学性能进行核查，焊接材料的化学成分要与耐磨件母材材质成分匹配，符合堆焊后耐磨件的使用性能、耐磨性能、硬度，并保证磨损后的物料进入产品不影响产品质量，不污染产品。
                       
　　5.2自动堆焊时，宜使用以钢带内包敷合金粉末轧制和拉拨而成的药芯焊丝，焊丝的药粉应填充均匀，其填充率的变化应不大于1%。

　　5.3焊接材料的形态要便于自动化、机械化、连续的操作方式，并与所使用的堆焊设备具有良好匹配性。 
                  
　　6 耐磨堆焊工艺
　　6.1堆焊前应编制堆焊工艺措施，堆焊工艺措施应包括以下内容：堆焊方法；堆焊使用的设备及工装要求；堆焊材料的牌号、生产厂家、材料成分等；堆焊顺序及工艺参数；试验性焊接的要求；要求的焊道形状；焊后检验要求。

　　6.2 制定堆焊工艺要考虑的原则：能达到或超过原磨损件的技术特征、符合适用工作环境和条件、与基体结合的力学性能、堆焊层厚度的设计和控制、对基体的影响、适宜的焊材和设备。

　　6.3 堆焊中温度的控制 
　　立磨耐磨件堆焊过程中，工件整体温度应控制在80℃-120℃，堆焊层的层间（上层和下层）温度应不超过100℃。
　　挤压辊的堆焊过程中，辊体温度应控制在80℃-120℃；各堆焊层的层间（上层和下层）温度应不超过100℃；堆焊后应注意缓冷，以每小时2℃的速度降至室温为好。

　　6.4 药芯焊丝自动堆焊时，其着敷率应控制在 85% ~ 92 %。
　　6.5 堆焊过程中应使用专用卡尺测量，随时调整耐磨件的外形尺寸。 

　　7 堆焊工艺评定
　　建材工业耐磨件中需以堆焊方法实现熔覆结合的任何材料均应进行焊接工艺评定。对于特殊形状的部件，还应按几何形状做拉伸试验、弯曲试验以及压溃试验。焊接工艺评定的目的是以待焊材料的焊接性能为基础，通过焊接工艺评定可靠的技术条件试验来指导生产，避免把实际工件当做试验件的弊病，同时验证拟定的焊接工艺方案是否正确，能否达到产品技术条件所要求的质量标准。最后应根据焊接工艺评定报告制订焊接作业指导书指导实际焊接工作。

　　但同时应明确，焊接工艺评定是解决在具体工艺条件下的工件使用性能问题，并不解决消除应力、减少变形、防止焊接缺陷产生等整体质量问题。

　　完整的焊接工艺评定资料应包括：评定任务下达指令书、评定任务书、评定编号法、焊接性评价资料（或焊接工艺设计资料）、评定工艺方案、焊制试件过程的详细记录、评定各项检查、检验和试验的原始报告、评定工艺报告、评定审查报告等。

　　8 对焊接工作人员的职业技能要求
　　8.1 焊接工作人员包括焊接技术人员、焊工和焊接检验人员。
　　8.2 接技术人员应具备一定的专业技术水平和较丰富实践经验，熟悉并认真执行堆焊技术标准，并结合实际情况编制堆焊工艺方案，负责记录、检查、整理堆焊技术资料等。
                      
　　8.3 堆焊施工人员应持有特种作业证书；施焊前应掌握堆焊设备的使用方法，了解耐磨件的结构和材料成分，熟悉堆焊材料的性能等，并通过实际堆焊条件的模拟练习后，严格按照给定的堆焊工艺和焊接技术措施进行施焊。

　　8.4 焊接检验人员包括无损检验和理化检验人员。无损检验人员应具有Ⅱ级及以上检验资格，理化检验人员应具有相应检验项目的资格。

　　9 堆焊质量检验方式和要求
　　 耐磨件堆焊前应采用着色探伤或磁粉探伤，以及超声波探伤方式测定其基体的可焊性。耐磨件堆焊后应进行外观及尺寸检查，并进行基体渗透探伤、堆焊层的腹膜金相检验和硬度检验。

　　9.1外观检验 
　　耐磨件堆焊后表面应无溶渣、弧坑、焊瘤、飞溅物、气孔以及贯通状裂纹等现象；焊道成形美观、细致、均匀，并平滑过渡到母材。 

　　9.2无损检验 
　　如果要求堆焊层不允许存在裂纹，则应对堆焊和周围母材进行磁粉探伤或渗透探伤检验，并符合GB/T9443和GB/T9444的要求。

　　利用超声波检验铸造基体的质量，确保堆焊前的铸件不存在铸造缺陷，如沙眼、缩孔、较大面积的空洞或者较深的裂纹等。

　　9.3 腹膜金相检验 
　　堆焊后的工件应制作金相覆膜，拿回检验室检验其金相组织。立磨耐磨件自动堆焊后的金相组织类型应为莱氏体基体上分布着各向同性的共晶碳化物和二次碳化物，碳化物的面积含量应达到65%以上。耐磨板堆焊层金相组织应为弥散分布的共晶碳化物和初始碳化物。

　　9.4 硬度检验 
　　硬度检验时，应测量多点取其平均值，测点应不少于3处，每处测量3次取平均值。判定耐磨材料的硬度时，应在标准试板上试焊3-5层，测其硬度平均值应达到洛氏硬度HRC59以上。在实际工件上堆焊10层以上时，检测到的洛氏硬度平均值可比在试板上测的硬度值低HRC3~5。自动堆焊后的耐磨件所测平均硬度值应达到HRC56以上。用手持式硬度仪在工件上检验硬度时，由于受到人为因素影响，允许按照30%剔除检验到的最低值。

　　10 堆焊质量评价
　　堆焊质量和堆焊风险是大家比较关注的问题，比如堆焊后的使用寿命、工件开裂、焊层脱落等问题。堆焊风险的存在有两方面原因，其中铸件本身的质量是一个重要因素。真正合格的铸件其可焊性还是不错的，堆焊后容易出问题的铸件一般是铸件本身就存在很多缺陷，如沙眼、缩孔、裂纹等，在堆焊施工前通过探伤可能就能发现铸件本身已经存在裂纹，这跟堆焊过程没有关系。另一方面，在铸件制造时只考虑了本身的耐磨性，而忽略了可焊性的问题，这给以后的堆焊带来一定困难。当然，如果通过严格的检测，这些缺陷都是可以克服和处理的。

　　对于堆焊后是否达到安全性的要求，现在业界一般有以下观点：对于铸造基体材质为高铬铸铁或镍硬Ⅳ的立磨耐磨件，在堆焊再制造施工中及投入运行后2周内不发生断裂，或者在堆焊再制造完成后投入运行后3个月内堆焊层无脱落现象，即可认为满足堆焊安全要求。

　　对于堆焊后耐磨性能的判定，一般认为，在物料的可磨系数中等的情况下，堆焊后的矿渣立磨耐磨件运行时间达到3个月以上、煤立磨耐磨件运行时间达到6个月以上、生料立磨耐磨件运行时间达到6个月以上、挤压辊运行时间达到6个月以上，即可认为堆焊后的耐磨件达到预期的耐磨性能要求。

　　11堆焊风险防范
　　11.1 堆焊再制造断裂失效分析   造成堆焊断裂失效的原因有工件设计缺陷、铸造缺陷和堆焊缺陷。
　　堆焊失效发生时应综合分析各种因素。如果堆焊后工件发生断裂现象，而工件本身无设计缺陷和外在缺陷，则应考虑铸件的铸造质量，可依据GB/T1817-1995《硬质合金常温冲击韧性试验方法》和DL/T681-1999《磨煤机耐磨件技术条件》检验铸件的冲击韧性。当铸件的冲击韧性≤15J，可以判定为铸件的冲击韧性不足导致堆焊层裂纹在该冲击韧性不足处扩展直至基体，从而引起工件断裂。

　　此外，设备厂家应保持粉磨设备物料料质稳定、易磨性好，无铁块等硬物进入设备，使堆焊后的耐磨件能保持正常运行。

　　11.2 避免和减少堆焊再制造风险的必要措施  1）焊前做母材的成份分析和超声波检测；2）根据母材成份选择合适的堆焊材料；3）制定科学合理的堆焊工艺和严格规范的操作规程；4）控制焊补高低不平时的引弧和灭弧：通过设备自有的高度跟踪来自动实现局部磨损严重部位的堆焊再制造；5）堆焊质量检验：完备的耐磨性能检测手段和设备可对堆焊再制造前后的状况进行全面检测，有力保证产品和服务的质量，如超声波探伤、磁粉探伤、磨料磨损实验、硬度检测、金相组织分析等。

　　　12 硬面堆焊技术在电力、水泥工业生产中的应用
　　耐磨件堆焊制造技术实际上是一种包含了多种学科知识的综合艺术，如焊接材料学、金属材料学、物理化学、力学、电子学、机械学、物理学、化学等等，而绝不单单是很多人认为的一种简单的机加工工艺。只有充分认识和重视到这一点，才能真正促进这一项高新技术为耐磨材料和技术的进步服务，才能更好的利用这一技术为企业解决问题，创造更高的效益！

　　12.1 在水泥工业的应用
　　作为中国硬面堆焊再制造专业企业，嘉克为中国各大水泥集团公司的300多家水泥厂进行过磨辊/磨盘瓦离线堆焊再制造，均达到满意的效果，并由此在水泥行业原料立磨磨辊/盘瓦、矿渣/钢渣磨辊/盘瓦、煤磨辊/盘瓦的、辊压机挤压辊等堆焊再制造以及耐磨板的堆焊制造方面积累了丰富的经验和案例。史密斯（Atox）、伯利休斯（Polysuis）、莱歇（LM）、宇部（ULB）、非凡（MPS）等公司磨辊/盘瓦以及HRM、TRM、MPS、MLS、LGM、ZGM、MPF、CLM等型号磨机磨辊/盘瓦均已拥有多项在线或离线堆焊，并且硬面堆焊技术给用户带来的明显效果在实践中一再被证实，如改变了“高铬铸铁不可堆焊”的旧有观念，延长了工件使用寿命，通过合理使用材料，提高了产品性能，降低了生产成本；可多次重复堆焊等等。

　　12.2 在电力行业的应用
　　嘉克始终是电力行业立式磨煤机耐磨堆焊技术的先行者和引领者。1999年，嘉克的首台ARC-NMG7-1磨煤机磨辊/盘瓦离线自动明弧堆焊机为大连华能电厂堆焊了第一批磨辊，并获得了令人极为满意的耐磨性能和使用寿命。近10年的大量实践证明，硬面堆焊技术对提高耐磨件的耐磨性能，延长使用寿命，减少维修费用、时间和购置支出，增加磨机出粉量等效果显著，有效解决了粉磨设备的日常检修和维护问题，为各企业创下了可观的经济效益。