成 陽， 朱敏敏， 秦 威

(上海寶鋼工業(yè)技術服務有限公司，上海 201900)

連鑄輥表面堆焊技術的應用進展

成 陽， 朱敏敏， 秦 威

(上海寶鋼工業(yè)技術服務有限公司，上海 201900)

摘要：分析了煉鋼廠連鑄輥部件表面堆焊技術的發(fā)展現(xiàn)狀及應用空間，分別從連鑄輥母材、焊材成分、堆焊技術、用戶需求等維度，闡述了連鑄輥表面堆焊技術的應用進展。目前，連鑄輥表面改性技術領域，以表面堆焊技術為主流技術。其它表面處理技術(如激光熔敷技術、熱噴涂技術等)僅僅處于試驗研究階段，堆焊技術仍然具有較大的工程應用技術優(yōu)勢。連鑄輥表面堆焊技術的應用應使產品全生命周期價值最大化，實現(xiàn)與用戶共贏。

關鍵詞：堆焊技術；連鑄輥；表面技術

引 言

連鑄輥是煉鋼廠連鑄機設備的核心部件，服役中連鑄輥受到高溫鋼坯凝固時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渣的影響，連鑄輥使用一段時間后會出現(xiàn)高溫氧化、電化學腐蝕、彎曲變形、網狀裂紋、磨損等缺陷，直接影響連鑄機設備的作業(yè)效率、生產成本、鑄坯質量，嚴重制約了連鑄生產線生產能力[1-2]。采用表面堆焊技術對連鑄輥進行新品或修復制造，可以改善連鑄輥表面特性，獲得具有高強度、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，也使得連鑄輥產品的使用壽命延長，從而滿足煉鋼廠連續(xù)生產需求和鋼坯質量。表面堆焊技術的應用程度，也體現(xiàn)了連鑄輥產品的質量等級和技術檔次。

目前，國內各大中型鋼鐵生產企業(yè)中，針對連鑄輥長壽化的研究蓬勃發(fā)展，各種表面新技術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想和實驗室研究階段，即使有新產品上機試用，也不能取得理想的效果。因此，連鑄輥的表面改性技術中，堆焊技術仍然作為連鑄輥的復合制造技術加以應用和研究。本文對連鑄輥產品表面處理技術發(fā)展情況進行概述，重點探討和展望表面堆焊技術的應用進展。

1 連鑄輥表面處理技術的發(fā)展現(xiàn)狀

進入21世紀以來，技術變革的步伐加快，許多新興表面處理技術紛紛在全球的研究機構及高等學府搭建研究平臺，并迅速向產學研縱深發(fā)展，技術轉變?yōu)榭萍忌a力得以充分的體現(xiàn)。一些新興表面技術如3D打印技術、冷熱噴涂技術、表面仿生技術、激光強化技術、熱解析模擬技術等得到了深度研究與開發(fā)。技術的進步不可避免的給傳統(tǒng)的電弧堆焊技術帶來沖擊，打破堆焊技術在冶金輥類表面改性領域的統(tǒng)治地位，出現(xiàn)各表面技術百花齊放，共同競爭的狀況。同時，各表面技術相互滲透，跨領域應用，交互式發(fā)展。

目前，在連鑄輥表面處理領域，新的表面處理技術已經嘗試研究應用。據(jù)文獻報道，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上使用7000爐沒有發(fā)生明顯的變化，延長了輥子在線使用壽命[3]。激光熔敷技術已經成功應用于連鑄結晶器足輥上，該技術方法利用激光熔敷設備產生的高能連續(xù)激光束，通過側向送粉方式，可將鎳基合金粉末和連鑄結晶器足輥表面一薄層金屬同時熔化，從而在連鑄結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連鑄機上試車，可提高結晶器足輥的使用壽命6倍以上。并且國內已有文獻報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]。與堆焊技術相比，激光熔敷技術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晶輥采用電鍍技術表面處理，制備高性能Ni，Co+Ni鍍層已開發(fā)成功，目前成功應用于寧鋼薄帶連鑄生產線[5]。因此，面對其他表面技術的迅猛發(fā)展，有必要思考堆焊技術在未來的工程應用價值和發(fā)展方向。

能夠繼續(xù)作為連鑄輥表面改性領域的主要表面技術，堆焊技術與其它表面技術相比，具備以下一些技術優(yōu)勢：堆焊層與基體結合強度高，冶金結合；堆焊厚度可達幾十毫米，抗沖擊性能好；工藝實現(xiàn)性強，熔敷效率高，堆焊所用設備簡單，投資少，生產費用低[6]。通過焊材成分的多樣化，堆焊技術可以實現(xiàn)堆焊層的功能多樣化，從而滿足產品在不同工況條件下使用。其他表面處理技術，例如激光熔敷處理技術，因為熔敷效率和激光設備及粉末價格等方面因素，仍然在國內外連鑄輥表面處理上得不到大規(guī)模工業(yè)化應用，僅僅停留在試驗開發(fā)階段。

綜上所述，在連鑄輥表面改性技術領域，其他表面處理技術(如激光熔敷技術、熱噴涂技術等)僅僅處于試驗研究階段，離工業(yè)化應用尚有一段距離。考慮到成本、效率、設備等多方面，堆焊技術仍然具有較大的工程應用技術優(yōu)勢。

2 連鑄輥表面堆焊技術應用現(xiàn)狀及發(fā)展方向

據(jù)統(tǒng)計連鑄設備的維護費中約20%～40%用于連鑄輥的維護[7]。對于連鑄輥產品而言，日本新日鐵和中國寶鋼采用周期離線檢修管理模式，針對產品的全生命周期管理。因此，人們不應該過多關注第一次的新品制造成本，而要考慮到后續(xù)產品使用中的各個環(huán)節(jié)，應該關注產品的全生命周期時間及性價比。那么對于堆焊技術應用發(fā)展而言，就應當從新產品論證設計時開始介入，然后應用到具體的制造過程、然后到用戶使用后反饋改進、最后再論證設計的閉環(huán)過程，如圖1所示。

圖1 連鑄輥產品生命周期示圖

2.1 向連鑄輥的母材應用進展

隨著連鑄技術的進步，世界各大鋼鐵企業(yè)應用連鑄技術生產高等級和高附加值鋼材的比例逐年增加，落后產能逐漸被淘汰。這些高等級鋼材對連鑄設備也提出了越來越高的要求。由于設備制造工藝的不斷進步，連鑄輥從普通碳鋼棒材、整體低合金鍛鋼輥發(fā)展到堆焊復合制造輥。20世紀80年代以前，連鑄輥母材主要以Q235，Q345，25#，15CrMo，20CrMo鋼為主。20世紀80年代以后，世界連鑄技術進入飛速發(fā)展時期，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械性能。母材由簡單低合金結構鋼，向多元Cr-Mo-Ni-V低合金鋼發(fā)展。多元Cr-Mo-Ni-V低合金鋼，經過調質后，硬度適中，良好的力學性能，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，輥體經過900～950 °C，油冷+680～740 °C，≥2 h空冷調質處理，可獲得基體力學性能如下：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鑄坯的連鑄鑄造，在線使用時發(fā)生輥子斷裂的惡性事故減少，連鑄輥下線后能夠多次再制造，即產品全生命周期延長。

2.2 面向連鑄輥的焊材應用進展

目前，連鑄輥體調質處理后，進行堆焊復合制造。所采用的焊接材料可分為藥芯焊絲和實心焊絲，為馬氏體不銹鋼材料。國內外科研機構和鋼鐵生產企業(yè)針對連鑄輥成功開發(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，無其他合金元素強化，早期連鑄輥的堆焊主要采用此類材料，隨著對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等合金強化元素來提高堆焊層綜合性能[8]，是目前國內各連鑄機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。國內相關機構開發(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行熱處理消應力。連鑄輥成品輥面硬度一般集中在HRC32～48之間。所制造產品符合德國西馬克、奧地利奧鋼聯(lián)、日立三菱、意大利達涅利等世界知名冶金設備制造商的企業(yè)標準。面向連鑄輥產品焊材開發(fā)歷程如圖2所示。

表1 典型連鑄輥母材化學成分/%

圖2 面向連鑄輥產品焊材開發(fā)歷程

2.3 面向連鑄輥的堆焊技術應用進展

再好的技術也不能脫離實際生產，優(yōu)良的焊材性能是依靠先進的堆焊設備和穩(wěn)定的工藝實現(xiàn)的。人們必須關注面向生產過程中的堆焊技術，改進的堆焊新技術，能夠不斷降低產品的制造成本，提高產品的質量，才能深受生產廠家的歡迎，從而有利于市場推廣應用。否則，新焊材、新技術不可能持續(xù)性發(fā)展，只能止步于實驗研究階段，沒有實際工程應用價值。

采用埋弧堆焊技術，連鑄輥在堆焊前需要進行預熱處理，以保持基體良好的塑韌性，避免堆焊合金冷卻過程中產生裂紋；堆焊后需要進行焊后消應力處理，消除堆焊層的殘余應力。這些工序都是保證堆焊層質量的關鍵工序。工藝繁瑣，延長了連鑄輥制造周期，提高連鑄輥生產的成本，而且需要為此配置相應熱處理工業(yè)爐設備和操作人員，消耗大量能源的同時，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，與埋弧焊技術相比，該技術工藝上更加簡單，不需要進行焊前焊后熱處理，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。但是明弧焊實際生產操作過程中存在電弧光輻射、煙塵污染現(xiàn)象。

在表面堆焊技術領域，研究人員圍繞如何提高產品生產效率和質量穩(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，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]。在實際生產過程中，輥子上線使用后，由于輥子受到冷卻介質、潤滑、軸承壽命等因素的影響，而不得不及時下線修復。導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[10]。

2.4 面向連鑄輥的用戶需求

堆焊技術的發(fā)展必須緊貼用戶的需求，增加用戶體驗滿意度，才能為該技術的發(fā)展注入動力。用戶使用產品過程中反饋的問題，對于堆焊技術的發(fā)展極具價值。

近些年，研究人員更多關注堆焊技術本身的發(fā)展，對于面向用戶的堆焊技術發(fā)展關注較少。主要有以下原因：其一，連鑄輥表面堆焊技術，僅僅作為連鑄機整體設備制造技術之一，更不要說液態(tài)鋼水的連鑄技術，不同連鑄生產線生產的鑄坯千差萬別，工況條件(保護渣、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產品的影響結果和程度并不能被連鑄輥產品制造技術人員所掌握，從而不能進行連鑄輥產品全生命周期論證。其二，產品數(shù)據(jù)信息平臺無法有效建立，全壽命周期信息鏈不完整和不連續(xù)，無法采集全面的產品信息，造成技術人員無法優(yōu)化制造工藝和完善產品使用信息。失去了產品寶貴的數(shù)據(jù)信息，各方技術人員就不能對產品使用過程中遇到的問題進行全面分析和解決。因此，制造方和用戶方技術人員應加強信息共享，面向用戶需求的連鑄輥表面堆焊技術的發(fā)展應與產品的應用技術相互融合。掌握鋼液連鑄過程中熱交換和熱傳導的規(guī)律，對于連鑄輥的制造維護和堆焊技術具有重要的意義。此外，各方也應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)》，驅使寶鋼連鑄離線檢修業(yè)務逐步步入信息化。連鑄輥作為循環(huán)品典型，進行全生命周期跟蹤，不僅有利于管理和生產，還大大促進技術的研發(fā)。將使得堆焊技術更容易站在用戶需求的角度上去開發(fā)。

隨著鋼鐵產品過剩和鋼鐵企業(yè)經營壓力的進一步加劇，用戶方鋼鐵生產設備維護費用不斷降低，必然會推動發(fā)展性價比更優(yōu)的技術解決方案，來保障企業(yè)正常生產運營。也必將促進了堆焊技術與其他表面技術的交互滲透、融合發(fā)展。

3 結束語

綜上所述，堆焊技術在不斷地進步，堆焊技術仍然具有自身不可替代的技術優(yōu)勢。未來的連鑄輥表面處理領域，其他表面處理技術(如激光熔敷技術、熱噴涂技術等)僅僅處于試驗研究階段，堆焊技術仍然具有較大的工程應用技術優(yōu)勢。連鑄輥表面堆焊技術的應用應考慮產品的全生命周期，使得產品全生命周期價值最大化，實現(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：TG44；TG231