水泥设备耐磨部件堆焊质量的控制

贵州水泥机械设备制造维修水泥设备耐磨部件堆焊质量的控制

我国水泥工业的快速发展，离不开高性能耐磨材料和先进抗磨技术的有效支撑，这是水泥生产的特点所决定的。除了传统的耐磨材料质量提升和技术创新给予的支撑外，近20年来，耐磨堆焊企业的迅速发展，也为水泥工业粉磨技术的突飞猛进，立磨、辊压机的大量使用创造了条件，典型的代表有郑州机械研究所、北京嘉克等。然而，对于水泥生产设备耐磨堆焊部件的优劣，多数使用者以最终使用寿命和使用情况来考核，在耐磨部件的堆焊作业中一般不懂得如何实施堆焊质量控制，这必然严重影响水泥的生产和设备的使用安全。本文对水泥工业设备耐磨部件堆焊的质量控制进行介绍，以供大家探讨。

1 耐磨堆焊部件的适用范围和使用特点 

堆焊新品和再生修复是绿色环保的制造和修复的方法，可以节约大量的钢材，减少再次冶炼、加工的能源消耗，对于水泥工业通常可以用以制造和修复立磨磨辊衬板/辊胎、磨盘衬板、辊压机辊面及设备其他的耐磨部件，如喷口环、止推板等。立磨是水泥生产中最为关键的设备之一，主要用于粉磨制备煤粉、水泥生料、水泥、矿渣和预碎熟料。

立磨辊面的磨损，不仅使研磨效率降低，也会使电耗大幅度增加，贵州水泥机械设备制造维修加之磨辊的频繁修复或更换导致的维修成本大幅增加，因此，立磨耐磨部件的使用寿命对生产成本控制显得尤为重要。

立磨的部件损坏，主要是因物料硬质相的犁削和擦伤磨损、物料的挤压造成的疲劳剥落和裂纹以及基体与碳化物的结合强度不够而造成的崩裂等，这些因素往往与物料的大小和硬度、物料的流量、设备的震动大小等有关，可根据其判断立磨所受的磨料磨损、应力磨损、冲击磨损的大小，进而根据使用条件选择新辊堆焊或旧辊修复的材料及工艺。 

辊压机是由两个速度相同、相对运动的辊子组成。物料由辊子上部喂料口卸下进入辊间的逢隙中，在高压研磨力（辊间压力在50～300 MPa之间）的作用下，物料受到挤压，受压物料变成了密实且充满裂纹的扁平料饼，使物料的易磨性得到明显改善。辊压机运行时，物料颗粒在压力作用下，使辊面产生塑性变形，在亚表面不同深处会形成剪切和压应力，当此应力超过材料的疲劳强度时，在亚表面形成裂纹，然而裂纹的扩展和连接会最终导致疲劳脱落。疲劳裂纹往往产生在辊面5～20 mm深度处较常见，这就要求挤压辊硬面层在具备一定硬度的同时要有较强的塑性，贵州水泥机械设备制造维修来抵抗物料反复挤压应力而导致的疲劳脱落。 

2 堆焊作业的技术方法和特点

一般普通材料是难以形成较硬的表面，更无法获得较厚的硬化层，正是耐磨硬面堆焊方法解决了获得较厚较硬耐磨层的问题，所以，才能够得以广泛的应用。本文以硬面层获得的方法逐步加以说明。

2.1 设备部件获得硬面耐磨层的方法和特点 

（1）部件表面采用淬火或者渗碳等，一般可以获得深度为2～2.5 mm的硬化层，硬度一般在HRC40～45和HRC55～60两个梯次的硬度等级，但是由于热处理的深度很有限，硬面层较浅，难以达到较好的物料耐磨使用寿命，所以对于物料研磨位置一般不予采用。

（2）陶瓷一般采用镶嵌、贴附的做法。对于需要耐冲击时，一般采用由金属间隔陶瓷耐磨块，起到防止较大冲击的作用，同时对于物料来说，陶瓷又起到研磨物料的作用。陶瓷块的突出部分能防止金属部分的磨损，从而延长整体磨损面的使用寿命，达到提高耐磨性的目的。这种方法由于工艺相对复杂，成本相对较高，国内目前极少使用，国外部分厂商有此项技术。 

（3）堆焊工件采用堆焊是在部件磨损位置上加以堆焊耐磨焊材，补偿或者预设磨损量，恢复或者建立到设计的几何尺寸、形状。耐磨堆焊是抗磨处理的主流做法，经过近十多年的使用推广，使用效果较好，在生料、煤磨系统应用效果较为稳定，贵州水泥机械设备制造维修耐磨堆焊的发展已经接近成熟，所以目前在磨损更重的矿渣立磨上也广泛推广使用。

2.2 耐磨堆焊方法和工艺

在设备订货没有特殊要求的工厂，使用立磨的工厂最初的立磨磨辊、磨盘等部件多数由镍、铬合金铸造而成。对合金铸铁表面实施堆焊，须选用专业设备且有专业技术资质的企业才行。堆焊工厂采用焊接装备为全自动焊接系统，焊机为大容量控制焊机，电流电压相对稳定，焊丝采用专用焊丝，如KSW-266等。KSW-266系属于自保护明弧焊，焊点温度相对较低，保证工作物不变形。堆焊施工时，须预先设计出磨辊及磨盘机台装配方案，完全按照部件装配图进行，保证部件各尺寸施工的圆度，然后架设焊枪（每支焊枪8 kg/h）进行施工操作。堆焊时应注意以下几点：

（1）对于新制造耐磨部件，铸造毛坯通常为ZG35，铸造完成后要经过退火、正火处理，经过粗加工后，采用超声波探伤检查内部是否存在缺陷，然后用磁粉或者着色探伤方法检查表面裂纹，防止内部、表面缺陷导致焊接后和使用过程中的断裂现象。

（2）表面堆焊的焊接过程一般是“冷”过程，在焊接过程中基体金属温度必须≤150 ℃，焊接后剩余应力的大小很大程度上取决于堆焊中产生的裂纹状况和对传入基体金属内的热量控制。堆焊过程中产生的分布均匀的裂纹，可以消除不同材质之间的收缩应力，但如果辊子内存在铸造剩余应力，那么堆焊时产生的裂纹就有可能延伸至基体的内部，这种辊子就不能采用表面堆焊处理。 

另外要认识到，基体和焊接材料之间的结合不是完整意义的熔焊结合，硬化层更像是一种覆盖层，结合层的强度仅够保持硬化层能覆盖在基体表面上。

2.3 耐磨堆焊硬面层的制造质量检查的测试方法 

2.3.1 硬度范围的测定 

对于硬度，一般堆焊层表面控制在HRC58～62，在磨损初期、中期、后期的厚度范围的硬度应与表面硬度一致，这样才是良好的堆焊硬表面，才能真正起到堆焊层应有的耐磨作用。 

2.3.2 工作表面硬度检查测试点的确定 

一般利用堆焊工件的大小、形状、使用区域来评估确定测试点和质量控制项目。

（1）对于辊胎，相对来说体积、重量都较大，可以采用四点法、三点法。圆周上取三处或者四处，每一处截取一个截面，在堆焊层表面可以画出一个测试线，这个可以选取三点（上、中、下或者左、中、右）来测试硬度值。 

（2）对于辊皮衬板，体积、重量相对较小，形状简单，可以选取五点法。即在近似方形的边缘处分别选取四个点，再取中心区域来测试。 

（3）对于磨盘衬板，体积、重量也相对较小，同样可以采用五点法来测试硬度。 

（4）在硬度测试时，应该打磨检测表面，并且使用晶相砂纸打磨后，进行测试。

（5）硬度测试前后，都应与标准样块校对测试仪的精度，以保证测量的准确性。 

2.3.3 整体工作表面硬度的评估 

首先，要求测试所有的测试点硬度值的平均值都必须大于HRC58，对于硬度分布问题，如在采用四点法或者五点法测试时，每点（组）硬度平均值最大偏差通常不要超过HRC4（参考值），这样表示硬度相对均匀。当然，这个差值偏差越小越好，表示焊接效果较好，各个位置材料组织均匀，质量较为稳定可靠。

2.4 堆焊表面的裂纹分布 

堆焊工件耐磨表面裂纹的长度，一般要求在30～60 mm之间为适合，当然某些材料可能更小或者更大，可以根据该种焊材的特性来判定，但是实际操作中应该重视这个问题。 

堆焊工件耐磨表面裂纹分布，对于裂纹本身在工件上一般是不可接受的，但是对于堆焊作业是必要的，因为硬度高、韧度低是相辅相成的，通常说硬度高材料会更脆。我们都知道陶瓷硬度性能很好，但是它却容易破碎，也就是这个原因。理论上堆焊层也是可以做到没有裂纹的，但是由于生产环境温度、湿度、材料的稳定性变化较大，所以，不可能不产生没有裂纹的堆焊层。进一步说，裂纹产生的长度偏大，说明材料和环境影响较大，堆焊层的硬度分布、材料均匀性越差，反映到与母材的结合力上，接触是不均匀的，有些位置结合力大，有些位置结合力小，这样的话，两部分堆焊层金属产生了相互的内在挤压，导致该区域结合力极度降低的情况，在实际应用中会产生所谓的堆焊层局部脱落。裂纹情况如图1。

对于堆焊工件裂纹产生的情况，主要取决于堆焊工件采用焊材的本身性能，由于内部的材料均匀性和热应力消除的速度影响，导致裂纹的产生深度和长度都有所不同，材料的不均匀性，会在制造完成后和使用工程中导致裂纹的进一步扩展。所以，对于裂纹的评定，我们可以通过观察法进行，裂纹长度、深度越细小，裂纹越均匀，焊接性能表示越稳定，堆焊面的结合情况越好，硬度分布也越好，在实际使用时候，表现出来的磨损量是均匀的。这就说明裂纹情况对于堆焊作业质量稳定检验是一项重要堆焊安全技术指标。

以上的测试工作，在堆焊部件的工厂应自行测试、控制、评估，是保证质量稳定的关键，对于堆焊技术的积累有至关重要的作用。

3 堆焊作业中常见问题的解决措施及预防 

3.1 常见问题及原因分析 

（1）耐磨堆焊工件堆焊层内部产生气泡。气泡的产生一般为焊接熔融时油、水、气三种原因产生，与工件及焊材的清洁程度、干燥度和堆焊时环境温度变化有关。 

（2）耐磨堆焊工件堆焊层内部产生夹渣。多数的夹渣来自于焊接作业时候，可能为焊渣自身的掺入，也可能是异物的熔入，很多焊接作业都没有及时地排除焊渣，而是当作焊材再次熔入堆焊层，这样做其实影响焊接的质量稳定，难以获得较好的质量效果。 

（3）耐磨堆焊件表面的焊接裂纹过长。在堆焊过程中一般认为各种影响都是均匀的，但是对于某些情况，由于外界温度、电流、电压等微小的变化，也可以导致堆焊件表面的裂纹产生不规则的变化，这种“突然”变化是产生超长裂纹的原因之一，当然焊材均匀性影响也是导致裂纹不均匀的原因。 

（4）耐磨堆焊件表面的裂纹分布不均匀。一般焊材本身不均匀直接会导致裂纹分布的不均匀，当然堆焊工件焊前尺寸上的差别也会导致某些区域的裂纹产生不均匀的分布，若加上外界环境温度变化较大，也会使这种情况更为明显。 

（5）耐磨堆焊件表面的硬度不足。耐磨堆焊件表面的硬度不足一般属于焊接量过大、焊层冷却过慢，导致硬度值偏低，这个就是需要所谓的“冷焊-低温焊接”的原则。当然这一点如果能够控制好的话，在堆焊作业中也可以加以利用，堆焊层可以得到较好的韧性强度，使得堆焊表面更加耐受物料的冲击。所以说一般在硬度检测时候，很多相差很大的情况下，都没有严格的控制，要考虑堆焊层硬度均匀性、内部的韧性、硬度分布的均匀性来综合评估未来的使用性能。 

（6）耐磨堆焊件表面的硬度分布不均匀。在材料确定的情况下，硬度不均匀性主要受外界环境和作业者的操作习惯影响，不同时段堆焊作业的表面硬度可能会有差别，不同作业者由于习惯不同，也会带来差别的产生。 

（7）耐磨堆焊层深度方向上材料的硬度分布稀释现象。也就是说随着堆焊层深度的变化，硬度可能越来越低，内部和外表硬度差别较大，产生原因是多样的，有焊材材料、工艺方法等等。

（8）耐磨堆焊工件由于热应力产生变形超过许可的范围，导致影响装配使用安全。这个一般为热应力产生，还有就是工件的较单薄或者磨损量很大所致。

3.2 解决方法 

（1）做好耐磨堆焊前的准备工作。要做好堆焊部件的探伤检查工作，保证焊接后工件本体没有可能扩大的裂纹产生；清洁工作要做好，保证无油、无水、无污物，保持清洁的金属光面；采取必要的措施防止堆焊工件变形。 

（2）在堆焊焊接时，及时清理焊渣和飞溅物，避免杂物混入焊层中，保证焊层的材质和性能一致，若产生不良积瘤，要及时处理，避免影响焊接堆焊件外观的成型和内在质量的稳定。 

（3）焊接设备的准备工作要做好，开始作业后，应保持连续进行，争取一次成型，这样整个工件堆焊层保持整体性。所以，焊接、伺服机构、焊丝准备、设备维护都要良好到位。 

（4）堆焊焊材的准备必须做好，焊材根据保存条件和要求，进行焊前的准备程序。 

（5）对于堆焊层内部气泡、夹渣、裂纹的分布，一般焊接作业完成后就已确定下来，几乎无法改变，只做打磨处理。但是对于某些超标部位，根据工艺也可以采取局部的修补措施，原则是越少越好。 

（6）耐磨部件堆焊作业的场所温度也应加以控制，杜绝温差变化过大，影响焊接工件的冷却速度，也就影响堆焊层的硬度分布、均匀性和稳定性。 

（7）对于部件堆焊作业一般变形量是很微小的，多数不会影响安装使用，但是对于部分超标情况，一般也可以采用增加机加工的方法，重新加工部件的安装尺寸，达到使用要求。

3.3 预防措施 

（1）加强焊接设备的保养和维护，确保设备的完好，使得焊接性能稳定。 

（2）创造适合稳定的堆焊作业环境，保持焊接温度的恒定，确保堆焊层的成型、硬化均匀。 

（3）加强焊材的储藏、防水、防潮、防污染等，控制好焊材的干燥程序，保持焊材成分均匀稳定。

（4）注意焊接过程中焊渣的打磨、除油等清洁工作落实到位，保证熔合材料的稳定一致。

（5）特别要注意打底层的堆焊建立工作，及时消除结合层的应力消除，防止堆焊层发生与基体的脱落、剥离现象。 

对于辊压机的表面磨损铁件极易造成堆焊面的啃伤现象，这是因为辊压机对物料内的铁件更加敏感，一旦物料中存在铁件，即刻发生表面的损伤，有时甚至在循环发生着，加重辊压机堆焊面的伤害。所以在辊压机系统设计的时候，已经考虑增加除铁器的数量，使得辊压机可以安全运行。