烧结机齿辊蓖板堆焊修复研究——文献学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于2006年《中国表面工程》第19卷第3期，作者余光明、钟毅、段立人均来自武汉钢铁集团公司。文献围绕大型烧结破碎机齿辊和蓖板的工况分析与失效研究展开，自主研制开发了高铬铸铁耐磨堆焊合金，优化了焊接工艺并改进了制造工艺，最终摸索出一套成熟的制造技术并取得了成功。

烧结矿是钢铁企业高炉炼铁的主要原料，烧结机作为核心设备，其齿辊和蓖板长期承受物料的冲击、磨损和高温作用，属于典型的高磨损工况零件。齿辊和蓖板的失效直接导致烧结机停机检修，严重影响生产连续性和经济效益。

工况分析与失效机理

烧结机齿辊和蓖板的工作条件极为苛刻，主要失效模式包括：

从失效分析（FA）角度，齿辊齿面的磨粒磨损是主要失效形式。烧结矿中的石英（SiO₂）和刚玉（Al₂O₃）颗粒硬度远高于普通碳钢基体（HV200-300），在相对滑动过程中产生犁沟效应和微切削效应。同时，烧结料中的铁质颗粒在氧化气氛下形成的氧化膜也会加剧粘着磨损。

高铬铸铁堆焊合金的设计思路

文献中提到自主研制开发了高铬铸铁耐磨堆焊合金。高铬铸铁（Cr≥12%）是经典的抗磨粒磨损材料，其耐磨机制主要基于以下两个方面：

1. 基体强化机制：高铬含量（通常12-30%）使基体形成高硬度的奥氏体或马氏体组织，硬度可达HV400-700。铬元素还提高基体的抗氧化性和抗高温软化能力。
2. 碳化物强化机制：高铬铸铁中大量析出Cr₇C₃型碳化物（硬度HV2000-3000），这些碳化物均匀弥散分布在基体中，起到增强和增韧的双重作用。Cr₇C₃型碳化物呈长条状或网状分布，能有效阻止裂纹扩展。

堆焊合金设计的关键参数包括：

• 碳当量控制：CE = C + Mn/6 + Si/3 + Cr/20，需控制在适当范围以保证可焊性和堆焊层硬度。
• 铬碳比（Cr/C）：控制碳化物类型和数量，Cr/C>5时主要形成Cr₇C₃型碳化物，Cr/C<5时可能形成MC型碳化物。
• 合金化元素：适量添加Mo、V、W等强碳化物形成元素可进一步提高硬度和高温耐磨性。

焊接工艺优化要点

高铬铸铁堆焊的可焊性较差，主要面临以下焊接性挑战：

• 热裂纹敏感性：高碳高铬铸铁的凝固温度区间宽，易产生凝固裂纹。
• 冷裂纹倾向：高淬硬性导致热影响区产生高硬度马氏体，增加冷裂纹风险。
• 稀释率控制：铸铁基体对堆焊层的稀释作用可能降低堆焊层的合金含量和硬度。

工艺优化措施通常包括：

1. 预热处理：铸铁基体堆焊前预热至250-400℃，降低冷却速度，减少淬硬倾向。
2. 多层堆焊：采用过渡层+耐磨层的多层堆焊方案，过渡层采用镍基合金或奥氏体不锈钢，降低稀释率并改善结合强度。
3. 焊后热处理：堆焊后进行去应力退火（550-650℃保温2-4h），消除残余应力。
4. 焊接方法选择：齿辊齿面可采用手工电弧焊（SMAW）或药芯焊丝埋弧焊（FCAW），蓖板可采用多层多道焊或等离子堆焊。

工程实践启示

该文献体现了"工况分析—材料设计—工艺优化—制造验证"的完整技术路线。对于钢铁企业设备修复技术人员而言，这一思路具有重要参考价值：

• 首先通过失效分析确定主要失效模式和失效机理，明确修复目标。
• 其次根据失效机理选择或开发合适的堆焊材料，确保材料性能与工况匹配。
• 然后优化焊接工艺参数，解决可焊性问题和质量控制问题。
• 最后通过现场试验验证修复效果，形成标准化的修复工艺文件。

这种基于失效分析的修复方案设计方法，比简单的"以硬抗硬"思路更为科学和可靠。在实际工程中，还应考虑修复后的尺寸恢复、配合精度和使用寿命评估等综合因素。