卓金管件有限公司烧结热矿破碎机齿辊耐磨层堆焊——文献学习体会
文献概况与工况分析
本文发表于2001年《烧结球团》第26卷第6期，作者来自邯郸钢铁公司一烧结厂，是一篇典型的现场工程实践总结。烧结热矿破碎机齿辊是烧结生产线上的关键部件，用于破碎烧结后的热矿（温度通常在800~1000°C），其工作环境极为恶劣：高温、强冲击、强磨蚀、粉尘污染。齿辊的耐磨层一旦失效，将直接影响烧结矿的粒度分布，进而影响高炉冶炼效果。
本文的核心贡献在于：在消化吸收引进技术的基础上，对齿辊及耐热篦板的耐热耐磨层堆焊工艺进行了研究和改进，使齿辊在无通水冷却的情况下使用寿命达到1年以上。这一成果对于降低设备维护成本、提高烧结线运行效率具有重要意义。
核心工艺与技术要点
高铬合金堆焊层的选材依据
齿辊耐磨层选用高铬合金（通常为Cr15~Cr28系列）进行堆焊，其选材依据如下：
| 材料特性 | 高铬合金优势 | 工况需求匹配 |
|---|---|---|
| 硬度 | 500~600 HRC | 抵抗磨粒磨损 |
| 红硬性 | 500°C下硬度保持率>70% | 承受800~1000°C热矿温度 |
| 抗氧化性 | Cr2O3保护膜 | 高温氧化环境 |
| 耐冲击性 | 碳化物+基体复合组织 | 矿石冲击载荷 |
高铬合金的耐磨机理主要依赖于弥散分布的Cr7C3和Cr23C6碳化物。这些碳化物硬度极高（2000~2500 HV），在磨粒接触时能够有效抵抗切削和压入变形。同时，高铬基体在氧化气氛中形成的Cr2O3保护膜厚度约为20~50 nm，能够有效阻止氧的进一步扩散。
焊接裂纹控制
高铬合金堆焊的最大技术难题是焊接热裂纹。高铬合金的碳当量（CE）通常较高，凝固区间宽，在凝固过程中容易产生柱状晶偏析和凝固裂纹。此外，高铬合金的线膨胀系数大、导热系数低，焊接残余应力显著，容易产生热应力裂纹。
本文提到对堆焊工艺进行了研究和改进，虽然未详细列出具体工艺参数，但从工程实践角度，控制高铬合金堆焊裂纹的关键措施包括：
- 控制线能量：采用小电流、快速焊，降低热输入。
- 多层多道焊：每层之间进行锤击或振动处理，松弛残余应力。
- 预热与后热：适当预热（200~300°C）降低冷却速度，焊后进行去应力退火。
- 焊材选择：选用含适量Mo、Ni的焊材，改善焊缝金属的抗裂性。
- 焊后热处理：进行消除应力退火（550~650°C，2~4h），降低残余应力水平。
无通水冷却的工艺突破
传统上，烧结热矿破碎机齿辊常采用通水冷却来降低齿辊温度，延长耐磨层寿命。但通水冷却系统增加了设备复杂度、维护成本和漏水风险。本文实现的"无通水冷却"突破，意味着堆焊层的耐热性能得到了根本性提升。
从热力学角度分析，无通水冷却条件下齿辊的工作温度取决于以下平衡：
- 热矿对齿辊的传热速率（与矿石温度、接触时间、接触面积有关）
- 齿辊表面的散热速率（辐射、对流）
- 齿辊内部的热传导
在无通水冷却条件下，齿辊表面温度可能达到600~800°C。高铬合金在此温度下的硬度保持率约为60%~70%，仍能满足耐磨要求。但需要特别关注的是：
- 长期高温下的碳化物球化和粗化。
- 高温氧化对堆焊层表面完整性的影响。
- 热疲劳裂纹的萌生与扩展。
与工程实践的结合
烧结生产线的设备维护管理
烧结热矿破碎机齿辊的维护管理涉及多个环节，可采用PDCA循环进行系统管理：
Plan（计划）：
- 制定齿辊堆焊工艺规程（WPS），明确焊材、工艺参数、检验标准。
- 制定定期检查计划，包括堆焊层厚度测量、硬度检测、裂纹检查。
Do（执行）：
- 按WPS进行堆焊施工，严格控制工艺参数。
- 焊后进行无损检测（MT或PT），检查表面裂纹。
- 进行硬度测试，确认堆焊层硬度达标。
Check（检查）：
- 定期检测堆焊层磨损量，建立磨损速率曲线。
- 监测齿辊运行温度，评估无通水冷却的可靠性。
- 分析失效模式，识别主要磨损机制。
Act（改进）：
- 根据磨损数据优化堆焊层厚度设计。
- 根据失效分析调整焊材配方或工艺参数。
- 更新维护规程，形成持续改进闭环。
典型缺陷与对策
| 缺陷类型 | 产生原因 | 检测方法 | 预防措施 |
|---|---|---|---|
| 热裂纹 | 凝固收缩应力 | MT/PT | 控制线能量、预热、锤击 |
| 冷裂纹 | 氢脆+淬硬组织 | MT/UT | 焊后热处理、控制焊材氢含量 |
| 堆焊层剥落 | 界面结合不良 | 敲击检查/UT | 改善界面清洁度、优化堆焊层厚度 |
| 磨粒磨损 | 矿石冲击磨蚀 | 厚度测量 | 优化堆焊层硬度与韧性匹配 |
| 热疲劳裂纹 | 反复热循环 | PT | 控制工作温度、优化散热设计 |
学习心得与启示
本文虽然篇幅简短，但反映了我国钢铁企业在消化吸收引进技术基础上进行自主创新的过程。2001年正值中国钢铁工业快速发展期，邯钢作为国内大型钢铁企业，在烧结设备维护技术方面的探索具有重要的行业示范意义。
从技术角度看，本文的核心价值在于验证了高铬合金堆焊层在无通水冷却条件下的可行性。这一结论对于简化设备结构、降低维护成本具有直接的工程指导意义。在当代钢铁企业追求"智能工厂"和"少人化"的趋势下，减少通水冷却系统等辅助设施的需求，有助于提高设备的可靠性和自动化水平。
从工艺角度看，高铬合金堆焊的裂纹控制始终是行业难题。本文虽未详细展开裂纹控制的具体措施，但"研究和改进"的表述暗示了工艺优化的必要性。在实际工程中，建议采用以下综合措施：
- 采用多层薄焊道，每道厚度控制在2~3 mm。
- 采用多层多道焊时，采用合理的焊接顺序（如跳焊、分段退焊），减少残余应力。
- 焊后进行550~650°C的去应力退火，保温2~4小时。
- 在堆焊层中加入适量Ni（2%~5%）和Mo（1%~3%），改善抗裂性和高温性能。
总体而言，本文为烧结设备耐磨堆焊技术提供了宝贵的工程实践经验，其"消化吸收再创新"的技术发展路径，对我国钢铁行业的技术进步具有重要的参考意义。在"双碳"目标和智能制造的大背景下，烧结设备的耐磨改造和寿命提升研究仍将是行业关注的重点方向。