面向高炉风口小套长寿化的表面堆焊工艺——文献学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《特种铸造及有色合金》2016年第36卷第5期，由武汉钢铁集团公司与华中科技大学联合完成，受武汉钢铁股份有限公司技术合作开发项目资助。研究针对高炉风口小套（tuyere sleeve）的失效问题，提出了电弧熔覆高温耐磨合金的表面强化方案，采用"过渡层JSTNi6382+表层耐磨合金"的双层材料结构，对熔覆层的金相组织、硬度梯度、耐磨性和抗热震性能进行了系统评价。

高炉风口小套是高炉冶炼系统的核心部件，直接承受风口前碳砖区域的极端工况：热风温度1200-1500°C、煤气流速150-250m/s、含尘量高达10-20g/m³。风口小套的典型失效形式包括：内壁冲刷减薄、热疲劳开裂、氧化烧损和碳沉积堵塞。传统紫铜或铜合金风口小套使用寿命仅为3-6个月，更换频繁导致高炉休风损失巨大。因此，开发长寿化堆焊工艺具有重要的经济价值。

核心工艺方案与技术细节

双层材料结构设计

本文提出的"过渡层+表层"双层结构是工程实践中经典的复合堆焊策略。过渡层选用JSTNi6382（Ni-Fe-Cr系），其作用是解决基体钢与表层耐磨合金之间的冶金相容性问题。Ni-Fe-Cr合金具有良好的塑性和韧性，能够有效缓冲基体与表层之间的热膨胀系数差异，防止在热循环工况下产生剥离裂纹。表层则采用高硬度耐磨合金，提供直接的抗磨蚀保护。

硬度梯度分布特征

试验结果表明，熔覆层硬度沿熔积方向呈梯度递增趋势。这一特征具有重要的工程意义：梯度硬度分布意味着在熔覆层与基体的界面区域，硬度值较低、韧性较高，有利于吸收热循环和机械冲击产生的应力集中；而在熔覆层表面，硬度最高，提供最强的抗磨蚀能力。这种梯度特性是通过合理的工艺参数控制实现的，包括焊接电流、焊接速度、熔池搅拌效果等。

耐磨性与抗热震性能评价

在常温条件下，D450试样的耐磨性是紫铜的5.8倍，D600试样的耐磨性是紫铜的17倍。这一数据充分说明了堆焊强化方案的显著效果。更为重要的是，D450试样的抗热震性能远优于等离子喷涂工艺。这一对比结论对于工程选材具有重要参考价值：等离子喷涂虽然可以实现更薄的强化层，但在抗热震方面存在固有缺陷（涂层与基体之间的界面脆性、孔隙率导致的应力集中）。电弧熔覆虽然热输入较大，但形成了冶金结合的致密熔覆层，界面强度高，抗热震性能优异。

工艺优化与质量控制要点

焊接工艺参数控制

电弧熔覆工艺的关键参数包括：焊接电流、焊接电压、焊接速度、送粉速度和保护气体流量。对于风口小套内壁的环形熔覆，建议采用自动送粉埋弧焊（SAW）或自动送粉药芯电弧焊（FCAW），以确保熔覆层的均匀性和一致性。焊接热输入应控制在15-25kJ/cm范围内，过高会导致基体过热和晶粒粗化，过低则可能造成未熔合。

缺陷预防与检测

在风口小套堆焊过程中，常见缺陷包括：气孔、裂纹、未熔合和稀释率过大。预防措施包括：焊前彻底清理基体表面（去除氧化皮、油污、水分）；控制层间温度不超过250°C；采用多层多道焊工艺降低单层稀释率；焊后及时进行消应力退火（500-600°C，保温2h）。检测手段建议采用渗透检测（PT）检查表面裂纹，超声检测（UT）检查内部缺陷，硬度测试验证熔覆层性能。

工程实践应用与效益分析

寿命提升效果

根据武钢的实际应用数据，采用本文提出的堆焊工艺后，风口小套的使用寿命从原来的3-6个月延长至12-18个月，寿命提升幅度达2-3倍。以一座2500m³高炉为例，风口小套数量通常为24-30个，每年可节省更换费用数百万元，同时减少因频繁休风造成的产量损失。

与钢管焊接技术的交叉借鉴

风口小套的堆焊强化技术，与钢管制造中的内衬堆焊、耐磨涂层技术具有共通之处。特别是在大口径螺旋焊管（SSAW）的制造中，内壁堆焊耐磨合金层是提高管道使用寿命的有效手段。两者在工艺原理、质量控制和失效分析方面可以相互借鉴。例如，钢管内壁堆焊同样需要关注稀释率控制、硬度梯度设计和抗热震性能等问题。

学习心得与总结

本文的研究充分体现了产学研结合的技术创新模式，从现场失效分析出发，提出针对性的工艺解决方案，并通过系统的实验验证其有效性。"过渡层+表层"的双层结构设计思路，是表面工程领域成熟且实用的技术路线，在钢管、管件、阀门等设备的表面强化中均有广泛应用。对于从事焊接工艺开发的工程师而言，掌握多层堆焊的冶金原理和工艺参数优化方法，是提升技术水平的重要方向。高炉风口小套长寿化技术的成功应用，也为其他高温高磨损工况下的设备维护提供了宝贵的经验参考。