連鑄輥的表面缺陷原因分析及修復(fù)工藝

唐定忠，成世奇

（柳鋼工程技術(shù)有限公司，廣西柳州545002）

0 前言

隨著冶煉技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)爐煉鋼廠的鋼坯成型已經(jīng)從模鑄發(fā)展到連鑄工藝，采用連鑄工藝可以大幅度提高鑄坯產(chǎn)量質(zhì)量、降低鋼廠能耗、提高鋼水成材率[1]。連鑄輥就是各板坯連鑄設(shè)備的關(guān)鍵備件之一，其作用主要是控制鑄坯的引導(dǎo)、冷卻、驅(qū)動(dòng)和成型。連鑄坯出結(jié)晶器的溫度一般在1 200℃，到水平段時(shí)仍有800℃，連鑄輥與鑄坯接觸的最高溫度可達(dá)到近500℃.這些連鑄輥在工作中主要承受高溫鋼坯的高溫磨損、鋼坯重量載荷、噴淋冷卻水的冷熱疲勞、高溫潮濕氣體的氧化腐蝕。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的冷熱疲勞、氧化腐蝕、高溫紅坯的摩擦磨損的作用，就會(huì)在輥?zhàn)颖砻娉霈F(xiàn)無(wú)數(shù)條環(huán)狀裂紋、凹陷、焊層塊狀脫落等缺陷，而這些缺陷又直接影響到拉坯的表面質(zhì)量，因此，只要連鑄輥出現(xiàn)缺陷就不能再使用。一條板坯連鑄線上使用的連鑄輥大大小小的數(shù)量在200根以上，每年購(gòu)買連鑄輥的費(fèi)用都在數(shù)千萬(wàn)元以上，在生產(chǎn)中所占成本的比例較大，如果全部換新輥，不僅成本難以消化，而且對(duì)社會(huì)資源也是極大的浪費(fèi)。因此，通過(guò)對(duì)連鑄輥表面進(jìn)行堆焊修復(fù)后重新上線使用，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 連鑄輥表面缺陷產(chǎn)生原因分析

連鑄輥在生產(chǎn)使用過(guò)程中主要出現(xiàn)表面環(huán)狀裂紋、磨損凹陷、焊層脫落等缺陷（見(jiàn)圖1），產(chǎn)生這些缺陷的主要原因分析如下：

圖1 連鑄輥缺陷圖

（1）焊絲中的碳含量控制不當(dāng)。取樣檢查連鑄輥表面成份，見(jiàn)表1.

表1 連鑄輥成份表

從表1看出，由于C含量過(guò)高，會(huì)使碳化鉻（Cr23C6）含量增加，而碳化鉻易于偏析于晶界上，使得在晶界附近產(chǎn)生一個(gè)貧鉻區(qū)。由于貧鉻區(qū)的Cr含量過(guò)低而C含量過(guò)高，使得該區(qū)域的抗腐蝕性和硬度相對(duì)降低，從而發(fā)生晶間腐蝕。晶間腐蝕在高溫作用下會(huì)沿母材方向延生，進(jìn)而形成裂紋形式的缺陷，在擠壓力作用下出現(xiàn)焊層脫落的情況。同時(shí)，碳在鋼中是引起結(jié)晶裂紋的主要元素，C的含量過(guò)高，導(dǎo)致焊縫金屬的臨界應(yīng)變率和抗裂性能顯著下降。焊縫的碳含量增大后，不僅導(dǎo)致硫和磷等有害雜質(zhì)元素的偏析，而且增大了焊縫的固液結(jié)晶區(qū)間，使脆性溫度區(qū)間增寬，使得焊層抗裂性降低。因此，選擇這種含碳量高的焊絲材料，容易導(dǎo)致連鑄輥表面裂紋和剝落。（2）該成份抗冷熱疲勞性能不足。連鑄輥在工作時(shí)長(zhǎng)期與高溫鋼坯接觸，不僅受到高溫鋼坯運(yùn)動(dòng)的摩擦和溫度快速上升，而且還受到高壓冷卻水的快速冷卻溫度急速下降，同時(shí)在拉坯過(guò)程中還時(shí)有發(fā)生漏鋼和粘坯現(xiàn)象，連鑄輥在這些因素的共同作用下，輥身表面就會(huì)出現(xiàn)不同程度的熱裂紋和凹陷變形。

（3）該材質(zhì)抗氧化能力不足。由于該材質(zhì)的焊絲成份含鉻量小于13.5%，含鎳量也小于3.5%，當(dāng)輥?zhàn)优c高溫鑄坯接觸時(shí)，其抗氧化能力不足，同時(shí)在冷卻水和鋼水保護(hù)渣的腐蝕作用下，容易引起輥身表面氧化脫落，導(dǎo)致輥面呈磨損彎曲狀現(xiàn)象。

2 焊材選擇[2]

如何選擇焊絲材質(zhì)將對(duì)連鑄輥壽命產(chǎn)生較大影響，通過(guò)在高鉻的基礎(chǔ)上添加少量的 Mo、Ni、V、Ti、W、Re等元素以細(xì)化晶粒，改善碳化物和晶界的分布狀態(tài)，通過(guò)控制焊接層間溫度達(dá)到提高韌性的目的，從而保證產(chǎn)品在使用過(guò)程中不剝落掉塊，提高耐磨性的目的。根據(jù)連鑄輥使用工況，堆焊層應(yīng)具備抗氧化腐蝕、耐冷熱疲勞、耐摩擦磨損等良好性能。根據(jù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)堆焊焊絲的品種，在成份選擇上主要是以抗氧化的中鉻系列為主，通過(guò)加入適量的Ni、Mo、V等合金成份來(lái)達(dá)到細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，從而提高表面堆焊層的機(jī)械物理和化學(xué)性能。焊絲成份配比見(jiàn)表2.

表2 連鑄輥焊絲成份表

調(diào)整成份后，Cr和Ni元素成份控制在馬氏體組織要求范圍內(nèi)，在該成份下，可確保焊絲材質(zhì)為馬氏體不銹鋼型，從而保證合金層硬度和耐磨耐腐蝕性能；C元素控制在較低的含量，可有效抑制其對(duì)Cr元素耐磨抗腐蝕性能的影響，增加V元素可適當(dāng)提高焊絲的硬度、強(qiáng)度和耐高溫腐蝕性能。焊后硬度要求達(dá)到HRC42-48.

3 堆焊工藝控制

為保證連鑄輥堆焊的外觀成型和熔覆質(zhì)量，堆焊過(guò)程中必須嚴(yán)格按照工藝參數(shù)控制要求實(shí)施，具體堆焊工藝參數(shù)要求見(jiàn)表3.

表3 堆焊工藝控制表

4 堆焊前的準(zhǔn)備

4.1 舊輥表面清理

由于輥?zhàn)釉谑褂煤脱b配過(guò)程中其表面有一些油污和鐵銹等雜物，因此輥?zhàn)釉诙押盖氨砻姹仨氝M(jìn)行處理，以保證連鑄輥堆焊層的焊接質(zhì)量。清理輥身表面的油污采用高溫蒸汽清洗。

4.2 舊輥疲勞層的去除

連鑄輥使用一段時(shí)間后由于受到摩擦磨損、冷熱疲勞、機(jī)械應(yīng)力作用，致使連鑄輥表面出現(xiàn)凹凸不平、環(huán)狀裂紋、全身龜裂等缺陷，這些缺陷只有采用車床車削才能徹底清理干凈，而對(duì)于個(gè)別的小而深的孔狀缺陷，為減少車削量就用磁力鉆將孔擴(kuò)大，再焊補(bǔ)平整。車削量的選擇應(yīng)根據(jù)輥身表面的缺陷深度等具體情況來(lái)確定。輥身表面加工后要進(jìn)行探傷檢查，以確認(rèn)內(nèi)部缺陷是否清理干凈。

4.3 連鑄輥表面堆焊過(guò)程控制[3]

輥?zhàn)佣押笗r(shí)必須進(jìn)行預(yù)熱，這是因?yàn)楫?dāng)連鑄輥碳當(dāng)量較大時(shí)，如果在常溫下進(jìn)行焊接，由于冷卻強(qiáng)度較大，容易出現(xiàn)焊接裂紋，而預(yù)熱目的就是減少堆焊層金屬的冷卻速度，避免焊接層產(chǎn)生裂紋。通過(guò)不斷的試驗(yàn)，將連鑄輥的預(yù)熱溫度確定為150~250℃.

堆焊過(guò)程控制，由于連鑄輥在堆焊時(shí)是不斷旋轉(zhuǎn)的，如何保證熔融的金屬液體和保護(hù)渣不掉落。為延長(zhǎng)熔渣冷卻凝固時(shí)間，堆焊時(shí)需將連鑄輥中心頂點(diǎn)與焊絲的位置保持一定的傾斜角度，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，通常取5°左右即可保證熔融金屬和保護(hù)焊劑不掉落。

4.4 焊后熱處理及金相檢驗(yàn)

輥?zhàn)釉诤附舆^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，如果不及時(shí)消除就會(huì)影響到焊層質(zhì)量，甚至引起表層脫落。因此在焊接過(guò)程中必須做好保溫緩冷工作，焊接完成后要及時(shí)進(jìn)入加熱爐中進(jìn)行熱處理。熱處理工藝是，升溫至500℃，升溫速度保持100℃/h,保溫5 h后隨爐冷卻至150℃時(shí)出爐[4]，冷卻到室溫后檢查硬度，硬度達(dá)到HRC42~48之間為合格。

從金相分析報(bào)告可知，試樣基體組織為回火索氏＋少量針條/小塊狀鐵素體，過(guò)渡層結(jié)合良好，沒(méi)有焊接縫隙及分層現(xiàn)象（如圖2所示）；表層組織為馬氏體+殘余奧氏體＋少量顆粒合金化合物，有柱狀晶向結(jié)構(gòu)（如圖3所示），具有較高的硬度和良好的耐蝕、耐磨性[2]，符合焊接焊層組織要求。

圖3 連鑄輥表層焊縫金相圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)調(diào)整輥?zhàn)颖砻娑押负附z成份后，嚴(yán)格按照堆焊工藝進(jìn)行修復(fù)和處理，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐一段時(shí)間的使用，在通過(guò)額定過(guò)鋼量的情況下沒(méi)有出現(xiàn)環(huán)裝裂紋、磨損凹陷、彎曲剝落等表面缺陷，完全達(dá)到了用戶對(duì)連鑄輥的表面質(zhì)量和使用壽命要求。同時(shí)通過(guò)修復(fù)，舊輥資源得到了充分的再生利用，不但降低了新輥采購(gòu)量，而且降低生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，也減少對(duì)資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。