基于綠色再制造的水泥行業(yè)用磨輥/擠壓輥耐磨堆焊修復(fù)技術(shù)

王志中

摘 要：水泥行業(yè)用磨輥/擠壓輥的耐磨性是技術(shù)人員面臨的主要問(wèn)題，在其表面進(jìn)行耐磨堆焊修復(fù)是綠色再制造的范疇。本文論述了碳的添加方式、鉻、鈮、錳、釩元素對(duì)提高耐磨堆焊焊縫的硬度和減小抗裂性的影響，并分析了其對(duì)延長(zhǎng)磨輥/擠壓輥使用壽命方面的有益效果。

關(guān)鍵詞：磨輥;綠色再制造;耐磨堆焊

中圖分類號(hào)：F426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）23-0062-03

1 水泥行業(yè)的發(fā)展

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，水泥行業(yè)已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生產(chǎn)建設(shè)、保障性安居工程領(lǐng)域不可缺少的基礎(chǔ)原材料生產(chǎn)的重點(diǎn)行業(yè)，越來(lái)越受到國(guó)家各相關(guān)部門的高度重視，國(guó)家相繼出臺(tái)了許多相關(guān)政策，對(duì)促進(jìn)水泥行業(yè)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

根據(jù)中國(guó)水泥網(wǎng)水泥大數(shù)據(jù)研究院分析，2018年水泥全行業(yè)的利潤(rùn)超過(guò)1500億元，成為2011年之后的新巔峰。其中，水泥的噸毛利超過(guò)了100元，而2017年的噸毛利為80元，同比增長(zhǎng)了25%。

在偉大時(shí)代的建設(shè)宏圖面前，我國(guó)水泥工業(yè)面臨著新的發(fā)展機(jī)遇：環(huán)境水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的巨大需求、工業(yè)化的迅速擴(kuò)張、城鎮(zhèn)化的穩(wěn)步推進(jìn)、新農(nóng)村建設(shè)的發(fā)展，高速公路、高速鐵路的連網(wǎng)連片，保障性安居工程的實(shí)施，等等，都會(huì)帶動(dòng)水泥需求的迅速增長(zhǎng)。

水泥的生產(chǎn)加工過(guò)程為：破碎礦石→粉磨碎石→煅燒碎石→粉磨熟料，其中“粉磨”是水泥生產(chǎn)過(guò)程的重點(diǎn)。目前行業(yè)內(nèi)常用的“粉磨”一般均采用“立磨機(jī)”或“輥壓機(jī)”，它的工作原理是兩輥面間物料的相互擠壓，物料在其壓力作用下變小、變平、密度增大，大大降低了進(jìn)一步加工成料的難度[1]。兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的擠壓輥或磨輥、磨盤與磨料間屬于高應(yīng)力的三體磨粒磨損[2]，由于被碾磨料成分復(fù)雜，在長(zhǎng)期的碾磨過(guò)程中容易對(duì)磨輥產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，使磨輥與磨盤之間的間隙不斷加大，由此導(dǎo)致輥面耐磨層嚴(yán)重磨損等問(wèn)題[3]，降低了其使用期限，實(shí)際生產(chǎn)表明，磨輥/擠壓輥的使用壽命問(wèn)題已成為制約水泥行業(yè)發(fā)展的主要因素[4]。

2 磨輥/擠壓輥的綠色再制造

近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越希望盡可能提高輥壓機(jī)的使用效率，這就使得其規(guī)格的大型化成為必要的發(fā)展趨勢(shì)[5-6]。無(wú)論是“立磨機(jī)”或“輥壓機(jī)”，其關(guān)鍵部件磨輥或擠壓輥的重量大，一般由幾噸到幾十噸不等，其結(jié)構(gòu)大多為芯部韌性強(qiáng)硬度小、表面硬度大耐磨性好的雙金屬或其它復(fù)合鑄造方法得到。但是，物料與輥面的摩擦非常嚴(yán)重，輥?zhàn)颖砻娴哪湍釉诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)就會(huì)磨損完畢（一般一周左右），這時(shí)就需要停機(jī)更換新的磨輥。

在制造磨機(jī)時(shí)，磨輥輥套及磨盤襯板一般采用整體耐磨合金鑄造（高鉻鑄鐵或鎳硬鑄鐵）或復(fù)合耐磨堆焊的方法制造，以期提高輥體及磨盤的耐磨性和使用壽命[7]。制造一個(gè)直徑500mm-3000mm、長(zhǎng)度為1000mm-3000mm的新磨輥或擠壓輥，其合金熔煉過(guò)程中需要大量的鋼鐵及各類合金，整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生了巨大的資源浪費(fèi)，冶煉、鑄造、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程對(duì)環(huán)境的污染非常嚴(yán)重，完全違背了“綠水青山”就是金山銀山的新時(shí)代發(fā)展戰(zhàn)略方針。在這種背景下，圍繞輥壓機(jī)擠壓輥失效、修復(fù)及強(qiáng)化等方面的研究亦逐步展開[8]，廣大科技工作者集思廣益，發(fā)明了用對(duì)磨輥或擠壓輥的表面進(jìn)行再制造修復(fù)的技術(shù)，這是一種節(jié)約資源、造福后代的先進(jìn)的制備方法，它可以最大限度的降低生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染，屬于綠色再制造范疇。而且修復(fù)后的磨輥或擠壓輥完全可以正常使用，延長(zhǎng)了輥壓機(jī)的使用壽命，減少了磨輥或擠壓輥的更換次數(shù)，降低了水泥企業(yè)的生產(chǎn)成本，為我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展和“綠色經(jīng)濟(jì)”做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)[9-10]。

3 耐磨堆焊修復(fù)技術(shù)

焊接分為熔焊、釬焊和壓焊三大類，而堆焊是熔接的一個(gè)分支，是金屬間內(nèi)結(jié)合的一種熔化焊接方法[11]。耐磨堆焊是采用藥芯焊絲，將具有可在一定程度上增大硬度、提高耐磨性能的合金材料通過(guò)焊接電弧的作用使之熔敷在磨輥或擠壓輥的表面，再制造出磨輥或擠壓輥的耐磨層，有效延長(zhǎng)其使用壽命。

3.1 碳添加方式對(duì)堆焊耐磨性能的影響

焊縫的形成一般都要經(jīng)歷電弧加熱→母材及焊絲熔化→形成熔池→熔池內(nèi)冶金反應(yīng)→熔池凝固結(jié)晶→固態(tài)相變→形成焊縫。

影響堆焊焊縫耐磨性的主要因素是化學(xué)成分，付景山[12]研究了母材含碳量不同時(shí)異種鋼焊接熔合區(qū)的特征，結(jié)果表明：堆焊焊縫與母材的熔合區(qū)由較平整的白亮帶和針狀類馬氏體層組成。

若采用碳作為主要強(qiáng)化元素，則其含量不宜過(guò)高，否則隨著碳含量的增大將顯著提高焊縫開裂風(fēng)險(xiǎn)，而碳含量過(guò)低則強(qiáng)度和硬度無(wú)法保證?？梢?jiàn)，增加含碳量可以提高堆焊層的硬度，但也同時(shí)增大了堆焊層開裂的傾向。所以常規(guī)加大添加石墨的含量以增強(qiáng)焊縫的耐磨性能的方法已逐漸被淘汰，許多新技術(shù)則不斷研發(fā)出來(lái)。在研究過(guò)程中，采用在藥芯焊絲中添加納米尺寸的石墨烯或碳納米管的方式，能有效增大焊縫碳含量進(jìn)行提高其耐磨，并同時(shí)降低其裂紋敏感性。納米尺寸石墨烯或碳納米管的添加，為原子擴(kuò)散提供了高密度的短程快擴(kuò)散路徑，使其在焊接熔池中更容易擴(kuò)散，避免了尺寸大小不均勻的夾雜物的產(chǎn)生，凈化了焊縫熔敷金屬的化學(xué)成分，提高了焊縫熔敷金屬的強(qiáng)度和硬度。

3.2 鉻元素的加入對(duì)堆焊耐磨性能的影響

鉻可提高堆焊焊縫的強(qiáng)度、硬度、高溫力學(xué)性能性能，鉻還能阻止石墨化并提高淬透性，所以在堆焊焊縫中含有鉻會(huì)增大輥面的耐磨性，進(jìn)行有效延長(zhǎng)磨輥或擠壓輥的使用壽命。

Fe-Cr-C三元系合金在擠壓輥堆焊上應(yīng)用廣泛，它具有的優(yōu)點(diǎn)[13]為：成本低廉、優(yōu)異的力學(xué)性能且可調(diào)范圍廣、形成硬質(zhì)相以增強(qiáng)耐磨性、具有一定的加工硬化潛力可在磨損過(guò)程中提高堆焊層的耐磨性。

3.3 鈮元素的加入對(duì)堆焊耐磨性能的影響

鈮有很好的耐蝕性及提高硬度的作用，對(duì)γ相有很好的穩(wěn)定作用，并降低碳氧等雜質(zhì)元素的含量，顯著提高熔敷金屬的耐蝕性，而且鈮還可以在一定程度上提高熔敷金屬的焊縫的硬度進(jìn)而提高其耐磨性，有效延長(zhǎng)磨輥或擠壓輥的使用壽命。圖1為鈮-碳相圖，圖2為鈮-氮相圖，從中可以看出，鈮與碳反應(yīng)主要形成NbC、Nb2C、Nb6C5、Nb4C3-X，氮與鈮反應(yīng)主要形成NbN、Nb2N、Nb4N3等，鈮對(duì)堆焊焊縫的強(qiáng)化作用主要是的是細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化，鈮能與焊接熔池中的碳氮生成穩(wěn)定的碳化物（Nb2C、Nb6C5、Nb4C3-X）和氮化物（Nb2N、Nb4N3、NbN），而且還可以使碳化物分散并形成具有細(xì)晶化的焊縫，有效提高了耐磨堆焊焊縫的硬度和抗裂性。

3.4 錳元素的加入對(duì)堆焊耐磨性能的影響

錳是增加焊縫金屬?gòu)?qiáng)韌性的有益元素，錳含量的增加不僅有利于防止焊縫金屬出現(xiàn)熱裂紋，還有利于焊縫金屬的脫氧。若錳含量過(guò)高就容易導(dǎo)致熔敷金屬出現(xiàn)偏析和裂紋，也容易使熔敷金屬的碳當(dāng)量過(guò)大，有降低焊縫金屬的韌性的風(fēng)險(xiǎn)，因而，采用的技術(shù)方案中應(yīng)確保熔敷金屬中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5.0%。

3.5 釩元素的加入對(duì)堆焊耐磨性能的影響

圖3為釩-碳相圖，圖4為釩-氮相圖，從中可以看出，鈮與碳反應(yīng)主要形成VC、V8C7、αV2C、V4C3-X，氮與鈮反應(yīng)主要形成V2N、VN等，這些物質(zhì)通過(guò)細(xì)化焊縫的組織和晶粒，提高晶粒粗化溫度，可使堆焊焊縫具有強(qiáng)度高、韌性大、耐磨性好等優(yōu)良特性。

4 結(jié)語(yǔ)

利用堆焊的形式對(duì)磨輥或擠壓輥進(jìn)行表面綠色再制造耐磨修復(fù)，可有效節(jié)約資源，延長(zhǎng)磨輥或擠壓輥的使用壽命;采用添加納米尺寸的石墨烯或碳納米管的方式，可保證提高堆焊層硬度的同時(shí)降低其產(chǎn)生裂紋的傾向;添加鉻、鈮、錳、釩元素均可有效提高耐磨堆焊焊縫的硬度和抗裂性。

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