熱軋支撐輥的堆焊修復(fù)強(qiáng)化工藝技術(shù)

一、概述

梅山1422熱軋帶鋼生產(chǎn)線有在線支撐輥20支，全部為鑄鋼輥，其中有日本和英國等的進(jìn)口輥，也有國產(chǎn)輥。支撐輥的損壞形式除了正常磨損外，還有疲勞裂紋、輥面剝落等，有些支撐輥因工作層存在鑄造缺陷，而不得不將缺陷厚度范圍內(nèi)的工作層全部車削去除。支撐輥的工作層尺寸低于下限值時(shí)，其服役周期便結(jié)束，如作廢輥處理，則浪費(fèi)晾人。如何充分發(fā)揮舊輥的“綠色”再利用潛力，達(dá)到降本增效的目的，這是冶金企業(yè)非常關(guān)心、重視的課題。為此，我們?cè)诔晒φ莆斩押感迯?fù)粗軋工作輥的技術(shù)基礎(chǔ)上，探索、開發(fā)了熱軋支撐輥的堆焊修復(fù)、強(qiáng)化工藝技術(shù)。

二、熱軋支撐輥的工況、材質(zhì)及匹配的堆焊材料分析

支撐輥與工作輥直接接觸，其主要承受高壓力、一定的熱應(yīng)力、疲勞應(yīng)力及磨損的綜合作用，因此，其輥面材質(zhì)應(yīng)具有一定的強(qiáng)度、高的疲勞強(qiáng)度、熱沖擊性能、抗磨損性能。梅山熱軋支撐輥典型規(guī)格為：ψ1390mm(輥面直徑)×1429mm(輥面長度)×3924mm(總長)，重量25444kg／支。幾種梅山熱軋支撐輥的化學(xué)成分見表1。

熱軋支撐輥對(duì)堆焊材料的性能要求：

(1)較高的硬度60～70HSD，保證其剛度和耐磨性。

(2)高強(qiáng)度，避免斷輥。

(3)高疲勞強(qiáng)度，防止網(wǎng)狀裂紋和剝落。

(4)良好的熱沖擊性，防止輥而局部受熱產(chǎn)生軟點(diǎn)。

(5)良好的焊接性。

據(jù)此，我們選擇低碳低合金104焊絲配431焊劑作打底層，選擇耐磨性較高的Stoody224H焊絲配107焊劑作工作層，堆焊硬面層硬度達(dá)67～74HSD，堆焊層成分見表2。

    三、主要堆焊裝備

    埋弧堆焊電源的型號(hào)為ZXG—1000R，自動(dòng)焊劑烘箱的型號(hào)為NZHG6—500內(nèi)熱式鼓風(fēng)型。采用自行設(shè)計(jì)并多次改進(jìn)的多功能輥體堆焊裝置，這是一種適合支撐輥、工作輥等大型輥體堆焊的特種設(shè)備(見圖1)，主要由動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、支承架、爐體、爐頂工作平臺(tái)等部分組成。大型輥體安裝與其軸頸匹配

的保護(hù)托圈工裝后，擱置在支承架上，通過動(dòng)力裝置使其轉(zhuǎn)動(dòng)，輥身置于爐膛內(nèi)，部分輥頸和與之配合的保護(hù)托圈置于爐外，預(yù)熱、堆焊和熱處理過程中，輥體始終轉(zhuǎn)動(dòng)。爐體主要由前上部、前下部、后上部、后下部、爐蓋和兩端開孔的圓柱形爐膛等組成，能自由拆分，結(jié)構(gòu)緊湊。爐膛內(nèi)分區(qū)均勻布置LCD履帶式遠(yuǎn)紅外加熱板，總加熱功率為300kw，各加熱區(qū)通過智能溫控系統(tǒng)獨(dú)立控溫，且通過電源調(diào)頻改變功率輸出，可控性好。爐頂工作平臺(tái)上有狹長的活動(dòng)爐頂，移開爐頂，形成堆焊槽，堆焊機(jī)頭可伸入堆焊槽內(nèi)對(duì)輥體表面堆焊。由于堆焊槽部位溫度高、堆焊平臺(tái)與輥體表面距離較大，故焊接機(jī)頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)(見圖2)，保證了焊接穩(wěn)定性及可操作性。

    四、堆焊熱軋支撐輥的工藝流程及措施

    在堆焊熱軋支撐輥時(shí)，我們采用了創(chuàng)新的短流程堆焊修復(fù)工藝。所謂短流程是指修復(fù)周期短、堆焊工序少而簡(jiǎn)單，以及沒有太多的中間環(huán)節(jié)，修復(fù)效率高。

    1．創(chuàng)新的短流程堆焊修復(fù)工藝

    眾所周知，大型軋鋼廠都有配套的磨輥裝配車間，用于車削、磨削、裝配、更換軋輥。利用磨輥裝配車間的起重、裝配、車削等設(shè)備，在車間內(nèi)設(shè)立一個(gè)小型的堆焊工位，將軋輥的堆焊修復(fù)過程安排在軋鋼廠的磨輥裝配車間，這樣就避免了傳統(tǒng)修復(fù)時(shí)委托堆焊工廠所產(chǎn)生的中間周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多的缺陷，大大縮短了堆焊修復(fù)進(jìn)程，用戶也能很好地跟蹤軋輥的堆焊情況。軋輥從進(jìn)廠服役，然后多次堆焊修復(fù)循環(huán)利用，直到最終報(bào)廢，全部過程都在軋鋼廠，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥的終身跟蹤管理，這是實(shí)現(xiàn)短流程堆焊修復(fù)方法的第一步驟。

圖3是軋輥短流程堆焊修復(fù)方法應(yīng)用時(shí)，堆焊工位在軋鋼廠的平面布置圖。

實(shí)現(xiàn)短流程堆焊修復(fù)扎軋焊的第二步驟是：應(yīng)用堆焊、熱處理提一體化的多功能輥體堆焊裝置。該堆焊裝置的工作原理是綜合大型堆焊機(jī)床、大型熱處理爐的基本結(jié)構(gòu)，具有預(yù)熱、堆焊、層間保溫、熱處理等多種功能，優(yōu)化了設(shè)備資源配置，使大型輥體堆焊過程中的預(yù)熱、堆焊、熱處理三個(gè)工序集中于同一裝置操作，工序少而簡(jiǎn)單，縮短了堆焊生產(chǎn)流程，提高了堆焊修復(fù)效率。

2．熱軋支撐輥的堆焊工藝流程

堆焊前原始記錄→清除熱疲勞層→焊接材料準(zhǔn)備，應(yīng)用多功能輥體堆焊裝置先后對(duì)支撐輥預(yù)熱→堆焊打底層→堆焊合金工作層→中間去應(yīng)力熱處理，再堆焊合金工作層→最終去應(yīng)力熱處理→緩冷后出爐→初檢；車削加工→終檢→待用。

具體工藝措施如下：

(1)堆焊前準(zhǔn)備  堆焊前，對(duì)熱軋支撐輥進(jìn)行原始尺寸、表面形貌記錄，主要目的是用于堆焊前后的對(duì)比，并使堆焊有針對(duì)性；車削、清除熱疲勞層，探傷檢測(cè)、確保疲勞龜裂徹底除凈，并在此基礎(chǔ)上再車削、下切5mm左右，進(jìn)一步清除微觀的疲勞損傷層，再對(duì)車削后的輥面尺寸記錄，確定堆焊層厚度、材料消耗、后續(xù)堆焊工藝流程。然后，熱軋支撐輥兩端軸頸安裝匹配的軸頸保護(hù)托圈工裝后，擱置在多功能輥體堆焊裝置的支承架上，熱軋支撐輥的局部軸頸位于堆焊裝置爐膛內(nèi)，對(duì)此處的局部軸頸刷涂抗高溫氧化涂料。保持輥體和托圈工裝一起連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。堆焊裝置爐膛內(nèi)的LCD履帶式遠(yuǎn)紅外加熱板通電，對(duì)輥體預(yù)熱至200℃，保溫6h，用A307焊條在輥面的兩側(cè)邊緣焊接80～100mm寬的引弧板托圈，保證輥面的堆焊成形，并有效地防止焊劑流淌。然后，使輥體溫度以低于50℃/h的速度緩慢升溫至450℃，保溫12h。焊劑HJ107在烘箱預(yù)熱至300℃、保溫2h以上，待用。

(2)堆焊  輥體預(yù)熱充分后，將堆焊裝置的下部爐體、活動(dòng)爐頂移開，改進(jìn)后的焊接機(jī)頭伸入堆焊槽，對(duì)輥面堆焊。堆焊時(shí)采用環(huán)焊縫螺旋堆焊法，主要堆焊工藝參數(shù)見表3。

打底過渡層至少3層、總厚度一般不小于8mm，當(dāng)輥體車削疲勞層多，導(dǎo)致初始直徑較小時(shí)，打底過渡層的總厚度可提高，既降低了堆焊成本，又減少了過厚合金工作層的應(yīng)力，以避免開裂危險(xiǎn)。堆焊工作層時(shí)，由于厚度一般較厚，所以特別要注意層間的溫度控制、設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，以及適當(dāng)?shù)闹虚g去應(yīng)力熱處理。堆焊過程中，對(duì)局部焊瘤、凹陷、漏弧斑、微裂紋等缺陷應(yīng)及時(shí)清除、補(bǔ)焊，當(dāng)然，這在多功能輥體堆焊裝置上是很容易實(shí)現(xiàn)的。

(3)去應(yīng)力熱處理  根據(jù)車削情況，熱軋支撐輥的輥面的單邊堆焊厚度約50～125mm不等，堆焊層厚度一般較厚，為減少堆焊應(yīng)力，防止堆焊開裂，應(yīng)注意保溫、去應(yīng)力熱處理。去應(yīng)力熱處理分中間去應(yīng)力熱處理、最終去應(yīng)力熱處理兩個(gè)過程。

堆焊時(shí)，多功能堆焊裝置的爐膛內(nèi)，上部爐體的LCD履帶式遠(yuǎn)紅外加熱板始終帶電加熱，保證層間溫度，每堆焊約30mm的堆焊層，需進(jìn)行一次中間去應(yīng)力熱處理。中間去應(yīng)力熱處理時(shí)，移開焊接機(jī)頭，將多動(dòng)能堆焊裝置組合成封閉的圓柱形爐膛，爐膛內(nèi)的所有LCD履帶式遠(yuǎn)紅外加熱板通電，對(duì)輥體加熱，使輥體溫度以低于50℃/h的速度緩慢升溫至560℃、保溫20h，然后隨爐冷卻，通過智能溫控系統(tǒng)使降溫速度﹤40℃/h，冷至低于100℃后，自然冷卻。最終去應(yīng)力熱處理后，記錄堆焊后的槽形輥面尺寸和表面形貌，拆除軸頸保護(hù)托圈工裝，在不損壞軸頸的前提下，清除抗高溫氧化涂料，將堆焊后的熱軋支撐輥車削加工至尺寸要求和表面粗糙度要求。

五、熱軋支撐輥的堆焊質(zhì)量控制及效果

堆焊熱軋支撐輥的主要難點(diǎn)是堆焊層開裂。經(jīng)過長期工藝試驗(yàn)和堆焊實(shí)踐，我們總結(jié)了堆焊層開裂的主要因素：

(1)疲勞裂紋車削不盡  由于車削輥面疲勞層的刀紋一般較粗，因而小的疲勞紋不易被發(fā)現(xiàn)，這便為堆焊層開裂提供了裂紋源，即使焊后不馬上裂，使用時(shí)也會(huì)開裂或大塊掉肉、剝落。

(2)預(yù)熱和層間溫度控制  預(yù)熱不夠、輥面層間溫度偏低、堆焊裝置的加熱失控等因素很容易造成開裂。

(3)熱處理工藝  熱處理溫度偏低、保溫時(shí)間不足、加熱或冷卻速度過快等因素可造成堆焊層應(yīng)力消除不盡或增加新的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致堆焊層開裂。

因此，我們采取以下措施來控制、避免堆焊層開裂：焊前嚴(yán)格探傷，確保疲勞裂紋徹底車削干凈；嚴(yán)格控制預(yù)熱和層間溫度，經(jīng)常檢查電加熱設(shè)備、加強(qiáng)爐膛的密封保溫；控制合適的熱處理工藝，特別是冷卻時(shí)，不僅隨爐冷卻，而且采用“智能控溫、電加熱輔助爐冷“工藝，嚴(yán)格控制300℃前的冷卻速度。

實(shí)踐表明：應(yīng)用國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平的多功能輥體堆焊裝置，采用科學(xué)、合理的堆焊修復(fù)工藝，成功解決了國內(nèi)普遍存在的支撐輥堆焊層開裂難控制的問題。熱軋支撐輥經(jīng)成功堆焊，堆焊層的表面平均硬度為74HSD，高低落差不超過5，著色和超聲波探傷檢測(cè)，堆焊層沒有裂紋和超過Φ2mm當(dāng)量平底孔的缺陷，性能技術(shù)指標(biāo)符合熱軋支撐輥的質(zhì)量要求。

多年來，我們完成了梅山公司每年的熱軋支撐輥堆焊修復(fù)工作，堆焊修復(fù)后的熱軋支撐輥使用效果接近新輥，而修復(fù)成本約20萬元/支。遠(yuǎn)低于國產(chǎn)新輥60萬元/支、進(jìn)口新輥80萬元/支的投資。顯著降低了輥耗，達(dá)到了降本增效的預(yù)期目標(biāo)，效果令人滿意。

六、結(jié)論

堆焊的熱軋支撐輥表面材質(zhì)明顯改善，修復(fù)后的使用效果接近新輥，而堆焊成本僅為國產(chǎn)新輥的1/3，經(jīng)濟(jì)效益可觀。歸納熱軋支撐輥的堆焊修復(fù)、強(qiáng)化的工藝要點(diǎn)：

(1)采用了創(chuàng)新的短流程堆焊修復(fù)工藝；制定科學(xué)、合理的堆焊工藝流程和工藝措施。

(2)選擇優(yōu)良的合金堆焊工作層，同時(shí)配置合適的低底過渡層。

(3)應(yīng)用了具有預(yù)熱、堆焊、加熱保溫、去應(yīng)力熱處理等功能的特殊堆焊裝置，焊接機(jī)頭作了適當(dāng)改進(jìn)。

(4)選擇了合適的堆焊工藝和熱處理工藝。

(5)嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。