立磨磨輥磨盤硬面堆焊在建材行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用回顧

  1 引言

  立磨是水泥制粉系統(tǒng)的重要設(shè)備，但是由于工作物料（如鋼渣、石灰石等）硬度十分高，有的還具有腐蝕性，在破碎和研磨過程中磨盤、磨輥等工件受到 磨損和沖擊。同時由于工件本身的耐磨性不強(qiáng)，因此工件的壽命較短，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。傳統(tǒng)上國內(nèi)水泥生產(chǎn)廠都是采取更換備件的方式來保證生產(chǎn)，但勢必造成資金和時間的浪費(fèi)。

  上世紀(jì)90年代中期，歐洲開發(fā)推廣了立磨磨輥磨盤的離在線堆焊修復(fù)技術(shù)，解決了當(dāng)時立磨生產(chǎn)中存在的磨輥磨盤磨損嚴(yán)重和壽命短的弊病，既降低了生產(chǎn)成本，又減少了不必要的停磨時間。

  從1998年開始，作者就一直尋求合理高效的維護(hù)方式。自2001年參與對中國第一臺礦渣磨在線堆焊修復(fù)以來，在國內(nèi)開展了水泥或礦渣立磨磨輥和磨盤的明弧堆焊修復(fù)技術(shù)，選擇了合適的特殊藥芯焊絲，到2008年八月，作者已經(jīng)直接和間接對至少100臺生料磨和礦渣磨進(jìn)行了多次離線或在線堆焊修復(fù),并參與了至少160只宇部、川崎、沈重、非凡、萊歇和天津院等立磨的新輥備件的制造，用于替代進(jìn)口。實踐表明，相對鑄造件，明弧堆焊修復(fù)可使水泥或礦渣立磨磨輥和磨盤的壽命提高一倍；采用復(fù)合制造的方法生產(chǎn)新品，成本是原裝進(jìn)口的1/2左右，壽命卻與之相當(dāng)。本篇回顧了作者在過去涉及的多種類型的立磨堆焊情況和使用效果。

  2 磨機(jī)的磨損機(jī)理

  磨機(jī)的磨損主要是物料對磨輥及磨盤的摩擦損耗而產(chǎn)生的三體磨料磨損。利用電鏡和金相組織分析可知，隨著物料中雜質(zhì)（如石英和黃鐵礦）含量的增加，對磨輥表面形成的磨溝增多且明顯變寬，因此，物料中雜質(zhì)的硬度對磨輥磨損有重要的影響，不同的物料對金屬的磨損程度不同，工件的壽命也就不同。因此，磨輥的磨損方式主要是物料中的硬質(zhì)顆粒對其表面造成碾動磨削，使金屬表面產(chǎn)生顯微切削和碳化物的破碎、剝落。例如礦渣立磨，不用硬面堆焊通?？傮w磨損率為10－12g/ ton。但磨損率在較大程度上由游離鐵的含量決定。研究表明，游離鐵的含量每增加0.1%，磨損的比率就會增加10％。由于磨損率較高，其使用壽命較低。

  3 堆焊工件和鑄造工件的性能比較

  3.1 鑄造工件與堆焊工件的差異

  以一個滾動的磨盤和一至四個磨輥為代表，靠磨盤和磨輥的內(nèi)磨來驅(qū)動。此類磨主要粉碎石灰石、泥灰石（水泥原料），煤塊（用于加熱烘干），所受沖擊低，三體磨損。

  多年來，對磨損部件只能采取替換新磨輥和磨盤鑄件的方法，然而，鑄件靠一種硬質(zhì)材料來增強(qiáng)抗磨性，而鑄造工藝則限制了此類合金的含量。所以，耐磨鑄件從未達(dá)到最大效用，表現(xiàn)為由于局部過度破壞，造成工件使用壽命低。公司采用明弧堆焊的方法，對磨損報廢的工件進(jìn)行堆焊修復(fù)，也大量復(fù)合制造新品，利用藥芯焊絲中各種可改善性能的各種金屬可以容易的加入，使工件堆焊后的性能大大優(yōu)于鑄件性能。

  目前，立磨所使用的磨輥、磨盤有兩種，即鑄造部件和堆焊部件兩類。這兩種部件耐磨層的化學(xué)成分都屬于高碳高鉻合金鑄鐵系列，鑄造件中含有一定量的Ni元素，引起它們耐磨性差異的原因在于兩者的顯微組織分布狀態(tài)和性能的不同。一方面由于組織中顯微硬度不同引起兩種部件的宏觀硬度不同（鑄造件硬度為HRC52--58，堆焊件硬度HRC58--62）.另一方面，由于碳化物在基體中分布形態(tài)的差異，造成鑄造件遠(yuǎn)低于堆焊件的運(yùn)行壽命。因此，堆焊后部件在工藝、內(nèi)在質(zhì)量、可修復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性等方面優(yōu)于鑄造件。圖1為作者在過去近10年來對典型的立磨磨盤磨損曲線的總結(jié)。

  圖1  未堆焊的磨盤磨損數(shù)據(jù)表

  圖示藍(lán)、綠、紅線分別表示三種規(guī)格的未堆焊的磨盤在半徑方向磨損深度，可以看出磨損程度很大。

  圖2 堆焊后的磨盤磨損數(shù)據(jù)圖表

  藍(lán)、綠色線表示與圖1相同的兩種規(guī)格的磨盤堆焊后在相同使用條件下的磨損深度，圖示可見磨損程度顯著減少。磨輥的情況與磨盤情況相似。綜合計算結(jié)果，可以認(rèn)為堆焊磨輥磨盤的壽命是鑄造件的2倍左右。

  3.2 鑄造工件的缺陷

  鑄造耐磨件較之堆焊件在同樣的硬度水平下，因韌性差而更易斷裂，如圖3所示，浙江某水泥廠鑄造磨輥磨盤在使用未達(dá)到壽命時就發(fā)生了斷裂。而由圖4可清晰地發(fā)現(xiàn)，鑄造磨輥坑坑洼洼的破壞外觀，更能證明其韌性差，較易不均勻剝落。

  3.3不同鑄造工件的質(zhì)量差異

  而鑄造工件也因制造廠家不同，其耐磨損耐剝落性能也存在較大差異，如圖5和圖6 所示。同一水泥廠的兩臺立磨，生產(chǎn)時間相同，但其磨輥的外觀差別明顯。

  4 立磨輥套和襯板斷裂的情況

  4.1 因內(nèi)在缺陷發(fā)生斷裂

  有些鑄造磨輥因其內(nèi)部存在缺陷，在堆焊過程或焊后使用過程中也會發(fā)生斷裂，如圖和圖。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，某國外公司為中國客戶的立磨采購的磨輥是新簽約的生產(chǎn)商制造的。該制造商共給中國客戶提供了三只輥子，2003年均出現(xiàn)了斷裂。此事發(fā)生在山西和江蘇的兩個鋼廠的水渣磨上。

  同一家立磨公司提供的磨輥，在2008年的國內(nèi)山東省某水渣磨上使用，在工藝合理的情況下在線堆焊后有兩只輥也發(fā)生了斷裂，一只輥堆焊前就發(fā)生了斷裂。圖9-1為其中一只輥斷裂后的情況。某廠錐型輥使用2個月后情況。

  實際上，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，水渣立磨磨輥磨盤必須是可焊的，否則每一兩個月就停產(chǎn)換輥，將使生產(chǎn)難于安排，最重要的是磨輥磨盤消耗將吃掉所有生產(chǎn)利潤。

  所以輥子的質(zhì)量取決于材料的設(shè)計，也決定于生產(chǎn)工藝和熱處理工藝，每一步都須非常仔細(xì)。

  4.2 因堆焊過厚產(chǎn)生斷裂

  在磨損特別嚴(yán)重的情況下，比如已經(jīng)磨掉了基體1/2-2/3厚度，在堆焊過程或之后，經(jīng)常出現(xiàn)本體斷裂，如圖10和圖11。因此通常來講，應(yīng)盡量在磨輥未受到嚴(yán)重磨損時安排堆焊修復(fù)，既保證產(chǎn)量高，也會避免出現(xiàn)本體斷裂，造成較大的損失。

  4.3  因堆焊工藝不合適而斷裂

  實際上，如果堆焊工藝選擇不合適，也會發(fā)生輥子斷裂的情況。堆焊工藝主要涉及堆焊過程輥面的溫度和是否使用過渡層等。這方面的失敗事例很多，如北京某公司為杭州某水泥公司在2006年堆焊輥子的過程中發(fā)生斷裂；該同一公司在大同電廠在線堆焊施工時，將兩只MPS中速磨輥焊裂；同一公司在2005-2006年在堆焊石嘴山電廠磨輥時，焊裂2只；另一公司為大連莊河電廠中速磨堆焊時，未焊完即發(fā)現(xiàn)有一輥斷裂。

  4.4  因堆焊焊絲選擇不當(dāng)

  如使用焊絲焊后金屬收縮系數(shù)與欲焊工件相差較大；或是焊絲配方設(shè)計不合理；還有如焊絲雜質(zhì)成分高等都有可能造成輥子堆焊斷裂或者剝落。此外不是焊絲的成分相似就意味著性能相同，也就是說只靠簡單地模仿焊絲成分，是不能達(dá)到其最佳的使用和焊接性能的。因此在選擇堆焊材料時，應(yīng)立足于大廠和品牌以及有名氣的廠家，價格不能作為唯一或第一的選擇。圖12為堆焊廠采用國內(nèi)某品牌焊絲堆焊后未使用前即發(fā)生了大面積剝落。西北某堆焊廠使用北京某焊絲廠焊絲堆焊的磨輥的外觀如圖13，不難發(fā)現(xiàn)，其外觀相當(dāng)難看。

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  鞍鋼實業(yè)冶金機(jī)械有限公司與北京陽光威爾公司合作，在2005年對哈爾濱某企業(yè)Atox50立磨施行了在線堆焊，共計消耗了 噸立磨專用焊絲，磨輥壽命達(dá)到了進(jìn)口原裝鑄件的1.5倍；2006年該二公司對該立磨拆下來的備件進(jìn)行了離線堆焊，壽命也達(dá)到了進(jìn)口新品的壽命，只是由12塊組合成的輥皮塊與塊之間，個別縫隙出現(xiàn)了輕微剝落。2008年該水泥廠讓沈陽某堆焊廠于較低的價格中標(biāo)，為其離線堆焊修復(fù)磨損的輥皮和襯板。由于堆焊廠使用了一般是用于煤磨的藥芯焊絲，其抗沖擊性很差，使用一段時間后，磨損和剝落嚴(yán)重，影響了立磨的生產(chǎn)。2008年11月該水泥企業(yè)設(shè)備經(jīng)理明確表示，他認(rèn)可價格較高的鞍鋼實業(yè)冶金機(jī)械有限公司堆焊質(zhì)量。（鞍山圖片）

  因此認(rèn)為，堆焊藥芯焊絲的品種和質(zhì)量以及堆焊技術(shù)，對于水泥企業(yè)的心臟設(shè)備-立磨，至關(guān)重要。

  5 利用鑄鋼芯堆焊復(fù)合制造新品

  在過去的生產(chǎn)實踐中，成功地利用鑄鋼內(nèi)坯配打底層加耐磨層復(fù)合制造了大量的立磨磨輥磨盤，替代了進(jìn)口，使用壽命與國外的相當(dāng)，但成本卻是進(jìn)口的一半左右。鑄鋼內(nèi)坯和焊后外觀如圖14和圖15。

  復(fù)合輥具有其芯坯高韌性和堆焊層的高耐磨性的二重優(yōu)點，自2003年在中國上海由寶鋼和北京陽光威爾焊接技術(shù)公司同上海亞司堆焊廠合作制造第一批磨輥和磨盤以來，就得到了廣泛的應(yīng)用，并因其成本低而在某種程度上推動了水渣磨的飛速發(fā)展。

  但應(yīng)引起注意的是，復(fù)合輥的鑄件的成分設(shè)計和內(nèi)在質(zhì)量以及加工精度和堆焊質(zhì)量是非常重要的。如選擇不當(dāng)，發(fā)生剝落或斷裂是非?？赡艿?。

  如北京某廠為杭州的一家水泥廠生產(chǎn)的立磨磨輥，使用20天就發(fā)生了大規(guī)模的剝落（如圖18和19）。嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。

  江蘇某廠為某水渣磨配套的錐型輥使用一個月后，剝落嚴(yán)重，影響了超細(xì)粉的生產(chǎn)（圖20a和20b）。

  北方某機(jī)械廠為某北方大型水泥集團(tuán)下屬公司制造的3只復(fù)合磨輥在上線后先后斷裂。分析原因有二：一是圖便宜從沒有精煉設(shè)施的小鑄造廠采購的鑄件，化學(xué)成分超標(biāo)；二是堆焊后沒有進(jìn)行接觸面的精加工，造成安裝困難和安裝非面接觸，在立磨生產(chǎn)過程中輥子局部受力嚴(yán)重超負(fù)荷。最為嚴(yán)重的是，因為立磨震停控制失效，在輥子斷裂后立磨始終運(yùn)行，最終造成進(jìn)口的減速機(jī)燒毀。據(jù)可靠消息，目前該二公司標(biāo)底為3000多萬的訴訟官司還在進(jìn)行中。

  6 堆焊磨輥性能的差異

  并不是所有廠家的堆焊工件性能都完美無缺。有些堆焊廠采用焊接工藝不合理，選用藥芯焊絲較隨意，修復(fù)的磨輥和磨盤使用效果也不好。其表現(xiàn)為焊層韌性差易剝落；磨損不均勻；使用一定時間后，除掉塊外，其余部分因受沖擊和磨損以及刨切，耐磨層疲勞過度并呈酥松狀，如圖21和圖22。

  采用合適的工藝和優(yōu)良的焊絲修復(fù)的工件，使用壽命是鑄造件的1.5倍以上，而且磨損后下線的表面也要美觀得多，如圖23。

  7 使用生料不同對立磨的磨損差異

  不同水泥廠家，因其所磨生料耐磨性不同，在同樣的生產(chǎn)周期后，其磨損程度也大為不同.如圖24和圖25所示，其表面磨損較少（15-80mm,平均29mm），其堆焊修復(fù)需要焊絲相應(yīng)也少。

  而圖26至圖29的磨輥輥皮磨損就嚴(yán)重的多，修復(fù)成本也將大大提高。因此，在對客戶承諾使用壽命時應(yīng)提相對壽命，而不是絕對壽命，應(yīng)在實驗立磨上使用相同原材料進(jìn)行對比實驗獲得參考數(shù)據(jù)。

  8 堆焊修復(fù)

  8.1磨輥堆焊

  非凡和史密斯以及沈重立磨磨輥均由若干塊組合為一只輥，其它類型則為整體輥；而絕大多數(shù)磨盤均為組合式。

  以ATOX50立磨磨輥為例，一只Atox50磨輥由12塊組成，3只為一套。拆下來焊前的輥皮如圖30所示。因為不是整體鑄件，所以還需專門的胎具將12塊單件拼組成輥狀，以便用特制的旋轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動，實現(xiàn)連續(xù)堆焊，如圖31所示。焊后磨輥輥皮外觀如圖32所示。

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  8.2 磨盤的堆焊

  一套磨盤由磨盤共由24塊組成，堆焊前的ATOX50磨盤外觀如圖33。因是24塊單件，所也需要特制工裝拼裝成磨盤形狀（如圖34），然后利用多臺焊機(jī)對旋轉(zhuǎn)的襯板組件進(jìn)行連續(xù)堆焊。

  磨盤堆焊后外觀如圖35所示。

  8.3在線修復(fù)立磨磨輥磨盤

  自2001年以來，北京陽光威爾公司就一直在中國開展在線堆焊修復(fù)水渣磨和水泥生料立磨以及各種煤磨，包括ATOX、樸萊修斯、萊歇、川崎、宇部、沈重、合肥院以及天津院等立磨。圖36為在線堆焊廣東某公司的5000噸非凡立磨。圖37為技術(shù)人員在測量磨輥磨損情況。圖38為北京陽光威爾焊接公司參與的中國第一臺在線堆焊的水渣立磨（萊歇磨）；圖39為在線堆焊宇部水渣立磨。圖40為長治瑞昌90萬噸水渣立磨在線焊后外觀。

圖40 90萬噸水渣立磨在線堆焊后

圖41 30萬噸沈重水渣立磨堆焊后

  圖42為在線堆焊寶田新型建材公司的川崎水渣立磨磨輥；圖43為在線堆焊首鋼嘉華的樸萊修斯水渣立磨磨盤。

  在線堆焊可以不必將磨輥磨盤拆下，省工省力；而且對組合式磨輥磨盤來講，可以將塊與塊間的縫隙全部完好充填，避免或杜絕使用中剝落，大大提高使用壽命。但在線堆焊要求設(shè)備小巧靈活、故障少、焊接人員素質(zhì)較高。但是在線堆焊對施工人員的素質(zhì)要求較高：焊接施工人員具有很高的責(zé)任心，時刻盯住所焊工件，并不斷監(jiān)控和調(diào)整焊接工藝參數(shù)；在線離線堆焊經(jīng)驗豐富；在線堆焊時，每次都要確保良好接地，避免電流通過軸承、減速機(jī)和低壓電器，造成其永久的損壞。

  8.4 使用不同焊材效果不同

  所用的堆焊材料也是影響磨輥磨盤使用壽命的硬指標(biāo)。圖44和圖45為使用不同焊絲同一磨輥的磨損情況。

  江蘇某鋼廠水渣磨以前由其它公司在線堆焊，磨輥的磨損率為7克/噸；而在使用作者選定的藥芯焊絲后，其磨輥的磨損率降為5克/噸以內(nèi),并且未發(fā)生剝落。

  因此，利用優(yōu)質(zhì)的焊材可以很大程度上可減緩磨輥磨盤的磨損和剝落。

  9 利用實驗立磨科學(xué)選擇焊絲

  9.1 實驗方法

  利用由德國進(jìn)口的實驗立磨如圖46所示，模擬工業(yè)立磨研究選擇最佳的堆焊藥芯焊絲。選擇幾種市場上的藥芯焊絲堆焊制作的部分磨輥磨盤如圖47。制作鎳4冷硬鑄鐵的輥盤若干，作為實驗比對基礎(chǔ)。實驗?zāi)ビ梢恢槐P和3只輥組成。3只輥中有分別用兩種焊絲堆焊的輥和一只冷硬鑄鐵輥。

  表1為鎳4冷硬鑄鐵鑄件典型的化學(xué)成分。

  表1鎳4冷硬鑄鐵鑄件典型的化學(xué)成分%

  9.2 實驗?zāi)C(jī)的工作描述

  用戶提供有代表性物料1～2噸，并將不同種物料分別破碎到試驗粒度待用。按實際工礦的配比要求，把不同種物料分別稱重，充分混勻。將混勻的物料放入料倉中。將碾磨比壓調(diào)整到與工業(yè)磨機(jī)相同后，開啟試驗系統(tǒng)。啟動密封機(jī)、主風(fēng)機(jī)、輔助風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐烘磨直到磨后溫度達(dá)到100。調(diào)整主風(fēng)機(jī)擋板，使風(fēng)量達(dá)到試驗要求。啟動給料系統(tǒng)，手動調(diào)整磨內(nèi)壓差達(dá)到試驗規(guī)定后切換到自動調(diào)整系統(tǒng)，同時啟動計時，并定時取樣稱重篩分。做好試驗記錄。調(diào)整分離器轉(zhuǎn)數(shù)，直到滿足產(chǎn)品細(xì)度要求，并將試驗物料全部磨完。按操作規(guī)定關(guān)機(jī)，拆磨清洗輥套、盤襯，烘干后稱重。

  整理試驗數(shù)據(jù)，編寫試驗報告。報告主要內(nèi)容是提供工業(yè)磨機(jī)的規(guī)格型號、單位功耗和不同耐磨材質(zhì)的使用壽命。

  9.3 實驗結(jié)果

  分析實驗數(shù)據(jù)表明，采用OA HC-O焊絲堆焊磨輥,磨高爐渣實驗數(shù)據(jù)中是鎳4冷硬鑄鐵輥的1.7倍壽命；OA CN-O焊絲壽命更高,為3.2倍。其它焊絲制作的輥不如上述兩種焊絲[1]，所以選擇OA CN-O作為堆焊水泥和水渣立磨的焊絲；選擇OA HC-O作為堆焊煤磨的焊絲。

  10  使用效果

  將OA CN－O用于立磨的堆焊修復(fù)，同其它材料相比，OA CN－O的性能要優(yōu)于其它同類產(chǎn)品。它能產(chǎn)生硬質(zhì)合金NbC。這種沉淀物被緊密的均勻的分布，使研磨材料穿透母體非常困難，因而具有較高的抗磨性。使用CN－O的部件壽命是新的NI-Hard鑄件的1.3倍以上，同時修復(fù)成本只是更換新部件的1/2左右。某建材公司自2001年開始就使用OA CN-O焊絲，多年的堆焊和礦渣磨生產(chǎn)的數(shù)據(jù)如表2。

  表2  CK水渣磨堆焊及生產(chǎn)情況

  如表2所示，該水渣磨約為每兩月堆焊一次，波動為每1.5-2.4月一次。之所以波動是因為有些堆焊是因設(shè)備檢修或故障原因而被迫進(jìn)行的，因此并不是完全按計劃進(jìn)行堆焊的。由表2可見其磨損率為3.63-4.7克/噸礦渣（平均4.3克/噸）。遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于江蘇某廠的7克/噸礦渣和唐山某廠的7.9克/噸礦渣。

  某水渣磨廠堆焊前更換一套輥套需近180萬元人民幣，而采用OACN-O在線明弧堆焊修復(fù)成本一次不到30萬元，修復(fù)一次就節(jié)約150多萬元。并且在立磨的磨盤上能進(jìn)行10多次硬面堆焊，磨輥上堆焊處理也能達(dá)8-12次。如果多次修復(fù)，企業(yè)所獲的效益將十分顯著。

  因此，綜上所述，采用優(yōu)質(zhì)焊絲堆焊修復(fù)水渣磨或水泥立磨，不但能夠降低費(fèi)用，也縮短停磨時間。發(fā)展至今，絕大多數(shù)的立磨都在使用該技術(shù)修復(fù)磨輥磨盤，對保障正常生產(chǎn)起到了關(guān)鍵的作用。

  11 結(jié)論

  經(jīng)過八年的堆焊修復(fù)立磨和新制磨輥磨盤的實踐，積累了大量的經(jīng)驗教訓(xùn)，歸納如下：

  11.1 采用堆焊的方法，可以大大提高立磨磨輥磨盤的使用壽命；減少停磨檢修的時間；

  11.2 開發(fā)了合適的在線焊接工藝和藥芯焊絲，為水渣立磨的高效低成本生產(chǎn)提供了至關(guān)重要的保證；

  11.3 一般立磨磨輥允許的在線堆焊次數(shù)為8-12次，但如果初次或前次堆焊效果不好，再次堆焊時易于剝落；

  11.4 磨盤可連續(xù)堆焊高達(dá)20次；經(jīng)堆焊的磨盤壽命一般為鑄件的兩倍左右；

  11.5 采用合適的藥芯焊絲和焊接工藝，是保證堆焊質(zhì)量的關(guān)鍵；

  11.6 堆焊過程中應(yīng)確保工件表面溫度低于120℃，以避免鑄件斷裂或堆焊層剝落；

  11.7 無論離線還是在線堆焊，如磨輥磨損嚴(yán)重且不均勻，應(yīng)采取合適的方法刨掉疏松的部分然后施焊；

  11.8 復(fù)合制造新輥應(yīng)注意三點：一是鑄鋼內(nèi)芯的成分應(yīng)嚴(yán)格控制并盡量降低S和P的含量；二是打底層應(yīng)確保既能與鑄鋼芯結(jié)合好，也能與硬面堆焊層牢固連接；三是應(yīng)選擇合適的堆焊焊絲和焊接工藝；

  11.9 磨輥磨盤不宜磨損超過50%厚度時再行堆焊；理論上家講，永遠(yuǎn)保證磨輥磨盤最接近圖紙尺寸，可以達(dá)到最大限度地節(jié)能降耗，提高產(chǎn)量和效率的目的；

  11.10 利用實驗立磨科學(xué)選擇最佳的堆焊用藥芯焊絲，對防止堆焊層剝落和提高其耐磨性能尤為重要。