连铸辊堆焊修复技术研究及应用

连铸辊堆焊修复技术研究及应用

徐斌

江西新余钢铁集团公司338001

摘要

针对新钢连铸辊的使用情况，分析了不同连铸辊的失效形式，根据新钢连铸辊的材质情况，选用焊丝，匹配烧结焊剂,对不同直径大小的连铸辊进行堆焊试验，通过分析化学成分、金相组织的观察和分析及宏观硬度的测定等手段对连铸辊表面堆焊层部位前后变化进行了系统分析。

关键词：连铸辊；堆焊工艺；组织性能；热处理；应用

1新钢连铸辊使用概况

新钢第二炼钢厂连铸生产线共有三台板坯连铸机，每台连铸机有2流，每流共有14个扇形段，每个扇形段由上下框架各根辊子组成。板坯连铸机扇形段辊子的工况条件及其恶劣，连铸辊消耗量非常大。

连铸辊的失效形式主要有热疲劳破坏、高温氧化腐蚀和磨损，有的直径较小的辊子甚至出现弯曲变形。热疲劳是指在没有承受外载荷条件下，由于温度变化引起的材料自由膨胀或收缩受到约束，导致在材料内部因变形受阻而产生热应力，热应力随着温度的变化而变化，从而使材料疲劳损伤[10]。连铸辊工作时，辊子表面与热铸坯接触而被加热，然后又被喷淋水所冷却。辊子不断地经历急冷急热，辊子表面及内部产生了周期性变化的热应力，这种热冲击会在辊子表面产生表面裂纹。

连铸辊表面的高温氧化腐蚀是由于与冷却水相接触造成的。冷却水的成分由于局部影响，诸如冷却水源、炉渣及耐火材料都会导致酸性条件。酸性过大导致应力腐蚀或晶间腐蚀发生，引起氧化和腐蚀剥落。

连铸辊的摩擦磨损在高温潮湿环境下，连铸坯表面易发生氧化铁皮，高温铸坯挤压辊面，辊面与铸坯的表面间的摩擦会引起较强的磨损，使辊子外径减薄，导致辊子报废。另外，在辊子表面与铸坯接触面之间，冷却水产生汽化，具有很高的压力，引起的水汽流与辊子表面的高速碰撞而形成冲刷作用。

由上述分析可知，连铸辊需要抗冷热疲劳性能、耐氧化腐蚀性能、耐磨损性能，因此辊面须具有以下特性：1）在高温下应具有高的屈服强度、断面收缩率，较小的线膨胀系数、较高的热传导率，奥氏体化转变点温度要高，马氏体转变点温度要低，以此提高耐冷热疲劳性能；2）具有一定的辊面高温硬度，提高耐磨损性能；3）耐高温氧化腐蚀性能。

2焊接材料的选用

堆焊时使用的焊接材料为焊丝和焊剂，焊接与焊剂直接参与焊接过程中的冶金化学反应，他们的化学成分和物理特性对焊缝金属的化学成分、组织和性能发生影响。正确的选用焊丝并与焊剂配合使用时埋弧焊接技术的一项关键内容。

根据连铸辊堆焊材料合金系分析，我们根据足辊（支导辊）、弧形段辊和水平段辊不同的失效机理，采用不同的埋弧堆焊用焊丝：

（1）高温段连铸辊结晶器足辊采用0Cr13Ni6Mo2N，弧形段采用1Cr13Ni4Mo2，矫直段采用1Cr13Ni2Mo。

（2）低温段连铸辊水平段温度较低、较少水蒸气的腐蚀，采用25Cr3Mo2MnV恢复连铸辊尺寸。

焊丝除了选用合适的化学成分外，焊丝尺寸上允许的直径偏差需符合表2.2所示。

表1焊丝直径允许偏差

注：要求焊丝的椭圆度小于直径公差的0.75倍

埋弧堆焊用焊剂在堆焊过程中是起着隔离空气、保护焊接金属不受空气侵害的作用，对熔化金属进行冶金处理的作用，焊剂在堆焊中起关键的作用，选择焊剂时应考虑几点要求，首先应有较好的冶金性能，选用合适的焊丝和合理的焊接工艺，焊缝金属应能得到适宜的化学成分和良好的力学性能以及较强的抗冷裂纹和热裂纹的能力。其次焊剂应具有良好的工艺性、保证焊接过程电弧温度，防止在焊接过程中形成有害气体，最后焊剂应有一点的颗粒度及颗粒强度，同时需有良好的抗潮性及较低的硫、磷含量。焊剂按不同的方法有不同的分类形式，按制造方法分类，有两种分类形式；

熔炼焊剂是将一定比列的各种配料放在炉内熔炼，然后经水冷理化、烘干、筛选而成的一种焊剂。国产熔炼焊剂类型有HJ260、HJ431、HJ430、HJ107等。

非熔炼焊剂焊剂所用粉状配料不经熔炼，而是加入粘结剂后经造粒和焙烧而成国产熔炼焊剂类型有SJ101、SJ70s、SJ261、SJ537。

选择焊剂必须与选择焊丝同时进行，因为焊剂和焊丝的不同组合，可获得不同性质或不同化学成分的熔敷金属。选用焊剂时，除了要考虑母材性质外，还要考虑产品的各项焊接技术要求和焊接工艺灯因素。因为不同类型焊接的工艺性能、抗裂纹性能和抗气孔性能有较大差别。对焊剂的选择需满足以下要求

(1)焊剂应具有良好的冶金性能，焊接时配以适当的焊丝和合理的焊接工艺，焊缝金属应能得到适宜的化学成分和良好的力学性能(与母材相适应的强度和较高的塑性、韧性)以及较强的抗冷裂纹和热裂纹的能力。

(2)焊剂应具有良好的工艺性、电弧燃烧稳定，熔渣具有适宜的熔点、黏度和表面张力。焊道与焊道间及焊道与母材间充分熔合，过渡平滑没有明显咬边，脱渣容易，焊缝表面成形良好，以及焊接过程中产生的有害气体少。

(3)焊剂要有一定的颗粒度，并且应有一定的颗粒强度，以利于多次回收使用。焊剂的颗粒度分为两种:普通颗粒度焊剂的粒度为2.5-0.45mm(8一40目)，用于普通埋弧焊和电渣焊；细颗粒度焊剂的粒度为1.25-0.28mm(14—60目)，适用于半自动或细丝埋弧焊。其中小于规定粒度60目以下的细颗粒不大于5%，规定粒度14目以上的粗颖粒不大于2%。

(4)焊剂应有较低的含水量和良好的抗潮性。出厂焊剂含水量的质量分数不得大于0.10%，焊剂在温度25℃、相对湿度70%的环境条件下，放置24h，其吸潮率不应大于0.15%。

（5）焊剂中机械夹杂物(碳粒、生料、铁合金凝珠及其他杂质)的含量不得大于焊剂质量分数的0.30%。

（6）焊剂应有较低的S、P含量，一般为S≤0.06%，P≤0.08%。

3堆焊工艺流程

连铸辊堆焊工艺制造流程如图2.3所示，具体工艺过程如下：

图1连铸辊堆焊流程

1、焊前准备

1）旧辊清理。堆焊前必须对辊子表面进行清理，除去辊身上的油污和铁锈等杂物。

2）旧辊粗车。堆焊前粗车就是将各种裂纹和砂眼彻底清理干净，对于环裂纹小可采用局部车削的方法将裂纹清除，对个别的深孔砂眼，需要电钻将砂眼钻深、扩大，再用手工电弧焊补焊。

3）探伤。粗车后进行探伤是为了最后确认堆焊辊子是否合格。

4）预热。当辊子碳当量大于0.55或者辊子直径大于300mm时，堆焊前必须预热。以防止堆焊时焊缝区产生裂纹和堆焊层金属产生结晶裂纹。

2、堆焊

1）堆焊材料。堆焊材料在700℃时应有高的屈服强度和断面收缩率，线膨胀系数要小，淬火相变点应在700℃以上。对于不同工作位置的连铸辊采用不同的堆焊材料，如结晶器足辊采用镍基高温合金，弧形段二冷辊采用(1Cr13)系高镍不锈钢材料，矫直段采用(1Cr13)系低镍不锈钢材料。

2）堆焊规范。采用“低电压、低电流、薄层多次堆焊”方法，这样的方法堆焊层的质量高。

3）堆焊操作技术。控制好辊子中心顶点与焊丝位置及焊丝倾斜角度。

a、由于辊子是圆柱体，转动使熔渣和熔融的液体金属要向前流，为了防止液态金属和熔化的焊剂流失，需要焊丝从辊子中心顶点向后移动辊子直径的5%左右的距离S。

b、轴类工件一般采用前倾位置法堆焊，堆焊时焊丝与辊子中心线夹角通常取5°左右。

c、为了保证起弧和收弧处的堆焊质量，防止熔渣、熔融的液体在连铸辊两侧外流，在其两侧用厚4mm宽30-40mm的扁钢作引弧环和熄弧环，一般低于辊面3~5mm。

d、堆焊时，应注意焊接顺序与方向，第一层自左向右堆焊，第二层则自右向左堆焊，第三层与第一层方向相同，以后各层依次类推。

3、焊后处理

堆焊完后连铸辊应先保温缓冷，然后再装入加热炉进行回火处理：一般升温至500℃以上温度，升温速度10℃/h，保温5h以上后随炉冷却至150℃出炉，冷却到室温后检查硬度达到HRC43-47。

此外，应按GB3323-87标准中Ⅰ级标准，用超声波探伤仪对辊身内部进行焊接缺陷有无检验，其缺陷应符合GB/T13316-91中B级标准，若有缺陷需把缺陷车削掉重新堆焊。

4堆焊工艺优化

根据前述所做实验，可知不同辊径大小在相同焊接工艺下得到的机械性能不一样，因此需根据不同辊径大小的连铸辊采用不同的焊接工艺参数进行生产，为了提高产品的合格率，本章对连铸辊生产工艺进行优化。

4.1试验方法

焊接电流是焊条电弧焊的主要工艺参数，焊工在操作过程中需要调节的只有焊接电流，而焊接速度和电弧电压都是由焊机控制的。焊接电流的选择直接影响着焊接质量和劳动生产率。焊接电流的过大或过小都会影响焊接质量，所以其选择应根据焊条的类型、直径、焊件的厚度、接头形式、焊缝空间位置等因素来考虑，为此，根据连铸辊辊径大小采用不同的焊接电流。其他工艺参数参考第三章试验进行，实际工艺参数见表2所示，

表2埋弧堆焊试验的工艺参数

表2中的焊接线能量为每单位长度焊缝从移动热源输入的能量，即：

E=UIη/V

其中，E为热输入（J/cm）；U为电弧电压（U）；I为焊接电流（A）；V为焊接速度，即电弧移动速度（cm/s），η为热效率，。

利用公式堆焊电流的大小与熔深之间的关系为：

H=Km×I

式中：H—熔深（mm），Km—熔深系数（mm/100A），I—堆焊电流（A）。当焊丝直径为?4-?5mm，工作电压为32-34V，堆焊速度为30-60m/h，取Km=0.7-1.3mm/100A。

计算出对应三种工艺参数的热输入平均值：29KJ/cm（A试样）、31KJ/cm（B试样）、33KJ/cm（C试样）。

连铸辊堆焊后，由于在相同热处理条件下，辊径小的表层硬度较低。为了满足连铸辊硬度要求HRC42-50，对三种规格不同的连铸辊进行保温500℃、520℃、540℃、560℃、580℃保温，以20℃/h加热到设定温度，保温6小时，后以10℃/h冷却到150℃，最后随炉冷却至室温,热处理工艺如图2所示。

具体工艺参数见图

根据表3数据，绘制退火温度与硬度的关系如图3。由图可知随着退火温度的增大，连铸辊表面硬度逐渐降低。同时辊径小的A连铸辊硬度比辊径大的C连铸辊表面硬度要小。是因为在焊接过程由于辊径大小一样，温度传递的速度不一样，导致焊接后原始组织部一样，因此，在相同的热处理条件下，辊径小的硬度要较小些。

图4连铸辊焊缝显微组织：

(a)热处理温度560℃;(b)热处理温度540℃;(c)热处理温度520℃;(d)热处理温度500℃

在堆焊过程中，经过三层焊接后，连铸辊表面都由焊接过程形成的金属熔池进行再结晶而成。由于冷却速度很快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，合金语速那的分布是不均与的，很容易出现偏析现象，同时在焊缝的边界处，熔合区还出现为明显的成分不均匀，严重影响的焊接质量，为此堆焊后的连铸辊需及时进入炉内进行回火处理，通过回火处理消除焊接过程中的组织部均匀现象，提高焊接质量。如图所示为B连铸辊焊缝处金相图。由图可知，当退火温度为520℃和500℃时，组织为下贝氏体，当退火温度为540℃和560℃时，组织为马氏体组织。

5堆焊连铸辊上线使用情况

新钢第二炼钢厂连铸机投入使用时，使用的新辊使用效果不是很理想，影响到板坯的质量。为了更好的确定连铸辊的堆焊效果，新钢机制公司和第二炼钢厂对埋弧堆焊辊子与新辊进行了比较。

取在同一段使用的新辊与埋弧堆焊辊进行对比观察：足辊Ф140mm×370mm，弧形段辊Ф230mm×370mm，矫直辊Ф250mm×370mm，水平段辊Ф270mm×370mm，上机使用情况见表4所示。

表4连铸辊使用寿命对比

由表4可以看出，埋弧堆焊辊质量较好，体现在埋弧堆焊辊的足辊、弧形段辊、矫直辊、水平段辊的单位过钢量分别为25万吨、110万吨、136万吨及189万吨，而新辊的使用寿命分别为15万吨、73万吨、89万吨及110万吨，因此堆焊后的连铸辊寿命明显高于新辊水平。对下线后的埋弧堆焊辊进行检查，辊身仍未出现表面龟裂、剥落，且磨损量较小。生产实践表明，对于连铸辊而言，采用埋弧堆焊技术复合制造连铸辊或修复，其寿命明显提高，体现出较好的经济效益。

结论

1根据新钢连铸辊的材质情况，确定了堆焊选用焊丝1Cr13Ni4Mo2，焊丝直径Ф3.2mm，匹配烧结焊剂SJ301。

2对不同直径大小的连铸辊进行堆焊试验，结果表明不同直径的连铸辊热影响区组织不一样，直径小的晶粒较粗大，并有铁素体存在，较大直径连铸辊组织基本由索氏体组织组成；不同直径大小的连铸辊，焊缝组织基本相同，都是由马氏体+少量的铁素体组织组成。同时随着辊径的增大，相对应的每层硬度略有增加。相同的辊径大小的连铸辊从第一层到第三层硬度逐渐减少。

3研究了不同的热处理工艺对堆焊层的影响，结果表明随着退火温度的增大，连铸辊表面硬度逐渐降低。同时辊径小的A连铸辊硬度比辊径大的C连铸辊表面硬度要小。随着退火温度由580℃到降低到500℃，焊缝组织也由贝氏体组织转变成马氏体组织。

4确定了不同连铸辊的堆焊工艺，经实践证明采用堆焊的连铸辊寿命明显高于新辊水平，堆焊后的连铸辊体现出良好的经济效益。