立磨磨輥磨盤硬面堆焊在建材行業(yè)的發(fā)展和應用回顧

  1 引言

  立磨是水泥制粉系統(tǒng)的重要設備，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，因此工件的壽命較短，嚴重影響正常生產。傳統(tǒng)上國內水泥生產廠都是采取更換備件的方式來保證生產，但勢必造成資金和時間的浪費。

  上世紀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技術，解決了當時立磨生產中存在的磨輥磨盤磨損嚴重和壽命短的弊病，既降低了生產成本，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方式。自2001年參與對中國第一臺礦渣磨在線堆焊修復以來，在國內開展了水泥或礦渣立磨磨輥和磨盤的明弧堆焊修復技術，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行了多次離線或在線堆焊修復,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，用于替代進口。實踐表明，相對鑄造件，明弧堆焊修復可使水泥或礦渣立磨磨輥和磨盤的壽命提高一倍；采用復合制造的方法生產新品，成本是原裝進口的1/2左右，壽命卻與之相當。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 磨機的磨損機理

  磨機的磨損主要是物料對磨輥及磨盤的摩擦損耗而產生的三體磨料磨損。利用電鏡和金相組織分析可知，隨著物料中雜質（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顆粒對其表面造成碾動磨削，使金屬表面產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，靠磨盤和磨輥的內磨來驅動。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，鑄件靠一種硬質材料來增強抗磨性，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行堆焊修復，也大量復合制造新品，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，造成鑄造件遠低于堆焊件的運行壽命。因此，堆焊后部件在工藝、內在質量、可修復性、經(jīng)濟性等方面優(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。

  圖1  未堆焊的磨盤磨損數(shù)據(jù)表

  圖示藍、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、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。綜合計算結果，可以認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 因內在缺陷發(fā)生斷裂

  有些鑄造磨輥因其內部存在缺陷，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)內普遍認為，水渣立磨磨輥磨盤必須是可焊的，否則每一兩個月就停產換輥，將使生產難于安排，最重要的是磨輥磨盤消耗將吃掉所有生產利潤。

  所以輥子的質量取決于材料的設計，也決定于生產工藝和熱處理工藝，每一步都須非常仔細。

  4.2 因堆焊過厚產生斷裂

  在磨損特別嚴重的情況下，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，應盡量在磨輥未受到嚴重磨損時安排堆焊修復，既保證產量高，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

  如使用焊絲焊后金屬收縮系數(shù)與欲焊工件相差較大；或是焊絲配方設計不合理；還有如焊絲雜質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，是不能達到其最佳的使用和焊接性能的。因此在選擇堆焊材料時，應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)，其外觀相當難看。

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  鞍鋼實業(yè)冶金機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，磨輥壽命達到了進口原裝鑄件的1.5倍；2006年該二公司對該立磨拆下來的備件進行了離線堆焊，壽命也達到了進口新品的壽命，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，為其離線堆焊修復磨損的輥皮和襯板。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，磨損和剝落嚴重，影響了立磨的生產。2008年11月該水泥企業(yè)設備經(jīng)理明確表示，他認可價格較高的鞍鋼實業(yè)冶金機械有限公司堆焊質量。（鞍山圖片）

  因此認為，堆焊藥芯焊絲的品種和質量以及堆焊技術，對于水泥企業(yè)的心臟設備-立磨，至關重要。

  5 利用鑄鋼芯堆焊復合制造新品

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

  復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。

  但應引起注意的是，復合輥的鑄件的成分設計和內在質量以及加工精度和堆焊質量是非常重要的。如選擇不當，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）。嚴重影響了生產。

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

  北方某機械廠為某北方大型水泥集團下屬公司制造的3只復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施的小鑄造廠采購的鑄件，化學成分超標；二是堆焊后沒有進行接觸面的精加工，造成安裝困難和安裝非面接觸，在立磨生產過程中輥子局部受力嚴重超負荷。最為嚴重的是，因為立磨震?？刂剖?，在輥子斷裂后立磨始終運行，最終造成進口的減速機燒毀。據(jù)可靠消息，目前該二公司標底為3000多萬的訴訟官司還在進行中。

  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），其堆焊修復需要焊絲相應也少。

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

  8 堆焊修復

  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，以便用特制的旋轉裝置驅動，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），然后利用多臺焊機對旋轉的襯板組件進行連續(xù)堆焊。

  磨盤堆焊后外觀如圖35所示。

  8.3在線修復立磨磨輥磨盤

  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。但在線堆焊要求設備小巧靈活、故障少、焊接人員素質較高。但是在線堆焊對施工人員的素質要求較高：焊接施工人員具有很高的責任心，時刻盯住所焊工件，并不斷監(jiān)控和調整焊接工藝參數(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。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,并且未發(fā)生剝落。

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

  9 利用實驗立磨科學選擇焊絲

  9.1 實驗方法

  利用由德國進口的實驗立磨如圖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。實驗磨由一只盤和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成分。

  表1鎳4冷硬鑄鐵鑄件典型的化學成分%

  9.2 實驗磨機的工作描述

  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。將碾磨比壓調整到與工業(yè)磨機相同后，開啟試驗系統(tǒng)。啟動密封機、主風機、輔助風機、熱風爐烘磨直到磨后溫度達到100。調整主風機擋板，使風量達到試驗要求。啟動給料系統(tǒng)，手動調整磨內壓差達到試驗規(guī)定后切換到自動調整系統(tǒng)，同時啟動計時，并定時取樣稱重篩分。做好試驗記錄。調整分離器轉數(shù)，直到滿足產品細度要求，并將試驗物料全部磨完。按操作規(guī)定關機，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。報告主要內容是提供工業(yè)磨機的規(guī)格型號、單位功耗和不同耐磨材質的使用壽命。

  9.3 實驗結果

  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，同其它材料相比，OA CN－O的性能要優(yōu)于其它同類產品。它能產生硬質合金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的數(shù)據(jù)如表2。

  表2  CK水渣磨堆焊及生產情況

  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備檢修或故障原因而被迫進行的，因此并不是完全按計劃進行堆焊的。由表2可見其磨損率為3.63-4.7克/噸礦渣（平均4.3克/噸）。遠遠優(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在線明弧堆焊修復成本一次不到30萬元，修復一次就節(jié)約150多萬元。并且在立磨的磨盤上能進行10多次硬面堆焊，磨輥上堆焊處理也能達8-12次。如果多次修復，企業(yè)所獲的效益將十分顯著。

  因此，綜上所述，采用優(yōu)質焊絲堆焊修復水渣磨或水泥立磨，不但能夠降低費用，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修復磨輥磨盤，對保障正常生產起到了關鍵的作用。

  11 結論

  經(jīng)過八年的堆焊修復立磨和新制磨輥磨盤的實踐，積累了大量的經(jīng)驗教訓，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提供了至關重要的保證；

  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，是保證堆焊質量的關鍵；

  11.6 堆焊過程中應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，如磨輥磨損嚴重且不均勻，應采取合適的方法刨掉疏松的部分然后施焊；

  11.8 復合制造新輥應注意三點：一是鑄鋼內芯的成分應嚴格控制并盡量降低S和P的含量；二是打底層應確保既能與鑄鋼芯結合好，也能與硬面堆焊層牢固連接；三是應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，永遠保證磨輥磨盤最接近圖紙尺寸，可以達到最大限度地節(jié)能降耗，提高產量和效率的目的；

  11.10 利用實驗立磨科學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。