攀钢连铸堆焊复合辊研制与应用技术学习体会

文献概况与核心问题

本文发表于1999年《钢铁钒钛》，由攀枝花钢铁研究院、攀钢机械制造公司、攀钢提钒炼钢厂和攀钢机动处联合撰写，系统阐述了攀钢连铸堆焊复合辊的研制与应用。连铸辊作为连铸机的核心部件，其使用寿命直接影响连铸机的生产节奏和铸坯质量。传统的15CrMo普通连铸辊使用寿命较短，频繁更换辊子不仅增加了生产成本，还影响了连铸机的作业率。

本文的核心创新在于：选择了国内通用的单丝埋弧焊成熟技术堆焊连铸辊，通过实验室对比15CrMo辊芯母材和堆焊金属的性能，选择并优化了堆焊工艺参数，使堆焊的连铸复合辊实物水平达到了企业内部技术条件。经工业装机试验表明，堆焊的连铸复合辊较15CrMo普通连铸辊使用寿命提高3至6倍。

从焊接技术专家的视角审视，连铸辊堆焊是一个典型的表面强化工程，其技术难点在于：如何在高温度、高接触应力、热循环和冷却水冲刷的综合作用下，确保堆焊层的耐磨性、抗热疲劳性和与辊芯的冶金结合质量。

连铸辊工作条件与失效分析

连铸辊的工作条件极为苛刻。辊子表面承受铸坯的高温（钢水温度通常在1500至1600°C，铸坯表面温度在1000至1300°C），同时承受巨大的法向接触应力（通常在100至300 MPa范围内），还承受铸坯凝固收缩产生的拉应力。此外，辊子表面还受到冷却水的冲刷和热循环作用，热循环频率高、温差大，容易导致辊面热疲劳裂纹的产生。

连铸辊的典型失效形式包括：表面磨粒磨损、热疲劳裂纹、表面剥落、辊面龟裂和辊体疲劳断裂等。其中，磨粒磨损是最常见的失效形式，由铸坯表面的氧化铁皮（scale）在辊面滑动时切削辊面材料所致；热疲劳裂纹则由于辊面承受反复的热循环作用，表层材料产生交变的拉应力和压应力，最终导致微裂纹萌生和扩展。

堆焊复合辊的设计思路

堆焊复合辊的设计思路是在15CrMo辊芯表面堆焊一层耐磨、抗热疲劳的合金层，从而在不改变辊芯整体结构的前提下，显著提高辊面的耐磨性和使用寿命。这种设计思路的优势在于：辊芯仍采用成本较低的15CrMo钢，保证了辊体的强度和韧性；堆焊层则采用高合金耐磨材料，提供了优异的耐磨性和抗热疲劳性能；两者通过冶金结合，形成了一个性能互补的复合结构。

堆焊复合辊的设计需考虑以下关键参数：辊芯材料（15CrMo钢）、堆焊层材料（高合金耐磨材料）、堆焊层厚度（通常为3至8 mm）、堆焊层硬度（HRC50至HRC60）、堆焊层与辊芯的结合强度（应大于辊芯母材的抗拉强度）、辊面粗糙度（Ra1.6至Ra3.2 μm）等。

堆焊材料与工艺优化

堆焊材料选择

堆焊材料的选择是堆焊复合辊设计的核心。本文选择了国内通用的单丝埋弧焊技术，堆焊材料为高合金耐磨材料。常见的连铸辊堆焊材料包括：

对于攀钢的连铸工况（主要生产碳钢和低合金钢），选择中铬铸铁或铁基合金+碳化钨增强型堆焊材料较为合适。这类材料硬度适中（HRC50至HRC60），耐磨性好，抗热疲劳性较好，且成本相对较低。

堆焊工艺参数优化

本文采用单丝埋弧焊技术堆焊连铸辊，工艺参数优化是关键。埋弧焊的典型工艺参数为：

工艺参数优化的核心目标是：在保证堆焊层与辊芯冶金结合质量的前提下，获得均匀的堆焊层硬度、良好的焊道成形和最小的残余应力。为此，需要进行系统的工艺试验，包括单道焊试验、多层焊试验和工艺参数敏感性分析。通过正交试验或田口方法优化工艺参数，找到最佳参数组合。

工业装机试验与效果评价

本文通过工业装机试验验证了堆焊复合辊的实际效果。试验结果表明，堆焊的连铸复合辊较15CrMo普通连铸辊使用寿命提高3至6倍。这一显著的性能提升来源于以下几个方面：

1. 堆焊层的高硬度：堆焊层硬度（HRC50至HRC60）远高于辊芯母材（15CrMo钢硬度约HRC25至HRC30），有效抵抗了氧化铁皮的磨粒磨损。
2. 堆焊层的抗热疲劳性：高合金堆焊材料具有良好的抗热疲劳性能，能够承受连铸过程中反复的热循环作用，减少热疲劳裂纹的产生。
3. 堆焊层与辊芯的冶金结合：通过合理的工艺参数优化，堆焊层与辊芯之间形成了良好的冶金结合，避免了堆焊层剥落的风险。
4. 辊芯的韧性支撑：15CrMo辊芯具有良好的韧性和强度，为堆焊层提供了可靠的支撑，防止了辊体疲劳断裂。

效果评价方法

堆焊复合辊的效果评价应采用多维度指标体系，包括：使用寿命（以更换次数或运行小时数衡量）、铸坯表面质量（以表面缺陷率衡量）、辊面磨损量（以磨损深度或轮廓变化衡量）、辊面温度（以红外测温或热电偶测量）、连铸机作业率（以停机时间衡量）等。通过对比堆焊复合辊和普通辊的各项指标，可以全面评价堆焊复合辊的技术经济效果。

与工程实践的结合

从钢管和管件焊接的角度类比，连铸辊堆焊与管道内壁耐磨堆焊、阀门密封面堆焊在技术原理上具有相通之处。管道内壁堆焊同样面临高硬度堆焊层与铁素体-珠光体基体的冶金匹配问题，同样需要多层堆焊策略和严格的层间温度控制。在管道堆焊实践中，我们常采用类似的多层堆焊策略：第一层采用低合金过渡层焊材（如E7018），第二层采用中合金耐磨层，第三层采用高合金高硬度层，从而在界面处形成硬度梯度，有效缓解残余应力。

连铸辊堆焊的工程实践启示在于：堆焊复合辊的成功应用，关键在于材料选择、工艺参数和质量控制的协同优化。材料选择应基于工况分析和失效模式分析，工艺参数应基于系统试验和敏感性分析，质量控制应基于全过程监控和检测。三者缺一不可，任何环节的疏漏都可能导致堆焊层早期失效。

学习心得与启示

通过研读本文，我深刻体会到堆焊技术在延长关键部件使用寿命方面的巨大潜力。连铸辊作为连铸机的核心部件，其使用寿命直接影响连铸机的生产节奏和铸坯质量。通过堆焊复合辊技术，可以将辊子使用寿命提高3至6倍，显著降低生产成本，提高连铸机作业率。

本文发表于1999年，距今已有二十余年，但其中关于堆焊材料选择、工艺参数优化和工业装机试验的方法论，至今仍具有重要的参考价值。随着焊接技术的发展，激光熔覆、冷焊等新型表面工程技术已逐步应用于连铸辊修复，但传统埋弧焊堆焊凭借其设备投资低、工艺成熟、适用范围广等优势，在中小规模修复作业中仍占据主导地位。

对于技术人员而言，掌握堆焊技术的核心原理，理解材料选择、工艺参数和质量控制之间的内在联系，才能在工程实践中做出最经济、最可靠的技术决策。同时，应关注新兴表面工程技术的发展趋势，根据具体工况和成本要求，灵活选择最合适的修复工艺，实现设备维护效益的最大化。