卓金管件有限公司连铸辊带极埋弧堆焊烧结焊剂研制学习体会
文献概况与技术背景
廖永平等发表于《焊接》2005年第8期的这篇文章，详细阐述了用于连铸辊带极埋弧堆焊的烧结焊剂SJ315的研制过程。该研究由机械科学研究院哈尔滨焊接研究所与鞍钢新钢铁公司热轧带钢厂合作完成，具有鲜明的产学研合作特征。
连铸辊是连续铸钢生产中的核心部件，其工作表面承受高温钢水、凝固坯料和冷却水的多重作用，要求堆焊层具有优异的耐磨性、耐热性和抗热疲劳性能。带极埋弧堆焊（Electrode Cladding with Submerged Arc, ECA-SC）是一种高效的堆焊方法，适用于大面积、厚层堆焊，但焊剂的选择对堆焊质量至关重要。
烧结焊剂SJ315的研制过程
焊剂配方的设计思路
烧结焊剂SJ315的配方设计遵循以下原则。
| 设计原则 | 具体要求 | 实现方式 |
|---|---|---|
| 合金化能力 | 提供足够的合金元素 | 添加Cr、Mo、N等合金添加剂 |
| 冶金性能 | 减少气孔、裂纹等缺陷 | 优化脱氧剂和保护剂配比 |
| 工艺性能 | 电弧稳定、飞溅小 | 调整熔渣碱度和粘度 |
| 成本可控 | 原材料易得、价格适中 | 选用国内可获取的原料 |
焊剂化学成分设计
烧结焊剂SJ315的主要化学成分设计如下。
| 成分 | 含量范围 | 作用 |
|---|---|---|
| SiO₂ | 30~40% | 主要造渣成分，提供保护 |
| CaF₂ | 15~25% | 改善熔渣流动性，减少气孔 |
| MnO | 8~12% | 合金化元素，提高堆焊层强度 |
| Al₂O₃ | 5~10% | 改善熔渣稳定性 |
| 合金添加剂 | 5~10% | Cr、Mo、N等，提高堆焊层性能 |
| 脱氧剂 | 2~5% | 减少氧化，提高冶金质量 |
烧结工艺参数
烧结焊剂的制备工艺包括配料、混合、压制、烧结等步骤，关键工艺参数如下。
| 工艺参数 | 典型值 | 对焊剂性能的影响 |
|---|---|---|
| 混合时间 | 10~20 min | 影响成分均匀性 |
| 压制压力 | 20~30 MPa | 影响烧结体强度 |
| 烧结温度 | 900~1100°C | 影响烧结体致密度 |
| 烧结时间 | 30~60 min | 影响烧结体微观结构 |
| 冷却方式 | 空冷或缓冷 | 影响烧结体脆性 |
与焊带H0Cr13Ni4MoN的匹配
焊带成分设计
焊带H0Cr13Ni4MoN的成分设计针对连铸辊的服役条件。
| 成分 | 含量 | 作用 |
|---|---|---|
| C | 0.08~0.12% | 低碳，减少脆性 |
| Cr | 12~14% | 提高耐蚀性和耐磨性 |
| Ni | 3~5% | 改善韧性，减少裂纹 |
| Mo | 0.8~1.2% | 提高高温强度和抗热疲劳性 |
| N | 0.05~0.10% | 固溶强化，提高强度 |
焊剂-焊带匹配效果
SJ315焊剂与H0Cr13Ni4MoN焊带的匹配效果体现在。
- 焊接工艺性能：电弧燃烧稳定，飞溅率低，熔渣覆盖良好。
- 冶金性能：堆焊层化学成分均匀，无明显偏析。
- 力学性能：堆焊层硬度HRC 35~40，抗拉强度≥700 MPa。
- 抗热疲劳性能：经多次热循环后，堆焊层无明显裂纹。
性能对比与经济效益
与传统1Cr13系材料的性能对比
| 性能指标 | 传统1Cr13系堆焊层 | SJ315+H0Cr13Ni4MoN堆焊层 | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 硬度（HRC） | 30~35 | 35~40 | 15%~20% |
| 抗拉强度（MPa） | 600~650 | 700~750 | 12%~15% |
| 抗热疲劳循环次数 | 50~80 | 80~120 | 40%~50% |
| 连铸辊使用寿命 | 1.0倍 | 1.5~2.0倍 | 50%~100% |
经济效益分析
连铸辊堆焊修复相比更换新辊具有显著的经济效益。
- 直接成本：堆焊修复成本约为新辊成本的10%~20%。
- 间接效益：减少停机时间，提高生产效率。
- 使用寿命：新型焊剂-焊带组合使连铸辊使用寿命延长50%~100%。
- 综合效益：每年可为企业节省数百万元成本。
质量控制与FMEA分析
堆焊过程FMEA分析
| 失效模式 | 潜在原因 | 潜在后果 | 严重度 | 发生度 | 探测度 | RPN | 对策 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 裂纹 | 热输入过大/层间温度过高 | 堆焊层开裂 | 9 | 4 | 3 | 108 | 控制热输入+预热 |
| 气孔 | 焊剂受潮/保护不良 | 堆焊层气孔 | 7 | 3 | 4 | 84 | 焊剂烘干+加强保护 |
| 未熔合 | 焊接参数不当 | 界面结合不良 | 8 | 3 | 3 | 72 | 优化焊接参数 |
| 飞溅 | 电弧不稳定 | 表面质量差 | 5 | 4 | 2 | 40 | 稳定电弧+调整参数 |
质量控制要点
- 焊剂储存：焊剂应储存在干燥环境中，使用前需烘干（250~300°C，2~4小时）。
- 基体准备：堆焊前需清除基体表面氧化皮和油污，必要时进行预热。
- 工艺参数监控：焊接过程中需实时监控电流、电压、焊接速度等参数。
- 层间温度控制：多层堆焊时，层间温度应控制在150~250°C范围内。
- 焊后检测：堆焊完成后需进行外观检查、磁粉检测和硬度测试。
学习心得与展望
焊剂研制的方法论
这篇文献体现了焊剂研制的一般方法论：需求分析→配方设计→工艺优化→性能测试→工业应用。这种系统化的研制方法值得借鉴。特别是焊剂与焊带的匹配设计，体现了焊接材料"系统匹配"的思想，即焊剂、焊丝、基体材料三者需要协同设计，才能实现最佳焊接效果。
对钢管和管件行业的借鉴意义
连铸辊带极埋弧堆焊的焊剂研制经验对钢管和管件行业有以下借鉴价值。
- 专用焊剂开发：针对钢管内壁防腐堆焊、管件耐磨堆焊等特定需求，开发专用烧结焊剂。
- 焊剂-焊丝匹配：借鉴焊剂-焊带匹配设计思路，优化焊剂与焊丝的合金化协同。
- 大厚度堆焊：带极埋弧堆焊的大厚度堆焊经验，可应用于大口径钢管内壁防腐堆焊。
- 成本控制：焊剂配方的成本优化思路，对降低钢管和管件堆焊修复成本具有指导意义。
技术发展趋势
烧结焊剂技术正在向以下方向发展。
- 环保型焊剂：减少氟化物含量，降低焊接烟尘和有害气体排放。
- 高性能焊剂：通过纳米材料添加，进一步提高堆焊层性能。
- 智能化焊剂：开发具有自保护、自调节功能的智能焊剂。
- 绿色制造：焊剂生产过程中的节能减排和循环利用。
总结
这篇文献虽然发表于2005年，但其技术内容和方法论至今仍具有参考价值。烧结焊剂SJ315的成功研制，不仅解决了连铸辊堆焊的技术难题，也为焊接材料的研制提供了系统化的方法论。对于钢管和管件行业而言，焊剂研制经验、焊剂-焊丝匹配设计思路以及质量控制方法，都是值得深入学习和借鉴的宝贵资源。随着焊接材料技术的不断进步，烧结焊剂在钢管和管件堆焊修复中的应用前景将更加广阔。