长寿命连铸辊堆焊材料与工艺开发的学习体会

文献概况与研究背景

本文由东北大学孙大乐等人与宝钢研究院合作完成，发表于2008年《东北大学学报（自然科学版）》第29卷第5期。连铸辊作为大型板坯连铸机的核心热工部件，长期处于高温钢水冲刷、急冷急热循环及机械摩擦的极端工况下，其使用寿命直接决定了连铸生产线的稳定运行与经济效益。连铸辊的典型失效形式包括热疲劳裂纹、表面剥落、点蚀坑蚀以及辊面磨损等，其中热疲劳是制约辊子寿命的首要因素。文献针对这一工程难题，在1Cr13NiMo基体堆焊材料的基础上引入功能合金元素，开发出新型堆焊焊带和匹配烧结焊剂，并通过系统试验优化了堆焊层间温度与焊后热处理工艺参数。

堆焊材料设计与组织性能分析

基体合金的选型逻辑

1Cr13NiMo属于马氏体不锈钢系列，其含碳量约0.1%、铬含量约13%、镍与钼的加入可显著提高合金的韧性与抗热疲劳性能。文献在此基础上增加功能合金元素，其核心思路是通过微量合金元素的固溶强化与析出强化双重机制，在保持马氏体基体韧性的同时提升高温强度和抗热震能力。从焊接冶金角度分析，铬元素的加入形成了表面氧化铬保护膜，有效抑制了高温氧化和钢水侵蚀；镍的加入改善了奥氏体与马氏体之间的相变行为，降低了淬火脆性；钼则提高了再结晶温度和高温蠕变抗力。

新型焊带与烧结焊剂的匹配设计

烧结焊剂在埋弧堆焊过程中不仅起到造渣保护的作用，还通过合金元素的回收向熔敷金属过渡。文献中新型烧结焊剂的配方设计需要兼顾三个目标：一是保证熔敷金属的化学成分稳定；二是控制焊缝中硫磷含量以降低热裂纹倾向；三是通过焊剂中的合金元素补偿烧损，确保最终熔敷层成分落在设计窗口内。这种焊带与焊剂的协同匹配是埋弧堆焊工艺优化的关键环节，也是国内堆焊材料实现进口替代的技术难点所在。

工艺参数优化与性能评价

层间温度与焊后热处理的影响

文献系统研究了不同堆焊层间温度和焊后热处理温度对熔敷金属组织和力学性能的影响规律。从焊接冶金学角度理解，层间温度的控制直接决定了每一道堆焊层的热输入累积效应和冷却速率。层间温度过低会导致焊道之间产生过大的热应力集中，增加层间裂纹风险；层间温度过高则会使前一道焊缝的淬火效果减弱，马氏体转变不充分，硬度下降。文献结果表明，存在一个最优层间温度区间，在此区间内可获得理想的回火马氏体组织与合理的硬度-韧性匹配。

焊后热处理方面，文献考察了不同回火温度对堆焊层残余应力消除和组织稳定的影响。合理的回火温度可将高碳马氏体转变为回火马氏体或回火索氏体，在保留足够硬度的同时大幅降低脆性，这对于承受冷热循环的连铸辊堆焊层至关重要。

冷热疲劳性能评价

文献通过冷热疲劳试验验证了新型堆焊材料的综合性能。冷疲劳试验模拟辊面在低温环境下的热冲击，热疲劳试验则模拟钢水浇注过程中的急热过程。试验结果表明，新型堆焊熔敷金属的冷热疲劳寿命明显优于进口焊材，这一结论具有重要的工程指导意义，说明国产堆焊材料在性能上已经具备与国际先进水平的竞争能力。

工程实践启示与思考

从钢管与管件制造行业的视角来看，连铸辊堆焊技术的进步对上游钢材供应质量有深远影响。连铸辊的寿命延长意味着钢坯表面质量的提升，进而有利于后续钢管轧制工序的稳定运行。在实际工程应用中，堆焊辊的修复质量往往受到现场操作条件的制约，例如层间温度的监控精度、焊后热处理的炉温均匀性等，这些都需要在工艺规程中制定明确的控制标准和检验方法。

本文的研究方法体现了材料设计与工艺优化相结合的系统工程思想。从FMEA的角度分析，连铸辊堆焊修复过程中的关键失效模式包括层间开裂、剥落和热疲劳裂纹扩展，对应的控制措施分别为层间温度控制、焊后回火处理和熔敷金属成分优化。这种从材料-工艺-性能-寿命全链条进行系统优化的思路，值得在管件修复与再制造领域推广借鉴。

总体而言，该文献为连铸辊堆焊材料国产化提供了坚实的理论基础和技术路线，其核心贡献在于通过功能合金元素的引入实现了性能超越，同时通过工艺参数的精细化控制保证了批量生产的一致性，这对于推动国内堆焊材料行业的技术升级具有重要的参考价值。