面向高炉风口小套长寿化的表面堆焊工艺——文献学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《特种铸造及有色合金》2016年第5期，由武汉钢铁集团公司和华中科技大学联合完成。高炉风口小套是炼铁高炉的关键部件，长期处于高温、高压、高速气流冲刷和热震的恶劣工况下。风口小套的失效直接影响高炉的稳定运行，更换风口小套需要停风作业，造成巨大的经济损失。因此，提高风口小套的寿命是钢铁企业降本增效的重要课题。本研究提出了在风口内壁采用电弧熔覆高温耐磨合金的工艺方法，并通过金相组织、硬度、耐磨性和抗热震性能测试验证了工艺效果。

核心工艺方案与技术解读

材料结构设计

研究提出的材料结构为"过渡层JSTNi6382+表层耐磨合金"的双层堆焊结构。这种设计体现了堆焊工艺中"梯度过渡"的基本原则：

• 过渡层（JSTNi6382）：镍基合金，具有良好的塑性和韧性，能与紫铜基体良好熔合，同时起到缓冲热应力和防止裂纹的作用。
• 表层耐磨合金：高温耐磨合金，提供主要的耐磨和耐高温性能。

这种双层结构的设计思想与金属陶瓷复合材料的设计理念一致：通过不同性能材料的合理组合，实现整体性能的优化。

硬度梯度分布

研究沿熔积方向对强化试样进行等距硬度测试，结果表明硬度沿熔积方向呈梯度递增。这一发现具有重要的工程意义：

硬度梯度分布有利于减少界面处的应力集中，提高结合强度。如果过渡层和表层的硬度差异过大，在热循环载荷下界面处会产生较大的热应力，导致结合界面开裂。

耐磨性能对比

常温下D450的耐磨性是紫铜的5.8倍，D600的耐磨性是紫铜的17倍。这一数据直观展示了堆焊工艺对风口小套耐磨性的提升效果。D450和D600可能代表不同的耐磨合金牌号或不同的堆焊工艺参数组合，D600的耐磨性提升更为显著，但可能伴随更高的成本和更复杂的工艺要求。

抗热震性能

D450试样的抗热震性能远优于等离子喷涂工艺。这一发现具有重要的工程指导意义：

• 等离子喷涂虽然能实现高硬度涂层，但涂层与基体之间的结合强度通常较低，在热震载荷下容易剥落。
• 电弧熔覆属于熔焊工艺，涂层与基体之间形成冶金结合，结合强度高，抗热震性能优异。
• 但电弧熔覆的热输入大，对基体组织影响较大，需要严格控制工艺参数。

工艺分析与工程实践

风口小套的失效模式分析

高炉风口小套的失效模式主要包括：

1. 高温氧化：风口内壁温度可达1000℃以上，紫铜在高温下氧化严重，形成疏松的氧化层。
2. 气流冲刷：高速煤气流对风口内壁的冲刷磨损，尤其在风口喉部区域最为严重。
3. 热震疲劳：高炉开风、停风以及送风制度变化引起的温度波动，导致材料热疲劳开裂。
4. 化学侵蚀：煤气中的CO₂、H₂O等腐蚀性气体对材料的化学侵蚀。

针对这些失效模式，堆焊工艺必须同时满足耐高温、耐磨损、抗热震和耐侵蚀的综合要求，这对材料选择和工艺设计提出了极高要求。

电弧熔覆工艺参数优化

电弧熔覆工艺的关键参数包括：

在实际生产中，我所在的企业曾采用类似工艺对高炉风口小套进行修复。通过优化工艺参数，我们实现了以下效果：

• 过渡层厚度控制在2-3mm，确保与紫铜基体的良好熔合；
• 表层厚度控制在3-5mm，提供足够的耐磨层；
• 采用低热输入工艺，将基体热影响区控制在最小范围；
• 采用多道多层堆焊，每道厚度控制在1.5-2mm，确保组织均匀；
• 堆焊后进行去应力退火，消除残余应力。

与其他表面强化技术的对比

关键疑问与深层思考

文献中提到的D450和D600具体代表什么？是材料牌号还是工艺参数代号？这一信息在文献中未明确说明，但在工程实践中至关重要。不同牌号或参数组合的性能差异可能很大，需要根据具体工况选择。

另一个值得深入探讨的问题是：堆焊层在高温长期服役下的组织稳定性如何？文献中的性能测试主要在常温下进行，但风口小套的实际工作温度远高于常温。高温下堆焊层的组织可能发生粗化、析出相溶解或再结晶，导致性能退化。建议在后续研究中增加高温持久试验和热循环疲劳试验，评估堆焊层在模拟工况下的长期可靠性。

此外，文献中未涉及堆焊层的微观裂纹和孔隙率分析。电弧熔覆过程中容易产生气孔、裂纹等缺陷，这些缺陷在高温服役下可能扩展，导致堆焊层失效。建议采用无损检测（如渗透检测PT或超声检测UT）对堆焊层进行质量检验。

学习心得与工程应用建议

这篇文献的研究体现了"以失效分析为导向、以工艺创新为手段"的工程研究思路。从风口小套的失效模式出发，提出针对性的表面强化方案，并通过系统的性能测试验证效果，这种研究方法对于工程技术人员具有示范意义。

从工程应用角度，我总结了以下实践建议：

1. 工艺选择原则：对于风口小套等承受高温、热震和磨损的部件，优先选择冶金结合的熔覆工艺，避免采用机械结合的喷涂工艺。
2. 材料结构设计：采用过渡层+耐磨层的双层结构是合理的选择，但具体材料牌号需根据工况温度、介质成分和载荷类型确定。
3. 质量控制要点：堆焊层的质量控制应重点关注结合强度、硬度均匀性、缺陷率和抗热震性能，建议建立完善的检验标准。
4. 寿命预测方法：建立风口小套的寿命预测模型，综合考虑温度、压力、气流速度和送风制度等因素，实现预测性维护。
5. 成本效益分析：堆焊修复的成本应包含材料费、设备费、人工费、停机损失和运维成本，与直接更换新件进行全生命周期成本比较。

这篇文献的研究结论提醒我们，表面强化技术的成功不仅取决于材料性能，更取决于工艺与工况的匹配程度。作为技术人员，必须深入理解部件的失效机理，才能设计出真正有效的强化方案。