中速磨煤机堆焊修复用自保护药芯焊丝研制的文献学习体会

文献概况与工程背景

本文由西安建筑科技大学机电学院耐磨材料研究所的付永红、武宏、许云华及中国舰船研究院的张晗共同完成，发表于2011年《热加工工艺》第40卷第19期。中速磨煤机是火力发电厂制粉系统的核心设备，其磨辊、磨盘等关键部件在运行过程中承受煤粉颗粒的持续冲刷和研磨，磨损极为严重。传统的更换新件方式不仅成本高昂，而且停机时间过长，严重影响电厂的可用率。因此，采用堆焊修复技术对中速磨煤机磨损部件进行再制造，已成为电力行业广泛采用的经济有效手段。

该文献的核心贡献在于研制出一种适用于中速磨煤机耐磨硬面堆焊的自保护药芯焊丝，并通过系统的实验验证了其焊接工艺性能、堆焊层组织和耐磨性能。自保护焊丝无需外接保护气体，特别适用于野外作业、现场修复等无法提供保护气体的工况，这对于电厂检修中的现场堆焊修复具有重要的实用价值。

核心技术要点解读

焊丝配方设计思路

文献采用Fe-Cr-C合金系作为基础体系，通过计算确定了几组备选实验方案，再通过实验确定最终配方。这一设计思路体现了从理论计算到实验验证的科学方法。在Fe-Cr-C合金系中，Cr和C是决定堆焊层硬度和耐磨性的关键元素：Cr促进硬质碳化物（如Cr7C3、Cr23C6）的形成，C则直接影响碳化物的类型和数量。

自保护药芯焊丝的设计难点在于：药皮成分需要同时满足造渣保护、脱氧脱硫、合金化以及改善焊接工艺性能等多重功能。药皮中的矿物成分（如大理石、萤石、铁矿粉等）在高温下分解产生CO2和CO气体，形成保护气氛，同时生成的熔渣覆盖在焊缝表面，防止高温金属与空气接触氧化。

堆焊层组织与性能

实验结果表明，所研制药芯焊丝的焊接工艺性能良好，焊道成型美观。堆焊层表面出现细密的网状裂纹，这一现象在高碳钢和高铬铸铁堆焊层中较为常见，主要由于凝固过程中碳的偏析和收缩应力所致。虽然裂纹的存在在理论上会降低堆焊层的整体性，但由于裂纹细密且呈网状分布，并未形成贯穿性裂纹，因此在实际应用中并不影响堆焊层的耐磨性能。

堆焊层的微观组织主要由垂直于基材方向生长的（Cr,Fe）7C3初生碳化物和共晶组织构成。（Cr,Fe）7C3型碳化物是Cr-C合金中最常见的硬质相之一，其硬度高、熔点高，是堆焊层耐磨性的主要贡献者。垂直于基材方向生长的特征表明，碳化物在凝固过程中沿温度梯度方向优先析出，这一取向有利于形成连续的硬质相网络，提高堆焊层的整体耐磨性。

堆焊层的洛氏硬度达到62HRC，耐磨性约为新铸产品的1.5倍。这一硬度水平对于中速磨煤机的磨辊和磨盘而言是完全满足要求的。新铸高铬铸铁的硬度通常在55-60HRC之间，堆焊层达到62HRC表明通过焊接冶金过程实现了碳化物的细化与弥散分布，从而获得了优于铸态的硬度。

与工程实践的结合

在电厂现场检修中，中速磨煤机磨辊的堆焊修复是一项高频操作。传统的堆焊修复工艺多采用明弧焊条电弧焊或埋弧焊，前者效率低、成型差，后者需要复杂的设备。自保护药芯焊丝的应用显著提高了修复效率，同时保证了堆焊层质量。

在实际应用中，需要注意以下工艺要点：

1. 焊前处理：基材表面需彻底清除氧化皮、铁锈和油污，必要时进行预热以降低冷裂纹敏感性。
2. 焊接参数：焊接电流通常在200-300A之间，焊接速度根据焊道宽度控制在0.3-0.5m/min。
3. 层间温度：多层堆焊时，层间温度应控制在150-250℃之间，避免温度过高导致碳化物粗化。
4. 焊后处理：对于耐磨性要求较高的部位，可进行低温回火（200-300℃）以消除残余应力，同时保持硬度。

从FMEA角度分析，自保护药芯焊丝堆焊修复的主要失效模式包括：堆焊层裂纹（由于碳偏析和收缩应力）、堆焊层剥落（由于结合强度不足）以及磨损过快（由于碳化物分布不均）。针对这些失效模式，可通过优化焊丝配方、改善焊接工艺参数和加强焊后处理来加以控制。

关键疑问与深度思考

该文献虽然验证了自保护药芯焊丝的基本性能，但仍有若干问题值得深入探讨。首先，堆焊层表面的网状裂纹虽然未形成贯穿性裂纹，但在长期服役中是否会扩展为疲劳裂纹源？在中速磨煤机的复杂应力状态下，这些微裂纹的扩展行为需要进一步研究。

其次，文献未涉及堆焊层与基材的结合强度。对于磨辊等承受冲击载荷的部件，结合强度是决定堆焊层使用寿命的关键因素。在实际应用中，如果堆焊层与基材的结合强度不足，即使在堆焊层未磨损的情况下也可能发生剥落失效。

此外，自保护药芯焊丝的批次稳定性也是一个重要问题。由于药皮成分在高温下的反应较为复杂，不同批次焊丝的性能可能存在波动。在批量修复中，需要对焊丝进行严格的入厂检验，包括化学成分分析、焊接工艺性能试验和堆焊层性能验证。

学习心得与启示

通过研读该文献，我认识到自保护药芯焊丝在中速磨煤机堆焊修复中的独特优势。在现场检修条件下，自保护焊丝无需外接保护气体，设备简单、操作灵活，特别适合电厂检修周期短、作业环境复杂的工况。同时，该文献的配方设计思路——从理论计算到实验验证——为新型焊丝的开发提供了可借鉴的方法论。

对于工程技术人员而言，该文献的启示在于：堆焊修复材料的开发不能仅关注硬度指标，而应综合考虑焊接工艺性能、组织特征、耐磨性和结合强度等多方面因素。只有在系统性的评价框架下，才能开发出真正适用于工程应用的堆焊材料。