磨煤辊的堆焊修复的新材料 |
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前言 |
煤粉的制造是火力发电厂生产的重要环节。60年代发展起来的中速碗式磨煤机以其高效节能、安全可靠等突出优点正在逐渐取代传统的钢球磨煤机。目前国内已装机运行和正在装机中的中速磨煤机近300台。主要有RP、HP、MPS、MBF等四种型号。由于国内电厂用煤种类较多，杂质偏高，可磨性较差，使中速磨煤机的重要工作件磨煤辊的耐磨寿命问题成为其能否安全经济运行的关键。
RP型中速碗式磨煤机是美国CE公司60年代在传统的浅碗式磨煤机的基础上发展起来的专利产品。70年代，日本三菱公司引进CE公司这一专利开始制造RP碗式磨煤机，销往中国和其他国家[1]。这种磨煤机的特点之一是采用堆焊式磨煤辊由于这种磨煤辊可反复修复使用，具有较高的经济性。美国和日本均很重视发展其制造及修复技术，不断从结构和耐磨材料两方面来提高磨煤辊的寿命。在结构上，主要是通过增大耐磨材料的体积，发展大尺寸磨煤辊和改进锥型磨煤辊为轮胎型磨煤辊两种途径来提高寿命。在材料方面，美国早期发展的标准NI-HARD用在磨煤辊上寿命仅4,000小时；70年代到80年代，日本三菱公司成功发展了高铬高碳合金铸铁堆焊材料，把磨煤辊寿命提高到6,000小时，80年代美国又发展了一种新型耐磨堆焊材料,名为COMBUSTALLOY，使磨煤辊寿命进一步提高[2]。
80年代我国也从CE公司引进了这项技术，在上海重型机器厂建立了RP碗式磨煤机的生产能力，并使用上海司太立公司的 STOODY 103S 和 STOODY 911S 生产了预保护堆焊复合的磨煤辊，在国内得到推广。随着技术的成熟，其使用寿命也逐步达到90年代的8,000小时（当煤中杂质含量较少时），这就是国内目前有代表性的成熟产品。无锡哈德瑞焊接技术有限公司现从美国引进H101和H901新一代磨煤辊明弧自保护堆焊焊丝，具有优良的工艺性和使用性能。本文将介绍这两种焊丝的性能及使用情况。 |
一、磨煤辊磨损机理 |
磨煤辊的磨损主要是煤对磨煤辊及磨盘形成的三体高应力磨料磨损。对磨料磨损而言，磨料硬度是一个重要指标。煤的莫氏硬度为1.0-3.75（相当Hv50-214），与其它矿物相比是较低的，但是煤中含有的其它杂质，如粘土、方解石、石英和黄铁矿等，它们硬度分别为Hv900-1200和1000。实践表明，这些杂质对磨煤辊磨损有着重要的影响，如石英和黄铁矿含量增加，被磨材料形成的磨沟增多并明显变深变宽[3]。因而不同的煤种对金属的磨损程度不同，磨煤辊的寿命也就不同。
通过电镜分析，看到磨煤辊表面的犁沟，见图1（略）。载荷作用下煤在金属表面产生犁沟，除部分成为切屑外，大多是把金属推向两侧而形成脊隆,在接着而来的煤粒作用下又把脊隆碾平。这种犁沟----碾平的反复进行导致了裂纹的形成和扩展，最后以片状磨屑形式断裂脱落，见图2（略）。无论是犁沟及脊隆的碾平和断裂，还是沟底的塑性变形，其过程主要是属于多次塑变的磨损机理。
贫煤中含有较多硬质矿物杂质，所以在在磨损表面产生塑性变形形成犁沟的同时，还有磨料对磨损表面的严重划伤，定高度，硬质颗粒划过时不易出现明显沟槽，受冲击时无金属塑变。它的磨损机理主要是碳化物质点的破碎和剥落，见图5。因而碳化物相的硬度、尺寸、分布状态（位向）以及它和莱氏体基体的结合强度都对磨煤辊磨损性能产生直接影响。如果碳化物垂直于磨损面呈条状分布，如图6，则有利于耐磨性的提高。碳化物深埋于基体中，与基体有很好的结合强度，可以有效地抵抗磨料对基体的磨损而不易崩落。相反，如果碳化物为颗粒状或其分布呈无序状态，则在磨料作用下容易从基体中脱落而形成凹坑，使基体的磨损量增大，耐磨性下降，如图7。
综上所述，为了提高高铬铸铁堆焊层的耐磨性，除了提高组织中基体硬度外，更要的是要通过适当的堆焊工艺来获得最佳的碳化物硬度、尺寸、和分布状态等。 |
二、试验用焊丝成分及金相组织 |
表1、试验用四种管状焊丝化学成分 |
序号 | 牌号 | C | Mn | Si | Cr | Zr | 其它 | Fe | 备注 | 1# | 北京Ⅰ | 6.5 | 0.5 | 0.4 | 36.0 | / | <1.0 | 余 | 某厂用埋弧焊丝 | 2# | 103 | 5.15 | 2.5 | 1.5 | 27.5 | 0.3 | <1.0 | 余 | 某厂用埋弧焊丝 | 3# | H101 | 6.0 | 2.0 | 0.9 | 26.0 | / | <1.0 | 余 | 明弧/埋弧两用 | 4# | H901 | 5.2 | 4.0 | 1.2 | 21.0 | / | <6.0 | 余 | 明弧自保护焊丝 |
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1#、2#及H901三种焊丝堆焊层的金相组织见图8、图9、图10。所有金相照片均取自堆焊道的正剖面，即与磨损面平行的平面。 |
三、堆焊层耐磨对比试验 |
为相对比较各焊丝堆焊层的耐磨性能，请上海材料研究所对表1中四种焊丝的堆焊层按垂直于堆焊层平面作磨损试验。
1.试验条件
设备：阿姆拉磨损试验机
材料：圆环材料：12CrNiA
方块试样：四种堆焊层样品（10mm×10mm×25mm）
负载：250牛顿
试验时间：30分钟，干摩擦
2. 试验结果
以方块试样堆焊层的磨痕宽度来对比其相对耐磨性能，结果如下： |
表2 相对耐磨试验结果 |
试样1# | 北京I焊丝2# | 103埋弧焊丝3# | H101明弧焊丝4# | H901明弧焊丝 | 磨痕宽度（mm） | 3.5 | 4.0 | 2.1 | 1.6 | 3.0 | 3.4 | 2.0 | 1.8 | 堆焊硬度 | | | | |
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耐磨试验结果表明，H101和H901明弧焊缝由于焊丝成分调整合理，冷却条件优越，所以比埋弧焊缝有更好的耐磨性能，其中尤其是H901堆焊层的耐磨性明显高于其它堆焊层。 |
四、明弧堆焊和埋弧堆焊综合对比 |
| | 明弧自保护堆焊 | 埋弧自动焊 | 材料消耗及成本 | 所用材料 | 管状（药芯）焊丝 | 管状（药芯）焊丝 | 焊丝价格（元/公斤） | 4～6 | 4～6 | 熔剂消耗（元/公斤焊丝） | 0 | 0.804 | 堆焊成本 | 下降14～20％ | 较高 | 劳动生产率 | Φ3.2焊丝适用焊接电流（安） | 400～450 | 350～400 | 堆焊速率（公斤/小时） | 7～9 | 6～7 | 单层堆焊厚度（mm） | ≥2 | ≥2 | 劳动条件 | 脱渣性能 | 无脱渣问题 | 由于高合金成分，脱渣相当困难 | 烟雾 | 有，需抽风装置 | 无 | 弧光 | 有，需加遮护板 | 无 | 自动化程度 | 高（调好后无需看管） | 低（人工操作） | 劳动强度 | 低 | 高 | 焊缝性能 | 焊道稀释率 | 20～40％ | 20～40％ | 焊道冷却速度 | 稍高 | 稍低 | 焊缝硬度 | 同样焊盘，略高2～3度HRc | 稍低 |
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