辊压机辊面的堆焊修复方法

一、前言
　　水泥工业每天需要粉磨大量的矿物质原料及水泥熟料。如何提高粉磨效率、降低粉磨能耗，是许多水泥工作者孜孜一求的目标。辊压机自80年代中期问世以来，使这一问题得到缓解。辊压机与球磨机组成的联合粉磨系统、半终粉磨系统已广泛应用于各种粉磨作业。辊压机在粉磨系统中有以下优点：1、降低电耗，提高磨机产量；2、提高水泥产品质量；3、噪音小。但也有其缺点，辊压机最大的缺点是辊面磨损严重。辊压机安装使用后，一般情况下连续运转半年以后，辊面的耐磨花纹磨损就所剩无几。辊面磨损问题始终困扰着辊压机优越性的发挥，怎样提高辊面的耐磨性，增加辊面的使用寿命，一些科研院所、设计单位进行了大量研究工作。目前已研制出多种药芯焊丝、焊条，广泛应用于辊压机辊面的堆焊修复。
二、辊压机辊面的磨损机理
　　辊压机是由两个速度相同，相对运动的辊子组成，物料由辊子上部喂料口卸下，进入辊间的逢隙中，在高压研磨力的作用下（辊间压力在50~300MPa之间），物料受到挤压，受压物料变成了密实但充满裂纹的扁平料饼，使物料的易磨性得到明显改善。如图1所示：
物料在两个辊面之间相互挤压和摩擦。从辊压机的工作状况可以看出，辊面的磨损类型属于典型的高应力磨料磨损。在磨料磨损过程中，物料颗粒在压力作用下会使辊面产生弹性和塑性变形，从而在辊面亚表层不同深处会形成循环压应力和拉应力，当循环应力超过辊子材料的疲劳强度时，在表面层将引发裂纹。在循环载荷作用下，亚表层的塑性变形继续发展，在离开表面一定深度的位置也将萌生裂纹，并逐步扩展。表面层裂纹的扩展方向是与外加应力成45°角，经过两三个晶粒后，即转向与应力垂直的方向。而亚表层处萌生的裂纹扩展方向是平行与表面，或与表面成10°~20°的角。当裂纹扩展后，使裂纹以上的材料断裂剥落，这种现象就是疲劳磨损。综上所述，辊子的磨损机理是辊面的高应力磨料磨损和辊面亚表层的疲劳磨损共同作用的结果。用碳弧气刨在磨损比较严重的辊面上刨出几道槽检查裂纹情况，结果发现辊子深处有很多层状裂纹，较浅的距辊面约10mm,较深的距辊面约20~30mm，局部深达50~60mm，并且多数裂纹都沿辊子周向延绵不断。从刨掉的料块来看，下表面呈植物年轮状，一圈沿着一圈向外扩展。由此也可看出，辊子的破坏形式是高应力磨料磨损及疲劳磨损的综合表现。
三、堆焊修复材料的选择：
　　从辊子的破坏形式来分析，选择的堆焊材料不仅耐磨性好，而且要具备较高的韧性和抗疲劳性。在以往的辊面修复中，水泥厂多采用高Cr铸铁型耐磨焊条，此类焊条焊后组织主要为铸铁型基体上分布大块碳化物，含C量在3%以上，堆焊层硬度在HRC60左右，具有良好的耐磨性能，但其结合性、抗裂性和抗疲劳性差，在辊面上堆焊一层就会出现交错裂纹。在辊体运行过程中，由于应力的影响，很容易出现大面积剥落，这就是造成几乎每月一修的原因。同时堆焊层的交错裂纹，易延伸至辊子母体，使辊面出现大量缺陷，直接影响辊体质量，长期下去，很可能造成整个辊体报废。
　　在辊压机技术的引进和国产化过程中，郑州机械研究所与专业制造辊压机的企业——洛阳矿山机器厂和唐山水泥机械厂合作，经过分析辊压机辊面的磨损机理、通过大量的耐磨实验，对材料进行深入研究及性能对比，研制生产ZD1、ZD2、ZD3、ZD310系列埋弧堆焊无缝药芯焊丝、CO2气保护焊丝及ZD3、ZD310、TM65焊条，完全替代进口产品。ZD1的特点是韧性好，作为止裂层焊在最下面。ZD2强度高，可抵抗较高的拉应力和压应力，起到很好的缓冲作用，可作为缓冲层使用。ZD3为辊面耐磨材料，堆焊层金属主要成分是C、Cr、Mo、W、V、Ni、Nb等，堆焊后组织为马氏体+残余奥氏体+针状贝氏体+少量碳化物，焊接工艺良好，抗裂性能优良，冷焊、多层焊效果好。焊层硬度HRC355，可作为耐磨层焊在ZD2上面。ZD310属于高合金堆焊材料，耐磨性能优于ZD3。其焊层硬度为HRC55~59。主要作为辊面的耐磨花纹处理。TM65焊条适用于受剧烈磨粒磨损及中等冲击磨损部件的修复，主要用于辊面的耐磨花纹及立磨磨盘、磨辊的修复。
四、辊压机辊面的焊接工艺：
1、对于运转时间比较长，辊面磨损非常严重，经过几次现场堆焊后，辊面上已有裂纹、凹坑等严重缺陷的辊压机，由于修复工作量较大，建议拆下来用埋弧自动焊大修，大修后的辊子使用寿命与新辊子相当。如果没有备用辊子，也可以在现场修复。为了不影响正常生产，建议在水泥淡季时修复，最好采用CO2气保护焊接工艺，气保护焊的工作效率是手工电弧焊的3~5倍，可以短期内完成修复工作，相应的修复工艺为（工艺1）：
　　①、去除辊面残留硬层及裂纹。用碳弧气刨对辊面进行彻底清理，辊面待焊部位的残留硬层、裂纹、粉尘、铁锈等都要清理干净，使之露出金属光泽。
　　②、用ZD1焊丝焊接过渡层，通过过渡层的焊接，使高低不平的辊面形成较平缓的外圆面，以便于缓冲层及耐磨层的焊接。
　　③、用ZD2焊丝焊接缓冲层，这是一种高强度、中等硬度的堆焊材料，具有良好的抗疲劳性和结合性，同时又具有一定的抗磨性能，在辊体和耐磨层之间起到了很好的桥梁作用。良好的缓冲层材料选择及焊接，是保证耐磨层安全有效运行的重要前提。
　　④、用ZD3焊丝焊辊面耐磨层，焊时注意测量辊体尺寸及圆度，焊到辊体要求尺寸为止。
　　⑤、耐磨层焊完后，然后用ZD310焊丝连续焊横纹。焊接顺序如图2所示：
有的水泥厂没有 CO2气保护焊机，也可用直流焊机，用手工电弧焊，用GM1、ZM、ZD3、ZD310焊条分别取代ZD1、ZD2、ZD3、ZD310焊丝。这种焊接方式效果不如焊丝，效率也低，在有气保护焊机的情况下不宜采用。
2、有的水泥厂辊压机辊面的耐磨花纹是菱形加硬质点（如图3）,运转一定的时间后，硬质点及菱形花纹基本全部磨损掉，从辊面的切线方向观察，辊面中间一般要凹下去10mm左右。对于这种只是耐磨花纹磨损，辊面也没有凹坑等严重缺陷时，可以采用下面的修复工艺（工艺2）：
　　①、用电动钢丝刷或毛刷清理辊子最上面的一段辊面，最好用乙炔焰烘烤辊面，通过烘烤，既可以把辊面微裂纹里的粉尘吹出来，也可以起到预热辊面的作用。
　　②、先用TM55焊条沿着原来残留的菱形耐磨花纹堆焊，然后用ZD310焊条在菱形耐磨花纹中间堆焊硬质点。
　　③、焊完一段后，转动辊压机，把待焊的另一段辊面转到上面来，按上述方法继续堆焊。依次类推，直至把整个辊面焊完。
　　④、堆焊时注意测量堆焊的高度，要保证辊子的圆度，以免辊面不圆而导致辊压机的震动。
如果有条件，也可以采用CO2气保护焊接工艺，用ZD310焊丝取代TM55、ZD310焊条。由于CO2气保护焊接工艺工作效率比较高，所以这种焊接工艺特别适用于停机时间比较短的情况。
3、如果辊面的耐磨花纹全部磨损掉，而且由于物料中的耐热钢等没有除干净而导致辊面出现凹坑等重要缺陷，可以采用下面的修复工艺（工艺3）：
　　①、用电动钢丝刷或毛刷清理辊面凹坑里的粉尘，用ZD1焊丝打底焊。
　　②、用ZD2焊丝补焊凹坑，留7—8mm左右的余量堆焊ZD3耐磨层，其余全部用ZD2焊丝补焊。
　　③、用ZD3焊丝把凹坑补焊平。
　　④、按上述方法把辊面上所有凹坑补焊完后，再用ZD310焊丝或TM55、ZD310焊条按工艺2堆焊耐磨花纹。
五、使用效果:
　　按以上几种修复工艺堆焊的辊压机，根据不同的水泥厂使用情况来看，拆下来采用埋弧自动焊大修的辊面使用效果最好，辊子使用寿命均在6000小时以上，有的已突破10000小时（如山东某水泥厂）。按照工艺1、工艺2在水泥厂现场修复的辊面使用效果次之，但使用寿命也能保证在半年以上，特别是按工艺2修复的辊面，既节省焊接材料，修复时间又短，使用效果也不错。如郑州某水泥厂、江苏某监狱水泥厂分别使用ф1200×400及ф1200×450辊压机粉磨水泥熟料。在辊面耐磨花纹还没有完全磨损掉完时，按工艺2修复。一对辊面仅用焊条200公斤，48小时（两台焊机同时焊）完成修复任务。按照工艺3现场修复的辊面使用效果最不理想，如浙江某水泥厂，同样是ф1200×400辊压机，也是粉磨水泥熟料，堆焊修复时磨损相当严重，按照工艺3现场修复。各种焊条用了近500公斤，修复工期用了140个小时。不仅浪费焊接材料，工期也长，影响水泥厂的正常生产，使用效果反而不如工艺2的效果。所以建议水泥厂在使用辊压机时，对辊面要维护好，不要等辊面磨损得实在不能使用了再堆焊。如果耐磨花纹磨损完了，失去了最外面耐磨层的保护，下面的过度层磨损得更快，这是对辊压机致命的破坏。对辊压机辊面的及时堆焊维护是保证辊压机使用寿命的关键。辊面维护得好，可以大大减少停机堆焊次数，为正常生产提供了保证，充分发挥辊压机在粉磨系统中的优越性