不锈钢材料在连铸辊堆焊中的应用

不锈钢材料在连铸辊堆焊中的应用

不锈钢材料在堆焊领域的应用是很广泛的，例如化工容器的耐蚀衬里堆焊以及冶金轧辊的耐磨堆焊已成功应用多年。我们冶金行业目前已基本实现全连铸化，因而如何更经济和优质地解决连铸辊的制造和修复问题就显得很重要，本文将综合国内外文献专门介绍连铸辊堆焊用不锈钢系列材料和工艺的应用情况。

1   连铸辊的工作环境

连铸机中使用大量的导辊和拉矫辊，它们与普通轧机上的轧辊相比转速很低，当这些辊子与高温铸坯接触后又马上被冷却，这种冷热交换的工作条件非常苛刻，因而使辊子因裂纹和磨损而失效。

 有人对某一辊位的连铸辊在运行时的温度变化状况进行过实测，图1示出板坯规格为280mm×2lOOmm，板坯温度为940℃时，辊子表面下10mm处随时间变化的温度测定结果。由图1（略）可以看出，正常操作时，温度值为350℃左右，当因替换中间包或因其他故障而使连铸辊停转时，温度上升到500℃左右，而此时连铸辊最表层的局部温度有可能上升到700℃，然而这一测量结果仅仅是一套连铸辊子中的一个特例，在靠近结晶器的一些辊子由于铸坯温度更高，辊面所达到的温度也远超过本次测量的结果。

  连铸辊堆焊层所要求的性能与通常所说轧辊的概念不完全一样，它不要求很高的硬度，甚至对耐磨性也不是主要的问题，而抗氧化性、耐腐蚀(由于连铸保护渣中大量氟化物所致)和抗冷热疲劳的能力是应优先考虑的因素，尤其后者对连铸辊寿命的影响至关重要。

为了延长连铸辊的使用寿命，往往在制造新辊时就施行堆焊技术，以获得表面具有优异性能的复合辊，而且这些复合辊可以用原来制造时的堆焊材料多次堆焊修复。

在选择连铸辊用堆焊材料时应考虑以下特性：

  ①在700℃的高温下应有高的屈服点和高的断面收缩率；

  ②线膨胀系数要小；

   ③A^cl相变点应在700℃以上；

  ④应具有高的高温硬度；

  ⑤堆焊金属应为单一的金相组织；

   ⑥应保持足够的铬含量。

   为了满足以上原则，世界上普遍采用的堆焊材料均以Crl3系不锈钢为基础，通过各种方式加入适量的Ni、Mo、W、V等元素，其中镍是为保证韧性而添加的，对于碳的控制量应以能防止铁素体析出就足够了，并且以不能造成残余奥氏体生成和不降低耐蚀性为限。钼和钨是为提高高温强度而添加，而钒能有限地细化晶粒，提高韧性。

   按堆焊工艺来分，连铸辊的堆焊可分为丝极埋弧焊、带极埋弧焊和明弧焊三大类。

2 连铸辊的丝极埋弧堆焊

  连铸辊丝极埋弧堆焊的具体焊接材料牌号品种繁多，可归结为实芯焊丝埋弧焊和药芯焊丝埋弧焊两类。依据各单位条件的不同以及辊子所在部位的差异，可以选择不同的焊丝和焊剂的搭配以满足相应的要求。

   连铸辊堆焊中用得最广泛的是市售H1Crl3焊丝，国内不少单位直接用这种焊丝配普通H260熔炼焊剂堆焊连铸辊，这种做法不仅堆焊成本较低，而且也起到了恢复辊子尺寸的作用，比用低合金焊丝(如H18CrMo)单纯为恢复尺寸效果要好得多，而更多的企业则是用H1Crl3焊丝配烧结焊剂(如GY?SJ537)，通过焊剂过渡某些合金元素，使堆焊连铸辊的性能更加理想化，所要达到的堆焊金属成分通常采用日本日立造船株式会社的标准，具体范围如表1所示。

    表1  连铸辊堆焊金属通常要求的成分/%

以上堆焊金属成分应达到表2所示力学性能。

表2  堆焊金属力学性能

国内的多数连铸企业采用上述单一的堆焊金属成分，即不管在连铸机中哪个部位的辊子均采用用同一种材料堆焊，这在某种程度上说是不尽合理的，因为不同段位的辊子所承受的工作环境是不同的，因此在堆焊时应选用不同的材料。我国某企业引进的日本神户制钢的连铸辊就是采用了不同对待的方案，堆焊金属有所谓的1 3―2、1 3―4、13-6等，即辊子所在位置承受温度愈高，其堆焊金属中的合金元素含量也应该愈高，具体成分和性能示于表3和表4。

表3  不同辊子的堆焊金属成分（典型值）/%

表4  堆焊金属的力学性能（典型值）

实现以上的堆焊金属成分可以通过不同的途径，有的把要求的所有成分都炼在实芯焊丝中，有的在冶炼焊丝时加入一部分，通过烧结焊剂再补充一部分，有的则是通过药芯焊丝的方案来实现，选用哪种方案更合理，主要取决于焊丝压力加工的难易程度和综合成本，其使用效果往往相同。

  美国在连铸辊堆焊材料方面也做了大量工作，他们推荐的牌号是上海司太立生产的Delstain 423-S，当其与上焊107焊剂配合堆焊时，获得的堆焊金属成分如表5。据介绍，这是美国为堆焊连铸辊专门研制的一种焊丝，具有优良的耐冷热疲劳、耐腐蚀和耐磨性能，在实验室中模拟连铸辊的冷热疲劳条件进行的试验结果为1000次而没有出现裂纹。实际连铸机应用表明，堆焊辊使用寿命可生产200万t钢材。这种堆焊材料的焊后热处理温度、时间与堆焊层硬度的关系见图2(略)。

表5  Delstain 423-S的堆焊金属成分/%

在连铸辊堆焊材料的研发中，含铜不锈钢也  受到人们的关注。有的研究者将连铸辊分为缓冷 型(内冷)和强冷型(外冷)两类，由于冷却条件不同，要求采用不同的堆焊金属以适应其环境，因此开发出缓冷型连铸辊用堆焊合金Super KBS和强冷型连铸辊用堆焊合金W630，它们的主要成分和性能见表6。为对比起见，表中也列出厂普通无铜Crl3-Ni4型材料的有关数据。堆焊金属的硬度随温度变化的倾向如图3。生产实际的应用结果表明，无论是缓冷型和强冷型的连铸辊，新开发的含铜材料的磨耗速度是普通Crl3Ni4的1／2，而热裂纹深度则不到1／2，显示了含铜材料明显的优越性。 

表6  含铜堆焊材料的成分和性能

3  连铸辊的带极埋弧堆焊原则上说，所有丝极堆焊用的材料都可以轧制成焊带的形式使用。与丝极一样，它们可以是通过冶炼和轧制工艺成为焊带，也可以是用钢带包合金粉然后再轧制的工艺使之成为焊带，但以前者居多。

  连铸辊堆焊用的焊带宽度通常为30、45、50和60mm，厚度为0．4―0．8mm。采用带极堆焊不仅具有高的熔敷速度(见表7)、低的母材稀释率、 焊道表面平整美观，而且由于它焊道宽度大，搭接的道次少，亦即焊道的热影响区少，因此它的力学性能也较相同成分的丝极焊要优越得多。

表7  带极堆焊的典型熔敷速度

表面堆焊时，无论是耐磨还是耐蚀的目的，都希望堆焊金属的稀释率尽可能低，这样才容易保证实现所期望的堆焊金属的化学成分。对于连铸辊来说，辊芯往往是高碳的低合金材料，如果稀释率过大，尤其是第一层的堆焊金属容易产生裂纹，若能将稀释率控制在最小值(如10％以下)，则可以使堆焊过程简化，不一定再焊过渡层，可以比较自由地选择堆焊层的厚度。

采用不锈钢系列的带极堆焊时，堆焊参数与焊道熔宽、熔深及高度的关系示于图4（略）。

用带极堆焊时，依连铸辊直径的不同，可以采用纵向焊，也可以环向焊，或者是一层纵向一层环向地交替焊。在纵向焊时，特别是对于直径较小的辊子，为了防止辊身的弯曲变形，往往采取对称位置焊的方法。

4    连铸辊的明弧焊

多年来，用丝极埋弧焊和带极埋弧堆焊工艺配用不锈钢系列材料去制造和修复连铸辊，取得了满意的效果，满足了生产的需要，但这种工艺在生产和使用中也出现一些难以克服的弊端。

英国焊接合金公司(简称WA公司)开发了新的系列明弧焊接用合金，其中有专门用于堆焊连铸求高的冷却速度，由于没有焊剂熔渣的覆盖，这种工艺也有条件实现高的冷却速度，这种特点对小直径空心连铸辊的堆焊具有特殊的优越性。

明弧焊接时不需要焊剂和保护气体，因此电引氐的热量利用率最高，再加上不需要预热和保持层温，因此，既操作方便，又节省能源。

与碳一样，在高温下氮与铬反应形成氮化铬，但与聚集在晶界的大量碳化物不同，其析出物既小又均匀分布，并不出现在普通不锈钢焊接时的所谓敏化区。这种氮化铬的析出物有防止晶粒长大和位错移动的趋势，因而改善了室温和高温强度，并且能提高耐热疲劳和抗蠕变能力，改善了韧性。此外，氮化物的析出显示了较高的抗时效能力，并且在经过回火消除应力处理、多层焊或在使用过程中都有明显的二次硬化现象。

    用400N系列焊接材料堆焊的连铸辊，上机使  用后检验结果表明，除了少量的磨损之外，辊子辊的材料，见表8。

表8  明弧焊接用400系列焊丝成分/%

  由表8可知，这种材料的特点是碳含量很低，但含有一定量的氮，正因为是以氮代碳，因此在某种程度上解决了埋弧焊时的一些麻烦，显示了极大的优越性。

用传统的高碳合金堆焊时，为避免出现冷裂纹，焊前辊子需要预热，在整个堆焊过程中始终要保持一定的层间温度。用400N系列合金堆焊时，因为它们的马氏体转变点都很低，无需预热和保温，这给操作带来了极大的方便，因此被称为奥氏体焊接。有关414N―0和DN―0的具体数据如下：

    合金    M_s／℃     M_f／℃

    414N-0    195              110

    DN-0       180               95

  用传统的不锈钢堆焊时，高的预热和层间温度是为了降低堆焊金属的冷却速度，而用400N系列材料明弧堆焊时的概念正好相反，它正是要追表面没有出现任何龟裂或环裂，表面很光亮，在重复堆焊时只要直接补足尺寸即可，不需要像以前那样要车掉很深的裂纹层，这样既可以节省大量的堆焊材料和工时，又可以节约大量的能源，从经济的角度来说也是非常合理的，这是目前比较理想的连铸辊堆焊材料。

5    结束语

连铸辊在冶金企业中是量大面广的消耗品，而各种成分的不锈钢是其堆焊材料的惟一选择，如何正确选择堆焊工艺和最佳的不锈钢成分，是降低冶金备件成本、提高连铸辊寿命的关键。哪种材料是最符合我国国情的，究竟哪种类型的辊子使用哪种材料最合理，还有待于进一步研究。