硬面堆焊技术在中国水泥和电力工业中的应用

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摘要：本文对中国水泥、电力行业中硬面堆焊技术的发展情况、市场容量、主要影响因素、施工方式、应用实践中的问题及具体案例进行了详细阐述，说明了硬面堆焊技术在中国的发展情况和前景。
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0. 前言
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作为经济发展速度最快的发展中国家，最近20多年来，中国的市场潜力受到世界瞩目，中国粉磨技术也在飞速发展中。以水泥企业为例，2010年水泥粉磨企业共2073家，新型干法水泥生产线达1323条，粉磨能力9.2亿吨，产量6.1亿吨，占水泥产量的32.6%，粉磨能力发挥率66.3%；年粉磨实物煤18526万吨，粉磨生料19.5亿吨，粉磨水泥18.8亿吨。
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在电力能源供给上，中国有超过500家的火力发电厂，其中以中速磨煤机作为煤粉制备系统的电厂占到50%以上，全国运行着的立式磨煤机2000台，每天都会粉磨上万吨煤粉。
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+ {7 c7 {- K  i$ L5 q' C这些粉磨系统中，无论是传统的管磨机，还是立磨、辊压机等主机配置的粉磨系统，其耐磨件都必须具备与系统相适应的抗磨损性能。硬面堆焊技术正是随着各行业抗磨损需求的快速增长而迅速发展起来的，并成为金属耐磨材料表面硬化最经济可行的方法之一。

本文将围绕建材、电力工业用立式磨机磨辊和磨盘、辊压机挤压辊等耐磨件的抗磨损问题进行阐述。
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& t* n! X: @4 r- ?& z# [9 U1. 硬面堆焊技术的推广应用背景及市场空间

0 b4 t1 t* Y+ Y. ~& _8 ]* K3 `中国的硬面堆焊产业是最近10年才发展起来的，在这个历程中，北京嘉克新兴科技有限公司扮演了重要的角色--1999年，嘉克研制的首台离线自动堆焊设备为大连华能电厂堆焊了第一批磨辊；2000年，嘉克研制的首台在线自动堆焊设备为绥中电厂在线堆焊了第一台磨煤机磨辊，均获得了令人满意的耐磨性能和使用寿命。此后，采用硬面堆焊技术提高耐磨件使用寿命的努力就从没有停止过！

! y, h. o8 T2 C8 y- B10多年来，立磨用户对堆焊技术的认识在加深、观念在改变，从磨辊堆焊到磨盘堆焊，从离线堆焊到在线堆焊，从堆焊电厂中速磨煤机耐磨件发展到堆焊水泥、冶金行业的生料立磨、熟料立磨和矿渣立磨耐磨件，从单一磨型到几乎所有型号立磨均可堆焊，直至发展到电厂全机组6台磨煤机同时在线施焊……这一系列的技术进步是中国粉磨设备用户和堆焊服务企业共同努力、不断探索的成果！
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  o4 o' o! v. J" d+ p7 ~# W7 s10多年来，北京嘉克用数百个成功的硬面堆焊案例改变了绝大多数人包括德国知名磨机生产厂家所认为的“高铬铸铁不能堆焊”的旧有观念，让更多的社会层面、更多行业的用户接受和认同了这一技术，包括很多国际知名的焊材生产商如德国VAUTID、CORODUR、美国 STOODY等都在积极开拓中国硬面堆焊市场。
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多年来，中国电力、水泥、冶金业的产能均居世界首位，这给堆焊行业带来了良好发展机遇，中国从事耐磨堆焊技术的企业遍地开花，逐渐形成了一个新的产业。
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今天，选择堆焊作为立磨耐磨件表面处理和强化的手段，提高耐磨件的耐磨性能，从而获得最佳减磨效果和最大经济效益，已成为广大用户解决耐磨件备件的首选方式之一，并在环境保护、节约资源、节能降耗等方面也取得了明显效益。

2. 硬面堆焊技术介绍及其主要影响因素

硬面堆焊是通过在耐磨件表面堆焊一层或多层耐磨合金材料，对磨损后的部件进行堆焊再制造，以有效提高工件耐磨性能，延长其使用寿命。具体包括电力行业立式磨煤机磨损后的磨辊/磨盘衬板；水泥建材行业中原料立磨、熟料立磨、矿渣立磨、煤立磨的磨辊/磨盘衬板堆焊、破碎机锤头、辊压机挤压辊的堆焊再制造等。

相对于铸造而言，堆焊发展较晚，堆焊技术的发展是随着尺寸不断增大的铸件其制造难度和热处理难度越来越高发展而来。因为大尺寸的耐磨件要实现由里到外均匀的耐磨性能非常困难。但是堆焊过程可以解决这一难题，它将铸造过程微观化、微细化，把一个大的铸造分解成无数小的铸造，这样，每个微观熔池都可以很容易达到最终工件要求的强度、硬度、韧性等微观指标。当然，对于复合堆焊工件而言，如果要求成品具有很好的整体质量，就要求其铸造和堆焊的质量都很高。
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% N: v$ Z& d/ x' ~2 ~0 P耐磨件的抗磨损性能是由材质性能决定的，它包括金属材质的化学成分、基体组织结构、强度、韧性、塑性和脆性，其中金属材料的表面硬度对磨损的影响尤为显着，这也是用户普遍关心的问题。此外，材料的基体组织也非常重要。要提高耐磨性，除提高组织中基体材料的硬度外，更重要的是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。

. u1 H& ?' n# }( q" _9 f为此，有针对性地制定堆焊工艺是最终效果的有效保证。制定堆焊工艺要考虑的原则包括：能达到或超过原磨损件的技术特征、符合适用工作环境和条件、与基体结合的力学性能、对基体的影响、堆焊层厚度的设计和控制、适宜的焊材和设备。

堆焊工艺参数包括焊材直径、焊道宽度、堆焊速度、堆焊量、焊接电流、电弧电压、层间温度、焊丝伸出长度和倾角、硬度、堆焊厚度偏差值、圆形磨损件焊后椭圆度、裂纹允许深度与长度、边缘堆焊留量以及工件温度等。

% D6 ?7 P5 i) o# h- j9 `3. 耐磨堆焊实践中的几个问题探讨

3.1 旧品寿命评估和堆焊后寿命预测
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耐磨件堆焊质量是堆焊施工中设备、人员、材料、工艺、检验、环境、安全等综合因素的体现，尤其是对于耐磨件旧品的堆焊再制造而言。
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8 G# V3 r/ W+ r/ ~4 c1 z/ |旧品再制造前的寿命评估是通过对旧部件剩余寿命进行评估，回答剩余疲劳寿命是否足够、能否再制造、能再制造几次的问题，是保证再制造耐磨件质量的重要途径。其评估应以原工件疲劳寿命为基础，当残余疲劳寿命满足继续使用的要求时才能进行堆焊再制造。原则上，只有当旧品的剩余厚度大于新品厚度的55%时才能进行堆焊再制造，这是经过数百例堆焊工程实践所总结的经验。

旧品寿命评估主要通过焊前检测，一般采用渗透探伤、磁粉探伤或超声波探伤等方式，检验旧品不应存在沙眼、缩孔、较大面积的空洞、较深或者较长的裂纹、贯穿性裂纹、基体过薄等缺陷，由此判定其可焊性和残余寿命，从而决定是否能进行硬面堆焊。
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5 g( D% [# C4 z0 S$ N; Q+ j而堆焊后耐磨件的寿命预测则是基于焊后检验的结果，再制造后工件的服役寿命应不低于新品。在实践中，堆焊再制造后的检测项目主要包括外观及尺寸检查、基体渗透探伤、堆焊层金相检验和硬度检验，各项检验结果直接关系到堆焊耐磨件的性能、寿命、安全性等，所以也是用户验收的依据之一。不经检验的耐磨件可能存在运行风险，会给设备带来安全隐患。

* E/ j4 ~7 {5 F9 C( \3 Q+ r3.2 关于耐磨寿命

人们通常以耐磨件堆焊后的运行时间来衡量其耐磨寿命，并认为堆焊后的使用寿命与焊材的耐磨性能紧密相关。而在各行业的生产实践中，我们还发现，工件堆焊后的耐磨性能是一个综合性的指标，除了堆焊因素外，磨机内的风压、各部件的安装间隙和物料的可磨系数也会对耐磨件的性能产生很大影响。
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而且，衡量磨机效率的指标还包括耗电量、出粉量、耐磨件使用周期等，各种因素是动态相互影响的，譬如，按设计尺寸堆焊完好的磨辊、磨盘瓦的出粉量不一定高于运行一定时间后的状态，耗电量不一定低于运行一定时间后的状态，这是因为堆焊后的磨辊、磨盘瓦与物料、磨机结构之间也会存在磨合过程。
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为此，我们综合生产实践中反映的数据，大致确定了耐磨性能指标，即正常工况下，堆焊后耐磨件的运行时间应符合表1的规定。但在工程实践中，堆焊再制造后的工件使用寿命往往还要以原工件初次使用时的寿命为基础衡量。

3.3 堆焊施工方式

3.3.1 离线堆焊再制造

离线堆焊在中国已有10多年的应用实践，它的优点包括：旧品尺寸、形状不受限制，不会影响停机时间造成附加损失，拆下来的耐磨件旧品可进行详细的焊前检查以保证最佳施工品质等。
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% U; d8 `! a, C离线堆焊风险虽小，但相对施工周期长，且存在拆卸、运输、安装费用，检修成本较高，同时堆焊后的工件还存在安装及安装安全问题等。因此，在线堆焊也成为用户的选择之一。
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3.3.2 在线堆焊再制造

在线堆焊再制造是将堆焊设备运到磨机现场，在立磨磨辊、磨盘瓦不拆除的情况下，使用明弧自保护药芯焊丝进行自动堆焊。在线堆焊再制造具有如下明显优势：

/ Y6 M% H2 C% S/ h0 ma. 降低磨机检修成本：因不用拆装磨辊、盘瓦，能节省大量人力、时间和费用，检修总费用大大降低。

) v( h/ `% j$ M) }7 X4 W0 yb. 缩短设备检修停工时间：在设备检修和设备停机的较短时间内进行堆焊，满足即时检修的需要，最大程度缩短停工时间。
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+ H1 I7 n7 F) _; [c. 可避免由于磨辊、盘瓦由于拆卸不当造成的断裂。
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- d+ h6 Z. g% l; i0 n# R) Dd. 施工时间灵活机动：可根据厂家的检修时间安排，特殊情况下可在设备维护的间隙里进行。
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e. 施工更安全：在线堆焊设备小巧、轻便，在磨内安装方便，不会对磨机造成伤害，比更换备件更安全。

f. 适合处理紧急情况：在线堆焊能适应意外情况时磨机紧急检修的需要，尽可能不影响生产效率和出粉产量。

8 ^. _- F* G9 Ug. 尤其适合矿渣磨和分块式磨辊、磨盘堆焊:矿渣磨堆焊周期短，采用在线焊能保证较短的停机检修时间。对于MPS4000B、MLS3626、ATOX50等分块式的磨辊，耐磨堆焊层将每一块衬板焊成了一个整体，可减小堆焊层脱落的可能性，从而延长磨辊整体使用寿命。
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7 u6 |4 p8 C6 O7 M$ w7 O: ah. 尤其适合大直径圆环形磨辊套的堆焊再制造：
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MPS5600BC、MPS4000B、POLYSIUS57/28等磨辊直径大，重量重，设备拆装和运输非常困难。在线堆焊节省了拆装、运输费用，而且避免了拆装、运输过程中的不安全因素。

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4. 水泥、电力行业的硬面堆焊案例

10多年来，嘉克提供过耐磨堆焊服务的进口生料磨或矿渣立磨包括：
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8 A/ P. L3 B  q: M: J5 b2 u3 e德国 Loesche（莱歇）公司生产的LM立式磨
: c- E- F4 e5 D德国 Phfeiffer（埃弗尔）公司生产的MPS立式磨
德国 Krupp Polysius 公司生产的RM立式磨
' [. F1 k" P6 m丹麦 F. L. Smith（史密斯）公司生产的ATOX立式磨、OK立式磨
+ f" t" _, @, \3 O) h* G日本宇部公司生产的UBE、LM立式磨

嘉克提供过耐磨堆焊服务的国产磨机包括：
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1 ]; S$ ]# b, p5 y+ G& z9 X合肥水泥研究设计院制造的HRM型立式生料磨、矿渣磨和煤磨
! A% q& L$ x+ f. [7 l: b9 t天津水泥工业设计研究院制造的TRM型立式生料磨和矿渣磨
/ ~! n* I/ |2 v, _, `沈阳重型机械集团有限公司制造的MLS立式生料磨
3 g% ]1 Z. X! X7 L3 m! |* ?中信重工机械股份有限公司制造的LGM矿渣立磨
5 v9 ?5 n- y6 d5 e7 A华新水泥装备制造有限公司制造的HXCLM立式磨
- H6 G  l4 U) q成都建筑材料工业设计研究院有限公司制造的CRM型立式磨

6 E2 ^7 @0 @  T+ @' m嘉克提供过堆焊服务的磨煤机主要有：

北京电力设备总厂的ZGM 系列立式磨煤机
3 Q" Z0 @+ m1 Z" m" Y8 c) g+ E上海重型机器厂的HP 系列立式磨煤机
, y. A' Z+ \) V& b5 l/ }6 E0 j沈阳重型机械集团有限公司制造的MPF系列立式磨煤机
长春电力厂的MPS系列磨煤机
长城重机的CLM系列磨煤机
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6 V& _' @; G  ]3 E, o8 J在建材行业，嘉克为500多家水泥厂进行的立磨磨辊/磨盘瓦堆焊再制造工程均达到满意效果。水泥行业典型客户包括中建材南方水泥、华润水泥、山水水泥、华新水泥、冀东水泥、同力水泥、中联水泥、天瑞水泥、亚泰水泥、拉法基水泥、海螺水泥、红狮水泥、万年青水泥、天津水泥工业设计院、合肥水泥工业研究院、中信重机、蒙西水泥、新疆青松水泥、浙江水泥等集团公司等。

1 X' n$ c0 @( l' w! u1 s) u9 S在电力行业，十多年来，嘉克始终是中速磨煤机耐磨堆焊技术的先行者和引领者，为电厂磨煤机的正常运转和节能降耗发挥了巨大作用。嘉克客户遍布中国大唐、华能、华电、国电、中电投、国能、国华、华润8大发电集团；200多家电厂配备了嘉克的专利产品--磨辊/盘瓦离线或在线自动明弧堆焊机，300多台套嘉克设计生产的堆焊设备在正常运转中，与400多家电厂建立了业务往来，累计向国内用户供应了超过5000吨优质耐磨药芯焊丝。
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% {! H" P/ o% |3 k; A5. 堆焊复合耐磨钢板的应用
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& [! h0 f! f6 T9 X/ v) Q1 N- H在电力、建材、冶金和矿山等行业的物料输送系统中，耐磨复合钢板被广泛用于管道、料斗、风机、分离设备和部件等易磨损部位，它是在低碳碳低合金钢板的表面均匀地堆焊一层耐磨合金加工而成。结合了基材良好的可焊性、韧性、塑性及耐磨层的高硬度、高耐磨性，产品高抗冲击，耐高温，加工方便，基板可灵活选材，因此表现出优异的综合性能。

, F5 g% J3 g3 h' h* x( I! R5 C. |堆焊复合耐磨钢板可用于冶金机械、建材机械、电力机械、矿山机械等行业的料仓和管道及搅拌、破碎等各种易磨损设备部件的表面强化，典型的应用有：水泥厂、电厂、钢厂中的冲击盘、管道、泵壳、磨机内衬、煤斗衬板、灰渣导管、进风通道、格栅栏杆、分选机、分选锥、出渣槽，各种底盘、振动筛，破碎机内衬、破碎机汽锤、破碎机零件、风扇罩、风扇叶轮、料斗衬套、输送槽等耐磨件。
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4 U, L+ O% F4 f, M1 @: y6. 中国硬面堆焊行业展望

) ?% z! B2 E+ j5 F9 d" ?我国包括世界范围内的耐磨堆焊行业还处于发展的初级阶段，还有很多的技术、行业问题、认识问题、理论问题存在，特别需要有明确认识的是，由于中国地域广阔，地质情况复杂，不仅是煤的成分多种多样，各水泥厂家生料、熟料中的矿种、添加物都不一，导致物料料质成分非常多样化，从而造成耐磨件的应用场合非常复杂。比如同样的焊材在不同水泥企业、不同料质情况下反应的耐磨效果差异就很大，有的用户认为很好，耐磨时间很长，而另一些用户感觉就不太适合。

此外，不同磨机制造厂家生产的磨机结构差异很大，用户对磨机运行的维护管理也有其个性化，由此出现了很多典型的、极具代表性的应用案例，这既给耐磨堆焊材料的适应性提出了非常高的要求，同时也给中国堆焊技术的发展带来了新的契机。所以在耐磨堆焊方面，随时都有很多很难攻克的课题，需要堆焊服务厂家在实践中不断地探索，针对企业的不同情况进行分析论证，包括工况条件、料质情况、耐磨要求、磨损部件的堆焊面积、堆焊部位、堆焊形状、堆焊工艺、堆焊时间等等因素，和用户一起研究更加个性化的材料和工艺、改进设备，以解决其具有一定难度的技术问题。
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我们认为，耐磨件的堆焊再制造结合了维修工程、表面工程、力学、摩擦学、材料学等多学科理论，因此其技术手段既有传统的作为主体的维修技术、表面工程技术，又发展了新兴的无损检测、寿命评估预测、质量控制等先进技术。所以，在耐磨材料开发和堆焊工艺、技术方面，我们还有很多具体细致的工作要做。