如何选择布料溜槽堆焊焊丝
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如何选择布料溜槽堆焊焊丝
布料溜槽堆焊材料的合理选择
李秀亮1   胡建平    贺虎
                  Li Xiuliang  Hu Jianping  He Hu
(1:秦皇岛秦冶重工有限公司    河北秦皇岛066318)
1:QINHUANGDAO QINYE HEAVY INDUSTRY CO.,LTD     HEBEIQINHUANGDAO066318
摘要:无料钟炉顶是高炉炼铁技术中非常重要的设备,而布料溜槽是无料钟炉顶系统的一个关键部件也是易损件,布料溜槽的寿命关系到整个无料钟炉顶设备的可靠性。为保证溜槽的使用寿命,并降低制造成本,在其工作面的衬板表面堆焊耐磨合金已成为必不可少的制造手段。溜槽在高温下不断接受物料冲击,磨损非常严重,苛刻的工况对耐磨合金提出较高要求,因此选择合适的堆焊材料尤为重要。本文通过对比焊材的各种性能,选择适用于溜槽堆焊的材料。
关键词:布料溜槽,冲击磨损,堆焊,耐磨合金,药芯焊丝
The selection of proper overlaying materials for chute
Abstract: The bell-less top distributor is an important equipment of blast furnace, and the chute belongs to bell-less top system is a key components and easy to be failure, the lifetime of chute is related to the reliability of a whole bell-less top equipment. In order to improve the service life of the chute, wear-resistant alloy should be used on the surface of chute. Chute works at high temperature with impact abrasion, the same as wear-resistant alloy, therefore it is especially important to choose the proper welding material. In this paper, by comparing the properties of the welding materials, to decide which overlaying materials is suitable for the chute.
Keywords: chute, impact abrasion, overlaying, wear-resistant alloy, flux cored wire
引言
随着高炉技术的发展及冶炼强度的提高,无料钟炉顶高炉已经在我国普及。无料钟炉顶已经成为高炉炼铁的必选设备,布料溜槽是无料钟炉顶高炉中的一个重要部件,位于高炉炉腔内的顶部,通常此处温度冷热交替、矿料冲击大而频繁、煤气流冲刷,工况恶劣,而外面却无法观察其工作状况和损坏情况,一旦溜槽不能正常工作,高炉就要休风停炉,因此,溜槽必须要具有足够的可靠性和使用寿命。而目前国内高炉布料溜槽普遍存在使用寿命偏低的现象,一般在8~10个月[1]
布料溜槽的工作位置是在高炉炉腔内的顶部,处于高炉内部与设备冷热交界部位,正常使用环境为压力0.25MPa,温度在150~250℃之间,异常时短时温度可达700℃,瞬时高温可达900℃[2]。高炉各批次的炉料源源不断地从料流调节阀经过高的落差冲向布料溜槽,溜槽在布料过程中受到矿料不断的冲击磨损,主落料点损坏为溜槽失效主要形式之一,此外,方形出口的溜槽较圆形出口溜槽的布料效果更好,适用于精密冶炼,但相比之下寿命往往要减少一半[34]
布料溜槽的防护方法及材料的选择
根据溜槽的工况与长寿命要求,金属材料在高温下耐磨性能会有所降低[5],综合考虑溜槽的工作温度,溜槽衬板上的耐磨材料必须满足在高温情况(850℃左右)下耐磨性能优良,同时又必须具有一定的抗冲击性能。
常见的布料溜槽耐磨衬板制造方式有:①高铬铸铁衬板,具有制作方便、成本低、技术门槛不高等优点,但又有韧性差、抗高温性能不高等缺点,不断强烈的冲击会导致衬板开裂,甚至开裂造成溜槽的失效,溜槽使用寿命的不确定性太高;②在普通钢上镶铸硬质合金(如WC块),基材的韧性可以弥补WC块低韧性的缺点,这种工艺制造的溜槽衬板使用寿命最长,但工艺复杂、技术要求高,制造成本非常高,若存在镶铸缺陷,局部WC块脱落,整块耐磨衬板就会很快失效,甚至溜槽失效。
采用堆焊工艺制造布料溜槽衬板的方法是一种既能达到镶嵌硬质合金使用效果,又能显著降低生产成本的方法。这种工艺将采用高合金耐磨焊丝堆焊于16Mn衬板上,达到抵抗磨损的作用。我们与北京佳倍德工程技术有限公司合作,对不同合金成分的耐磨材料进行了性能分析与对比,最终找到性能最佳的堆焊耐磨材料。
三种堆焊材料性能对比
目前国内的堆焊材料种类较多。我们从合金成分上选择了由北京佳倍德提供的高铬堆焊合金、马氏体堆焊合金,碳化钨堆焊合金(牌号YD628、YD337、GD-500),这三种抗磨粒磨损的堆焊材料,具体合金成分见表1.其中YD337马氏体堆焊材料主要依靠添加Cr,Mo,Ni,W等元素通过固溶强化的原理提高材料强度及硬度以抵抗磨损;而YD628高铬合金与GD-500碳化钨堆焊材料主要依靠合金内大量的碳化物硬质相来抵抗磨损,前者的碳化物是通过焊接过程的冶金反应生成,后者则是包裹在焊丝中预制的碳化钨颗粒镶嵌在焊缝金属中。表2为焊材的焊接参数及工艺性能比较。
表1. 三种堆焊材料合金成分
牌号 主要合金成分
  C Cr Mn Si Ni Mo W WC Nb
YD-628 3.5-4.0 26-28 1.8-2.2 1.0-1.2 2.0-4.0 1.0 _ _ _
YD-337 0.3-0.7 7.0-9.0 1.2-1.4 0.8-1.2 2.0-2.5 2.0 7.0-10 _ _
GD-500 0.3-0.5 12-16 1.5-1.8 1.2-1.4 2.0-2.5 1.0 _ 30-33 5.0-7.0
 
表1 焊接材料的焊接参数
牌号 规格/mm 保护气体 气体流量/(L/min) 焊接电流/A 焊接电压/V
YD628 1.6 CO2 15 240-280 22-28
YD337 200-220 24-28
GD-500 280-320 28-32
 
 
 
 
 
表2 焊接材料的工艺性能比较
牌号 电弧稳定性 焊缝成型 裂纹
YD628 电弧稳定性好,容易引弧 焊后焊缝表面无焊渣,成型一般 不规则可见裂纹,裂纹宽度大
YD337 电弧稳定性一般,焊接过程中电弧漂移 焊后无焊渣,成型较好 表面无裂纹
GD-500 电弧稳定性好,容易引弧,焊接过程声音柔和 焊后无焊渣,成型较好 表面有微裂纹,裂纹宽度小
三种堆焊材料在使用时都不需要预热,母材为16Mn钢板,焊接性能较好。YD628与GD-500属于高硬度材料,因此单层焊后表面有大量释放焊接应力的裂纹,而YD337焊后单层几乎无裂纹,成型最好。
硬度试验
高炉布料溜槽衬板850℃的高温磨损而会使衬板的硬度降低,对其耐磨性影响较大,在物料不断的冲击下,加快了衬板的失效。为保证高温下材料的耐磨性,有必要测试三种堆焊材料在高温下的硬度与耐磨性。但由于国内无法找到850℃高温硬度计,因此我们采用850℃高温热处理堆焊式样块,保温3小时后缓冷至室温再测硬度的方法来比较三种不同合金成分堆焊材料的硬度与耐磨性。选择850℃作为试样热处理温度,对比常温(20℃)与850℃下试样的硬值,如表3所示。
表3 试样洛氏硬度值
温度/ 试样
20 YD628 YD337 GD-500
58.3 55.3 62.1
59.2 57.1 61.7
58.4 56.8 61.5
57.9 56.7 60.9
60.2 57.3 61.5
平均值 58.8 56.6 61.5
850 46.8 45.1 57.7
45.7 46.2 58.5
47.5 47.5 57.9
45.0 45.5 59.1
46.2 43.1 58.7
平均值 46.2 45.5 58.4
从表3中可以看出,经过热处理后,试样的洛氏硬度均降低,YD628热处理后硬度仅为常温下的78.6%,但GD-500热处理后的硬度保持在常温下的95.0%,硬度降低幅度很小,且硬度值保持在洛氏硬度55以上,具有很好的高温稳定性。GD-500是通过预制的碳化钨颗粒对合金进行强化,碳化钨的熔点是2870℃,在850℃硬质颗粒强度没有明显下降,且基体是多合金元素共同作用的高温合金,高温稳定性好,因此焊缝整体硬度下降量很低。YD337属马氏体型材料,高温加热使马氏体回火,部分转变为奥氏体,由于奥氏体塑性较高,硬度低,而YD628是高铬合金型材料,碳化铬依附在基体组织上,温度较高时碳化铬的分解及基体软化,导致焊缝整体硬度降低。文献[5]指出:焊后热处理对Fe-Cr-C耐磨堆焊合金磨粒磨损性能的影响较大,焊后经过850℃~1000℃加热30min,相对耐磨性只能达到焊态的16%~32%。
耐磨性试验
将三种堆焊材料堆焊在试样钢板上,分别取其850℃热处理后的堆焊板作为试样,试样尺寸为57.5mm×25mm×10mm的磨粒磨损试样。磨粒磨损试验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机,试验参数为:橡胶轮转速为240r/min、橡胶轮邵尔硬度为60,载荷为100N,磨料为0.25~0.45mm的石英砂,水、砂重量分别为1kg、1.5kg。进行磨损试验时,首先对试样进行预磨,预磨1000r后取出试样对样品称重并记录数据;之后对试样进行精磨6000r,试验后再对试样称重并记录数据,2次质量差即为试验过程中试样的磨损量。磨损量越大,耐磨性越差;磨损量越小,耐磨性越好。本实验以850℃热处理后高铬铸铁材料作为对比试样。材料的相对耐磨性=对比试样磨损量/试样磨损量。850℃热处理后磨粒磨损结果见表4。
 
表4 850℃耐磨材料的磨粒磨损量
试样 磨损量 平均磨损量 相对耐磨性
高铬铸铁 0.667 0.670 1
0.675
0.668
YD-628 0.560 0.558 1.2
0.559
0.555
YD-337 1.672 1.675 0.4
1.680
1.673
GD-500 0.112 0.119 5.6
0.120
0.125
从磨损试验结果中可以看出,四种耐磨材料在热处理后的耐磨性均高于高铬铸铁,且GD-500的耐磨性最为优异,是YD337的14倍、YD628的4.7倍,GD-500在耐磨性方面具有很大的优势。GD-500和YD337是碳化物强化型耐磨合金,耐磨堆焊合金堆焊层组织由碳化物和基体组成,碳化物起到抗磨骨架的作用,碳化物也需要依赖基体的支撑与保护,从而发挥抗磨作用。当基体较弱时,磨损过程中基体组织容易被深度切削,形成大量微裂纹,微裂纹在磨损过程中扩展,造成局部脱落,在宏观上表现为耐磨性降低,从表3中可以看出,GD-500热处理后的硬度下降量最低,因此耐磨性比YD337高,YD628高温加热后使马氏体回火,基体组织的硬度大幅度降低,具有抗磨骨架的作用的碳化物不能得到基体的良好支撑,因而造成了从宏观上表现为耐磨性降低。
抗冲击脱落试验
溜槽衬板在使用过程中,一直受到磨料的冲击磨损,如果所使用的堆焊层在服役中受到冲击而脱落,溜槽就会失去衬板的保护。文献[6]中阐述了冲击对耐磨堆焊层的影响。落球试验采用7.5kg的铅球由1m高处自由下落,对堆焊层进行冲击。试验表明,YD628堆焊层在冲击中发生脱落,YD337和GD-500试样的堆焊层未发生脱落现象,具有一定的抗冲击性。因为YD628是属于高铬合金,淬硬倾向大,韧性差,容易脱落;YD337属马氏体型材料,具有较好的任性,在冲击作用下不易脱落;GD-500虽然是高硬度材料,但碳化铌的存在对堆焊层起到细化晶粒的作用使基体组织仍具有一定韧性,可抵抗冲击。
工程应用
综合对比后,我们最终采用GD-500耐磨焊丝对我公司的溜槽衬板进行耐磨处理。堆焊厚度达到10-12mm后,焊道摆幅25mm。将堆焊后的溜槽发往客户使用,正常运行14个月,后送厂返修。堆焊层没有出现破碎、脱落的现象,使用寿命基本达到原来镶嵌硬质合金工艺的效果,但制造成本明显降低,生产效率显著提高,产生了明显的经济效益。
 
图1 采用GD-500堆焊制造的溜槽
 
结论
1) 布料溜槽工作环境苛刻,是无料钟高炉炼铁装料系统中非常重要的一个易损部件,保障其长时可靠的运行非常重要,耐磨材料选择不当会造成不必要的损失,选择合适的耐磨材料直接关系到溜槽的使用寿命。
2) 从焊材焊接工艺性能对比中看出,气保焊比手工电弧焊的生产效率高、操控性好、堆焊质量稳定。在硬度试验中,GD-500材料在850℃热处理后洛氏硬度在55以上,为常温下的95.0%,热处理后的磨损量很低,相对磨损量是高铬铸铁的5.6倍,耐磨性优异且在抗冲击脱落试验中没有出现焊层脱落现象。
3) 通过硬度、磨损等试验结果可以得出结论,GD-500综合性能优异,表明该种材料适合用于溜槽衬板堆焊,推荐使用该种材料。
4) 在不降低布料溜槽使用寿命的前提下,寻找性价比较优的耐磨材料和耐磨衬板制造方法,已成为无料钟高炉炼铁厂和设备制造厂商共同的目标。

参考文献
[1] 聂松辉,刘宏昭,邱爱红,等. 高炉布料溜槽抗磨损技术研究[J]. 钢铁. 2007, 42(7): 10-14.
[2] 张清明. 硬面耐磨钢板在高炉布料溜槽上的应用实践[J]. 中国新技术新产品. 2013(9): 130-131.
[3] 滕召杰,程树森,赵国磊. 溜槽截面形状及参数对高炉布料的影响[J]. 钢铁. 2014, 49(9): 34-37, 76.
[4] 华成. 无料钟炉顶布料溜槽的综合分析[J]. 冶金设备. 2010(06): 67-70.
[5] 王智慧,俞长丽,贺定勇. 焊后热处理对Fe-Cr-C耐磨堆焊合金组织和磨损性能的影响[J]. 材料热处理学报. 2009, 30(4): 77-80.
[6] 蒋建敏,赵学彬,龙世桢,等. 冲击对DG7药芯焊丝堆焊层性能的影响[J]. 新技术新工艺. 2007.
 
作者简介:胡建平,男,1985年出生,毕业于燕山大学,硕士研究生,机电工程师。
 
 
联系方式:
李秀亮       电话:13488706964
            
             地址:河北省秦皇岛市经济技术开发区鄱阳湖路2号
 
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