王演銘， 王鋒， 李智華

(神華國(guó)華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司,山東 濰坊262714)

0 前言

中速磨煤機(jī)碾磨件的使用壽命是影響燃煤電廠機(jī)組負(fù)荷及綜合運(yùn)行成本的重要因素。如何提高碾磨件，尤其是磨碗襯板、磨輥套的使用壽命，減少檢修次數(shù)，是各個(gè)燃煤電廠急需解決的問題。

建國(guó)后，中國(guó)沒有中速磨煤機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)基礎(chǔ)，引進(jìn)消化吸收成了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)中速磨煤機(jī)的必經(jīng)之路。1985年中國(guó)從美國(guó)引進(jìn)了全套的RP系列碗式磨煤機(jī)制造技術(shù)，又從德國(guó)引進(jìn)了MPS系列磨煤機(jī)技術(shù)，1989年從美國(guó)引進(jìn)了HP系列磨煤機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)[1]。中國(guó)目前所生產(chǎn)的磨煤機(jī)幾乎都是這些磨煤機(jī)的翻版或改進(jìn)型，壽光電廠使用的MW31B/L-Dyn型中速磨煤機(jī)就是原上海重型機(jī)器廠引進(jìn)的HP系列磨煤機(jī)的改進(jìn)型號(hào)。

引進(jìn)初期， HP系列磨煤機(jī)的磨碗襯板及磨輥套生產(chǎn)工藝均為整體鑄造，其材質(zhì)為以ZGr20為代表的高鉻鑄鐵，襯板及輥套存在使用壽命短、襯板斷裂等一系列無法解決的問題，造成電廠檢修任務(wù)繁重、維護(hù)使用成本增加[2]。隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步，原上重廠又從美國(guó)司太立公司引進(jìn)了當(dāng)時(shí)比較先進(jìn)的堆焊技術(shù)，在磨碗襯板和磨輥套的磨損面上進(jìn)行堆焊強(qiáng)化。堆焊技術(shù)的采用提高了中速磨煤機(jī)碾磨部件的使用壽命，國(guó)內(nèi)其它廠家紛紛效仿，短時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)從事堆焊強(qiáng)化的企業(yè)增加到了數(shù)百家。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，原上重廠引進(jìn)的堆焊技術(shù)從材料體系和堆焊工藝上都已經(jīng)不能滿足國(guó)內(nèi)電力行業(yè)發(fā)展的需要，而國(guó)內(nèi)絕大部分堆焊企業(yè)缺乏自主研發(fā)能力，依舊停留在簡(jiǎn)單模仿抄襲的階段，造成了堆焊強(qiáng)化市場(chǎng)魚龍混雜、良莠不齊、惡性競(jìng)爭(zhēng)的混亂局面，致使燃煤電廠在碾磨部件的采購上面臨選擇性難題。

金屬陶瓷硬度高、耐磨性好、和鋼鐵類基體相容性好，應(yīng)用于磨碗襯板和磨輥套耐磨強(qiáng)化可以獲得非常好的效果[3-6]。將金屬陶瓷耐磨層復(fù)合到磨碗襯板和磨輥套上，可以采用復(fù)合熔鑄法[3]或者堆焊法[4]。文中在低碳鋼基體上進(jìn)行了金屬陶瓷堆焊試驗(yàn)，并和國(guó)內(nèi)某常規(guī)堆焊焊絲堆焊樣品進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

堆焊母材選用Q235，成分見表1。母材尺寸500 mm×500 mm×20 mm。堆焊焊絲為金屬陶瓷相焊絲，焊絲直徑為φ2.8 mm。同時(shí)采用一種國(guó)內(nèi)某廠同直徑常規(guī)堆焊焊絲進(jìn)行對(duì)比。

表1 母材Q235的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用明弧自保焊自動(dòng)堆焊設(shè)備進(jìn)行堆焊，2種焊絲的堆焊工藝參數(shù)相同。堆焊工藝參數(shù)見表2。

表2 堆焊工藝參數(shù)

采用線切割方法從堆焊好的試板取樣，放入加熱爐中，以100 ℃/h的速度升溫至1 150 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻。然后用牛頭刨床刨取堆焊層碎末50 g，按照GB/T 11352—2009標(biāo)準(zhǔn)，采用碳硫分析儀(CS844)和ICP原子發(fā)射光譜儀(iCAP6300)對(duì)金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)堆焊耐磨層的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定。

用線切割從堆焊好的試板上割取尺寸為15 mm×15 mm×20 mm的試塊，堆焊表面及一個(gè)側(cè)面作為金相面，按照GB/T 3488.1—2014規(guī)定的方法進(jìn)行磨光，并用4%硫酸銅鹽酸溶液進(jìn)行腐蝕，獲得金相試樣[5]。在光學(xué)顯微鏡下分別對(duì)堆焊表面和側(cè)面進(jìn)行觀察，采用Image Pro Plus軟件對(duì)金屬陶瓷相的比例進(jìn)行了測(cè)定。

采用HR-150A型洛氏硬度儀進(jìn)行了硬度測(cè)量，載荷1 470 N，加載時(shí)間5 s。

用線切割從堆焊好的試板上割取尺寸為60 mm×60 mm×20 mm的試塊，在磨床上將表面和背面磨平，采用針盤磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)堆焊試板進(jìn)行了耐磨性能測(cè)試。對(duì)磨副為YG8硬質(zhì)合金，針盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0.8 m/s，載荷為49 N。每5 min用電子天平測(cè)量一次試樣磨損失重，天平精度為0.1 mg。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)堆焊耐磨層的化學(xué)成分見表3。

表3 金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)堆焊耐磨層的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

可以看出，金屬陶瓷相堆焊耐磨層成分中Cr和C的含量很高，分別為29.8%和5.8%，可以使堆焊層中析出更多Cr7C3型碳化物。除了Cr，金屬陶瓷相堆焊耐磨層中還含有Mo，Ti，Nb等強(qiáng)碳化物形成元素，不僅可以進(jìn)一步增加碳化物的析出量，而且使析出的碳化物尺度更加細(xì)小，在提高堆焊層硬度和耐磨性的同時(shí)，使堆焊層保持一定的韌性，極大地提高堆焊層的綜合性能。

而常規(guī)焊絲堆焊的耐磨層中，Cr和C的含量明顯低于金屬陶瓷相堆焊耐磨層，同時(shí)幾乎沒有強(qiáng)碳化物形成元素，無法促進(jìn)Cr7C3型碳化物細(xì)化，必然導(dǎo)致碳化物組織粗大。常規(guī)焊絲堆焊的耐磨層中B的含量遠(yuǎn)高于金屬陶瓷相堆焊耐磨層。B元素的大量使用雖然會(huì)使耐磨層的常溫硬度得到提升，但會(huì)使耐磨層抗沖擊能力大大降低，研究表明，高B材料在300 ℃的溫度下宏觀硬度會(huì)降低3～5 HRC[7-8]。

金屬陶瓷相堆焊耐磨層金相組織如圖1所示。工作面上均勻密布準(zhǔn)六邊形一次碳化物，同時(shí)伴有少量固溶體和共晶組織，碳化物平均寬度約為0.03 mm，這些碳化物即是由Cr，Mo，Nb，W，V等元素與碳形成的金屬陶瓷相；從試樣的縱剖面上看，金屬陶瓷相呈纖維狀分布，方向一致性好，基本垂直于工作面，其平均長(zhǎng)度約1 mm，長(zhǎng)寬比大于30。用Image Pro Plus對(duì)初生碳化物進(jìn)行面積測(cè)定，測(cè)得初生碳化物的體積分?jǐn)?shù)為64.7%。

圖1 金屬陶瓷相堆焊試樣金相組織

常規(guī)焊絲堆焊的耐磨層金相組織如圖2所示。其組織粗大、結(jié)晶方向紊亂、耐磨相比例少，初生碳化物的體積分?jǐn)?shù)為60.1%。共晶和固溶體含量明顯高于金屬陶瓷相堆焊耐磨層。更主要的是碳化物尺寸粗大，從而使其脆性增大，耐磨性能下降。金相組織的分析結(jié)果和成分分析的結(jié)果顯示出高度的一致性。

圖2 常規(guī)焊絲堆焊耐磨層金相組織

硬度測(cè)試結(jié)果見表4。金屬陶瓷相堆焊耐磨層的平均硬度為64.7 HRC，高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的平均硬度為60.1 HRC。金屬陶瓷相堆焊耐磨層中Cr和C的含量高，而且還含有Mo，Ti，Nb等強(qiáng)碳化物形成元素，初生碳化物尺寸細(xì)小、排列方向規(guī)則、體積分?jǐn)?shù)高，是其宏觀硬度更高的主要原因[9]。

表4 堆焊層表面硬度 HRC

金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的磨損失重如圖3所示。隨著磨損時(shí)間增加，2種堆焊層的失重都在增加，但金屬陶瓷相堆焊耐磨層的磨損失重量更小，而且增加速度更慢。磨損25 min后，其失重量?jī)H為常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的38%。更高的Cr和C含量，使耐磨層中碳化物含量更高；強(qiáng)碳化物形成元素的存在使碳化物尺寸更加細(xì)小。更高含量的細(xì)小尺寸碳化物使堆焊層保持一定韌性的同時(shí)，提高了堆焊層的硬度，增加了堆焊層的耐磨性。

圖3 金屬陶瓷相堆焊耐磨層和常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的磨損失重曲線

特別是，定向排列的碳化物之間的間距隨著碳化物含量提高、碳化物尺寸減小而減小。對(duì)比圖1和圖2可以看出，金屬陶瓷相堆焊耐磨層中碳化物之間的間距明顯小于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層中碳化物之間的間距。在磨粒磨損模式下，耐磨層中碳化物之間的間距越大，中間較軟的基體金屬越容易暴露于磨粒的磨損作用下，產(chǎn)生“挖掘”效應(yīng)。當(dāng)較軟的基體金屬被選擇性磨損后，碳化物失去支撐，在外力作用下很容易碎裂、剝落，導(dǎo)致磨損加速。而耐磨層中碳化物之間的間距減小，碳化物對(duì)基體金屬的保護(hù)作用增強(qiáng)，特別是當(dāng)碳化物之間的間距小于磨粒尺寸時(shí)，基體金屬完全處于碳化物的保護(hù)之下，磨損主要發(fā)生在碳化物和磨粒之間。有基體金屬的有效支撐，高硬度的碳化物將表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。因此，在相同磨損條件下，碳化物含量更高、尺寸更細(xì)小的金屬陶瓷相堆焊耐磨層表現(xiàn)出了更好的耐磨性。

從文中的試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出采用金屬陶瓷相焊絲進(jìn)行堆焊，可以極大地提高零部件的耐磨性。金屬陶瓷相焊絲堆焊在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用也證實(shí)了這一點(diǎn)。圖4所示為金陵電廠的金屬陶瓷堆焊磨碗襯板使用9 500 h和石洞口二廠的金屬陶瓷堆焊磨碗襯板使用15 000 h的磨損情況。神華國(guó)華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司首先在1號(hào)機(jī)組4臺(tái)主力磨煤機(jī)上安裝使用了金屬基金屬陶瓷相磨碗襯板及輥套，目前磨煤機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、正常。在耐磨件改造前，神華國(guó)華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司廠單臺(tái)鍋爐4臺(tái)磨煤機(jī)每次大修時(shí)間約為10 000 h，費(fèi)用備品備件約160萬元，堆焊費(fèi)用48萬元，人工檢修費(fèi)用48萬元，累計(jì)約256萬元。改造后檢修時(shí)間延長(zhǎng)了1.5～2.0倍，使用壽命達(dá)到15 000～20 000 h一次大修，費(fèi)用節(jié)約128～256萬元/次，平均節(jié)約約200萬元/次。除可以堆焊強(qiáng)化外，堆焊磨輥輥套、堆焊磨碗襯板使用中磨損到一定尺寸后，還可以再次通過堆焊修復(fù)使用，并保持原性能，有效降低成本。

圖4 金陵電廠和石洞口二廠的金屬陶瓷堆焊磨碗襯板

3 結(jié)論

(1)和常規(guī)焊絲堆焊耐磨層相比，金屬陶瓷相堆焊耐磨層成分中Cr和C元素的含量更高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29.8%和5.8%。堆焊耐磨層中含有強(qiáng)碳化物形成元素。

(2)金屬陶瓷相呈纖維狀分布，垂直于工作面，體積分?jǐn)?shù)高于常規(guī)堆焊焊絲堆焊耐磨層，達(dá)到64.7%，碳化物尺度更加細(xì)小。

(3)金屬陶瓷相堆焊耐磨層的平均硬度為64.7 HRC，高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層。

(4)金屬陶瓷相堆焊耐磨層的耐磨性高于常規(guī)焊絲堆焊耐磨層。針盤磨損試驗(yàn)條件下，其磨損失重為常規(guī)焊絲堆焊耐磨層的38%；金屬陶瓷相堆焊磨盤、磨輥在實(shí)際工作條件下的使用壽命為常規(guī)焊絲堆焊磨盤、磨輥的1.5～2.0倍。

致謝

感謝華能金陵電廠、華能玉環(huán)電廠、寧海電廠對(duì)調(diào)研的大力支持與協(xié)助，感謝江蘇瑞米克金屬技術(shù)有限公司提供焊接、取樣、檢測(cè)等便利條件。