面向高炉风口小套长寿化的表面堆焊工艺

 陆隆文1  胡  坚2  张海鸥2  李友浩2  王  鑫3  赵  思1 钟  毅1  王桂兰3

（1．武汉钢铁集团公司；2．华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室；3．华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室）

摘要针对高炉风口小套的使用情况和主要失效形式，提出了在风口内壁采用电弧熔覆高温耐磨合金材料的工艺方法。提出了过渡层JSTNi6382+表层耐磨合金的材料结构，并对熔覆层的金相组织、硬度、耐磨性和抗热震性能进行分析。沿熔积方向对强化试样进行等距硬度测试。试验结果表明，试样硬度沿熔积方向呈梯度递增。在常温下D450的耐磨性是紫铜的5.8倍，D600的耐磨性是紫铜的17倍；D450试样的抗热震性能远优于等离子喷涂工艺。

关键词高炉风口小套；长寿化；堆焊；高温耐磨合金

中图分类号  TG146.1+1; TG455DOI：10. 15980/j．tzzz. 2016. 05. 007

 高炉风口小套是高炉炼铁生产时的重要部件，主要用于向高炉内吹送热风和煤粉，其工作环境十分恶劣。风口的主要失效形式为熔损、磨损、龟裂和焊缝脱落。在高炉风口小套内壁堆焊耐高温耐磨材料可降低热输入，显著提高风口表面的高温耐磨性，提高风口表面的熔点和抗氧化能力等。本课题采用薄层材料，进行了高炉风口表面堆焊材料及工艺研究，旨在为生产长寿命的高炉风口小套提供参考。

1  风口的材质和结构

 风口结构主要分为空腔式风口和贯流式风口。贯流式在空腔体内增加了一套冷却装置，对风口高温区域进行冷却，结构紧凑，提高了冷却效率，进而大大降低了风口熔损效率。流量相同时，贯流式风口冷却水的流速、瞬间带走的热量、风口整体降温幅度皆大于空腔式风口，故其换热能力强于空腔式风口。风口结构、水压和冷却水纯度是影响风口寿命的主要因素。

 本课题采用贯流式风口，材质为紫铜，Cu含量在99. 5%以上，散热能力好，平均使用寿命长。

2试验材料及方案

 目前，提高风口寿命的主要方法为等离子喷涂，但其形成的涂层与风口基体为机械结合，致密度不高，内部孔隙较多，使用过程中容易开裂和剥落；且涂层厚度仅约为0.5 mm。因风口内壁表面受高温高速煤粉和热风冲刷，摩擦磨损比较严重，且环境温度约为1 2000C，所以应熔覆一定厚度的耐磨耐热材料，且能与铜良好结合。镍基合金因具有良好的耐磨性，耐高温、抗氧化性、耐腐蚀性、可焊性，同时易于熔化、与铜材熔合较好，有较好的工艺性能，因而得到广泛应用。

 由于在紫铜上直接熔覆耐磨耐热金属的难度较大，且两者热膨胀系数相差较大，在风口实际使用环境中容易开裂脱落，所以必须使用过渡层。JSTNi6382镍合金焊丝是一种良好的镍基合金焊丝，含适量的M n、N b元素，抗裂性较好，弧柱形态稳定，飞溅较小，易脱渣，常用于铜合金与异种钢的焊接，也可用作过渡层堆焊材料，其化学成分见表1。

 根据风口使用工况，选择了D600和D450两种堆焊合金作为表层材料，其主要元素为Cr、Ni、W、V、N b、B等，D450合金中Cr和Ni的存在，大大提高了堆焊层的抗开裂和抗脱落性能。为了适应高温环境，加入了N b元素，N b在堆焊层中会形成N bC硬质相，其熔点高达3 200℃，具有很好的耐热性。

 本课题采用以镍基焊丝为过渡层材料，在风口内壁表层堆焊高温耐磨材料的工艺方法。考虑到试样数量多，难以都做成风口小套形式，故采用了常见的板状铜试样进行工艺试验。

 经过对预热温度、焊接速度以及搭接率的优化，得出过渡层(JSTNi6382)和表层材料(D600、D450)的焊接工艺参数见表2，保护气氛为A r。

3  风口强化层组织及性能

3.1  强化层宏观形貌

 利用焊机在Cu板上堆焊一层JSTNi6382过渡层，宏观形貌见图1。测得单道焊缝长约为75 mm，宽约为12 mm，高约为2.5 mm，与铜结合良好，表面无气孔、裂纹等缺陷。采用相同的工艺参数，搭接率为30%，将整个Cu板熔覆。

3.2  过渡层微观组织形态

 图2为Cu与JSTN16382熔合线区域的金相组织。从图2a可看出，在熔合线下方的Cu晶粒明显比底部要粗大，这是因为处于熔合线附近的Cu被迅速加热至熔融状态，但Cu冷却速度比其上的过渡层慢，所以Cu再结晶后晶粒变大；熔合线附近的Cu中有深灰色的细小晶粒，颜色与过渡层相近，可知过渡层有部分元素溶入Cu基体中，说明过渡层和Cu基体结合良好，是冶金结合，而等离子喷涂为机械结合。

 图3为过渡层组织形貌。可以看出，各区域晶粒大小和形态差异较大，从熔合线到过渡层顶部组织呈梯度变化。由图3a可以看出，焊层熔合线处的晶粒粗大，这是因为在焊接过程中，过渡材料发生熔化，并与局部的纯铜基体形成液一固界面，晶核沿整个界面法线方向快速长大。由图3b～图3d可以看出，过渡层底部为较粗的胞状结构；过渡层中部为较细小的胞状结构；过渡层顶部组织呈树枝状和柱状晶。这是因为在焊接过程中，熔池中的温度梯度很大，在过渡层底部近熔合区的温度梯度(G)很大，而冷却速度(R)很小。随着焊接厚度的增加，温度梯度减小而冷却速度加快，在近表面区G／R趋近于0，导致过渡层出现明显的组织梯度。

 利用扫描电镜在强化试样纵截面上沿熔覆方向扫描，首先沿Cu基体到过渡层线扫描，结果见图4。可以看出，左侧区域为Cu基体，右侧为过渡层JST-Ni6382，中间呈亮白色纵线为熔合线。从图4可以看出，Cu元素曲线经过熔合线后急剧下降，说明Cu含量明显减少，而Ni和Cr成分明显升高，但是在熔合线右侧仍有铜存在过渡层中，可知Cu与JSTNi6382熔合良好，形成了新的固溶相。

 图5为沿Cu基体向过渡层的面扫描结果。可以看出，扫描区域主要元素为Cu、Ni、Cr，还有少量的C、Nb、Mo，过渡层中含较多的Cr和Ni元素，而Cu基体中几乎不含其他元素，过渡层除含大量的Ni、Cr之外，也有Cu分布，且Cu的分布比较均匀，从而可知Cu与JSTNi6382焊材能良好熔合，并形成固溶相，均匀地分布在熔合线附近的过渡区域。

3.4风口强化层试样显微硬度

 利用HVS-1000型转塔式维式硬度计分别在JST-Ni6382+D450强化试样和JSTNi6382+D600强化试样的侧面从Cu基体沿着熔积方向每隔0.5 mm打点，载荷为50 N，保持时间为5s，得到各点硬度，见图6。可以看出，材料硬度沿着熔积方向逐渐增大，呈现非线性梯度。Cu基体、过渡层、表层D450和表层D600的硬度(HV)分别约为46、200、400和480，表层的硬度较Cu基体有较大提高，而且硬度分布均匀。

3.5风口强化层耐磨性

 采用MG-2000B型高速高温磨损摩擦试验机进行了磨损试验，模拟风口磨损的条件。试验分3组进行，在常温条件下分别对D450、D600、Cu试样进行磨损试验。摩擦副为H13钢，采用杠杆加载，每隔一段时间称量试样的质量，再对数据进行分析，根据磨损量对比3种材料耐磨性能的优劣。采用载荷为420 N，转速为300 r／min，每组磨10 min后称量，连续测10组数据，

 可以看出，在常温下，试样连续磨损10 min，D600的平均磨损量为13.6 mg，D450的平均磨损量为40.4mg，Cu的平均磨损量为232.7 mg。D600合金的耐磨性是Cu的17倍，D450耐磨性是Cu的5.8倍。这是因为在D600中WC含量约为40%，WC为硬质相，具有良好的耐磨性能；而D450中的Cr含量较高，在高温作用下会形成Cr的氧化物和碳化物，硬度较高，因而耐磨性也较高。

3.6风口强化层抗热震性能

 高炉风口小套环境温度高达2 000℃，实际应用于高炉风口的热障涂层，涂层要满足使用及寿命的要求，其热震次数必须超过7次以上。

 强化试样尺寸为30 mm×20 mm×10 mm，放人马弗炉内升温至800℃，升温速度约为300℃/h，保温5min，再将试样取出进行水冷，之后一直重复该过程，观察试样表层开裂和损坏情况并做记录，再用金相显微镜观察试样有无出现裂纹、结合处脱落等现象。

 3种材料热震前后的组织形貌见图8。可以看出，  等离子喷涂试样的抗热震性能最差，D600熔覆试样次之，D450熔覆试样最好，其抗热震性能达到风口的使用要求。

  3.7堆焊复层材料的导热性能  

 过渡层堆焊材料镍铬合金的导热系数为85～95W／(m．K)，过渡层平均厚度为2．0 mm;强化层材料D450与D600的主要成分为Fe，导热系数可参考碳钢：48～51 W／(m．K)，强化层的平均厚度为2.3 mm。由多层复合材料的导热系数计算公式：H/ K=h1／k1 +h2/k2，其中，h1、h2分别为过渡层和强化层厚度；k1、k2分别为镍铬合金和D450或D600的导热系数，可得堆焊复层导热系数K=63 W／(m. K)。

 复层材料的厚度为4.3 mm，导热系数K=63 W/ (m．K)，而贯流式风口的平均壁厚达85 mm，紫铜的导热性为377 W／(m．K)，复层材料对风口结构整体的导热性能影响不明显。

 4  风口实体堆焊试验

 4.1试验准备

 风口小套的内壁是锥度约为1: 11的锥孔，需要强化的部分深度约为200 mm，厚度为2～3 mm，见图9。焊接采用表1和表2的参数并采用由里向外的顺序。

 采用自行开发的切片软件进行焊接轨迹的优化，自动生成机器人控制代码，以精确控制焊枪行走速度等关键参数，提高焊接质量。

4.2风口小套实体堆焊

 焊接前，将装夹好的风口内壁的氧化皮等污垢清除干净，用中频感应加热器预热到600℃左右，再进行恒功率保温。用机器人对内壁需要强化的区域进行焊接，首先进行过渡层JSTNi6382的焊接，导人控制代码按顺序遂道焊接。焊接过程中要时刻监控温度变化，保证施焊温度在600℃左右。完成过渡层焊接后，适度加工后使其厚度约为1 mm。接着按表2的条件在过渡层上进行表层D450的焊接，与过渡层相同顺序进行焊接且无预热，严格控制焊接质量，防止气孔、未熔合等缺陷出现，保持焊接表面均匀、平整。完成表层焊接后需缓

冷，防止产生裂纹。

5  结  论

 (1)采用堆焊工艺，焊层之间以及与铜基体间为冶金结合，结合强度远大于等离子喷涂工艺的，且厚度也大于等离子喷涂工艺的。

 (2)风口强化层硬度测量结果显示过渡层JST-Ni6382、表层D450、表层D600的硬度(HV)分别约为200、400、480。

 (3)风口强化层耐磨性试验得出表层材料D450的耐磨性是铜的5.8倍；抗热震性能试验中D450试样热循环次数为10次后未出现宏观裂纹，采用熔覆工艺的抗热震性能远优于等离子喷涂工艺的。

 (4)过渡层JSTNi6382+表层D450材料组合的硬度、耐磨性和抗热震性能的综合性能最好，故可用该材料组合进行风口小套内壁强化。