CN101804524A - 用于磨辊、磨盘防磨的粉芯焊丝及其熔覆方法 - Google Patents

Abstract

一种用于磨辊、磨盘防磨的粉芯焊丝及其熔覆方法，属于耐磨材料制备技术领域。粉芯焊丝重量百分比为：Mo粉：1-2wt.％，Ti粉：6-20wt.％，C粉：1.5-5wt.％，NbC粉：2-5wt.％，VC粉：0-2wt.％，Al粉：0.3-0.5wt.％，WC粉：余量。熔覆方法包括粉芯焊丝的制备和金属陶瓷熔覆层复合磨辊及磨盘的制备。优点在于，复合磨辊或磨盘打底层表面上所形成金属陶瓷熔覆层硬度为1000-1600HV、厚度为5-20mm，该复合磨辊或磨盘使用寿命长、工艺较简单，并可使磨辊或磨盘长期在高效率区间运行。

Description

用于磨辊、磨盘防磨的粉芯焊丝及其熔覆方法

技术领域

本发明属于耐磨材料制备技术领域，特别是提供了一种用于磨辊、磨盘防磨的粉芯焊丝及其熔覆方法，用于在磨煤机磨辊及磨盘打底层表面制备高耐磨损金属陶瓷熔覆层的粉芯焊丝。

背景技术

制粉系统是保障火电机组安全经济运行的主要系统之一，随着制粉技术的进步，自20世纪80年代以来，国内200MW及以上大容量火电机组普遍采用中速磨煤机。我国火电厂使用的中速磨煤机主要有以下几种：辊-盘式中速磨煤机、辊-碗式中速磨煤机、球-环式中速磨煤机、辊-环式中速磨煤机(常称MPS磨煤机)、HP系列中速磨煤机等。中速磨煤机具有启动快、调节灵活、运行电耗低等优点，但它也存在对铁块、木块、石块等杂物较为敏感、碾磨件磨损严重等缺点。近几年来，我国火电机组以年增6000万kW左右的速度快速发展，对中速磨的需求量很大，磨辊磨损已成为长期严重影响我国火电厂安全经济运行的重要问题。目前国产磨煤机磨辊耐磨层的厚度范围为40-90mm，当磨损深度大于约20mm时，辊套外表面由凸面(或平面)转变为凹面、并产生波峰及波谷。由于辊套和盘瓦吻合不良，造成制粉生产率下降10-30％、排渣量增大、磨煤机振动、锅炉达不到额定出力或运行不稳定等诸多问题。火电厂迫于降低检修费用和尽量延长检修周期的需要，一般当磨辊磨损深度达30-60mm时，才对磨辊进行大修，这就造成磨煤机长期在较低效率下工作、厂用电增加、锅炉运行不稳定及磨煤备用系数严重不足等问题，给电力生产带来了巨大的经济损失和安全隐患。

MPS磨煤机一般采用高铬铸铁制造磨辊和磨盘，HP系列中速磨煤机磨辊由母体材料碳钢和耐磨堆焊层组成。由于国内煤种类较多、杂质含量高、可磨性较差，导致磨辊和磨盘磨损严重，国内火电厂所用磨辊的寿命仅为4000-10000小时，需要频繁堆焊修复或更换才能保证磨煤机正常工作，严重影响了火电厂的安全经济运行。

对于在凿削性碰撞磨损、研碎性高应力磨损工况下工作的耐磨件，高铬铸铁是首选的材料。含铬量在12％以上的高铬铸铁开发于20世纪初，1917年获得了美国专利。随后数十年内，由于对高铬铸铁的性能了解不多而限制了其应用范围。20世纪中期，美国国际镍公司研究开发了镍硬系列耐磨铸铁，其中，镍硬4(Ni-Hard4)于1951年获美国专利，并逐渐广泛应用于矿产品加工行业。镍硬4的耐磨性能较好，但因其抗冲击能力欠佳而限制了其在高应力磨粒磨损条件下的应用。20世纪60年代，美国Abex公司为改善高铬铸铁的性能进行了大量的研究工作，系统研究了Ni、Mo、Mn、Si、Cr和C等在高铬铸铁中的作用。

针对火电厂制粉系统中速磨煤机制造落后的情况，我国从1980年起先后从西方国家引进了RP、HP、MPS系列磨煤机制造技术。国内早期使用的磨煤机磨辊和磨盘采用镍硬4制造，其后由于降低成本的需要而采用高铬铸铁替代镍硬4。在高铬铸铁焊接工艺获得突破后，堆焊耐磨高铬焊丝的技术广泛用于修复磨辊和磨盘。但由于国内煤质较差，无论是铸态还是堆焊的磨辊的寿命仍仅为4000-10000小时，远达不到20000小时以上设计寿命和磨煤机高效稳定运行的要求。在现有耐磨合金耐磨性已接近极限的情况下，迫切需要突破现有耐磨合金材料的局限性，开发新的高耐磨损复合材料技术。

金属陶瓷是一种由陶瓷和金属组成的复合材料，金属陶瓷具有高硬度、高的耐磨性和优于陶瓷材料的韧性，金属陶瓷具有单一金属或陶瓷材料不可比拟的优异性能。但是，由于金属陶瓷材料的制备成本较高、工艺较复杂等原因而限制了其应用范围。

专利号为02106782.1的发明描述了利用钎焊法制备WC颗粒增强的复合磨辊的工艺，该发明的技术特点为：(1)将包含耐磨相的糊或膏涂到铸型表面，并将包含耐磨相的混合物加热到一定温度后，将金属液浇铸到包含耐磨相混合物的铸型腔内；(2)需要将对复合磨辊进行后续时效处理。

200710018137.X号发明专利申请公开了一种利用局部感应加热法制备碳化钨颗粒增强金属及复合材料耐磨磨辊的制备工艺，该复合磨辊由母体、耐磨复合层和外钢圈三部分组成，耐磨复合层由镍基合金和铸造WC颗粒烧结而成。实施该发明工艺时，需要利用大功率感应加热装置来加热外钢圈和置于母体和外钢圈之间的复合粉末，复合粉末经感应加热烧结后形成耐磨复合层。根据该发明所述，耐磨复合层厚度为5-6mm，耐磨复合层硬度为58-62HRC。

综上，目前已公开的在磨辊及磨盘表面制备陶瓷-金属复合材料耐磨层的主要专利技术为钎焊法和局部感应加热法，尚未发现利用等离子弧或氩弧熔覆法在磨辊及磨盘表面制备金属陶瓷耐磨层的专利。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种用于磨辊、磨盘防磨的粉芯焊丝及其熔覆方法；即以碳钢作为磨辊或磨盘的本体，采用明弧焊方法在磨辊或磨盘工作面基体上堆焊打底层，利用等离子弧或氩弧焊枪将粉芯焊丝熔覆在打底层表面，通过搭接、多层熔覆的方法，在打底层表面制备出厚度为5-20mm的金属陶瓷熔覆层。金属陶瓷熔覆层的韧性和硬度均显著高于高铬铸铁和合金焊丝堆焊的磨辊，该金属陶瓷熔覆层复合磨辊主要用于电力、水泥等行业的中速磨煤机上。

为了解决上述技术问题，本发明的具体技术步骤如下：

(一)、粉芯焊丝的成分与制备方法

(1)粉芯焊丝所用粉末材料的重量百分比为：Mo粉(200-300目，纯度≥99.5％)：1-2wt.％，Ti粉(100-200目，纯度≥99.5％)：6-20wt.％，C粉(200-300目，纯度≥99.5％)：1.5-5wt.％，NbC粉(200-300目，纯度≥99.5％)：2-5wt.％，VC粉(200-300目，纯度≥99.5％)：0-2wt.％，Al粉(200-300目，纯度≥99.6％)：0.3-0.5wt.％，WC粉(100-200目，纯度≥99.5％)：余量；

以上粉末中：WC作为主要的耐磨陶瓷相，Ni作为粘结相；Ti、C的作用是在熔覆过程中发生强放热反应并生成(W，Ti)C耐磨陶瓷固溶体，NbC的主要作用是在粘结相中形成细小的NbC颗粒(部分NbC固熔于(W，Ti)C相中)，从而提高粘结相的耐磨性；VC的主要作用是细化(W，Ti)C晶粒(部分VC固熔于(W，Ti)C相中)；Mo的作用是提高陶瓷相与粘结相的结合强度，Al的作用是提高金属陶瓷熔覆层在高温熔覆过程中的抗氧化性；

(2)按步骤(1)所述的粉末比例，称取所需的各种粉末，称作粉芯原料；

(3)将步骤(2)所述粉芯原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为110-120℃，干燥时间为4-8小时；

(4)利用球磨机混合粉芯原料，混料时间为4-6小时，形成组分均匀的混合粉末；

(5)选用纯镍带包裹球磨混合后的粉芯原料形成粉芯焊丝，混合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为70-92wt.％。所选纯镍带纯度≥99.5％，其厚度在50-200μm范围、宽度在30-70mm范围；可采用手工包料或机械包料的方法制备粉芯焊丝，采用手工包料所用镍带长度在300-600mm范围，采用机械装置包料所用镍带长度≥5m。

(二)金属陶瓷熔覆层复合磨辊及磨盘的制备方法

(1)以碳钢(如30号钢、45号钢)作为磨辊或磨盘的本体材料，根据磨辊或磨盘的设计尺寸铸造出碳钢磨辊或磨盘毛坯，铸造时应使磨辊毛坯磨损区域的各断面半径小于磨辊设计尺寸6-21mm、或使磨盘毛坯磨损区域的材料厚度小于设计尺寸6-21mm；

(2)对磨辊或磨盘毛坯进行机加工，得到可堆焊打底层的磨辊或磨盘本体，机加工后应使磨辊本体磨损区域的各断面的半径小于磨辊设计尺寸8-23mm、或使磨盘本体磨损区域的材料厚度小于设计尺寸8-23mm；

(3)对待堆焊打底层区域(即工作面基体表面)进行除油、除污处理，将待熔覆磨辊或磨盘固定在堆焊磨辊用变位机工作台上，选用奥氏体不锈钢焊丝(如0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti)，采用明弧焊方法在磨辊或磨盘工作面基体上堆焊打底层(见图1)，打底层厚度为2-3mm；

(4)将已堆焊打底层的磨辊或磨盘固定在堆焊磨辊用变位机工作台上，等离子弧枪或氩弧焊枪固定在悬臂上，旋臂固定在摆动器上，摆动器固定在变位机边缘的支座上；通过机械装置控制磨辊或磨盘在所需的铅垂角下作旋转运动(待熔覆区域与焊枪垂直)；采用手动送丝或自动送丝的方法，利用等离子弧焊枪或氩弧焊枪熔覆步骤(一)所述粉芯焊丝，通过多道搭接熔覆方法，在磨辊或磨盘打底层表面制备金属陶瓷熔覆层，单层熔覆层厚度为2-3mm；通过同一面积上的2-10次熔覆，在磨辊或磨盘打底层表面得到厚度为5-20mm的金属陶瓷熔覆层。

本发明的优点在于，复合磨辊或磨盘打底层表面上所形成金属陶瓷熔覆层硬度为1000-1600HV、厚度为5-20mm，该复合磨辊或磨盘使用寿命长、工艺较简单，并可使磨辊或磨盘长期在高效率区间运行。

利用本发明制备的复合磨辊使用寿命长(可达到10000-20000小时)、制粉效率高(由于整个服役周期磨损深度≤20mm，可保证磨辊长期在高效区运行)，可用于MPS、HP等各类中速磨磨辊及磨盘的防磨处理。

附图说明

图1为HP磨辊毛坯，其中，碳钢上边缘1，工作面基体表面2，碳钢下边缘3。

图2为等离子弧焊枪与磨辊相对位置示意图，其中，等离子弧焊枪4，粉芯焊丝5，打底层6，搭接熔覆的金属陶瓷熔覆层7，变位机8。

图3为磨辊上打底层与熔覆层断面示意图，多道搭接熔覆的磨辊外表面金属陶瓷熔覆层9，打底层10。

图4为金属陶瓷熔覆层的扫描电镜照片；其中，(W，Ti)C陶瓷相11。

图5为金属陶瓷熔覆层样品断面的显微硬度曲线(载荷为1kg，同一高度测4个点的硬度)。

具体实施方式

实施例1

制备型号为HP的金属陶瓷熔覆层复合磨辊，按如下步骤实施：

1、制备粉芯焊丝

(1)粉芯焊丝所用粉末材料的重量百分比为：Mo粉(-250目，纯度99.6％)：1wt.％，Ti粉(-100目，纯度99.7％)：10wt.％，C粉(-250目，纯度99.8％)：2.5wt.％，NbC粉(-250目，纯度99.6％)：3wt.％，VC粉(-250目，纯度99.6％)：1wt.％，Al粉(-250目，纯度99.6％)：0.4wt.％，WC粉(-100目，纯度99.6％)：余量；

(2)按步骤(1)所述的粉末比例，称取所需的各种粉末，即粉芯原料；

(3)将步骤(2)所述粉芯原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为120℃，干燥时间为5小时；

(4)利用球磨机混合粉芯原料，混料6小时后形成组分均匀的混合粉末；

(5)选用纯度为99.6％、厚度为50μm、宽度为50mm、长度为350mm的纯镍带作为包裹混合粉末的外皮；采用手工方法卷筒和灌粉的方法，先将纯镍带卷成直径为10mm的圆筒，然后在圆筒内灌入步骤(4)所述混合粉末，使混合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为90wt.％；最后利用钳子将圆筒两端压扁封闭，形成熔覆用粉芯焊丝。

2、金属陶瓷熔覆层复合磨辊的制备

(1)选用30号碳钢作为HP型磨辊的本体材料，根据磨辊的设计尺寸铸造出碳钢磨辊毛坯，磨辊毛坯磨损区域的各断面的半径小于设计尺寸10mm，见示意图1；

(2)对磨辊毛坯进行机加工，得到可堆焊打底层的磨辊本体；机加工后，磨辊本体磨损区域的各断面半径小于磨辊设计尺寸12mm；

(3)对待堆焊打底层区域进行除油、除污处理，将待熔覆磨辊本体固定在堆焊磨辊用变位机工作台上，选用直径为2.8mm的1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢焊丝，采用明弧焊方法在磨辊本体表面堆焊打底层，打底层平均厚度为2mm；

(4)将已堆焊打底层的磨辊本体固定在堆焊磨辊用变位机工作台上，等离子弧焊枪固定在悬臂上，旋臂固定在摆动器上，摆动器固定在变位机边缘的支座上；熔覆时使待熔覆区域与焊枪垂直，通过机械装置控制磨辊本体作匀速旋转运动，等离子弧作用于打底层表面区域与等离子弧焊枪的相对运动速度为5mm/s，等离子弧焊枪所用工作电流为285A、保护氩气流量为8L/min，摆动器摆幅为±5mm、摆动频率为50次/min；采用手动送丝的方法，利用等离子弧焊枪熔覆步骤1所述粉芯焊丝，通过多道搭接熔覆在磨辊打底层表面制备金属陶瓷熔覆层，单层熔覆层平均厚度为2mm；通过同一面积上的5次熔覆，在磨辊打底层表面得到平均厚度为10mm的金属陶瓷熔覆层。

Claims (3)

1.一种用于磨辊、磨盘防磨的粉芯焊丝，其特征在于，粉芯焊丝中所含粉末的重量百分比为：Mo粉：1-2wt.％，Ti粉：6-20wt.％，C粉：1.5-5wt.％，NbC粉：2-5wt.％，VC粉：0-2wt.％，Al粉：0.3-0.5wt.％，WC粉：余量。

2.一种权利要求1所述粉芯焊丝的熔覆方法，其特征在于，工艺步骤为：

粉芯焊丝的制备

(1)粉芯焊丝中所含粉末的重量百分比为：Mo粉：1-2wt.％，Ti粉：6-20wt.％，C粉：1.5-5wt.％，NbC粉：2-5wt.％，VC粉：0-2wt.％，Al粉：0.3-0.5wt.％，WC粉：余量，按上述比例称取所需的各种粉末，作为粉芯原料；

(2)将步骤(1)所述粉芯原料放入干燥箱中干燥，干燥箱温度为110-120℃，干燥时间为4-8小时；

(3)利用球磨机混合粉芯原料，混料时间为4-6小时，形成组分均匀的混合粉末；

(4)选用纯镍带包裹球磨混合后的粉芯原料形成粉芯焊丝，混合粉末在粉芯焊丝中所占的重量百分比为70-92％；所选纯镍带纯度≥99.5％，其厚度在50-200μm范围、宽度在30-70mm范围，采用手工包料或机械包料的方法制备粉芯焊丝；

金属陶瓷熔覆层复合磨辊及磨盘的制备

(1)以碳钢作为磨辊或磨盘的本体材料，根据磨辊或磨盘的设计尺寸铸造出碳钢磨辊或磨盘毛坯；

(2)对磨辊或磨盘毛坯进行机加工，得到可堆焊打底层的磨辊或磨盘本体；

(3)对待堆焊打底层区域进行除油、除污处理，将待熔覆磨辊或磨盘固定在堆焊磨辊用变位机工作台上，选用奥氏体不锈钢焊丝，采用明弧焊方法在磨辊或磨盘工作面基体上堆焊打底层，打底层厚度为2-3mm；

(4)将已堆焊打底层的磨辊或磨盘固定在堆焊磨辊用变位机工作台上，等离子弧枪或氩弧焊枪固定在悬臂上，旋臂固定在摆动器上，摆动器固定在变位机边缘的支座上；通过机械装置控制磨辊或磨盘在所需的铅垂角下作旋转运动，待熔覆区域与焊枪垂直；采用手动送丝或自动送丝的方法，利用等离子弧焊枪或氩弧焊枪熔覆所制备的粉芯焊丝，通过多道搭接熔覆方法，在磨辊或磨盘打底层表面制备金属陶瓷熔覆层，单层熔覆层厚度为2-3mm；通过同一面积上的2-10次熔覆，在磨辊或磨盘打底层表面得到厚度为5-20mm的金属陶瓷熔覆层。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碳钢为30号钢、45号钢；

磨辊毛坯磨损区域的各断面半径小于磨辊设计尺寸6-21mm、或使磨盘毛坯磨损区域的材料厚度小于设计尺寸6-21mm；

机加工后，使磨辊本体磨损区域的各断面的半径小于磨辊设计尺寸8-23mm，或机加工后，使磨盘本体磨损区域的材料厚度小于设计尺寸8-23mm。

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