摘 要：本文分析了连铸辊损坏的原因，阐述了采用埋弧自动堆焊工艺方法使用药芯焊丝堆焊连铸辊的工艺措施，修复后的连铸辊能够满足现场工况条件的使用要求，达到了新连铸辊的质量和使用寿命，资源得到了有效的再生利用，从而降低了生产成本，具有很好的经济效益和社会效益。
我公司修复了一批连铸辊，其直径为φ160~340mm不等，辊身长度L= 373~626mm不等，母材材质为42CrMo，堆焊后辊子表面硬度为HRc43~47，其结构见图1。连铸辊是连铸设备的关键备件之一，在热疲劳、氧化、腐蚀、磨损的工况条件下服役，经过使用一段时间后，会出现表面龟裂、裂纹、磨损、弯曲、剥离掉肉、氧化与腐蚀鳞皱等缺陷，而这些缺陷直接影响到板坯质量而不能使用需要修复，因些有必要分析连铸辊使用过程中的损坏原因，并制订适宜的连铸辊的修复工艺。
1 连铸辊产生损坏的原因分析
连铸辊在生产过程中产生损坏的原因主要有以下四个方面：
1）连铸辊在与高温铸坯接触的同时，受到高压冷却水的快速冷却，承受着反复高温急冷、急热，这样的冷热循环造成严重的冷热疲劳作用；同时连铸辊还受到板坯鼓肚力和静压力的交变机械应力作用；当连铸过程中出现滞坯和漏钢时，连铸辊还受到非平衡热和非平衡应力的作用；这些因素的共同作用下，连铸辊辊面出现不同程度的网状热裂纹和弯曲变形。2）辊面与高温铸坯接触，受到高温氧化、冷却水和连铸生产用的保护渣中的氟离子的腐蚀作用，引起连铸辊辊面氧化、腐蚀鳞皱脱落，使辊子外径减薄, 导致辊面磨损，甚至导致辊子报废。3）原材料质量的好坏是造成连铸辊损坏的原因之一，原材料中非金属夹杂物含量较多，锻造不当，保留了铸态形貌、枝晶间的低熔点夹杂物、化学成分偏析铸态缺陷，调质处理温度过高或保温时间较长，形成魏氏组织，降低低了连铸辊的力学性能。4）堆焊材料的质量直接影响着连铸辊的工作质量，连铸辊若采用以碳作为固溶强化元素来提高堆焊层的硬度，由于碳在高温下（400~900℃）极易与Cr形成Cr23C6金属间化合物，造成堆焊层尤其是搭接过渡区出现贫铬现象，而连铸辊长期处在高温潮湿的环境下工作, 易造成堆焊层晶间贫铬开裂损坏。
2 连铸辊的埋弧焊堆焊修复工艺
考虑连铸辊处于重载、高温急冷、急热、潮湿腐蚀的工况状态，根据本单位现有条件，选择了埋弧焊自动焊的工艺方法进行堆焊。
埋弧焊自动焊连铸辊的堆焊修复过程分三个部分，即焊前准备、堆焊、焊后处理及无损检验，其堆焊修复的工艺流程如下：
旧辊车削——探伤——预热——辊面堆焊——焊后处理——焊后粗车 ——探伤——精加工——检验入库
2.1 焊前准备
2.1.1 旧辊表面清理
为了保证辊子堆焊层的质量，提高辊子堆焊效率，在堆焊前必须对辊子表面进行清理，除去辊身上的油污和铁锈等杂物。
2.1.2 旧辊堆焊前粗车车削
辊子使用后由于严重的热磨损、热疲劳，致使辊子表面凹凸不平并有网状龟裂，堆焊前粗车车削就是将各种裂纹和砂眼彻底清理干净，对于环裂纹深处，采用局部车削的方法将裂纹清除，对个别的深孔沙眼，就需用电钻将沙眼钻深、扩大，再用手工电弧焊补焊。车削量的选择应根据废旧辊子表面的缺陷深度等具体情况来确定，一般旧辊堆焊前疲劳层至少车削至D-10mm（D为辊身直径）。
2.1.3 探伤
辊子粗加工后要进行探伤，是为了检查辊子有无严重内部缺陷，或者是检查裂纹是否车净，粗车车削后进行探伤是为了最后确认要堆焊的辊子是否合格。
2.1.4 辊子预热
预热是防止堆焊层出现裂纹最有效的措施，当辊子碳当量大于0.55或者辊子直径大于φ300mm时，辊子堆焊前必须进行预热，预热目的是减少堆焊层金属的冷却速度，使基本金属在马氏体相变临界点以上温度，可以进行比较充分的分解，也就能避免堆焊层金属马氏体相变，防止堆焊焊缝区附近的裂纹产生，另外预热可以减少堆焊层液态金属的结晶偏析，增加结晶的间隔时间，以减少热应力的产生，避免堆焊层金属产生结晶裂纹。
预热温度应保持在堆焊材料的马氏体相变Ms点以上，该种连铸辊的预热温度为150~250℃，为了保证整个连铸辊的内外温度均匀，加热时把连铸辊放在埋弧焊机床上用三爪卡盘夹紧, 带动连铸辊缓慢均匀地转动，并用加热器喷管对连铸辊进行缓慢地加热，直至温度升到预热温度。在天冷时，辊子在堆焊过程中未进行堆焊工作的一端容易使预热温度迅速降低，为保证必要的预热温度，在未堆焊的一端要继续加热，使其保持预热温度，同时焊剂要在400℃时烘干，并保温2h。nextpage
2.2 辊子堆焊
辊子堆焊后要达到理想的使用效果，除堆焊材料本身的合金成分外，还与采用合理的堆焊规范，掌握正确的操作技术有着密切的关系。
2.2.1 堆焊材料的选用
根据连铸辊使用工况，堆焊材料应具备：耐氧化腐蚀性能、耐冷热疲劳性能、耐磨损性能、耐弯曲变形性能，为此，堆焊材料在700℃时应有高的屈服强度和断面收缩率，线膨胀系数要小，Ac1相变点应在700℃以上，堆焊层应为单一金相组织，并具有高的高温硬度。对于不同工作位置的连铸辊采用不同的堆焊材料，如结晶器足辊采用Ni基高温合金，弧形段二冷辊采用1Cr13系高Ni不锈钢材料，矫直段采用1Cr13系低Ni不锈钢材料。目前药芯焊丝的成分主要是以1Cr13系为主, 通过加入适量的Ni、Mo、W、V、N 等高温强化合金元素，增加稀土元素等来细化晶粒，改进堆焊层的性能。
连铸辊堆焊为多层多道堆焊，本次矫直段连铸辊堆焊分三层，第一层即过渡层选用药芯焊丝YS430配HJ260 焊剂施焊，第二层、第三层即盖面层用药芯焊丝YS414S或YS414N（以N作为固溶强化元素，避免形成Cr23C6）并配HJ260焊剂施焊，第二层、第三层的堆焊必须确保辊子在加工完后堆焊层的厚度不小于3.5mm。
2.2.2 堆焊规范
连铸辊采用埋弧自动焊进行堆焊, 我们采用“低电流、低电压、薄层多次堆焊”的方法，经过多次的实用试验证明，采用这样的操作方法，对减少焊丝合金成分的烧损，防止堆焊层气孔、裂缝产生，提高堆焊层的质量是比较有效的。
连铸辊埋弧自动堆焊的堆焊规范的选择，见附表。
2.2.3 堆焊中的操作技术
堆焊时辊子中心顶点与焊丝的位置及焊丝倾斜角度
由于堆焊的辊子是园柱体的，转动使熔渣和熔融的液体金属要向前流, 为了防止液态金属和熔化的焊剂流失, 延长熔渣冷却凝固时间，便于除渣，需要焊丝从辊子中心顶点向后移动辊子直径的5%左右的距离S，轴类工件一般都采用前倾位置法堆焊，堆焊时焊丝与辊子中心线的夹角即前倾角α, α通常取5°左右，堆焊试调时，可视焊缝成形状况适当调整，焊丝与辊子中心顶点距离及焊丝前倾角度见图2。另外，为了保证起弧和收弧处的堆焊质量，防止熔渣、熔融的液体金属在连铸辊两侧外流，在其两侧用厚4mm 宽30~40mm的扁钢作引弧环和熄弧环, 一般低于辊面3~5mm。
堆焊时，应注意焊接顺序与方向, 第一层时自左向右堆焊，第二层则自右向左堆焊，第三层与第一层方向相同，以后各层依次类推。
2.3 焊后处理及无损检验
为了消除堆焊过程中产生的内应力，防止冷却过程中产生裂纹，堆焊完连铸辊应先保温缓冷，然后再装入加热炉中进行回火处理，具体工艺是：升温至500℃，升温速度保持100℃/h, 保温5h后随炉冷却至150℃时出炉，冷却到室温后检查硬度达到HRC43~47，能够满足图纸技术要求。
将回火处理后的连铸辊粗车，用肉眼检查堆焊金属表面有无气孔、裂纹和夹渣等缺陷，其缺陷判定符合GB 3323-2005《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》中的I级标准，然后用超声波探伤仪检查辊身内部是否有焊接缺陷存在，其缺陷判定符合GB/T 13316-1991《铸钢轧辊超声波探伤方法》中的B级标准，并重新复查辊面硬度，硬度值符合要求且无缺陷则可根据图纸进行精加工，若有缺陷则需把缺陷车削掉重新堆焊。
3 结束语
利用上述埋弧自动焊堆焊工艺修复后的连铸辊经过现场使用后，修复后的连铸辊能够满足现场工况条件的使用要求，达到了新连铸辊的质量和使用寿命，旧辊的资源得到了有效的再生利用，从而降低了生产成本，具有很好的经济效益和社会效益。
