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大功率半导体激光熔覆稀有合金连铸辊再制造

2019-03-16

一、前言

钢坯连铸机连铸辊的使用寿命短,是我国钢铁企业普遍存在而且亟待解决的技术难题。



图1:连铸辊工作环境


图2:连铸辊表面的磨损和高温氧化  图3:连铸辊表面的熔渣腐蚀

 
在连铸机的弧形区,连铸辊一方面要承受上千摄氏度高温钢坯的鼓肚力和静压力而引起的循环载荷,另一方面还要承受喷淋冷却水的交变热循环作用。因此连铸辊使用一段时间后,其破坏形式除不同程度的磨损、腐蚀和弯曲变形外,辊面也将产生较严重的龟裂状热裂纹。当裂纹的深度和长度超过辊体材料所能允许的某一极限时,在使用过程中将导致突发的失稳断裂事故。通常采用的办法是规定一个安全的使用周期,定期停机检查和更换连铸辊。更换下来的连铸辊,需要车削去除辊面所有的缺陷,并经过堆焊修复后方能再次使用。

连铸辊失效分为三种形式:永久性弯曲变形、磨损和裂纹。

密排辊: 承受钢坯内部钢液的静压力和热弯曲应力,产生永久性弯曲变形报废。

辊道辊: 主要因高温氧化引起,铸辊在高温和潮湿的环境中,辊面顺次脱落,最后因辊径减小而致报废。

拉矫辊: 主要用于钢坯的变曲、压送,由于导辊直径较大,弯曲变形较少发生。

由于机械负荷增加,同时由于强行押送钢坯辊温升高,在周期性的机械应力和热应力的作用下,使因热疲劳产生的裂纹源点扩展以致断裂。

由于连铸辊的工作环境非常恶劣,要求连铸辊具有如下性能:

1)抗高温氧化和回火软化性能;

2)抗应力腐蚀性能;

3)抗局部点状腐蚀和裂隙腐蚀性能;

4)热膨胀系数低,抗冷热疲劳;

5)抗机械疲劳性能;

6)高的硬度和抗磨粒磨损、粘着磨损性能;

7)高的强度和韧性。

采用大功率半导体激光熔覆稀有合金新技术,将根本解决我国连铸辊使用寿命普遍偏低的重大技术难题。

随着激光技术的快速发展,大功率半导体激光熔覆技术应用范围越来越广泛,在金属新材料制备、材料表面强化高性能合金、关键结构再制造等领域发挥着举足轻重的作用,被誉为“万能加工工具”,“未来制造系统的共同加工手段”。

二、大功率半导体激光熔覆工艺特点

大功率半导体激光熔覆生产技术是利用集中大功率热源,实现高性能合金粉末与金属基材的冶金反应,在基材表面制备厚度可控的具有特殊物理,化学或力学性能的合金层,与金属基材形成冶金结合,制得具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异性能的合金复合材料,从而最大限度地发挥合金性能潜力,可以制得高熔点稀有金属合金先进材料,并得到超细晶组织;热变形小,稀释低,合金层与基材呈冶金结合;材料消耗少,性价比高;工艺过程全部自动化,质量稳定;可以节约宝贵的稀有金属合金材料,可以更加充分地发挥合金优异的耐磨、耐腐蚀和耐高温性能。半导体激光熔覆技术同时具有优秀的再制造能力,极大提高关键产品的生命周期。

基于在粉末冶金技术方面近12年的研发经历,在基于镍基、钴基、铁基、金属陶瓷基等金属粉末新材料研发方面取得了突破性进展,开发系列气雾化预合金粉末达到几十种,并开发了专用设备,实现了多种混合粉末的预合金化制备。针对连铸辊高温磨损特殊工况,推出YSU-TZ400系稀有合金强化型预合金粉末,很好地解决了连铸辊特殊工况要求。

图4:激光熔覆稀有合金再制造后的连铸辊

 
天泽科技采用大功率半导体激光熔覆TZ400系稀有合金粉末制得的连铸辊,其使用寿命已经达到了埋弧、明弧堆焊连铸辊的2-3倍以上的寿命,不但降低了钢厂的生产成本,也大大缩短了连铸辊检修停机时间,经济效益十分可观,采用这项新技术修复连铸辊具有不可替代的优势。天泽科技推出的激光熔覆连铸辊再制造新技术在霸州新利钢铁、唐山瑞丰钢铁、唐山金马工业、唐山东华钢铁、津西钢铁获得了大范围推广使用,获得了用户的高度认可,并且给用户带来了良好的经济效益和社会效益。

三、天泽科技大功率半导体激光技术优势

天泽科技有限公司与燕山大学进行了深入的技术合作,建设了半导体激光熔覆产业化示范基地,基地位于唐山市丰南区经济开发区内,占地26亩,专业从事大功率激光熔覆制备先进合金材料、基于新材料的新产品制造,关键结构和零部件的再制造,并拥有规模化的大功率半导体激光成套设备研发、制造和雄厚的技术服务、技术转让能力。基地目前拥有一支20人组成的教授、博士核心技术研发团队,建成了大功率半导体激光熔覆先进合金材料、基于新材料的新产品制造、激光熔覆再制造及成套装备制造的产业化示范基地,基地现有大功率半导体激光熔覆成套设备6套,数控车床、多功能数控铣床、等离子熔覆设备、仿激光焊等先进加工设备10台套;设有新材料研发中心和检测中心,先进合金粉末预合金化制备车间、激光熔覆先进合金材料制备车间、新产品制造车间、大功率半导体激光成套装备制造车间,激光熔覆稀有合金连铸辊已经研发成功并批量推向市场。

四、经济效益简析

我国目前连铸辊过钢量水平平均仅能达到30万~50万吨,对于年产300万吨以上的大型的板坯连铸生产线来说,一台板坯连铸机约配有350-750支连铸辊,每年更换的连铸辊达多达1500根以上,企业每年需花费数千万元堆焊修复费用,这还不包括因停产检修而造成更大的经济损失。

实践表明,采用大功率半导体激光熔覆再制造技术,不但成功地解决了冶金企业生产中难以克服的重大技术难题,还大大降低了生产成本,提高了连铸设备的使用效率。该技术目前在多个钢铁企业中推广使用,收到了良好的经济效益。

五、社会效益简析——变废为宝

以稀有金属合金复合材料制备新技术、新工艺和新材料产品制造为核心的产业符合国家大力提倡的产业政策——绿色、环保、节约、高科技型的要求,属于国务院着力发展的7大重点产业的新材料领域。

通过稀有金属合金复合材料制备新工艺,在连铸辊普通基材表层形成高性能先进合金,而基体采用低质合金钢材质,既使得金属结构获得良好的耐腐蚀、耐高温、耐磨等性能,又使得基体保持了良好的韧性。 激光熔覆制备稀有金属合金先进合金连铸辊造是全绿色制造,不产生任何污染。


图5:激光熔覆稀有合金再制造实现了变废为宝