连铸辊堆焊焊条研制与应用

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0前言

随着冶金工业的发展，不同规格的板坯连铸机已得到广泛应用。连铸机堆焊辊是扇形段的重要部件，它的质量好坏直接影响整机生产和换辊次数。中国第一重型机械股份有限公司（简称“中国一重公司”）生产的1 600 mm连铸机堆焊辊采用低合金高强钢为基体，在其辊身上堆焊1Cr13Ni3MoV新合金，设计要求堆焊层要耐腐蚀、耐氧化、耐磨损和耐热疲劳。中国一重公司在20世纪80年代与日方合作生产的宝钢1900坂坯连铸机堆焊辊用堆焊材料全部采用进口，二期工程连铸国产化率提高到60%，有部分采用国内生产的药芯焊带，其材质相当于1Cr13NiMoV，新合金与之相比增加了Ni、Mo、V的含量以期提高辊子使用寿命，减少换辊次数，但合金含量的增加给焊材制造和堆焊带来了很大困难。

连铸机堆焊辊主要以埋弧自动堆焊为主，堆焊过程中出现搭接不良、凹坑、裂纹、未熔合等焊接缺陷是难免的，需要采用焊条手工修复，修复用的焊条也必须满足堆焊层技术要求。该合金较特殊，市售无合适代用材料，为此进行了堆焊连铸辊修复用合金焊条的研制。1新型焊条研制

1.1焊条药皮渣系选择

焊条选用CaOCaF2TiO2SiO2渣系，与传统的碱性渣系相比，该渣系用TiO2代替了部分SiO2，改变渣的熔点和结构，形成短渣，焊接工艺性好。TiO2具有稳弧和造渣的功能，可以调节渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，大大提高了焊条的稳弧性，减少了引弧气孔的产生，改善焊缝成形，减少飞溅和咬边，并可以改善脱渣性，有利于全位置焊接。

研制的焊条在药皮中严格控制含结晶水的物质，提高碳酸盐和氟化物比例，还加入适量稀土元素，使熔敷金属扩散氢含量小于3.0 mL/100 g（水银法）。为提高药皮抗潮能力，采用了高模数低密度水玻璃，取得了良好的效果。

1.2焊条合金成分确定

碳是合金形成碳化物并保证熔敷金属硬度和耐磨性的的重要元素，实验确定的碳成分范围为0.15%～02%。铬是该合金系统的主要成分，是保证熔敷金属在工况条件下具有一定的耐腐蚀，耐氧化，耐磨损的关键，确定加入量为13.0%～14.0%。镍和钼作用是稳定组织提高合金耐热疲劳性能，确定加入量为带极堆焊材料成分的上限。为了提高合金材料的耐磨性，合金中钒的加入量控制在0.35%左右。

1.3焊条试制与定型

焊条涂压是在TH125液压机上进行，焊条烘干温度380 ℃，保温2 h。首先，按确定的焊芯和药皮渣系，根据经验先初定试验配方，然后试制焊条进行工艺性及合金成分分析，依分析结果再进行调整配方，直至获得理想的工艺性和合适的化学成分的焊条。经反复多次调整配方，最终确定的焊条为LZ42。工艺性试验表明，研制的焊条引弧容易，电弧燃烧稳定，脱渣性好，成形美观。其化学成分见表1。表1焊条熔敷金属化学成分（质量分数，%）焊条型号CSiMnPSCrNiMoVLZ420.200.921.270.0260.01813.183.120.380.34PB100.120.500.910.0180.02313.960.780.50注 ： PB10为日本焊条

2工艺性试验

使用所研制的焊条模拟实际补焊条件在HZ102F基体和带极堆焊层表面进行堆焊抗裂试验、热处理试验、抗冷热疲劳试验、抗氧化试验及化学和金相组织分析。

2.1抗裂试验

试验母材HZ102F，200 mm×300 mm×30 mm。试验方法：在试板中间纵向焊6道3层，试板分别预热100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃，LZ42焊条为 4 mm，电流150～170 A，短弧焊，焊后机加焊道表面进行着色探伤检查，试验结果见表2。

表2抗裂试验结果温度T/℃裂纹情况100两条裂纹150一条微小裂纹200无裂纹250无裂纹

由表2可以看出，预热温度应大于150 ℃，为把握起见，焊前预热温度确定在180 ℃～250 ℃为宜，过高的预热温度会使焊缝合金烧损且高温时脱渣性受影响。

2.2焊缝硬度测试

利用抗裂试样进行硬度试验，分别测试焊后和经550 ℃±10 ℃保温6 h后的熔敷金属硬度，试验结果见表3。

表3硬度试验结果 状态硬度（HRC）焊后46、45、48、46、47保温550 ℃×6 h45、43、44、46、45

2.3金相分析

研制的焊条熔敷金属经550 ℃×6 h焊后消应力热处理，并进行了金相组织观察，如图1所示，其组织为马氏体基+少量铁素体，晶界处有高硬度质点的碳化物。

2.4抗氧化试验

采用纯熔敷金属加工成 20 mm×5 mm试块。原理是将试样加热到600 ℃，保温24 h，以试样增重来检验材料的抗氧化性能。经过试验并用高精度天平测得基本无增重，因为本材料Cr的质量分数大于13加之又增加了大量的Ni，所以抗氧化性能是优良的。事实上辊子工作温度远远不到600 ℃，所以研制的焊条满足了辊子使用要求。 图1金相组织观察2.5抗冷热疲劳试验

连铸堆焊辊经常处在急冷、急热条件下使用，所以，要求研制的合金经反复多次的冷热交变，而不产生疲劳裂纹。一般的说，冷热交变（急冷、急热）50次，材料不产生裂纹，就说明该材料的抗疲劳能力很好。本试验是将试样加热到600～650 ℃出炉急冷，反复加热60次，每次进行一次表面抛光，检查均未发现裂纹，说明焊条的抗疲劳性能是优良的。

2.6产品应用试验

在工艺试验基础上，用所研制的焊条修复了连铸辊堆焊时搭接不完整的部位及边缘，如图2所示。

（1）研制的LZ42焊条熔敷金属热稳定性好，经550 ℃×6 h 消应力回火后硬度44.6HRC。

（2）研制的低氢型焊条药皮用TiO2代替部分SiO2后，焊条脱渣容易、成形美观、电弧稳定，研制的焊条不仅含氢量低，且焊条工艺性好。

（3）研制的LZ42焊条熔敷金属具有优良的抗裂、耐腐蚀、耐氧化及耐热疲劳性能，完全满足连铸堆焊辊技术条件要求。该焊条已成功地在连铸辊堆焊生产修复中得到应用，不仅解决了连铸辊堆焊生产问题，也为今后开发新的焊接材料积累了经验。