作者：武洪明 中国建材工业联合会粉体技术分会 100084

摘要：本文介绍了耐磨堆焊再制造技术在水泥工业中的重要地位和经济价值。同时还叙述了在水泥工业主要生产工序中的磨损问题以及影响水泥机械部件磨损的因素。最后讨论了堆焊过程的生产工艺、焊材选择和规避风险等实际问题。
关键词：水泥工业 耐磨堆焊

1. 水泥工业是耐磨堆焊再制造技术的巨大市场
水泥工业在国民经济中占有重要的地位，是国家的支柱产业，属于原材料工业。水泥工业是我国乃至世界建筑工程中用途最为广泛的材料，目前它仍是不可替代的建筑材料，被称为建筑业的基础。现在全球水泥产量超过26亿吨，我国水泥产量占世界水泥产量的50%以上。我国水泥工业发展迅速，自1985年以来水泥产量一直雄踞世界水泥榜首。2005年水泥产量10.6亿吨，2006年为12.4亿吨，2007年达到13.5亿吨，毫无疑问，我国已是世界水泥大国。

在2007年水泥生产过程中要处理原料、固体燃料约达35亿吨，各类金属部件磨耗量约30万吨以上，这是耐磨材料的巨大市场。自执行ISO国际水泥检验方法标准后，水泥实物质量水平取得长足进步，执行GB175-2007《通用硅酸盐水泥》（Common PortLanol Cement）标准后，进一步与世界先进标准接轨，质量大幅度提高。水泥机械设备产能规模达到120万吨以上，整个水泥行业设备存量1000万吨以上。水泥机械中配置的加工原燃材料、半成品、成品的部件材质性能和工艺水平的提高，保证了整机设备性能的发挥，使其效率、寿命的提高。我国生产的水泥机械已能够满足日产熟料5000T/D以下的全套的水泥生产线的设备配置要求。水泥机械设备出口，承建国外大型水泥企业工程建设等，表现出我国在全球水泥界的影响力越来越大。

因此，我国水泥机械加工及维修再制造的市场既有国内的，还有国际的，而国内市场的潜力是巨大的。它不仅吸引着国内的供应商，同时还受到国外供应商的青睐。近年在北京等地举办的中国国际水泥技术峰会，技术装备展会，内外供应商蜂拥而至，交流着代表当今水泥工业的先进技术，展示先进的机械设备和材料。其中水泥工业用耐磨材料和技术及其应用成果成为行业内的热门话题，立磨、辊压机、破碎机的机械结构、性能及磨损部件修复备受关注。立磨磨辊、磨盘、辊压机挤压辊、破碎机锤头磨损后的修复已不是简单的维修问题，已将其提到保证整机设备出力，保证产品质量、降低金属消耗、降低成本、提高效益及减排、环保再制造技术的高度。

2. 水泥机械磨损部件与堆焊修复
水泥是一种加水拌和成塑性浆体，能够胶凝砂、石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。通用硅酸盐水泥指一般土木工程常用的水泥，它包括硅酸盐水泥、普通、矿渣、火山灰质、粉煤灰、复合硅酸盐水泥。水泥的生产过程基本上分为三个阶段。第一阶段石灰石、粘土等原料的开采、破碎，并将处理过的石灰石、粘土、铁粉及校正原料按设计的配合比在生料磨机中磨制成生料；第二阶段将制备的生料送入回转窑系统内进行煅烧，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，煅烧用的热源来自煤磨制的煤粉并在窑头和分解炉燃烧产生的热量；第三阶段将熟料配以适量的石膏以及混合材料在水泥磨内磨制成细粉即可得到水泥。在生产水泥全部过程中，须配置相应的加工设备和建立正常的工作程序。
破碎：处理石灰石、粘土、石膏、煤、混合材料。
破碎石灰石配置单段锤式、反击式等破碎机，旋回式、锥式破碎机、而颚式破碎机应用也很普遍。
破碎粘土质物料及粉砂岩等配置齿辊式破碎机。
破碎石膏、页岩等材料配置颚式破碎机等。
破碎煤一般配置环锤破碎机、锤式破碎机。
生料粉磨：将配合原料粉磨成细粉，制备符合入窑要求的生料。
配置的生料磨有管磨机和立式辊磨。还有辊压机。
球管磨机有中卸烘干磨、尾卸烘干磨和风扫磨等。
立式辊磨的型号为：HRM、TRM、MLS、MPS、LM等。
熟料烧成：将合格生料在烧成系统内经预热、分解、煅烧、冷却后得到熟料。
烧成系统设备有预热器、分解炉、回转窑、冷却机、喷煤管等。
煤粉制备：将含有高水分的原煤（块状和粒状）、包括烟煤、无烟煤、低挥发份煤等在煤磨中烘干并粉磨成煤粉。
煤磨类型有管磨机类的烘干磨和风扫磨。
立式辊磨的型号有HRM、GZM、MPS、LM等。
水泥粉磨：熟料、石膏、混合材料在水泥粉磨设备系统中粉磨成水泥。粉磨系统设备配置较为复杂。水泥熟料在冷却机内置的锤式破碎机进行破碎，进入水泥磨前的物料进行预粉碎（细碎）或预粉磨。用于预粉碎的设备为各种形式的破碎机、柱磨机、棒磨机等，用于预粉磨的 设备有立式辊磨和辊压机。粉磨水泥的设备有立式辊磨、管磨机。

整条水泥生产线配置的设备还有烘干机、包装机及各类除尘器、风机、斗式提升机、螺旋输送机、链运机、胶带输送机、堆取料机、给料机、选粉机、阀门及计量设施等。

根据水泥的生产方法和过程以及配置的设备知道，原燃材、半成品经过多次的处理才能制造出水泥。而基本生产过程中，相当多环节是对物料的破碎、粉磨、加工方面，上面所介绍的设备所消耗的电力占水泥生产电力消耗的70%。矿山石灰石等原料的处理，生料、煤粉、水泥的制备过程无疑都要涉及到破碎、筛分、粉磨、选粉等，它们在工作时，设备的磨损部件受到磨损。磨损的类型主要为磨料磨损，磨损部位在磨损部件的表面。如挖掘机的铲齿、料斗、钻机的钻头、破碎机的锤头、板锤、颚板、锥面；球磨机的研磨体、衬板、隔仓板、筛板；立式辊磨的磨盘、磨辊、挡料圈、喷口环；辊压机的挤压辊，辊端侧板；冷却机篦板；选粉机叶片、撒料盘、分流板；风机叶轮；回转窑窑口护板；包装机出料叶轮；物料输送的料斗、螺旋叶片、链板等部件的表面；气力输送管道和工艺管道（含尘气流通过）的内表面，尤其是转弯部位；破碎机、立磨等设备壳体的内表面；储存物料的料库、料仓与物料接触的表面等。

水泥机械设备及其部件长期工作在高温、粉尘，含有水分及发生物理化学反应等环境中，工作时受到不同载荷的作用而受到冲击、震动、摩擦、磨蚀等，因此在加工处理水泥生产用的物料时自然会产生磨损、裂纹（缝），进而损坏失效，最后也可能导致设备或部件报废。
更换新的设备或部件导致成本的上升，因此焊接修复方法被普遍采用。焊接修复是焊接的一个重要领域，堆焊修复是焊接修复工艺的一个重要方面。目前，集现代工艺技术的明弧低温自保护自动堆焊成功地应用在水泥机械的立式辊磨的磨辊、辊磨机的挤压辊、破碎机的锤头等磨损部件的修复中。诚如焊接修复的特点一样，堆焊修复后的磨损件不仅能够恢复磨损部件的机械性能，而且修复后的磨损部件的机械性能还会大大超过原有新品的性能，既能保证部件的工作效率，还延长了使用寿命，取得极好的经济效益。故此，耐磨堆焊修复技术在水泥行业中得到广泛应用。以致成为当前水泥行业的热门话题。

3. 影响水泥机械部件磨损的因素
众所周知，金属的磨损形式有多种，在水泥行业中，如仅限于加工处理生产水泥的物料与被加工物料接触的磨损部件，则以磨料磨损为主，冲击磨损及疲劳磨损次之。所谓磨料磨损就是研究磨料颗粒与材料表面相互作用过程磨损规律及相关因素和条件。磨料磨损分为凿削式研磨磨损和冲刷磨损，高应力和低应力磨料磨损等三种。影响磨损的因素概括磨料、金属材质和管理使用。磨料的物理性能与环境条件，磨损部件的材质机械性能，结构、型式，同时操作管理对磨损的影响论述如下：
水泥工业用的物料即磨料是非金属材料，主要化学成分为氧化钙、氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁等，或氧化物结合形成的矿物，矿物以结晶体或玻璃体形式存在。原料类有石灰石、粘土、铁矿石、砂岩、铝矾土等，辅助材料种类繁多，有天然的或人工的两类，用于制备半成品熟料的原料、助熔剂，制备水泥的混合材料、调凝剂及助磨剂。
水泥生产中使用的固体燃料为各种状态的煤。
水泥生产常用的原燃材料见表1.
表1水泥生产常用的原燃材料

种类 性质 名称
生产硅酸盐水泥熟料的原料
主要原料 石灰质 石灰石、白垩 、大理石、泥灰岩、电石渣、糖滤泥。
粘土质 粘土、页岩、粉煤灰、黄土、泥岩、石煤、河泥、粉砂岩、赤泥、煤矸石。
校正原料 铁质 铁矿石、硫酸渣、铜矿渣、镍渣.
铝质 铝矾土、粉煤灰
硅质 砂、砂岩、硅质板岩
生产硅酸盐类水泥的原料
主要原料 半成品 熟料
辅助材料 调凝剂 石膏、石灰、蔗糖、柠檬酸、酒酸、木质素、磺酸钠
混合材 矿渣、炉渣、火山灰、石灰石、烧粘土、粉煤灰
液态渣、玄武岩、沸石岩、硅藻土、浮石、锰渣
外加剂 矿化剂 石膏、萤石、磷石膏、铅渣、磷渣、改性磷石膏
硫（S）型：石膏CaSO4、重晶石BaSO4(降低石灰石分解温度)
氟（F）型：CaF2、NaF、KF(对付惰性的SiO2)；
钡（Ba）型：促进熟料改性
助磨剂 炭黑、石膏、胶体石墨、胶体二氧化硅、粉煤灰。
燃料 固体 烟煤、无烟煤、褐煤、及低劣质煤、低挥发份煤。

原料、半成品、辅助材料以及燃料煤的物理性能、化学成分及矿物组成对设备磨损件工作面的磨损有着很大的影响。这些原燃材料的物理性能对磨损的影响包括粒度、形状；强度、硬度；密实度、均匀性；含水量、温度；种类、配合比例等；化学性能对磨损的影响包括各种化学成分和含量；矿物组成、结构和形态；然而这些物料在被破碎、粉磨、分选等加工过程中并非静止不动，而是以不同的运动方式和速度在加工设备、输送转运设备中做相对运动，产生摩擦致使工作面磨损。
由于磨料对工作部件表面的反作用，使其变形或压入，所以从磨损的机理上可认为有切削磨损、变形磨损、脆裂和剥落磨损等形式。在气力输送过程中，对于易发生磨损并且磨损严重的弯管部位，由于磨料粒子对工作面的作用，磨损机理表述为擦动或滚动磨损、刮痕磨损、撞击磨损。这些表述的磨损机理的方式更有助于解释磨损产生的原因。
水泥机械磨损件的抗磨损机械性能，是由材质的性能决定的，它包括材质（金属）的化学成分，基体组织结构、强度、塑性和脆性，而金属材料的表面硬度对磨损的影响更为显著。磨损是相互接触的金属部件工作面与磨料有相对运动，表面上的材料粒子受到磨料的作用如机械的、物理的、化学的作用而脱离部件本体，致使部件的形状、尺寸及重量发生变化或减少的过程。材料要抵抗磨损，才能有效发挥其性能，抵抗磨损的能力就是耐磨性。为了提高材料的耐磨性，要研究磨料和磨损的特性，除了上面已分析过的磨料的特性外，还要根据水泥生产过程的工艺特点、设备工作特性、金属材料的韧性讨论磨料磨损的特性。韧性较好而磨料比较硬且尖锐时，工作面的磨损出现的沟槽清晰、规则，沟边产生毛刺；而磨料不够锐利，则不能有效地切削金属，只能将金属推挤向磨料运动方面的两侧或前方使表面形成沟槽，沟槽前方材料隆起、变形严重；材料的韧性很差，则会出现脆性而断裂；还有一种情况，材料的硬质点与基体的结合力较弱，受到磨料作用使硬质点脱落，在材料表面形成凹坑或是孔洞。材料有时会出现裂纹，形成的原因可能是，在工作条件下，硬质磨料颗粒反复被压入金属表面，使材料反复发生塑性变形。在这种作用下，材料的次表层或表层会出现裂纹，裂纹扩散形成碎屑，也会在表面上留下凹坑或断面。金属材料的硬度对材料的耐磨性的影响是最大的。而金属材料的硬度在一定的限度内，材料的耐磨性是随其硬度的增加而提高的，但超过一定的限度，硬度继续增高并不能使耐磨性提高。在磨料磨损中，磨料硬度与金属材料硬度之比是影响耐磨性的一个重要参数。在分别分析磨料与材料材质的硬度基本上反映出各自的耐磨性对磨损的影响后，磨料与材料的关系以各自的硬度之比来确定。设Hm代表材料的硬度，磨料的硬度为Ha，当Hm/Ha≤0.5~0.8时为硬磨料磨损，增加材料的硬度对耐磨性影响不大。当Hm/Ha≥0.5~0.8时为软磨料磨损，增加材质的硬度会迅速提高耐磨性。例如，钢材经过热处理能够获得不同的硬度，而采用硬度值为2800HV的碳化硅及硬度值为1000HV的石英砂磨料进行试验，当Hm/Ha达到0.5后耐磨性提高迅速，达到0.7后磨损很少。就一般规律而言提高材料的硬度能够增加其耐磨性，但在重负荷条件下，还要考虑材料的韧性，二者要兼顾，避免剥落或断裂。材料的基体组织非常重要。成分相同的钢，如果它们的基体组织不同，耐磨性相差很大。其耐磨性按铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的顺序增加。钢中的碳化物致关重要，高硬度的碳化物可以起到很好的阻止磨料的磨损作用。

操作管理直接影响着材料耐磨性。立磨内物料的不能形成一定的厚度料床，有时磨辊磨盘直接接触；磨内积存铁质杂物，加快耐磨件表面的磨损；辊压机双辊缝隙调整不当，如过小，加快磨面磨损；破碎机下篦条安装与否，也会影响锤头的磨损。原料石灰石中夹杂粘土并含水，能加快锤头的磨损；辊压机通过的物料是混合料，比单一熟料减轻辊面磨损等。合理使用设备，能够适当减轻磨损件的磨损。

4. 堆焊焊材的选择
堆焊用金属材料也称为堆焊合金。分为铁基、碳化钨、镍基、钴基等等。广泛使用的是铁基类，而这类分为合金钢与合金铸铁两种。合金钢包括：低碳低合金钢、中碳低合金钢、高碳低合金钢、高铬马氏体合金钢、高锰奥氏体合金钢、还有铬-钨、铬-钼、Cr-Ni等；合金铸铁包括马氏体与高铬合金铸铁；碳化物：碳化钨堆焊合金，由Wc和W2c组成，是耐磨堆焊合金中最耐磨的组合。高铬合金中的碳化铬（Cr7C3）比WC略软些。渗碳体Fe3C是Fe的碳化物，用在多种耐磨合金中。常用的耐磨堆焊合金中。

常用修复焊丝的特点。堆焊修复用的焊丝分为实芯和药芯的两大类。其中的药芯的又分为气体保护和自保护两种。自保护堆焊药芯焊丝由于不需要外加气体的保护，增加了堆焊修复的灵活性。自保护药芯焊丝具有高熔敷效率、低稀释、操作方便等优点。其工艺性能和力学性能较好广泛应用。如ARC1011、ARC9011等保护药芯焊丝用于堆焊水泥工业的各类立式辊磨的磨辊磨盘。国外的有法奥迪，克鲁德，丝凯，伯蒂，威尔等也是材质很好的焊丝。

表2 药芯焊丝的化学成分
产品
牌号 化学成分（重量%）
C Mn Si Cr Ni Mo W V Zr 其他
ARCFCW-1011 5.0 2.0 0.9 28.9 0.3 <1
明弧埋弧两用。修复磨煤辊，输送带、挖掘机等。修复磨煤辊及其它破碎机件。
ARCFCW-9011 5.20 4.00 1.20 21.0 1.5-2.5 <5
明弧埋弧两用，适用于电厂磨煤辊/盘、水泥厂辊压机辊，矿山粉碎机辊、破碎机锤的焊补和修复。

在堆焊修复时，合理选择堆焊合金的性能和形状是进行堆焊修复高质量低成本的前提。首先分析确定耐磨损部件的使用环境（温度、湿度、介质等）和工作条件（正压、负压、流速、流量、载荷、震动、冲击）；第二，磨料的磨耗性系数，磨料的加工性能及磨料与金属材料硬度值的对应关系。第三，被堆焊材质即母材与焊材的相熔性，表现为良好的可堆焊性。母材的型式也包括前次修复或复合材料被磨损部位使用的堆焊合金钢。第四，被堆焊件首先是无铸造缺陷，无加工缺陷和使用过程中形成的缺陷部件。第五，根据磨料特性及工况条件确定磨损类型。第六，便于进行自动化机械化连续操作方式的焊接合金材料。第七，工艺简便实用，节能环保，高性价比的焊材。最后，焊材与使用堆焊设备的良好匹配性。

制定焊接工艺应考虑以下几项原则。
1) 达到或超过堆焊修复磨损件的技术和特征。
2) 符合适用工作环境和条件。
3) 与基体结合的力学性能。
4) 堆焊层的厚度的认定和控制。
5) 对基体的影响。
6) 适宜的焊材和设备。

5. 规避堆焊风险提高堆焊质量
堆焊风险来自以下方面：
1） 设计缺陷 在高应力部位存在沟槽，机械缺口，圆角半径过小。
2） 铸造缺陷 铸件存在气孔，针孔，缩孔，砂眼，裂纹。
3） 堆焊产生的热量作用而形成的残余热应力。
4） 设备安装用力超限，产生附加应力。
5） 磨损件局部形成凹坑，填补方法不当，导致焊接不牢。等等。

针对堆焊风险的形成原因进行分析，制定相应措施和办法来解决。严格按工艺操作方法和工艺参数进行堆焊，按质量检验方法在施焊前后对焊件检验。
参考文献：
1． 周平安 武洪明 李茂林 刘振英等编著 水泥工业耐磨材料与技术手册 中国建材工业出版社 北京 2008年8月第一版
2． 李亚红 张永喜 王娟等编著 焊接修复技术 化学工业出版社 工业装备与信息工程出版社 北京 2005年7月第一版
3． 李勇 朱秀苹 气力输送中影响弯管磨损的因素及解决办法 〔J〕水泥工程 2008﹝1﹞44-47
附图



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