Электродуговая наплавка порошковой проволокой занимает прочные позиции в реновации деталей машин и механизмов в различных отраслях промышленности. Выбор порошковой проволоки производится с учетом условий эксплуатации восстанавливаемой детали, вида защиты, конструктивных особенностей детали, имеющегося оборудования.

Ролики МНЛЗ

В развитых странах около 80% всей выплавляемой стали обрабатывается с применением технологии непрерывной разливки, как энергосберегающей и обладающей комплексом преимуществ обуславливающих ее перспективность и рост объемов применения. В настоящее время актуально повышение эффективности применения МНЛЗ, которая в значительной мере определяется стойкостью роликов. Ролики МНЛЗ эксплуатируются в условиях длительных циклических и термомеханических нагрузок в присутствии агрессивной среды. Ролики поддерживающих и разгибающих узлов работают в тяжелом температурном режиме, максимальная температура поверхности роликов мотет достигать 670-750 ° С, воспринимают усилия от ферростатического раздутия и от разгиба слитка. На прямолинейных участках ролики подвергаются преимущественно абразивному износу. Разрушение рабочей поверхности роликов проявляется в виде износа поверхностного слоя и образования трещин разгара. Изготовительная и восстановительная наплавка роликов наиболее эффективна с применением, в качестве наплавочного материала, порошковых проволок. Эффективность выработанного решения определяется стоимостью порошковой проволоки, производительностью процесса, толщиной наплавляемого слоя, энергоемкостью всех этапов технологии, стоимостью монтажных работ, простоем оборудования. В отечественной металлургии для восстановительной наплавки роликов МНЛЗ традиционно применяются сплошные и порошковые проволоки 12Х13, 20Х17 в сочетании с флюсами АН20С и АН26П, обеспечивающие хромистый наплавленный металл с мартенситно-ферритной структурой, для которой характерно формирование больших полей δ-феррита (более 15%) (рис.1), являющихся причиной образования трещин разгара и повышенного износа.

Рис.1 Микроструктура метала, наплавленного проволокой Нп-20Х17 (×500).

Кроме этого процесс наплавки характеризуется затруднительным отделением шлаковой корки, что является причиной появления дефектов в виде протяженных шлаковых включений и усложнения условий труда оператора наплавочной установки. Ресурс таких роликов составляет 300-400 тыс. тонн, что не отвечает современным требованиям. Причиной этого является неудовлетворительное структурное состояние наплавленного металла.

Для устранения приведенных недостатков предприятие " ТМ. ВЕЛТЕК" предлагает применить порошковые проволоки ВЕЛТЕК-Н470 и ВЕЛТЕК-Н470С (ТУУ 19369185.018-97) в сочетании с флюсами АН20 и АН26. С целью обеспечения высокой работоспособности наплавленного металла применено комплексное легирование хромистого металла никелем, молибденом, ванадием, ниобием и РЗМ. Определены и реализованы оптимальные содержания и соотношения легирующих элементов, параметры технологии и техники наплавки, позволяющие стабильно получать мартенситную структуру с незначительной объемной долей δ-феррита (3,5—5%) (рис.2), обеспечивающую высокую стойкость наплавленного металла к износу и разгару.

Рис.2 Микроструктура металла наплавленного порошковой проволокой ВЕЛТЕК-Н470 (×1000)
Объемная доля δ-феррита 3,8 %, твердость после наплавки.

Порошковые проволоки обеспечивают самопроизвольное отделение шлаковой корки, отсутствие пор и трещин в наплавленном металле при соблюдении технологических рекомендаций. Сопоставительные испытания порошковых проволок ВЕЛТЕК-Н470 и ВЕЛТЕК-Н470С показали, что они находятся на уровне проволок ведущих зарубежных компаний ОК15.73 (ЭСАБ), 4142MM-S LC, 414MM-S (Weldclad). Проволоку ВЕЛТЕК-Н470 успешно применял НКМЗ (г.Краматорск) при выполнении экспортных заказов (рис.3). В течение последних 8 лет ММК им. Ильича (г.Мариуполь) также применяет эту марку проволоки для восстановления роликов МНЛЗ. Наплавленные ролики имеют ресурс не менее 1,5 млн. тонн. ОАО «ДМКД» (г. Днепродзержинск) применил самозащитную порошковую проволоку ВЕЛТЕК-Н470С для восстановления роликов МНЛЗ диаметром до 150 мм и получил повышение их работоспособности в 5—6 раз по сравнению с традиционными материалами. В настоящее время предприятие «ТМ.ВЕЛТЕК» выпускает усовершенствованную модификацию проволок, обеспечивающих компанию роликов в пределах 2,5—3,0 млн. тонн.

Прокатные валки — основной технологический инструмент в прокатном переделе металлургических заводов. От их надежности, износостойкости рабочей поверхности, межремонтного срока службы в основном зависят технико-экономические показатели работы прокатных цехов и в первую очередь производительность прокатных станов, качество готового проката и затраты на его производство. Рабочая поверхность валка подвергается циклическому механическому и тепловому воздействию. По мере эксплуатации валков на их рабочей поверхности наблюдается налипание металла, неравномерный износ и образование трещин разгара. Для поддержания необходимого парка валков применяется восстановительная наплавка сплошными и порошковыми проволоками. Для наплавки валков горячей прокатки традиционно применяются наплавочные материалы Нп-30ХГСА, Нп-35В9Х3СФ, Нп-25Х5ФМС, Нп-30Х4В2М2ФС в сочетании с флюсами АН348, АН60, АН20,АН26. В настоящее время металлургические предприятия требуют повышения ресурса восстановленных валков прокатных станов.

«ТМ.ВЕЛТЕК» и ЧНПКФ «РЕММАШ» совместно с металлургическими заводами КГМК «Криворожсталь», ДМК им. Дзержинского и МК «Запорожсталь» выполнен комплекс работ направленных на совершенствование наплавочных материалов, технологии и оборудования для наплавки прокатных валков. Исходя из профиля прокатного передела участвовавших в работе металлургических комбинатов, основное внимание было уделено наплавочным материалам и технологии наплавки валков горячей прокатки, заготовительных, сортовых и отчасти листопрокатного станов. Анализ литературных данных работоспособности наплавленных прокатных валков показал, что возможности систем легирования C-Si-Mn-Cr-Mo-V и C-Si-Mn-Cr-W-V в полной мере не реализованы. На базе стандартных порошковых проволок марок ПП-Нп-35В9Х3СФ и ПП-Нп-25Х5ФМС были отработаны системы легирования новых порошковых проволок с учетом условий эксплуатации прокатных валков (табл.1).

Таблица 1.

Изменением структуры наплавленного металла достигнуто повышение работоспособности валков. Структура металла наплавленного ПП-Нп35В9Х3СФ представляет собой: по границам первичного аустенитного зерна незамкнутые выделения δ-феррита, в которых отсутствуют карбиды. В ячейках кристаллизации формируется матенсит и единичные мелкие карбиды. На границах ячеек форми-руется δ-феррит. Размер первичного аустенитного зерна балл 6. В зонах перекрытия валиков наблюдаются изменения структуры и микротвердости Н µ50 50 от 650 до 450 (рис.3). Структура металла наплавленного ВЕЛТЕК-Н500: Границы пер-вичного аустенитного зерна четко выражены в них наблюдаются с прерывистые выделения δ-феррита и мелких карбидов. Внутри ячеек кристаллизации форми-руется диспесный мартенсит и диспесные карбиды. Структура металла наплавленного ВЕЛТЕК-Н505: по границам первичного аустенитного зерна размером 17—20 мкм очень мелкие выделения δ-феррита и карбиды подобные эвтектическим.В ячейках кристаллизации формируется мелкоигольчатый мартенсит и много дисперсных карбидов. Структура металла наплавленного ВЕЛТЕК-Н550: по границам первичного аустенитного зерна наблюдаются выделения δ-феррита и дисперсные карбиды, а в ячейках карбиды подобные эвтектичкским и мелкоигольчатый мартенсит. В местах перекрытия валиков не наблюдается изменение структуры.

Рис. 3 Микроструктура наплавленного металла (×500)

В процессе работы валка под воздействием высоких температур наблюдается коагуляция и укрупнение карбидов по границам зерен, с последующим их выкрашиванием и развитием трещин разгара. Снижения развития этих процессов достигнуто изменением структурное состояние границ зерен путем оптимизации соотношения углерода и карбидообразующих элементов. Полученные результаты реализованы в системах легирования новых порошковых проволок. Структура металла наплавленного проволокой ВЕЛТЕК-Н550РМ отличается формированием аустенитных оторочек по границам зерен и отличается большей объемной долей аустенитной составляющей, незначительным выделением карбидной эвтектики по границам зерен. Структура металла наплавленного ВЕЛТЕК-Н500РМ представляет собой игольчатый троостит с незначительным количеством мартенсита и фор-мированием по границам зерен отдельных включений аустенита и карбидов. Структура металла наплавленного ВЕЛТЕК-Н505РМ представляет собой смесь тростита и мартенсита с выделением по границам зерен тонких аустенитных оторочек. На границах зерен формируются в незначительном количестве включения карбидной эвтектики.

В таблице 1 приведены порошковые проволоки, которые уже нашли применение в металлургии при наплавке прокатных валков и показали свою эффективность. Усредненные показатели относительной износостойкости определялись по величине износа, относительной стойкости против образования трещин и их количеству, величине раскрытия и глубине проникновения трещин на прокатных валках. Ниже приводим примеры применения новых порошковых проволок.

1. Наплавка валков эджерной клети на комбинате «ЗАПОРОЖСТАЛЬ»

Вертикальными валками эджерной клети на непрерывном тонколистовом стане горячей прокатки ОАО «Запорожсталь» (стан «1680») производят боковое обжатие и выравнивание боковых кромок прокатываемого листа. В процессе эксплуатации цилиндрическая поверхность валков испытывает на себе в месте контакта с торцом горячего листа интенсивный абразивный износ и значительные удельные давления сжимающих усилий. В результате на поверхности бочки валков у реборды образуется кольцевая выработка высотой до 100 мм, глубиной до 5 мм по диаметру, что вызывает необходимость замены валков, так как дальнейшая эксплуатация в таком состоянии может привести к неравномерности обжатия и скорости прокатки, что отрицательно повлияет на качество прокатываемого металла. Изучение характера и динамики износа показали, что износ происходит в результате окисления и отрывания частичек окисленного металла с поверхности валков торцами горячего листа с температурой поверхности 1100—900°С, частично покрытых тонким слоем окалины. При этом поверхность валков в месте контакта с прокатываемым листом разогревается до температуры 400—500°С. Срок службы валков, упрочненных наплавкой порошковыми проволоками ПП-Нп-35В9Х3СФ или ПП-Нп-25Х5ФМС не более 3—4-х месяцев, что не отвечало требованиям производства. Применение наплавки порошковой проволокой ВЕЛТЕК-Н550РМ позволило повысить износостойкость и срок службы валков в 3 раза.

2. Наплавка валков станов горячей прокатки.

2.1 На Днепровском металлургическом комбинате (г.Днепропетровск) один комплект прокатных валков восстанавливается от пяти до десяти раз. Продолжительный период времени восстановление прокатных валков стана «900v ТЗС и стана «500v железопрокатного цеха проводилось с применением наплавки сплошной проволокой Нп-30ХГСА в сочетании с проточкой или переточкой калибров на меньший диаметр. Применение этой технологии не обеспечивало требуемую «горячую твердость» и износостойкость наплавленного рабочего слоя калибров. Применение стандартных наплавочных материалов ПП-Нп-35В9Х3СФ, ПП-Нп-25Х5ФМС, ПП-Нп-30Х4В2М2ФС после технико-экономического анализа в данном производстве оказалось нецелесообразным, в виду существенного увеличения трудоемкости восстановления валков и капитальных затрат. Для упрочняющего восстановления валков клети «500" железопрокатного цеха была применена по-рошковая проволока ВЕЛТЕК-Н500РМ. Испытания упрочненных прокатных валков на стане «500» железопрокатного цеха показали, что ресурс валков после упрочнения вырос более чем в 2 раза.

2.2 Для упрочняющей наплавки вертикальных стенок калибров прокатных валков клети «900» ТЗС применялась проволока марки ВЕЛТЕК-Н370РМ. Технология наплавки валков клети «900» ТЗС за исключением отсутствия предварительного подогрева аналогична технологии наплавки валков клети «500» железопрокатного цеха. Достигнуто увеличение прокатываемого металла на одной паре валков от ремонта до ремонта с 18—20 до 45—50 тыс. тонн.

2.3 Валки горячей прокатки стана НЗС-730 цеха «Блюминг-1» КГМК «Криво-рожсталь», изготавливаемые из стали 50, традиционно ремонтировались с использованием стандартной порошковой проволоки марки ПП-Нп-35В9Х3СФ. В процессе эксплуатации восстановленных валков выявился ряд недостатков: в процессе прокатки на поверхности валка наблюдается образование «шипов» высотой до 2 мм вследствие налипания прокатываемого металла. Образование «шипов» приводило к необходимости остановки процесса прокатки и применения трудоемкой зачистке калибров от «шипов», в противном случае валки с «шипами» наносили дефектный рисунок на поверхность прокатываемого металла. После прокатки 50—60 тыс. тонн металла на поверхности калибров образовалась выработка глубиной 2—3 мм, что вызывало необходимость замены валков. Глубина проникновения отдельных трещин после 50—60 тыс. тонн прокатанного металла достигала 30—40 мм. Это приводило к увеличению затрат на их устранение, а зачастую к необходимости преждевременной выбраковки валков. Для устранения рассмотренных недостатков была применена технология наплавки порошковой проволокой ВЕЛТЕК-Н505РМ. Технология упрочнения валков НЗС-730 с использованием порошковой проволоки ВЕЛТЕК-Н505-РМ аналогична технологии наплавки проволокой ПП-Нп35В9Х3СФ. Достигнуто снижение образования «шипов» и трещин в 2—3 раза, что позволило 80—90% валков перевести на ремонт по укоро-ченной технологии и существенно снизить все виды затрат на 20% и увеличить межремонтные сроки работы станов.

Детали металлургического оборудования.

Самозащитная порошковая проволока ВЕЛТЕК-Н250РМ диаметром 1,6—3,0 мм успешно применяется при восстановлении подушек прокатных клетей и нож-ниц, шпинделей и муфт приводов прокатных валков, звездочек, втулок, валов, ступиц, и др. По своим характеристикам ВЕЛТЕК-Н250РМ не уступает известной порошковой проволоке DUR 250-FD (Bohler).

Реализована наплавка кернов клещевых кранов и губок стрипперного крана, которые в процессе эксплуатации испытывают ударные и сжимающие нагрузки в условиях высоких температур. Керны контактируют с металлом разогретым до 800—1250 °С и термоциклированием при периодическом охлаждении кернов в баках с водой. Для этой цели применена самозащитная порошковая проволока марки ВЕЛТЕК-Н480С Ø2,0 мм с системой легирования (C-Cr-W-Mо-V-Ti), которая обеспечивает твердость наплавленного металла после наплавки 50—54 HRC, горячую твердость 40—44 HRC при 600 °С и стойкость к трещинообразованию (100 термоциклов до появления первой трещины).

Применение механизированной наплавки проволокой ВЕЛТЕК-Н480С взамен электродов Т-590, Т-620 позволило повысить срок службы кернов в 4—5 раз и снизить затраты на ремонт. Задача восстановления кернов решена в комплексе (оборудование-материал-технология).

При наплавке деталей подвергающихся ударно-абразивному износу порошковой проволокой ПП-АН170 наблюдается повышенная склонностью к трещино-образованию, отколам и толщина наплавки ограничивается 1—2 слоям, что в ряде случаев ограничивает ее применение. Для решения данной задачи применили самозащитные порошковые проволоки ВЕЛТЕК-Н600 (C-Cr-Mо-V-Nb-Ti-В), ВЕЛТЕК-Н620 (C-Cr-Mо-V-Ti-В), которые обеспечивают твердость наплавленного ме-талла 55-63HRC. По сравнению с ПП-АН170 обеспечивается повышение износостойкости наплавленного металла на 30—50%.при возможности выполнения 4—5 слоев. Проволоки выпускаются диаметром от 2 до 5 мм. С применением механизированной и автоматизированной наплавки порошковой проволокой ВЕЛТЕК-Н600 Ø3,0 мм была восстановлена поверхность большого конуса доменной печи, достигнуто значительное повышением износостойкости по сравнению с электродами Т590, а также в 2 раза сокращено время ремонта. При автоматической наплавке малого конуса порошковой проволокой ВЕЛТЕК-Н620 Ø4,0 мм получена более высокая износостойкость по сравнению с наплавкой лентой ПЛ-АН101. Кроме этого эти проволоки успешно применялись при упрочняющей наплавке зубьев ковшей экскаваторов, ножей бульдозеров, челюстей грейфера. Наплавка колосников и звездочек одновалковой дробилки агломерата выполнялась самозащитными порошковыми проволоками. В один комплект дробилки входит 16 колосников массой 270 кг каждый и 15 звездочек массой 85 кг каждая, изготовленных из стали марок 35Л или 45Л. Колосники до внедрения новой технологии не упрочняли, а заменяли на новые. Порошковая проволока марки ВЕЛТЕК Н6ОО с системой легирования С-Сr-Мо-В-V-Тi позволяет выполнять мно-гослойную наплавку с высокой стойкостью к ударно-абразивныму нагружению при повышенных температурах. Многослойная наплавка выполнялась проволокой диаметром 2,6 мм на постоянном токе обратной полярности на режиме: Iд=280—300 А, Uд=26—28 В. Твердость наплавленного металла составляла 59—62 НRСэ. По сравнению с порошковой проволокой ПП-АН170 наплавленный металл отличается значительно меньшей склонностью к растрескиванию и сколам при сильных ударах. Учитывая неравномерность износа, наплавку по количеству слоев и толщине производили дифференцированно степени износа каждого колосника и звездочки общим слоем толщиной от 3 до 12 мм.

Периодический осмотр экспериментального комплекта показал следующую динамику износа колосников и звездочек в различных зонах дробилки (рис.4):

Рис. 4. Диаграмма сравнительного износа упрочненных и неупрочненных ко-лосников дробилки агломерата после двух месяцев эксплуатации дробилки.

• через 2 мес. — от 3% на периферии до 6% в центре;
• через 4 мес. — от 5% на периферии до 12% в центре;
• через 6 мес. — от 8% на периферии до 25% в центре.

Достигнуто увеличение в три раза межремонтного периода дробилки, повышено качество агломерата, снижены затраты на ремонт.

Крановые колеса

Износ крановых колес, изготавливаемых из сталей марок 45Л, 40Л, 60Л, 55Л, происходит от трения металла о металл при больших знакопеременных динамических нагрузках как по поверхности катания, так и по реборде. При этом износ по поверхности катания колеса в среднем 6—10 мм на диаметр, а реборды соответственно 15—25 мм на сторону, что в основном приводит к необходимости его за-мены через 1—3 месяца.

Для наплавки крановых колес предлагаются порошковые проволоки марок ВЕЛТЕК-Н300, ВЕЛТЕК-Н350 Ǿ1.6—4,0 мм в сочетании с флюсами АН348, АН60 и защитой углекислым газом. В последние годы успешно применяется ВЕЛТЕК-Н300РМ взамен сплошной проволоки Нп-30ХГСА. Для наплавки колес тяжело нагруженных кранов разработан вариант технологии, при котором более интенсивно изнашиваемые реборды наплавляли под флюсом АН348 порошковой проволокой марки ВЕЛТЕК Н285РМ Ø3,0 мм. Хромомарганцовистый наплавленный металл со структурой метастабильного аустенита обеспечивает высокую износостойкость вследствие развития самоупрочнения под воздействием наклепа, что проявляется в повышении твердости от 28—32 HRCэ до 42—45 HRCэ, а менее изнашиваемые поверхности катания наплавляли под флюсом АН348 порошковой проволокой ВЕЛТЕК Н300РМ с твердостью наплавленного металла 300—350 НВ (рис.5).

Рис.5 Схема наплавки крановых колес

Такая технология позволила повысить срок службы крановых колес в два раза при увеличении затрат на материалы лишь на 70%, а трудоемкости механической обработки на 35%.

Детали машин горнодобывающего и дробильно-размольногооборудования. В настоящее время ЗАО «Криворожский завод горного оборудования» ― передовое машиностроительное предприятие в Украине по производству и ремонту горного оборудования. Большой объем работ выполняется с применением дуговой сварки и наплавки. Номенклатура сварочных и наплавочных материалов широкая в связи с необходимостью сварки малоуглеродистых низколегированных, низколегированных высокопрочных, высокомарганцовистых и теплостойких сталей, выполнения сварных соединений разнородных сталей, сварки литых сталей и исправления дефектов литья. В большинстве случаев это крупногабаритные изделия, что предъявляет особые требования к сварочным материалом, технологии и техники сварки и наплавки. В связи с эти актуальна задача повышения качества выполняемых работ, снижение материальных, энергетических и трудовых затрат. Этим требованиям в полной мере отвечает применение порошковых проволок. В течение последних 5 лет «Криворожский завод горного оборудования» совместно с «ТМ.ВЕЛТЕК» проводит комплекс совместных работ по увеличению объемов дуговой сварки и наплавки порошковой проволокой. В результате этих работ разработана и внедрена гамма порошковых проволок различного назначения. В общем объеме применяемых материалов для сварки и наплавки доля порошковых проволок увеличилась с 15 до 85%. По сравнению с покрытыми электродами повысилась эффективность сварки и наплавки за счет повышения производительности и качества труда. Снизился объем работ по повторному контролю качества. В значительной мере снизилось традиционное недоверие к порошковым проволокам в части качества сварных соединений и упрочняющих покрытий. Приводим некоторые примеры применения порошковых проволок предприятия «ТМ.ВЕЛТЕК».

Выполнена сварка чаши конусной дробилки ККД-1500. Чаша массой 50 тонн из стали 35Л собиралась из двух частей верхней и нижней, которые сварили между собой. Горизонтальный монтажный стык диаметров 2980 мм выполнен с двухсторонней чашеобразной разделкой кромок при толщине металла 180 мм. Сварку выполняли порошковой проволокой марки ППс-ТМВ29 Ø1,6 мм на постоянном токе обратной полярности с защитой углекислым газом (рис.6)

Рис.6 Сварка чаши мельницы

Сварка деталей и узлов агломерационного и обогатительного оборудования, горнодобывающей техники в том числе узлов экскаваторов из сталей Ст3пс, 09Г2С, а также заварка деталей литья из сталей 20Л, 35Л выполняется газозащитными порошковыми проволоками марок ППс-ТМВ5, ПП-АН8, ППс-ТМВ8, ППс-ТМВ29 и ПП-АН57 узлов из низколегированных высокопрочных сталей 12Х2НМСА, 12Х2НВСА. Для заварки дефектов литья сталей 20Л,35Л наиболее эффективно применение металлопорошковой проволоки марки ППс-ТМВ5. Малое количество шлака 4—5% не требует затрат на его удаления в процессе заварки глубоких разделок, высокий коэффициент использования проволоки К=1,08, высокая стойкость против образования пор и трещин определяют преимущество данной проволоки перед другими сварочными материалами.

Для сварки деталей и заварка дефектов литья из теплостойких Cr-Mo сталей 15ХМ, 12ХМ, 20ХМЛ, 35ХМЛ применяется газозащитная порошковая проволока с сердечником карбонатно-флюоритного типа марки ППс-ТМВ14 Ø1,6-2,0 мм.

Заварка дефектов литья высокомарганцовистых сталей 110Г13Л выполняется самозащитной порошковой проволокой ВЕЛТЕК-Н220 Ø2,0 мм.

Наплавка упрочняющих слоев на засовах днищ, режущих кромок и корпусов ковшей экскаваторов, ковшей черпалок, краев входных устройств шаровых мельниц, корпусов пульпонасосов, насосов земснарядов, ножей грейдеров и бульдозеров выполняется самозащитными порошковыми проволоками марок ВЕЛТЕК-Н580, ВЕЛТЕК-Н600, ВЕЛТЕК-Н605, ВЕЛТЕК-Н620 Ø2,0—3,0 мм взамен электродов Т590, Т620 и порошковых проволок ПП-АН125, ПП-АН170, Linocore 60-O, Linocore 60-S, Linocore 65-O, DUR 600-FD, DUR 650, DUR 650MP, OK Tubrodur 14.70, OK Tubrodur 15.52.

Для восстановительной наплавки плунжеров гидропрессов, защитных вту-лок грунтовых насосов по перекачке пульпы применяется порошковая проволока ВЕЛТЕК-Н410 Ø2,4—3,6 мм в сочетании с флюсами АН20 и АН26, а для наплавки открытой дугой ВЕЛТЕК-Н420 Ø1,4—3,0. Для наплавки элементов шахтной гидравлики применяется порошковая проволока ВЕЛТЕК-Н425 Ø2,0 мм в сочетании с флюсами АН20 и АН26. Процесс наплавки характеризуется высокой стабильностью, хорошим формированием металла, самопроизвольным отделением шлако-вой корки. Наплавленный металл обладает высокой коррозионной стойкостью в процессе эксплуатации в забоях.

к.т.н. Орлов Л. Н., инж. Голякевич А. А. (ООО «ТМ.ВЕЛТЕК», г. Киев), Титаренко В. И. (ЧНПКФ «РЕММАШ», г. Днепропетровск), Пелешко В. Н. (КЗГО, г. Кривой Рог)

Наплавка

Наплавка предусматривает нанесение расплавленного металла на оплавленную металлическую поверхность с последующей его кристаллизацией для создания слоя с заданными свойствами и геометрическими параметрами. Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей, а также при изготовлении новых деталей с целью получения поверхностных слоев, обладающих повышенными твердостью, износостойкостью, жаропрочностью, кислотостойкостью или другими свойствами. Она позволяет значительно увеличить срок службы деталей и намного сократить расход, дефицитных материалов при их изготовлении. При большинстве методов наплавки, так же как и при сварке, образуется подвижная сварочная ванна. В головной части ванны основной металл расплавляется и перемешивается с электродным металлом, а в хвостовой части происходят кристаллизация расплава и образование металла шва. Наплавлять можно слои металла как одинаковые по составу, структуре и свойствам с металлом детали, так и значительно отличающиеся от них. Наплавляемый металл выбирают с учетом эксплуатационных требований и свариваемости. Наплавка может производиться на плоские, цилиндрические, конические, сферические и другие формы поверхности в один или несколько слоев. При наплавке поверхностных слоев с заданными свойствами, как правило, химический состав наплавленного металла существенно отличается от химического состава основного металла.

Применяют следующие виды наплавки:

· Ручная дуговая наплавка выполняется покрытым плавящимся или неплавящимся электродом. Плавящиеся наплавочные электроды применяются в соответствии с назначением каждого типа и марки. Неплавящиеся электроды применяют при наплавке на поверхность детали порошковых смесей. Применяются электроды из литых твёрдых сплавов и в виде трубки, заполненной легирующей порошкообразной смесью. Ручная наплавка малопроизводительна и трудоёмка, поэтому применяется при наплавке деталей сложной конфигурации.

· Автоматическая и полуавтоматическая наплавка под флюсом производится проволокой сплошного сечения, ленточным электродом или порошковой проволокой. Легирование наплавляемого слоя осуществляют через электродную проволоку, легированный флюс (при проволоке из низкоуглеродистой стали) или совместным легированием через проволокуи флюс. Иногда в зону дуги вводят легирующие вещества в виде пасты или порошка. Наплавку в защитных газах применяют при наплавке деталей в различных пространственных положениях и деталей сложной конфигурации.

· Наплавку в защитных газах применяют при наплавке деталей в различных пространственных положениях и деталей сложной конфигурации. Возможность наблюдать, за процессом формирования валика позволяет корректировать его, что очень необходимо при наплавке сложных поверхностей. Наплавку производят чаще всего в аргоне или углекислом газе плавящимся или неплавящимся электродом. Наибольшее распространение получила наплавка в углекислом газе постоянным током обратной полярности.

· Плазменная наплавка производится плазменной (сжатой) дугой прямого или косвенного действия. Присадочным материалом служит наплавочная проволока и порошкообразные смеси. Существуют различные схемы наплавки, которые получают широкое применение благодаря высокой производительности (7… 30 кг/ч), возможности наплавки тонких слоев при малой глубине проплавления основного металла. При этом получают гладкую поверхность и высокое качество наплавленного слоя.

· Вибродуговая наплавка выполняется специальной автоматической головкой, обеспечивающей вибрацию и подачу электродной проволоки в зону дуги. При вибрации электрода происходит чередование короткого замыкания сварочной цепи и разрыва цепи (паузы). В зону наплавки подается охлаждающая жидкость. Она защищает наплавленный металл от воздействия воздуха и, охлаждая деталь, способствует уменьшению зоны термического влияния, снижает сварочные деформации и повышает твёрдость наплавляемого слоя. В качестве охлаждающей жидкости применяют водные растворы солей, содержащих ионизирующие вещества (например, кальцинированной соды), облегчающие периодическое возбуждение дуги после разрыва цепи (паузы). Способ нашел большое применение для наплавки на изношенные поверхности деталей слоя небольшой толщины (до 1 мм).

· Наплавка самозащитной порошковой проволокой или лентой открытой дугой не требует защиты наплавляемого металла и по технике выполнения в основном не отличается от наплавки в защитном газе. Преимуществом этого вида является возможность наплавки деталей на открытом воздухе при ветрах и сквозняках. Сварщик, наблюдая за процессом, может обеспечить хорошее формирование наплавляемых валиков. Наплавка самозащитной проволокой менее сложна, как по оборудованию, так и по технологии, хорошо поддается механизации процесса.

· Электрошлаковая наплавка характеризуется высокой производительностью. Способ позволяет получать наплавленный слой любого заданного химического состава на плоских поверхностях и на поверхностях вращения (наружных и внутренних). Наплавка выполняется за один проход независимо от толщины наплавляемого слоя.

· Газовая наплавка имеет ограниченное применение, так как при наплавке возникают большие остаточные напряжения и деформации в наплавляемых деталях. Для наплавки применяют литые твёрдые сплавы.

Материалы роликов МНЛЗ

Ролик изготавливается из центробежнолитой заготовки из сталей 25Х1М1Ф, 40ХГНМ, Х12МФЛ.

Этот способ используются, как правило, при изготовлении нового ролика МНЛЗ, поскольку особенности центробежного литья позволяют использовать изготовленную бочку без наварки поверхностного слоя. В дальнейшем, уже при ремонте, бочки подвергаются наварке поверхностного слоя с повышенной твердостью

2.4.1 Рассмотрим ролик, изготовленный из стали 25Х1М1Ф:

Свойства стали:

1) Химический состав:

Таблица 1

2) Температура критических точек:

Ac1 = 770 - 805 , Ac3(Acm) = 840 - 880

3) Физические свойства материала:

Таблица 2

T - Температура, при которой получены данные свойства, [Град]

E- Модуль упругости первого рода, [МПа]

a - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T) ,

l- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]

r- Плотность материала, [кг/м3]

C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T), [Дж/(кг·град)]

R - Удельное электросопротивление, [Ом·м]

Позволяет повысить их ресурс до 6 раз по сравнению с неупрочненными .

До 80% всей выплавляемой в мире стали обрабатывается с применением машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), как энергосберегающей технологии, обеспечивающей высокое качество литья и минимизацию затрат.

Производительность и эффективность применения МНЛЗ определяются, в первую очередь, стойкостью их частей, количеством и сложностью ремонтов.

В отечественной металлургии новые ролики, как правило, запускают в работу без защитных покрытий. Для восстановительной наплавки роликов МНЛЗ традиционно применяются сплошные и порошковые проволоки 12Х13 , 20Х17 в сочетании с флюсами АН20С и АН26П , обеспечивающие хромистый наплавленный металл с ферритно-мартенситной структурой. Процесс наплавки характеризуется затруднительным отделением шлаковой корки.

Структурный и фазовый состав наплавленного металла определяет работоспособность роликов МНЛЗ, которые эксплуатируются в условиях циклических и термомеханических нагрузок. Ролики поддерживающих и разгибающих узлов работают при температуре поверхности 670-750 °С. Ролики воспринимают усилия от ферростатического раздутия и усилия от разгиба слитка. На прямолинейных участках ролики подвергаются абразивному износу. Разрушение рабочей поверхности роликов проявляется в виде износа поверхностного слоя и образования трещин разгара.

В практике металлургических компаний стран большой семерки уже много лет используется подход: "не жалея средств на приобретение и ремонт деталей МНЛЗ, обеспечить максимальный межремонтный цикл установки" . С этой целью активно применяется высокоскоростное газопламенное напыление никель-базированных и твердосплавных покрытий на кристаллизаторы МНЛЗ, используются ролики с защитными покрытиями.

Покрытие наносится на новые ролики при их запуске в производство, в ходе эксплуатации ролики ремонтируются с восстановлением защитного покрытия.

Среди решений по защите роликов необходимо выделить газотермическое напыление . Технологии газотермического напыления позволяют наносить на поверхность металла практически любые металлы и сплавы, смешивать их при необходимости. Это дает возможность варьировать покрытия для различных кристаллизаторов, добиваясь наилучших показателей с точки зрения цена/износостойкость.

Покрытия, наносимые методами газотермического напыления, в отличие от наплавки, не приводят к нагреву поверхности ролика более, чем до 150°С при нанесении, из-за отсутствия перемешивания покрытия с основой обеспечивается необходимый химический состав покрытия уже при толщине 0,05 мм.

Нанесение на поверхность роликов твердосплавных металлокерамических покрытий позволяет продлить их ресурс во много раз по сравнению с традиционными методами изготовления и восстановления.

Печные ролики в практике американских и японских сталелитейных компаний уже много лет защищаются от высоких температур с помощью плазменного напыления теплоизолирующих покрытий. Покрытия, выполняющиеся из керамики, обладают очень высокой твердостью, и в то же время отличными теплоизолирующими свойствами за счет своей пористой структуры. Печные ролики с теплоизолирующим покрытием не только обеспечивают более продолжительный срок использования, но и исключают налипание частей слитка на ролик.

Современное металлургическое производство немыслимо без технологии непрерывной разливки стали и обусловлено существенной экономией энергетических и временных затрат, повышением производительности и качества продукции, снижением производственных потерь, реализацией более эффективного инвестирования. В связи с этим проводится системное внедрение МНЛЗ и,как следствие, ожидается рост объема их производства и ремонта. Опыт металлургических предприятий показывает, что технические и технико-экономические показатели машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в значительной степени зависят от долговечности роликов поддерживающих систем. Ролики поддерживающих и разгибающих узлов работают в тяжелом температурном режиме термоциклирования, максимальная температура поверхности роликов может достигать 650—750 °С. Ролики воспринимают усилия от ферростатического раздутия и усилия от разгиба слитка. На прямолинейных участках ролики подвергаются абразивному износу (рис.1). Разрушение рабочей поверхности роликов проявляется в виде износа поверхностного слоя и образования трещин разгара. В соответствии с требованиями производства интенсивность изнашивания материала рабочих поверхностей не должна превышать 0,1—0,25 мм на 1 тыс. плавок, при этом МНЛЗ должна выпустить не менее 1 млн. тонн заготовок без смены роликов. Известно, что электродуговая наплавка рабочих поверхностей роликов износо- и коррозионностойкой сталью — наиболее эффективный и распространенный способ увеличения срока службы подобных деталей. Данный способ упрочнения роликов применяется большинством фирм, создающих МНЛЗ как в нашей стране, так и за рубежом.

Предприятие «ТМ.ВЕЛТЕК» решает эту проблему для металлургических комбинатов и ремонтных предприятий предоставляя широкий спектр наплавочных порошковых проволок и ноу-хау по технологии наплавки (табл). Проволоки адаптированы к процессам наплавки под флюсом, в СО 2 и Ar+CO 2 и открытой дугой и по своим характеристикам не уступают зарубежным и отечественным аналогам.

Рис.1. Схема установки непрерывной разливки стали.

Наплавка под флюсом

Реализуются технологии наплавки под флюсом по винтовой линии одиночной и расщепленной дугой, без колебаний и с поперечными колебаниями начиная от диаметра 70 мм и более. Наиболее распространена технология двухслойной наплавки, а на ряде ремонтных служб применяется трехслойная наплавка. Для данного способа наплавки выпускаем проволоки диаметром от 2,0 до 4,0 мм. Предлагаемые порошковые проволоки позволяют наплавить на рабочую поверхность роликов слой металла стойкий к много-факторному износу. Сочетание порошковой проволоки с флюсом позволяет получить высокохромистый (Cr-Mn-Ni-Mo-N, Cr-Mn-Ni-Mo-V-Nb) наплав-ленный металл с пластичной структурой низкоуглеродистого мартенсита, упрочненный дисперсными карбидами и нитридами при минимизации содержания δ феррита 5—10% (рис.2).

Рис.2. Микроструктура металла наплавленного ВЕЛТЕК-Н470(×1000) (объемная доля δ-феррита 3,8 %, твердость после наплавки 42—46 HRC).

Данная задача решалась путем снижения содержания углерода С < 0,1% и частичной замены его азотом реализацией нами разработанного способа легирования азотом, оптимизации хрома и карбидообразующих элементов, а также параметров термического цикла наплавки. Наши порошковые проволоки адаптируется к различным вариантам технологии наплавки: количество наплавляемых слоев и марка основного металла роликов, выполнение наплавки с подслоем или без него с цель обеспечения требуемого химического состава и структурного состояния наплавленного металла. К преимуществам наплавки под флюсом можно отнести: высокую производительность, малый припуск на механическую обработку при соблюдении режимов и техники наплавки, отсутствие светового излучения и минимизация выделения дыма. Для наплавки высокохромистых сплавов рекомендуется применять флюсы марок АН26Н, АН20С. Недостатком этих флюсов является ухудшение отделимости шлаковой корки при температуре поверхности наплавляемого ролика более 300°С, что связано с высоким содержанием двуокиси кремния в составе флюсов. Состав шихты порошковой проволоки частично нейтрализует окислительную способность флюсов и достигается улучшение отделимости шлаковой корки (рис. 3). Наиболее предпочтительно применение нейтральных керамических флюсов, например, WAF325 (Welding Alloys), Record SK (Soudokay), OK 10.33, ОК 1061 (ESAB), которые обеспечивают самопроизвольное отделение шлаковой корки и более низкое содержание вредных примесей (S, P) в наплавленном металле (рис.3).

Рис.3. Наплавка ролика МНЛЗ порошковой проволокой ВЕЛТЕК-Н470 под флюсом WAF325.

Наплавка в защитном газе.

Применение наплавки в защитном газе наиболее эффективно в смеси 82Ar+18CO 2 или Ar по сравнению с углекислым газом вследствие более высокой стабильности процесса, снижения окислительной способности защитного газа, уменьшения проплавления основы. К преимуществам можно отнести приемлемую производительность процесса, визуальный контроль за процессом наплавки, химический состав задается композицией проволоки и нет влияния характерного для флюса, меньшее содержание водорода в наплавленном металле по сравнению с флюсом, проще реализация процесса с поперечными колебаниями проволоки. Процесс наплавки характеризуется хорошим формированием металла, легкой отделимостью шлаковой корки и возможностью наплавки последующего слоя без удаления шлака. К недостаткам можно отнести: необходимость защиты от брызг и излучения дуги, менее ровная поверхность наплавленного металла, необходимость применения дымососов, забрызгивание сопла подачи защитного газа. Для данного способа наплавки выпускаем проволоки диаметром от 1,6 до 2,4 мм как для нанесения подслоя, так и рабочих слоев наплавленного металла.

Наплавка открытой дугой.

Процесс наплавки открытой дугой обладает преимуществами присущими процессу в защитном газе и дополняется отсутствием необходимости применения защитного газа, более упрощенной комплектацией наплавочной установки, но наиболее существенно его преимущество в металлургическом аспекте. При данном способе наплавки реализуется возможность легирования наплавленного металла азотом. Необходимость такого металлургического решения обусловлена актуальностью увеличению ресурса роликов МНЛЗ за счет повышения стойкости наплавленного металла к разгару и коррозии. Наиболее успешно это решение реализовано английской фирмой Welding Alloys. Рабочая поверхность ролика подвергается циклическому воздействию высоких температур, что приводит изменению структурного состояния при-поверхностного слоя металла. Наблюдается укрупнение зерен и формирование на их границах карбидов хрома, что приводит к развитию межзеренной коррозии. Потеря мартенситной матрицей углерода приводит к формированию мягкого ферритного слоя, обладающего низким сопротивлением механическому износу. Замена части углерода азотом подавляет процессы укрупнения зерен и формирования на границах зерен карбидов хрома. Образующиеся нитриды равномерно распределены в структуре металла, проявляется эффект вторичного упрочнения в процессе термоциклирования. Реализация этих механизмов позволяет повысить ресурс роликов. Для данного способа наплавки выпускаем проволоки диаметром 2,0—2,4 мм.

Порошковые проволоки предприятия «ТМ.ВЕЛТЕК» для наплавки роликов МНЛЗ.

Орлов Л. Н., Голякевич А. А., Хилько А. В., Гиюк С. П. ("ТМ.ВЕЛТЕК", г. Киев)