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激光再制造技术在钢铁冶金行业的应用 2020-02-25

 钢铁企业炼钢、各种热轧、冷轧生产线、镀锌(zinc)线等生产过程中使用着大数量的高载荷、高转速、高精度、高合金的承载设备,其零部件在生产工况环境下服役,产生腐蚀、磨损和疲劳损伤或失效报废。而这些大量的设备零部件在钢铁生产中形成了大的生产消耗,占据着非常大的生产成本和资源浪费。据初步估算,全国钢铁行业每年仅各种轧钢生产线上的重要零部件消耗达100亿元。传统办法主要是更换这些设备零部件,甚至因零部件无法使用报废或者更换整机,必须储备大量的备件,占用巨额的资金和资源。同时,损伤失效和报废的零部件或者整机基本上作为废品处理,如此连锁叠加造成的资源和资金浪费非常惊人。

技术、激光快速成形制造技术、激光纳米合金化和表面强化技术等高科技技术的有效应用,为这类设备和零部件的修复再造开辟了一条崭新的途径。既能使失效或报废设备及零部件“起死回生”,又可以使新品延长使用寿命,甚至可以达到多寿命周期的效果。例如:在冷、热轧钢各种生产线上使用的传动接轴、叉头、中间轴、传动齿轮、万向节、扁头套、轧辊轴、飞剪、辊端轴套、卷取机弹簧座箱,减速机齿轮轴和壳体等等大量易磨损和疲劳零部件,经过激光仿形熔覆技术和快速成形技术修复后,使用性能恢复了原有新件的技术指标。而且,大部分又可以提高其使用寿命周期。有则,可以多次修复,达到多使用寿命周期的效果。

轧钢生产线上的各种轧辊、输送辊、支承辊、竖辊、导向辊、沉浮辊等辊轴类零部件,采用各种锻合金钢、铸合金钢、合金铸铁、球墨铸铁等不同材质制造(zhì zào)。各种轧辊类件均使用在具有高温、高变载荷、冷热交变、腐蚀、磨损及疲劳工况条件下。据初步统计,全国钢铁企业每年各种轧辊消耗约80-100亿元。采用激光纳米陶瓷(原料:非金属矿物)合金化和激光复合强化技术进行表面强化处理(processing),提高了表面的强度、硬度、耐磨、热稳定性和红硬性及耐腐蚀、耐疲劳等性能指标,有效地提高轧辊的过钢量。经多家钢铁企业应用,一般使轧辊等各种辊类使用周期可提高50%至数倍。

例如:轧制中厚钢板和薄板的冷热生产线上大量使用的支承辊,重量从30多吨至120多吨,支承辊分别由铸钢和锻钢制造。目前其中大型支承辊很多依赖进口。支承辊属于被动辊,在其工作服役中承受复杂的应力作用。运行时其前方受挤,正下方受压,后方受拉,深层受剪切应力作用。因此,支承辊在工作时,接触点附近承受挤、压、拉、切等交变载荷作用,辊身工作部位产生剥落,产生剥落的部位是辊身大受力部位。已经失效的小型支承辊传统的维修方法是采用电弧堆焊。经此种方法修复后的支承辊使用性能和使用寿命都无法达到新辊的水平。大型支承辊目前采用常规的电弧堆焊方法还无法修复,只能做报废处理。采用激光快速成形技术可以修复各种规格和材料制造的支承辊,可以根据各类型支承辊的材质和使用性能要求,设计和使用优于原辊身材质的激光快速成形用合金材料,使修复后支承辊身强度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳性等指标和使用寿命均优于制造新支承辊。国内按目前每年产钢4.7亿吨计算,每年消耗支承辊约10亿元。激光快速成形技术和再制造工程技术可以创造非常可观的经济效益及深远的社会效益。

实践证明,如果将轧辊表面进行激光淬火处理,其硬度(hardness)可由原来的68hsd上升到78~82hsd,轧辊寿命(lifetime)也原来的8小时更换一次提高到24小时更换一次,仅此一项就可以降低钢铁企业轧辊消耗(consume)成本约50%,提高钢铁企业轧钢产量5%~10%,这一效益(benefit)根据轧钢的规模不同效益在8000万元到3亿元之间。设备是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低,与基体成冶金结合的表面涂层,显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法,从而达到表面改性或修复的目的,既满足了对材料表面特定性能的要求,又节约了大量的贵重元素。




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