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[摘要] 介绍了安钢第二炼轧厂卷筒使用现状和存在的问题，以及应用保养焊接技术对断裂失效卷筒进行成功修复，不仅在经济上减少了巨大的设备运行成本, 而且对提高备件运行保障将产生积极的影响。
[关键词] 卷筒 修复 效果
0.前言
安钢第二炼轧厂炉卷辊筒是炉卷轧机生产线上关键的高价值进口设备单元,极其高昂的价格和低寿命使设备运行成本居高不下。
2006年5月卷取炉开始调试投用，经过七个月的生产使用，2007年元月检查发现炉卷辊筒在两端变径处、卷板窗口两端及辊身正中处发生严重的断裂裂纹，总长度达5米以上。这种严重的裂纹失效程度，使炉卷辊筒几乎报废。如此长期下去，将对我厂的运行成本产生很大的压力，所以寻找新的办法降低运行成本，显得极为迫切。
1.焊接技术发展过程及现状
对中大型设备通过焊接及一系列技术措施进行现场修复其核心是以材料技术为基础的保养焊接修复技术。该技术起源于上世纪50年代，80年代在工业发达国家已相当完备和成熟。进入本世纪该技术在我国得到了广泛应用，特别是在大型关键设备的修复上得到了迅速地发展。及时引进并消化吸收相关现场修复技术和事故诊断技术解决当前的现实问题，尽快实现进口大中型设备国内修复、是降低板材生产线运行成本、减少停机时间、提高生产效率的必然趋势。
2.失效成因分析研究
2.1 炉卷辊筒的断裂状态和失效形式
炉卷滚筒截面构造变化复杂，系采用整体模型一次铸造加工而成。卷筒经过七个月的使用分别在两端变径处、卷板窗口两端及辊身正中处产生严重的断裂裂纹
从现场清楚地显示：卷筒两端的变径处裂纹扩展已形成近乎封闭的圆形，呈现出典型的脆性材料的裂纹宽展特征。
2.2炉卷辊筒的断裂失效成因分析研究
2.2.1 化学分析及材料设计
其典型的化学成分为：C0.14-0.17 Cr 24-26% Ni 19-22%Mn 1.7%Si 2.3%Mo0.41%，最接近的耐热合金牌号应为美国的310S和中国的1Cr25Ni20,但其含碳量却远高出上述两个牌号。由于该卷筒属于特大型工件的整体铸造，制造厂家可能更多的考虑了制作的工艺性特点。然而，卷筒在很短的使用周期即产生严重破坏失效，其材料设计的合理性和适应性就十分值得研究。
2.2.2 破坏形式和金相分析
该部件在使用数月后即出现严重的大尺寸贯穿性裂紋，表现为典型的脆性断裂特征。为此，在不同部位进行取样进行断口及金相分析。常规金相分析显示以下特征：1晶粒特别粗大，按国家相关标准无法评级；2所有的主次裂纹均沿晶界发展，即沿晶断裂；3 沿晶界形成近乎封闭的网状异相。
2.2.3 扫描电镜及能谱分析
1）断口形貌表现为沿晶断裂的解理型特征，是典型的脆性断裂，未表现出高温蠕变和塑性变形。
2）断口分析钢中有明显的夹杂物（含Al、Mg）。
3）晶间断裂，裂纹沿晶界扩展，线切割剖开样品发现材料内部存在微裂纹。
4）晶界存在富Nb相（NbC），加大了晶界脆性。
2.2.4应力状态及破坏机理
通过对铸造卷筒裂纹的产生与发展进行分析，卷板插入时的弯卷力与卷筒加速旋转的扭力相叠加产生缺口处拉引力集中是导致缺口裂纹发展的主应力。而卷筒中间裂纹的产生则主要是卷取过程中的拉应力所致。按照材料断裂理论分析，疲劳断裂分为两个阶段即裂纹的萌生和裂纹的发展，由于新铸造卷筒本体大量存在裂纹，也即省略了第一阶段，而筒体材料的脆性特征也大大加快了裂纹的发展速度。
2.2.5炉卷辊筒早期失效的主因
从前述具体细致的综合试验研究可以得出这样的结论：炉卷辊筒母体材料的晶界异相和成分偏析是导致晶界脆化的内在因素，是导致卷筒大断面沿晶断裂的主因。
3.修复技术要点及过程控制实验研究
3.1技术准备
3.1.1根据卷筒辊体合金成分定制焊接母材试样，根据辊体的物理和焊接性能，进行复合焊接材料系列的优化设计与选择，根据模拟卷筒材料所进行的焊接实验结果，优化选定了以下材料组合：EC2222焊丝及焊条 （耐温1250度以上）过渡层焊接；UT6225焊丝及焊条 （耐温1200度以上）焊缝填充。为确保修复工程可靠有效，采用最好的焊材组合是必须的。
3.1.2采用选定焊材优化焊接工艺，进行全断口和半断口模拟焊接实验，然后进行强度及焊缝性能实验并以此优化焊接工艺和焊前焊后处理工艺。
3.1.3制作局部热处理设备，用于对焊接部位进行焊缝性能调整和稳定化处理，确保焊缝耐热疲劳性能达到最佳状态。
3.1.4配置振动去应力系统，用于焊接过程振动辅助工艺，以及焊后进行不低于8小时的振动时效处理，降低焊接应力。
3.2修复过程关键技术要点和工艺控制
3.2.1卷筒母体材料改性及焊前预处理
卷筒断裂部位的坡口加工将采用低热量输入的全磨削加工，虽然加工位置不利及工作量巨大，但这是确保母体无热损伤的唯一办法。通过改性处理可大幅度提高母体材料的可焊性，从而从根本上改善焊接的工程质量。
3.2.2保养焊接过程工艺控制
1）采取低热量输入焊接工艺，严格控制卷筒辊体温升，层间温升控制在150度以下；
2）焊接过程中动态检测焊接应力和辊体变形参数，并依据技术参数进行焊接位置和焊接量的调整；
3）在焊接过程中实施加振动时效，降低焊接应力；
4）严格控制材料复合的层量比例，保证焊缝材料膨胀系数和母体材料一致。
3.2.3焊后处理
每条大断面裂纹焊接完毕后进行及时的焊后热处理，以获得理想的综合性能，随后进行不少于8小时的振动失效处理，使焊接部位达到低应力状态。
3.2.4焊后机加工和精度恢复
焊后的机械加工中要特别注意加工过程的热量输入，采用磨削和铣削相结合的微进刀量成功地解决了这一问题。
4.结论
应用保养焊接技术对安钢二炼轧进口炉卷辊筒大断面断裂失效修复的成功意义重大，经过10个月以上的装机使用证明修复工程取得圆满成功。对节约设备运行成本，提高备件运行保障，将产生积极的影响。
参考文献：
[1] M.J.Cieslak and W.F. Savage : Weldability Testing Of Cast Corrosion-Resistant and Heat-Resistant Steels.
[2] E.M.Bosak and Elmendorf : An Analysis of Two Casting Defects in Parts Made from ACI Type HF Heat-Resistant Stainless Stell.
[3] xishan xie : 《中国含铌高温合金的研究和发展》.
[4] D.B.Roach and J.A. VanEcho : Comparison of the Properties of the HK-40 and HP-45 Cast Heat-Resistant Alloys.
[关键词] 卷筒 修复 效果
0.前言
安钢第二炼轧厂炉卷辊筒是炉卷轧机生产线上关键的高价值进口设备单元,极其高昂的价格和低寿命使设备运行成本居高不下。
2006年5月卷取炉开始调试投用，经过七个月的生产使用，2007年元月检查发现炉卷辊筒在两端变径处、卷板窗口两端及辊身正中处发生严重的断裂裂纹，总长度达5米以上。这种严重的裂纹失效程度，使炉卷辊筒几乎报废。如此长期下去，将对我厂的运行成本产生很大的压力，所以寻找新的办法降低运行成本，显得极为迫切。
1.焊接技术发展过程及现状
对中大型设备通过焊接及一系列技术措施进行现场修复其核心是以材料技术为基础的保养焊接修复技术。该技术起源于上世纪50年代，80年代在工业发达国家已相当完备和成熟。进入本世纪该技术在我国得到了广泛应用，特别是在大型关键设备的修复上得到了迅速地发展。及时引进并消化吸收相关现场修复技术和事故诊断技术解决当前的现实问题，尽快实现进口大中型设备国内修复、是降低板材生产线运行成本、减少停机时间、提高生产效率的必然趋势。
2.失效成因分析研究
2.1 炉卷辊筒的断裂状态和失效形式
炉卷滚筒截面构造变化复杂，系采用整体模型一次铸造加工而成。卷筒经过七个月的使用分别在两端变径处、卷板窗口两端及辊身正中处产生严重的断裂裂纹
从现场清楚地显示：卷筒两端的变径处裂纹扩展已形成近乎封闭的圆形，呈现出典型的脆性材料的裂纹宽展特征。
2.2炉卷辊筒的断裂失效成因分析研究
2.2.1 化学分析及材料设计
其典型的化学成分为：C0.14-0.17 Cr 24-26% Ni 19-22%Mn 1.7%Si 2.3%Mo0.41%，最接近的耐热合金牌号应为美国的310S和中国的1Cr25Ni20,但其含碳量却远高出上述两个牌号。由于该卷筒属于特大型工件的整体铸造，制造厂家可能更多的考虑了制作的工艺性特点。然而，卷筒在很短的使用周期即产生严重破坏失效，其材料设计的合理性和适应性就十分值得研究。
2.2.2 破坏形式和金相分析
该部件在使用数月后即出现严重的大尺寸贯穿性裂紋，表现为典型的脆性断裂特征。为此，在不同部位进行取样进行断口及金相分析。常规金相分析显示以下特征：1晶粒特别粗大，按国家相关标准无法评级；2所有的主次裂纹均沿晶界发展，即沿晶断裂；3 沿晶界形成近乎封闭的网状异相。
2.2.3 扫描电镜及能谱分析
1）断口形貌表现为沿晶断裂的解理型特征，是典型的脆性断裂，未表现出高温蠕变和塑性变形。
2）断口分析钢中有明显的夹杂物（含Al、Mg）。
3）晶间断裂，裂纹沿晶界扩展，线切割剖开样品发现材料内部存在微裂纹。
4）晶界存在富Nb相（NbC），加大了晶界脆性。
2.2.4应力状态及破坏机理
通过对铸造卷筒裂纹的产生与发展进行分析，卷板插入时的弯卷力与卷筒加速旋转的扭力相叠加产生缺口处拉引力集中是导致缺口裂纹发展的主应力。而卷筒中间裂纹的产生则主要是卷取过程中的拉应力所致。按照材料断裂理论分析，疲劳断裂分为两个阶段即裂纹的萌生和裂纹的发展，由于新铸造卷筒本体大量存在裂纹，也即省略了第一阶段，而筒体材料的脆性特征也大大加快了裂纹的发展速度。
2.2.5炉卷辊筒早期失效的主因
从前述具体细致的综合试验研究可以得出这样的结论：炉卷辊筒母体材料的晶界异相和成分偏析是导致晶界脆化的内在因素，是导致卷筒大断面沿晶断裂的主因。
3.修复技术要点及过程控制实验研究
3.1技术准备
3.1.1根据卷筒辊体合金成分定制焊接母材试样，根据辊体的物理和焊接性能，进行复合焊接材料系列的优化设计与选择，根据模拟卷筒材料所进行的焊接实验结果，优化选定了以下材料组合：EC2222焊丝及焊条 （耐温1250度以上）过渡层焊接；UT6225焊丝及焊条 （耐温1200度以上）焊缝填充。为确保修复工程可靠有效，采用最好的焊材组合是必须的。
3.1.2采用选定焊材优化焊接工艺，进行全断口和半断口模拟焊接实验，然后进行强度及焊缝性能实验并以此优化焊接工艺和焊前焊后处理工艺。
3.1.3制作局部热处理设备，用于对焊接部位进行焊缝性能调整和稳定化处理，确保焊缝耐热疲劳性能达到最佳状态。
3.1.4配置振动去应力系统，用于焊接过程振动辅助工艺，以及焊后进行不低于8小时的振动时效处理，降低焊接应力。
3.2修复过程关键技术要点和工艺控制
3.2.1卷筒母体材料改性及焊前预处理
卷筒断裂部位的坡口加工将采用低热量输入的全磨削加工，虽然加工位置不利及工作量巨大，但这是确保母体无热损伤的唯一办法。通过改性处理可大幅度提高母体材料的可焊性，从而从根本上改善焊接的工程质量。
3.2.2保养焊接过程工艺控制
1）采取低热量输入焊接工艺，严格控制卷筒辊体温升，层间温升控制在150度以下；
2）焊接过程中动态检测焊接应力和辊体变形参数，并依据技术参数进行焊接位置和焊接量的调整；
3）在焊接过程中实施加振动时效，降低焊接应力；
4）严格控制材料复合的层量比例，保证焊缝材料膨胀系数和母体材料一致。
3.2.3焊后处理
每条大断面裂纹焊接完毕后进行及时的焊后热处理，以获得理想的综合性能，随后进行不少于8小时的振动失效处理，使焊接部位达到低应力状态。
3.2.4焊后机加工和精度恢复
焊后的机械加工中要特别注意加工过程的热量输入，采用磨削和铣削相结合的微进刀量成功地解决了这一问题。
4.结论
应用保养焊接技术对安钢二炼轧进口炉卷辊筒大断面断裂失效修复的成功意义重大，经过10个月以上的装机使用证明修复工程取得圆满成功。对节约设备运行成本，提高备件运行保障，将产生积极的影响。
参考文献：
[1] M.J.Cieslak and W.F. Savage : Weldability Testing Of Cast Corrosion-Resistant and Heat-Resistant Steels.
[2] E.M.Bosak and Elmendorf : An Analysis of Two Casting Defects in Parts Made from ACI Type HF Heat-Resistant Stainless Stell.
[3] xishan xie : 《中国含铌高温合金的研究和发展》.
[4] D.B.Roach and J.A. VanEcho : Comparison of the Properties of the HK-40 and HP-45 Cast Heat-Resistant Alloys.