连铸辊带极埋弧堆焊烧结焊剂研制技术
一、技术定义与原理
连铸辊带极埋弧堆焊烧结焊剂（Sintered Flux for Submerged Arc Strip Surfacing of Continuous Casting Rolls）是专为连铸结晶器铜套、二冷区辊及扇形段辊等关键部件表面堆焊修复而开发的高性能烧结型焊剂。该技术以带极埋弧堆焊（Submerged Arc Surfacing, SAS）为焊接方法，通过自制烧结焊剂对熔敷金属的化学成分、力学性能及微观组织进行精确调控，实现铜基或钢基辊面耐磨层、耐热层或过渡层的可靠制备。
烧结焊剂的核心原理在于：将铁锰矿、铬矿、萤石、石英、冰晶石等原料按特定配比混合后经高温烧结（通常1100°C~1400°C），形成具有特定气孔率（30%~50%）和孔隙结构的烧结体。烧结过程中产生的气孔网络在焊接时起到冶金净化、气体保护及造渣缓冲作用，有效降低氮、氢、氧等有害元素在熔敷金属中的含量，同时促进有益合金元素的均匀过渡。
带极埋弧堆焊区别于普通埋弧焊的关键在于：采用扁平铜带（Copper Strip）替代焊丝作为导电和填充材料，熔敷金属主要由焊剂中的合金元素提供。这一特点使得烧结焊剂的配方设计成为决定堆焊层性能的决定性因素，焊剂中合金元素的含量、形态及释放动力学直接决定了最终堆焊层的硬度、耐磨性、抗热疲劳性及与基体的结合强度。
二、所属大类与业务定位
该技术归属于堆焊制造技术大类中的焊材自主研制子领域，是科雷丁技术（山西）有限公司在TIG/MIG堆焊、带极埋弧堆焊等堆焊工艺路线中的核心配套技术。在公司技术体系中，烧结焊剂研制承担着以下业务定位：
- 关键材料自主化：摆脱对进口焊剂的依赖，实现连铸辊修复用焊材的国产化替代，降低采购成本30%~50%
- 工艺-材料一体化：焊剂配方与堆焊工艺参数协同优化，确保焊接质量的可控性与一致性
- 资质能力建设：焊剂自研能力是取得NB/T 47014焊接工艺评定自主权、API认证及客户审厂通过的重要技术支撑
- 产品交付差异化：针对客户特定工况（如高拉速连铸、薄壁板坯、高碳比钢种）定制焊剂配方，形成技术壁垒
三、技术目的与价值
3.1 连铸辊堆焊修复的技术需求
连铸结晶器铜套及二冷辊在服役过程中承受剧烈的热循环载荷（温度波动范围可达50°C~1200°C）、冷却水冲刷腐蚀以及铸坯脱模时的机械磨损。典型故障模式包括：
- 热裂纹与龟裂：因热疲劳累积导致的表面网状裂纹，通常服役3000~8000铸次后出现
- 冷却水侧腐蚀坑蚀：含氟冷却水在铜基体表面形成的点蚀与微裂纹
- 表面磨损：脱模力导致的辊面材料损失，影响铸坯表面质量
- 渗氮/渗碳层退化：原有表面处理层在热循环中剥落
3.2 烧结焊剂研制的核心价值
- 性能精准匹配：通过调整焊剂中Cr、Mo、Ni、Si、Mn等元素含量，使堆焊层硬度（HRC 35~55）、抗热疲劳寿命、抗冷却水腐蚀性能精确匹配客户工况需求
- 结合强度保障：优化焊剂中的脱氧剂（FeSi、FeTi）和造渣剂（CaF₂、CaCO₃）配比，确保堆焊层与铜/钢基体的冶金结合强度≥250 MPa
- 工艺窗口拓宽：自研焊剂可针对带极埋弧堆焊的特定热输入范围（25~60 kW）优化熔化特性，降低飞溅率至5%以下，提高熔敷效率
- 成本与供应链安全：焊剂自研使原材料成本降低40%~60%，同时消除进口焊剂交期长（通常8~12周）对紧急修复订单的制约
四、关键工艺与实施要点
4.1 烧结焊剂配方设计核心参数
| 配方要素 | 典型成分/含量 | 功能作用 | 对堆焊层性能的影响 |
|---|---|---|---|
| 主合金元素 | Cr 8~25%、Mo 2~8%、Ni 5~15% | 提供堆焊层合金成分 | 决定硬度、耐磨性、抗热疲劳性 |
| 脱氧剂 | FeSi 3~8%、FeTi 1~3%、Al 0.5~1.5% | 脱氧净化熔池 | 降低气孔率，减少氧化夹杂 |
| 造渣剂 | CaF₂ 15~30%、CaCO₃ 5~10%、SiO₂ 10~20% | 形成保护渣壳 | 影响熔渣流动性、脱氧效率 |
| 稳弧剂 | K₂CO₃ 2~5%、Na₂CO₃ 1~3% | 稳定电弧燃烧 | 影响焊接过程稳定性 |
| 粘结剂 | 水玻璃（Na₂SiO₃）10~20% | 烧结成型 | 决定烧结体强度和粒度 |
4.2 烧结工艺参数
| 工艺参数 | 控制范围 | 检测方法 | 合格判据 |
|---|---|---|---|
| 烧结温度 | 1150°C~1350°C | 热电偶/红外测温 | 均匀性偏差≤±15°C |
| 保温时间 | 2~4 h | 计时器 | 按配方确定 |
| 升温速率 | 100~150°C/h | 程控炉温曲线 | 避免急升导致开裂 |
| 冷却方式 | 随炉冷却/风冷 | — | 按配方要求 |
| 气孔率 | 30%~50% | 压汞法/CT扫描 | 符合GB/T 29749 |
| 粒度分布 | 1.0~2.5 mm（主粒度） | 筛分法 | 符合GB/T 12467 |
| 含水量 | ≤0.5%（烘干后） | 重量法 | 符合GB/T 12467要求 |
4.3 带极埋弧堆焊工艺参数
| 参数 | 典型值 | 备注 |
|---|---|---|
| 带极材质 | T2紫铜带（Cu≥99.95%） | 厚度0.5~1.0 mm，宽度30~60 mm |
| 焊接电流 | 400~800 A | 多层堆焊逐层递减 |
| 电弧电压 | 22~32 V | 与带极宽度和速度匹配 |
| 焊接速度 | 200~500 mm/min | 影响热输入和熔敷效率 |
| 热输入 | 25~60 kW | q=IU/v |
| 层间温度 | ≤150°C（铜基）/ ≤250°C（钢基） | 红外测温控制 |
| 堆焊层数 | 2~5层 | 首层过渡层+功能层 |
| 熔敷效率 | 15~35 kg/h | 取决于电流和速度 |
4.4 焊剂配方优化流程
- 需求分析：明确连铸辊服役工况（钢种、拉速、冷却水水质、铸次寿命要求）
- 基线配方确定：参考已有成熟配方或文献数据，确定初始合金体系和渣系
- 小试烧结：按配方制备1~5 kg烧结试料，控制烧结工艺参数
- 焊接试板试验：在模拟基体上（紫铜板/碳钢辊）进行带极埋弧堆焊，记录工艺参数
- 性能检测：对堆焊层进行化学成分分析（ICP/OES）、硬度测试（HRC）、金相组织分析、抗热疲劳试验（热循环次数）
- 配方迭代：根据检测结果调整合金元素含量和渣系配比，重复步骤3~5直至性能达标
- 中试验证：放大至50~200 kg批量烧结，在真实辊件上进行堆焊修复验证
- 工艺固化：编制焊剂配方标准、烧结工艺卡、堆焊作业指导书
五、执行标准与验收依据
5.1 焊剂相关标准
- GB/T 12467《埋弧焊用焊剂》——烧结焊剂的基本分类、化学成分、物理性能要求
- GB/T 29749《埋弧焊用烧结焊剂试验方法》——烧结焊剂气孔率、粒度分布、熔渣性能检测方法
- JB/T 10665《埋弧焊用焊剂通用技术条件》——行业补充技术要求
- ASTM A5.1《Specification for Submerged-Arc Welding Electrodes》——埋弧焊焊剂/焊丝组合规范（如适用出口项目）
- ISO 14342《Welding and related processes—Submerged arc welding—Fluxes》——国际标准化组织焊剂标准
- EN ISO 14342——欧洲标准对应版本
5.2 堆焊工艺与验收标准
- NB/T 47014《承压设备焊接工艺评定》——堆焊工艺评定程序与合格判据
- GB/T 985《焊缝符号表示法》——堆焊层标注规范
- GB/T 11345《焊缝无损检测 超声检测》——堆焊层缺陷检测
- GB/T 19542《焊缝无损检测 磁粉检测》——表面及近表面缺陷检测
- ASTM E10/E10M《Standard Test Method for Rockwell Hardness》——堆焊层硬度测试方法
- ASTM E29/E29M《Standard Practice for Determining Hardness Conversions》——硬度换算
- API 570《Piping Inspection Code》——管道检验规范（涉及连铸辊管道连接部位）
- NACE SP0169《Control of Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems》——腐蚀控制参考
5.3 连铸辊修复验收标准
- 客户技术协议：明确堆焊层硬度范围、厚度公差、表面粗糙度、结合强度要求
- JB/T 10913《连铸结晶器》——结晶器铜套相关技术要求
- YB/T 4209《连铸用铜及铜合金》——铜基体材料标准
- ISO 9001:2015——质量管理体系要求，确保焊剂研制过程的可追溯性
- ASME BPV Section IX——承压设备焊接认证（如连铸辊涉及压力容器部件）
六、常见风险与控制措施
| 风险类型 | 具体表现 | 产生原因 | 控制措施 |
|---|---|---|---|
| 焊剂吸潮 | 堆焊层气孔、飞溅增大 | 烧结焊剂气孔率高，易吸收水分 | 焊剂使用前在250~300°C烘干2h，存放于干燥库房（RH≤60%），配备真空干燥器 |
| 配方批次波动 | 堆焊层性能不一致 | 原材料品位波动、称量误差 | 原材料入厂复检（XRF快检），关键元素含量控制±1%以内，建立配方变更审批流程 |
| 烧结不均 | 焊剂粒度不均、性能离散 | 炉温分布不均、装料方式不当 | 采用多点测温热电偶，装料厚度≤500 mm，烧结后100%筛分检验 |
| 过渡层结合不良 | 堆焊层与铜/钢基体界面开裂 | 热膨胀系数不匹配、过渡层合金设计不当 | 采用"铜-镍-铁"梯度过渡层设计，首层采用低Cr高Ni配方降低热应力 |
| 热裂纹 | 堆焊层沿晶界开裂 | 低熔点共晶偏析、冷却速度过快 | 焊剂中添加适量Ti、Zr细化晶粒，控制层间温度，采用脉冲焊接降低峰值温度 |
| 氟化钙中毒风险 | 操作工人健康危害 | CaF₂在电弧高温下产生HF气体 | 配备局部通风除尘装置，操作人员佩戴防毒面具，定期职业健康体检 |
| 堆焊层超厚 | 辊径超出公差、影响铸坯质量 | 熔敷率计算偏差、层数控制不当 | 每层堆焊后100%测量厚度，建立熔敷率数据库，设置厚度报警上限 |
七、在公司三大技术路线中的应用场景
7.1 TIG/MIG堆焊路线中的应用
- 焊剂配方技术迁移：烧结焊剂研制过程中积累的合金元素调控经验，可直接应用于TIG/MIG堆焊药芯焊丝（Flux-Cored Wire）的芯粉配方设计。例如，为铜基结晶器辊开发的Cr-Ni-Mo系合金配方，可转化为MIG堆焊药芯焊丝的芯粉成分，用于现场修复作业
- 过渡层材料开发：连铸辊烧结焊剂中"铜-镍-铁"梯度过渡层设计理念，可推广至公司TIG堆焊业务中铜-钢异种金属过渡层的焊材选择与工艺优化
- 小批量定制能力：烧结焊剂的灵活配方调整特性，使公司能够为TIG/MIG堆焊客户提供小批量、多品种的定制焊材服务，增强客户粘性
7.2 水压复合路线中的应用
- 复合层焊材配套：水压复合（Hydrostatic Expansion/Composite）工艺中，复合板/管的轧制复合层若需堆焊修复或功能层强化，自研烧结焊剂可提供匹配的堆焊材料。例如，304/碳钢复合板表面需堆焊耐磨层时，焊剂配方需确保堆焊层与304不锈钢层的良好冶金结合
- 复合工艺焊后热处理：水压复合过程中产生的残余应力可通过堆焊焊剂中的合金元素（如Ti、Nb）进行微合金化控制，减少焊后热处理变形量
- 客户方案整合：向客户提供"水压复合+堆焊强化"一体化解决方案时，自研焊剂确保两种工艺的材料兼容性和性能协同
7.3 爆炸焊复合路线中的应用
- 爆炸焊界面修复：爆炸焊（Explosive Welding）形成的固相扩散结合界面在后续加工中可能出现局部损伤，自研烧结焊剂可用于爆炸焊复合板表面缺陷的堆焊修复，恢复复合层完整性
- 多层爆炸焊过渡材料：在铜-钢爆炸焊复合中，若需增加中间过渡层以提高结合率，可利用烧结焊剂的合金调控能力设计中间层成分，优化爆炸焊碰撞速度和结合窗口
- 复合管端部堆焊：爆炸焊复合管（如铜内衬钢管）的端部需堆焊密封或连接层，自研焊剂确保端部堆焊层与爆炸焊复合界面的性能一致性
八、对公司资质建设与客户价值的支撑作用
8.1 资质建设支撑
- NB/T 47014焊接工艺评定：自研焊剂使公司能够独立完成焊接工艺评定的材料准备，无需依赖外部焊材供应商的资质文件，缩短工艺评定周期2~4周
- ISO 9001质量管理体系：焊剂研制全流程（配方设计→烧结→检验→应用→反馈）纳入质量管理体系，形成完整的PDCA循环记录，满足客户审厂要求
- 特种设备制造/安装资质：焊材自主研制能力是取得特种设备焊接相关资质的重要技术条件之一
- API/ASME认证：面向国际客户时，自研焊剂需通过第三方检测机构的化学成分和性能验证，为公司产品出口奠定基础
8.2 客户价值体现
- 快速响应：焊剂自研使公司能够在3~5个工作日内为客户定制新配方焊剂，相比进口焊剂8~12周的交期，大幅缩短连铸线停机修复时间
- 成本优化：焊剂成本降低40%~60%，使连铸辊堆焊修复总成本降低15%~25%，为客户创造直接经济效益
- 性能提升：针对客户特定工况优化的焊剂配方，可使连铸辊使用寿命延长30%~50%（典型从5000铸次提升至7000~8000铸次）
- 技术保密与差异化：自研焊剂配方构成公司的核心技术资产，形成竞争对手难以复制的技术壁垒
- 全生命周期服务：从焊剂配方设计到堆焊施工、质量验证、寿命跟踪的全链条服务能力，提升客户满意度和复购率
8.3 技术积累与持续改进
烧结焊剂研制是一项"材料科学+焊接工程+冶金工艺"的交叉技术领域，其核心价值不仅在于单一配方的开发，更在于建立系统的焊剂-工艺-性能数据库。公司应持续积累以下技术资产：
- 不同合金体系焊剂配方数据库（覆盖Cr-Ni、Cr-Mo、Ni-Base等体系）
- 烧结工艺参数-焊剂性能关系数据库
- 带极埋弧堆焊工艺参数-堆焊层性能关系数据库
- 连铸辊服役工况-堆焊层失效模式对照数据库
- 焊剂批次质量追溯系统（从原材料到成品的全链条追溯）
九、总结
连铸辊带极埋弧堆焊烧结焊剂研制技术是科雷丁技术（山西）有限公司在堆焊制造领域实现"材料-工艺-装备"一体化能力的关键支撑技术。该技术通过焊剂配方的自主设计和烧结工艺的精确控制，为连铸辊修复提供了性能可控、成本优化、响应快速的材料解决方案。在公司TIG/MIG堆焊、水压复合、爆炸焊复合三条技术路线中，烧结焊剂研制技术分别承担着焊材配套、复合层修复、界面强化等关键角色，是公司技术体系不可或缺的组成部分。持续投入焊剂研制技术的研发与积累，将为公司构建长期技术竞争优势、提升客户满意度和市场占有率提供坚实支撑。