氣粉機粉碎室的耐磨堆焊修復方法

趙國宏，和文云，何愛紅，張瓊芬，張朝壽

（1.昆明工業職業技術學院，云南安寧 650302；2.云南昆鋼激光技術有限公司，云南安寧 650302）

0 前言

氣流粉碎機亦稱氣流磨、噴射磨或流能磨（簡稱氣粉機），是利用高速氣流或過熱蒸汽的能量使顆粒相互產生沖擊、碰撞、摩擦而實現超細粉碎或解聚的設備。氣流磨粉碎的產品有粒度細、粒度分布窄、顆粒形狀規整、純度高、活性大、分散性好等特點，在化工、醫療行業中應用較為廣泛，特別是鈦白粉的終端粉碎，目前國內大多數選用圓盤式氣流粉碎機。但是，氣粉機工況相對惡劣，粉碎室的磨損情況較為突出，一般2月使用周期后粉碎室內壁的耐磨層（靶材）就會被沖刷、磨損殆盡。因此，氣粉機在使用一段時間后就必須整機更換新設備，增加了企業的運行成本。下面根據粉碎室磨損的現狀，分析失效機理，并給出相應修復方法。

1 圓盤式氣粉機的粉碎原理及粉碎室失效機理

1.1 圓盤式氣粉機的粉碎原理

云南某有色金屬有限公司生產鈦白粉，采用圓盤式氣粉機作為成品的最終粉碎。氣粉機工作原理：通過均勻地分布在粉碎室（呈圓盤式）周圍并與粉碎室半徑方向成一定角度的噴嘴（分布于同一平面），將壓縮熱蒸汽變換成高速氣流；從加料噴射器進入粉碎室的粉體物料顆粒互相激烈碰撞、摩擦及與粉碎室內腔表面碰撞，達到超微粉碎的目的。被粉碎的物料隨氣流到達分級區，達到細度要求的物料由捕集器收集，其余的物料返回粉碎室繼續粉碎，直至達到所需細度并被捕集為止。圓盤式氣粉機結構如圖1所示。

圖1 圓盤式氣粉機結構示意

1.2 粉碎室失效機理

氣粉機工作時，進入粉碎室的蒸汽壓力約1 MPa，溫度≥300℃，高壓高溫的蒸汽夾帶固體顆粒不斷與粉碎室的內腔表面碰撞，特別是粉碎室的外緣壁和底面。沖蝕磨損指流體或固體粒子以一定速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的材料表面流失的現象，也稱為侵蝕或侵蝕磨損[1]。可見，粉碎室是在高溫條件下以沖蝕磨損為主的失效形式存在。從流動介質來看，可來將其失效形式歸為氣固沖蝕磨損。

對于此類汽粉機，粉碎室的沖蝕磨損率主要受環境、磨粒性質和靶材性質3方面因素的影響[2～4]，前兩者在生產工藝設計時已經定性，如環境因素中的沖蝕速度、沖角、沖蝕時間、環境溫度及磨粒性質中的磨粒硬度、形狀、粒度、破碎性等，所以汽粉機粉碎室的修復工藝中主要考慮靶材因素，也就是堆焊修復材料及施焊工藝。氣粉機局部放大剖視圖如圖2所示。

圖2 氣粉機局部放大剖視

2 粉碎室的堆焊修復方法

2.1 靶材（焊材）的選擇

粉碎室內腔的主要失效形式是高溫下的沖蝕磨損，因此在選擇靶材時主要考慮材料的高溫抗氧化性和耐磨性。陳學群等的研究發現，在低沖角時，相同成分的碳鋼，馬氏體組織比回火索氏體更耐沖蝕磨損；當均為馬氏體組織時，中碳馬氏體比低碳馬氏體更耐磨[5]。因為低角度沖蝕磨損機制主要是微切削和犁溝，硬基體更能抵抗磨粒的刺入。由于待修復的氣粉機24個噴射嘴軸線與粉碎室的半徑成夾角28°，屬于低沖角，因此靶材要求以中高碳馬氏體為主。其次，鈦白粉作為白色基礎顏料，對雜質特別是鐵類雜質敏感，所以還應考慮硬面靶材與基材的結合力。

綜合考慮粉碎室工況，要求內腔表面靶材有抗氧化性、高耐磨性，并能與基體之間形成牢固的冶金結合，所以修復工序采取打底層+硬面層聯合堆焊修復：打底焊材選取國產ER309不銹鋼焊絲，主要用于補焊較大沖蝕凹坑及打底焊。焊絲抗拉強度580 N/mm2，延伸率39%，化學成分見表1。

表1 ER309不銹鋼焊絲化學成分

硬面靶材選用明弧系列藥芯焊絲HC-OMo，該焊絲有與打底層材料相容、優異的耐磨損、耐沖擊和抗高溫氧化性的綜合性能。硬面靶材的硬度58～62 HRc，化學成分見表2。

表2 硬面靶材成分范圍

2.2 堆焊修復工序

2.2.1 焊前清理

用碳弧氣刨對整個粉碎室內腔進行清刨，徹底祛除腔內殘留硬層、裂紋、粉塵等缺陷，使之露出基體母材金屬光澤。

控制點：氣刨中，用目測觀察+著色探傷聯合判斷，徹底清刨，確保基體焊前無殘余缺陷。

2.2.2 補坑及打底焊

打底焊起隔斷母材與硬面堆焊靶材的作用，要求打底焊絲既能與母材（ZG35）相容，又能確保與硬面靶材形成冶金結合，有效阻斷靶材的堆焊裂紋和疲勞裂紋向基體延伸發展的能力。

①如果沖蝕磨損比較嚴重（密封槽已缺損），可先用ER50-6焊絲CO2氣保焊填補整個密封槽，再用立車加工出新密封槽，然后在粉碎室內壁（硬面靶材堆焊對應部位）用不銹鋼ER309焊絲MIG補坑及打底焊，堆層厚度2～3 mm；②如果沖蝕磨損不嚴重（密封槽完好），僅用不銹鋼ER309焊絲MIG堆焊一層2～3 mm后的打底過渡層即可。

控制點：①焊前務必清盡內腔表面氣刨積碳、灰塵等污物；②保護氣體采用Ar+2%O2；③小電流，薄層焊，焊層厚度控制在3 mm以內，確保基材完全覆蓋；④打底焊過程，用游標卡尺實測粉碎室壁厚，采取“低補高刨”的手段，確保整個打底層厚度誤差控制在1 mm以內。

表3 硬面層的堆焊工藝參數

2.2.3 硬面靶材堆焊

硬面層堆焊材料：既具有與打底層材料的相容性，又能體現高硬度、高耐磨、抗高溫沖蝕的優異性能。

控制點：①焊前，徹底清除預堆焊表面積塵；②粉碎室底部采用全自動堆焊（堆焊工藝參數見表3），一次成形，硬面靶材總厚控制在2～3 mm，整個焊層表面的高低差控制在≤1 mm；③粉碎室邊緣采用手工半自動焊，焊接參數略低于全自動焊，硬面靶材總厚控制在3～4 mm，整個焊層表面的高低差控制在≤1.5 mm；④堆焊過程中，注意清除輥面上每層藥芯焊絲燃燒產生積塵，并隨時用游標卡尺實測監控焊層厚度。

2.2.4 檢驗

硬面靶材堆焊完工后，應對堆焊質量進行檢驗。檢驗項目包括：①用角向鋼絲輪拋光硬面靶材表面，去除焊接飛濺和積塵；②用卡尺實測粉碎室的壁厚，檢驗硬面靶材的有效厚度；③輕敲整個靶面，聽金屬回聲，檢測堆焊層是否熔合牢固；④堆焊靶材面上均布取幾點，檢測靶材硬度。

圖3為云南某有色金屬有限公司的氣粉機粉碎室使用3個月后的實物照片。其粉碎室靶材由本工藝堆焊完成，運行時間增加了1.5倍，而且在使用中靶材無脫落、掉塊現象，整個靶面磨損均勻且耐磨。

3 結束語

由于鈦白粉粉碎工況特殊，使用過程中氣粉機粉碎室的沖蝕磨損無法避免。從實踐修復得知，選用藥芯焊絲HC-0MO作為硬面靶材可以滿足鈦白粉粉碎工況使用要求，而且使粉碎室的耐沖蝕磨損及抗高溫氧化性得到提高，使用周期增加，此修復方法簡單易行，性價比較高，使用中靶材無掉塊、剝落現象。

圖3 使用3月后的靶材表面

［1］王振延.摩擦磨損與與耐磨材料［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2013.

［2］馬穎，任峻，李元東，等.沖蝕磨損研究的進展［J］.蘭州理工大學學報，2005，31（1）：22-25.

［3］董剛，張九淵.固體粒子沖蝕磨損研究進展［J］.材料科學與工程學報，2003，21（2）：307-312.

［4］何獎愛，王玉瑋.材料磨損與耐磨材料［M］.沈陽：東北大學出版社，2002.

［5］陳學群.風扇磨沖擊板的磨損方式及粒子撞擊磨損的研究［D］.北京：清華大學，1982.