Наплавка высокоизносостойкими композиционными сплавами деталей засыпных аппаратов доменных печей

В последние годы для наплавки деталей металлургического, и в первую очередь доменного, оборудования, работающего в условиях интенсивного абразивного и газоабразивного изнашивания при повышенных температурах, используют композиционные материалы на основе тугоплавких соединений релит—мельхиор.

Среди способов нанесения композиционных сплавов основное промышленное применение получили низкотемпературные процессы печной, индукционной и шлаковой наплавки.

На Криворожском металлургическом заводе им. В. И. Ленина в 1975 г. построена самая крупная в мире доменная печь с полезным объемом 5000 м3. Основным и наиболее ответственным узлом в этой печи является загрузочное устройство, которое состоит из приемных воронок и промежуточных бункеров, газоотсекающих клапанов диаметром 1510 мм, конуса диаметром 5000 мм, распределительного конуса диаметром 8100 мм и т. д. Печь рассчитана на безостановочную работу в течение 3—5 лет. Все это обусловливает высокие требования к износостойкости поверхностей деталей загрузочного устройства.

ИЭС им. Е. О. Патона, Уралмашзаводом и Череповецким металлургическим заводом была разработана технология упрочнения деталей различными способами наплавки композиционным сплавом. Для упрочнения рабочих поверхностей деталей применяли различные композиции наплавочных материалов. Для деталей, работающих в условиях газоабразивного износа, использовали литые карбиды вольфрама (релит фракции 0,28—0,9 мм), а в качестве матричного сплава — медноникельмарганцевый сплав (60% Си, 20% Ni, 20% Мп). Для деталей, работающих в условиях абразивного износа, в качестве износостойкой составляющей использовали дробленые отходы металлокерамических сплавов ВКЗ—ВК8 фракции 0,2—5,0 мм с тем же матричным сплавом.

В зависимости от условий работы узла загрузочного устройства и его конструкции разрабатывали технологию наплавочных работ.

Для деталей, работающих в условиях газоабразивного износа, а также деталей, работающих в условиях абразивного износа и имеющих цилиндрическую или коническую поверхность, был принят печной метод, основанный на соединении карбидов вольфрама или металлокерамических сплавов матричным сплавом.

Описанный метод применяют и для печной наплавки больших конусов классических засыпных аппаратов доменных печей, выполняющих двойную функцию — газового затвора и распределителя шихты. Наиболее широкое применение наплавка такого вида получила при изготовлении газоотсекающих клапанов. Эти клапаны применяют в новых конструкциях засыпных аппаратов доменных печей, где функции газового затвора и засыпного устройства разъединены. В этом случае клапаны работают в более благоприятных температурных условиях. Преимущество этого метода — увеличение срока службы деталей в 2—3 раза.

Применение композиционной наплавки в настоящее время ограничено по следующим причинам: сравнительно низкая эффективность при работе в тяжелых температурных условиях; высокая стоимость и дефицит применяемых материалов (релита, твердого сплава и мельхиора); увеличение расхода металлопроката для изготовления контрдеталей и технологической оснастки; значительное увеличение трудоемкости изготовления деталей в связи с применением на ряде операций ручного труда; дополнительные операции — наплавки подслоя, испытания на герметичность керосином при печной наплавке и др., необходимость создания на заводах дополнительных мощностей по обработке термической и резанием (колпаковые термические печи большого диаметра); отсутствие простых и надежных способов контроля.

Применение композиционного сплава экономически оправдано для наплавки деталей уравнительных и газовых клапанов, бункеров и каналов тракта подачи исходных материалов в доменную печь, т. е. в узлах, где нет высоких температур и большая возможность абразивного износа. При увеличении температуростойкости наплавленного слоя этот метод найдет более широкое применение на заводах тяжелого машиностроения.

Одной из уникальных деталей является распределительный конус загрузочного устройства массой >130 т, диаметром 8100 мм и высотой >2000 мм. Наплавка композиционного сплава методом пропитки жидким присадочным сплавом непосредственно на наружную и внутренние рабочие поверхности этого конуса сопряжена с большими трудностями, связанными с необходимостью изготовления чрезвычайно сложной крупногабаритной оснастки. ИЭС им. Е. О. Патона совместно с Уралмашзаводом разработана технология формирования рабочих поверхностей конуса отдельными криволинейными плитами и плоскими пластинами. Проведенные исследования показали, что наиболее целесообразно наплавлять предварительно завальцованные плиты.

Плита состоит из двух гнутых стальных листов, зазор между которыми заполнен (наплавлен) композиционным сплавом. Толщина наплавленного слоя составляла 15 мм, толщина листов 10+24 и 16 + 16 мм. В качестве износостойкой составляющей для композиционного сплава применяли дробленые отходы металлокерамических сплавов ВКЗ—ВК8 размером 0,2—5,0 мм, а для матричного сплава — сплав МНМц 60-20-20. Печную наплавку вели в газовых печах с выкатным подом на поддонах, представляющих собой массивную толстостенную отливку. Предварительно наплавленные плиты укладывали на поверхность конуса и крепили сварными швами по периметру к телу конуса и тремя болтами, расположенными по центру плиты. Поверхность всех швов, подвергающихся абразивному воздействию шихтовыми материалами, облицовывались композиционным сплавом электродуговым способом.

Уралмашзаводом совместно с ИЭС им. Е. О. Патона разработаны электроды для ручной дуговой наплавки композиционного сплава. Они представляют собой медную трубку, заполненную смесью порошков релита с никельмарганцевой лигатурой. Наружная поверхность трубки покрыта обмазкой типа «Комсомолец 100». Эти электроды позволяют производить наплавку с равномерным распределением износостойких зерен без заметного их оплавления.

Рабочие поверхности других узлов засыпного устройства, имеющих сложную конфигурацию, армировали плоскими трубами, предварительно наплавленными композиционным сплавом в термической печи методом пропитки. Плоские трубы размером 120x25x5 и 60x25x5 мм, длиной 1000 мм, собирали в пакет по 20 или 30 штук и наплавляли композиционным сплавом по описанной выше технологии.

Ждановским металлургическим институтом совместно со ЖЗТМ'и другими металлургическими заводами была проведена работа по разработке автоматической дуговой наплавки композиционных сплавов порошковой лентой с внутренней тепловой защитой. Основная технологическая задача при наплавке композиционными сплавами — сохранение зерен упрочнителя в исходном состоянии. Это достигается введением в состав шихты порошковых теплоизоляторов. При наплавке объемная концентрация релита в наплавленном слое 45—62%, содержание основного металла 5—9%. Толщина наплавленного слоя 3—12 мм. Благодаря высокой пластичности мельхиоровой матрицы нет необходимости при наплавке приводить предварительный и сопутствующий подогрев. Сравнительные испытания на газоабразивный износ подтвердили 2—3 кратное увеличение стойкости наплавленного слоя типа релит—мельхиор по сравнению с сормайтом.

К недостаткам данного процесса следует отнести снижение концентрации карбидов вольфрама в верхней части наплавленного слоя вследствие большой плотности релита.

Дальнейшее совершенствование технологии автоматической наплавки позволит широко внедрить этот метод при изготовлении узлов и деталей металлургического машиностроения и восстановления изношенных деталей.

Методы индукционной и шлаковой наплавки композиционных сплавов находятся в стадии промышленного внедрения в основном на металлургических заводах. Достигнутые результаты позволяют сделать вывод, что при отработке процесса автоматической индукционной и шлаковой наплавки метод наплавки композиционными сплавами найдет применение не только для деталей доменных печей, но и при изготовлении другого металлургического оборудования.