连铸辊作为连铸设备的 “脊梁”，在钢铁连铸生产中承担着支撑铸坯、引导其凝固成型的关键作用。其工作环境堪称 “极端”：长期暴露在 800-1200℃的高温铸坯辐射热中，承受着铸坯自重带来的 10-30MPa 交变压力，同时还要抵御铸坯与辊面间的高温氧化磨损、机械碾磨磨损（尤其是铸坯表面氧化铁皮的磨粒磨损）。这种严苛条件下，堆焊层的质量直接决定连铸辊的服役寿命 —— 优质堆焊层可使连铸辊寿命达到 1-2 年，而存在砂眼、气孔等缺陷的堆焊层，往往在 3-6 个月内就会因局部失效引发辊面开裂、剥落，导致非计划停机，每条连铸线停机 1 小时即可能造成数十万元损失。因此，深入解析砂眼与气孔的成因并针对性治理，对保障钢铁生产连续性具有重要现实意义。
一、砂眼与气孔的成因分析
（一）砂眼的形成机理与关键诱因
砂眼是堆焊层中被固态杂质（熔渣、非金属夹杂物等）填充的孔洞缺陷，其核心特征是 “有夹杂物包裹”，本质是焊接过程中杂质未被有效排除而被熔池金属 “冻结”。
1、焊前清洁不到位：杂质成为砂眼 “种子”
连铸辊母材（多为 42CrMo 等合金结构钢）表面的氧化皮（主要成分为 Fe₂O₃、Fe₃O₄）、铁锈（FeO (OH)・nH₂O）及旧堆焊层残留的破碎焊渣（含 SiO₂、MnO 等），若未彻底清除，会在焊接时成为 “隐患源”。例如，氧化皮在电弧高温（约 6000℃）下虽会部分熔化，但高熔点的 Fe₃O₄（熔点 1594℃）可能仅发生软化，当熔池流动性不足时，这些未熔杂质会被熔融金属包裹 —— 就像水中的泥沙被快速冻结的冰块包裹，最终形成边缘不规则的砂眼。油污（如轧制油、防锈油）则更为复杂：其燃烧会产生 CO、CO₂等气体，同时残留的碳氢化合物会与熔池金属反应生成脆性化合物，这些化合物与熔池金属的润湿性极差，极易形成 “杂质 - 孔洞” 复合缺陷。
2、焊渣清理不及时：多层堆焊的 “累积污染”
连铸辊堆焊通常需要 3-5 层（总厚度 10-20mm）以保证耐磨性，前一层焊道的熔渣若未彻底清除，会成为后续焊接的 “污染源”。熔渣的主要成分为硅酸盐（熔点 1200-1500℃）、氟化物等，其熔点往往低于熔池金属（钢的熔点约 1538℃）但高于凝固温度。当后续焊道的熔池覆盖前层焊渣时，若焊接热量不足，熔渣无法完全熔化并上浮，会与新熔池金属形成 “分层”—— 熔渣与金属的界面结合力极弱，冷却后即形成夹渣型砂眼。尤其在焊道搭接区域（约为焊道宽度的 1/3），若清理不彻底，砂眼发生率会增加 30% 以上。
3、焊材质量缺陷：内部夹杂物的 “先天不足”
堆焊用耐磨焊材（如高铬铸铁型焊丝、低合金耐磨焊条）若冶炼工艺控制不当，会引入硅酸盐、氧化铝等非金属夹杂物。这些夹杂物的尺寸通常为 5-50μm，在焊接时因熔点远高于熔池温度（如氧化铝熔点 2054℃）而保持固态，当熔池金属凝固时，夹杂物周围因无法被金属充分填充，会形成以夹杂物为核心的砂眼。此外，焊材表面若存在锈蚀（FeO・nH₂O）或油污，会在焊接时形成局部熔融不均，加速砂眼的形成。
4、焊接参数失配：熔池 “动力不足” 导致杂质滞留
焊接电流过小（如低于焊丝额定电流的 80%）时，熔池温度偏低（可能低于 1600℃），熔池金属的粘度增大（约为常温钢的 1/100，但仍高于理想流动状态），熔渣与杂质的上浮动力不足，易被 “冻结” 在堆焊层中。而焊接速度过快（如超过 1.2m/min）时，熔池存在时间缩短至 0.3 秒以内（正常应保持 0.5-1 秒），杂质来不及上浮即随熔池凝固，形成 “时效性砂眼”。
（二）气孔的形成机理与关键诱因
气孔是堆焊层中因气体未及时逸出形成的空洞（无固态杂质），其核心是 “气体滞留”，与气体来源、熔池行为密切相关。
1、气体来源失控：内源性与外源性气体的双重影响
内源性气体：母材或焊材表面的水分（H₂O）在电弧高温下分解为 H₂和 O₂（1g H₂O 可生成 0.11g H₂），H₂在液态铁中的溶解度为 27cm³/100g，而在固态铁中仅为 1.8cm³/100g，凝固时过饱和的 H₂会析出形成氢气孔；油污（如矿物油）燃烧产生的 CO、CO₂，若熔池温度不足（低于 1700℃），难以通过氧化反应（CO₂+C=2CO）逸出，会形成一氧化碳气孔。
外源性气体：保护气体（如氩气、二氧化碳）纯度不足（如氩气纯度低于 99.99% 时，含氧量超过 0.01%），会导致空气侵入熔池，氮气（N₂）在液态铁中溶解度为 4.5cm³/100g，固态时骤降至 0.04cm³/100g，过量氮气会形成氮气孔；保护气体流量不稳定（如波动超过 ±10L/min）时，电弧保护区会出现 “紊流”，空气被卷入熔池，加速气孔生成。
2、焊材处理不当：“隐性” 气体的释放源
焊材受潮是气孔的重要诱因：低氢型焊条受潮后，药皮中的水分含量可从 0.1% 升至 3% 以上，焊接时水分受热释放 H₂；烧结型焊剂若储存环境湿度超过 60%，会吸附空气中的水分，在高温下分解为 H₂O，进而参与气孔形成。此外，焊丝若未密封保存，表面锈蚀会形成 FeO・nH₂O，焊接时既释放气体，又会与熔池金属反应生成 FeO 和 H₂，双重作用下气孔发生率可提升 50%。
3、焊接工艺参数偏差：熔池 “排气窗口” 被压缩
焊接电压过高（如超过焊丝额定电压的 120%）会使电弧长度增加（电压每增加 1V，电弧长度约增加 0.8mm），导致电弧对熔池的 “覆盖保护” 减弱，空气易侵入；而电流过小（如低于额定值的 70%）会使熔池温度降至 1500℃以下，气体逸出速度降低（气体上浮速度与温度呈正相关，温度降低 500℃，逸出速度下降 60%）。焊接速度过快则直接压缩熔池存在时间，例如当速度从 0.8m/min 升至 1.5m/min 时，熔池存在时间从 0.8 秒缩短至 0.3 秒，气体来不及上浮即凝固，形成 “快速凝固型气孔”。
二、砂眼与气孔的系统性解决策略
（一）焊前准备：构建 “无杂质、无气体” 的基础环境
1、母材表面清洁：从物理到化学的深度净化
采用 “机械预处理 + 化学脱脂” 复合工艺：先用 120 目刚玉砂轮片打磨母材表面（或用 0.8-1.2mm 石英砂喷砂，喷砂压力 0.6-0.8MPa），去除氧化皮、铁锈及旧堆焊层残渣，直至露出均匀的金属光泽（表面粗糙度控制在 Ra3.2-12.5μm）；对油污严重的区域，先用专用金属脱脂剂（如三氯乙烯）浸泡 10 分钟，再用 80℃热水冲洗，最后用无水乙醇（纯度 99.7%）沿单一方向擦拭，确保表面水膜连续（表明无油污残留）。对于旧辊修复，需用磁粉探伤检测母材表面是否存在裂纹，避免缺陷扩展。
2、焊材全生命周期管控：从进厂到使用的闭环管理
焊材选型：优先选用低氢型耐磨焊丝（如 HS103-G）或高纯度药芯焊丝（含氧量≤0.015%），其合金体系需与母材匹配（如 42CrMo 母材选用含 Cr5%-8% 的焊材）。
进厂检验：每批次焊材需检测化学成分（重点控制 S≤0.03%、P≤0.03%）、夹杂物评级（按 GB/T 10561 评级，A 类夹杂物≤2 级）及表面质量（无锈蚀、油污）。
储存与烘干：焊材存放于湿度≤40% 的干燥库房（温度 15-30℃），低氢型焊条需经 350℃×2 小时烘干（烘干后存入 80-100℃保温筒），药芯焊丝开封后 4 小时内未用完需重新密封，受潮焊材需经复检合格后方可使用（受潮严重者直接报废）。
3、设备与环境：稳定输出与氛围控制
堆焊设备需进行 “参数校准”：电流、电压显示值与实际值偏差控制在 ±3% 以内（用数字式万用表现场校验），送丝机构速度波动≤±2%；保护气体需经气相色谱分析（纯度≥99.995%，含水量≤5ppm），配备两级减压流量计（精度 1.5 级），确保流量稳定（如氩气流量控制在 15-25L/min）。焊接区域搭建防风棚（风速≤1.5m/s），环境湿度控制在≤50%（配备除湿机），避免水汽与空气干扰。
（二）焊接过程：动态调控熔池行为，优化 “排杂排气” 条件
1、参数优化：为熔池定制 “最佳工作区间”
根据焊材类型制定参数矩阵：例如，直径 1.2mm 的高铬焊丝，焊接电流控制在 280-320A（确保熔池温度 1650-1750℃），电压 28-32V（电弧长度 2-3mm），焊接速度 0.8-1.2m/min（熔池存在时间 0.5-0.8 秒）。多层堆焊时，层间温度控制在 250-300℃（用红外测温仪实时监测），避免温度过低导致熔池流动性不足。通过试焊验证参数：试焊后切取截面，若熔合线清晰、无夹渣 / 气孔，且堆焊层硬度（如 HRC55-60）达标，方可正式施焊。
2、焊道清理：消除 “层间污染” 隐患
每层焊道完成后，立即用不锈钢丝刷（硬度 HRC40-45）沿焊道方向纵向清理，去除表面熔渣（直至露出金属光泽），对焊道搭接区域（宽度约 5-8mm）进行重点打磨（用 200 目砂轮片），清理后用压缩空气（压力 0.5MPa）吹扫，确保无残渣残留。清理质量采用 “目视 + 渗透检测” 验证：表面无可见渣粒，渗透检测（按 JB/T 4730）无显示。
3、保护氛围强化：构建 “气幕屏障”
采用 “双流量保护” 模式：主喷嘴流量 20-25L/min，辅以拖罩（距熔池 15-20mm）补充保护（流量 10-15L/min），形成 “双层气幕”；喷嘴与工件距离控制在 10-15mm（距离过近易导致喷嘴堵塞，过远保护失效），并保持喷嘴与焊道垂直（偏差≤5°）。焊接过程中实时监测流量计读数，若出现波动（超过 ±5L/min）立即停机检查，排除管路泄漏或减压阀故障。
（三）焊后处理与质量闭环：缺陷 “早发现、规范修”
1、无损检测：全维度缺陷筛查
堆焊完成后 24 小时内（避免延迟裂纹）进行 “三级检测”：先用磁粉探伤（湿法荧光磁粉，灵敏度≥A1 型试片）检查表面及近表面（深度≤5mm）缺陷；再用超声波探伤（2.5MHz 直探头）检测内部（深度＞5mm）缺陷，对疑似区域用斜探头（K2.5）精准定位；最后对关键部位（如辊面中部、两端轴肩过渡区）进行渗透探伤复查。检测标准按 NB/T 47013，砂眼、气孔单个尺寸≤2mm，密集度（100mm² 内≤3 个），且不允许存在线性缺陷。
2、缺陷修复：精准施策，保障性能
小型缺陷（直径≤2mm，深度≤3mm）：用 320 目砂轮片沿缺陷边缘 10mm 范围打磨（形成 15°-30° 坡口），清理至露出金属光泽后，采用 “小电流、短电弧” 补焊（电流比正常低 10%，电压低 5%），补焊后用 400 目砂轮片修磨至与母材平齐（过渡区圆角 R≥3mm）。
中大型缺陷（直径 2-5mm，深度 3-10mm）：需先钻除缺陷（钻头直径比缺陷大 2mm），再用角磨机扩成 60° 坡口，预热至 200-250℃（用履带式加热器），采用分层补焊（每层厚度≤3mm），层间温度保持 150-200℃，焊后缓冷（覆盖石棉布），24 小时后复检。
严重缺陷（直径＞5mm、密集型或深度＞10mm）：评估缺陷对辊体强度的影响，若影响结构安全，需整体去除堆焊层（直至母材无缺陷），重新按原工艺堆焊，确保修复后堆焊层性能与原设计一致。
三、总结
连铸辊堆焊层的砂眼与气孔缺陷，本质是 “杂质残留” 与 “气体滞留” 共同作用的结果，其治理需贯穿 “焊前清洁 - 过程管控 - 焊后检测” 全流程。某钢铁集团通过实施上述策略，连铸辊堆焊层缺陷率从 12% 降至 2.3%，单辊平均寿命从 8 个月延长至 14 个月，年减少停机损失超 500 万元。实践表明，只有通过材料、工艺、检测的系统性优化，才能从根本上提升堆焊质量，为连铸生产的高效稳定提供核心保障。
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