前言
新工业化时代，机器代替了人工，智能代替了经验，人类文明进程得到迅速推进，世界经济飞速发展，但是，在经济高速发展的同时，环境污染、生态破坏、化石能源枯竭等引发了一系列问题，备受各国高度重视。
尤其是水泥粉磨设备的关键部件磨辊和挤压辊的磨损问题变得越来越突出，已严重影响水泥行业的正常生产并因此导致生产成本和维护费用的增加，国内外各大水泥装备公司均投入大量的资金和精力加以研究。
因此，如何提高粉磨系统关键部件表面耐磨层的耐磨性和层间的结合强度，延长部件的使用寿命，提高设备利用率，在水泥行业实施绿色制造，促进循环经济发展，是不可避免的重要问题之一。
辊压机工作原理
辊压机的结构及工作原理如图 1.1 所示。辊压机主要由进料漏斗、固定辊、活动辊及液压缸等构成。其中挤压辊（固定辊和活动辊）是辊压机的核心部件，其中活动辊可以沿着水平方向滑动。
在工作过程中，压力 Fp 对两个反向旋转辊间的物料施压，两挤压辊做相向转动，挤压辊圆周速度为 v，且转速相同，达到压缩角 α 后，物料开始被压缩，压力不断增大，在高压作用下（一般在 50~300MPa 之间），物料在最窄间隙处达到最大压力 Pmax，物料被粉碎或产生裂纹形成扁平状且充满裂纹的料饼，随着挤压辊的相对转动从卸料口卸出。
辊压机主要应用于水泥、火电、矿山开采加工等行业，通过辊压机的使用，可提高挤压粉磨工艺系统的生产效率。尤其在水泥生产过程中，辊压机对物料进行分级打散，可节省电力 30%-50%。
挤压辊辊面的失效
从辊压机的工作状况可以看出，辊面的磨损类型属于典型的疲劳磨损。在磨料磨损过程中，物料颗粒在压力作用下会使辊面产生弹性和塑性变形，从而在辊面亚表面层不同深处会形成循环压应力和拉应力，当循环应力超过辊子材料的疲劳强度时，在表面层将引发裂纹。
在循环载荷作用下，亚表层的塑性变形继续发展，在离表面一定深度的位置也将萌生裂纹并逐渐扩展。裂纹扩展后，裂纹以上的材料断裂剥落，这种现象就是疲劳磨损，见图 1.2。
研究发现，挤压辊内部也存在很多层状裂纹，较浅的裂纹在辊面下约 10mm 处，较深的裂纹在辊面下 20-30mm 处，在局部距辊面深达 50-60mm 处也发现了这种裂纹。从裂纹的扩展方向上来看，大多数裂纹都是沿着辊体周向呈植物年轮状向外扩展。
综上所述，辊子的破坏形式是高应力磨料磨损及疲劳磨损的综合表现。在水泥工业实际工况中，辊压机在辊压生料（矿石等）时工况恶劣，挤压辊辊面受到严重的磨料磨损和疲劳磨损，使用寿命短；辊压水泥烧结反应后的熟料时工况较好，一般为疲劳磨损，使用寿命较长。
堆焊技术及其在挤压辊上的应用
堆焊技术是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。堆焊的目的是恢复原有的金属部件尺寸或使零件的表面熔敷一层或多层具有特殊性能（耐磨性、耐热性或耐蚀性等）的熔敷金属以提高表面性能。
目前，研究热点集中在通过改善焊接材料成分来提高堆焊合金的性能，Kim 等[19]研究了不同浓度的硼对Fe-Cr-C-Si-B 合金磨损性能的影响，发现当 B 含量高于 0.6wt.%，开始析出初生硼化物，有效改善堆焊合金的耐磨性。
AMUSHAHI 等在 St52 钢表面利用电弧喷涂和 GMAW 堆焊方法制备富硼合金。GMAW 堆焊和电弧喷涂相比，合金界面结合性能更好，并且具有高含量的铁硼化物，硬度达到 1600HV。
AZIMI等通过 TIG 焊，在 St52 上制备了三种 Fe 基合金，研究了 Si 含量对 TIG 复合涂层的微观组织、显微硬度以及电化学腐蚀行为的影响，合金中生成 Fe3Si 相降低了抗化学耐腐蚀性能。
Deng 通过等离子体转移电弧焊（PTAW）和氧乙炔焊接（OAW）制备了 Co 基堆焊合金，阐明了焊接技术和温度对疲劳行为的影响，结果表明，OAW 与 PTAW 涂层相比，疲劳强度较低，主
要由于碳化物降低了延性，从而促进了疲劳裂纹扩展；随着温度的升高导致疲劳强度的增加，这主要是由于界面的分层和延展性随着温度的升高而增加。
常用的堆焊金属可分为铁基、钴基、镍基、铜基以及碳化钨堆焊金属五大类。其中铁基堆焊金属价格低廉，韧性和耐磨性较好，组织和成分可调范围大，能够满足不同工况的使用需求。
在国内外水泥工业中，耐磨材料经历了 3 个发展阶段，由高锰钢→普通白口铸铁→高铬铸铁和各类合金钢。高锰钢主要应用于我国水泥工业中的破碎和粉磨设备中，对不同工况，粉磨设备磨损失效分析表明，高锰钢韧性极好，在强冲击负荷下易加工硬化，耐磨性优越，但屈服强度低，使用中易塑性变形且硬度低，在冲击负荷小的条件下，耐磨性很差。
20 世纪 70 年代以前，我国耐磨白口铸铁的研究主要为普通白口铸铁、抗磨球墨铸铁；70 年代后水泥工业中的大型磨机衬板、立磨的磨辊及磨盘、辊压机的磨辊等均采用高铬铸铁，其硬度高、耐磨性优越、使用可靠。
80 年代以来，我国科研工作者根据高锰钢韧性富余但硬度低，高铬铸铁硬度高但韧性不足的特点，借鉴国外经验，结合工况条件和我国资源状况，研发出多种耐磨合金钢，具有较高的韧性及硬度，低成本及良好的耐磨性，综合性能优良，从而得到快速发展。
挤压辊堆焊工艺
根据挤压辊辊面的工作条件以及疲劳磨损机理，要求辊面硬度高，耐磨性好，抗剥落性好，辊体抗裂性以及抗疲劳性好，要达到以上条件，保证辊子运转良好，对制造新辊材料的选用就非常重要。
新辊的制造一般都是先根据设计要求锻造好辊体，在水泥行业中通常采用 42CrMo 中碳低合金钢，然后再在辊体表面进行堆焊，根据辊子的工作条件，辊面的堆焊合金分为四层，分别为打底层、过渡层、耐磨层和花纹层。
挤压辊辊面在高应力作用下发生磨料磨损，辊面金属会逐渐被磨损，达到一定程度会影响辊压机的破碎效率，必须对挤压辊表面进行有效耐磨堆焊防护。一般情况下，堆焊修复可分为局部修复和整体修复两类，其特点如下：
（1）局部修复需根据损伤深度确定修复层。修复耐磨层前应对表面水泥灰和辊面疲劳层进行清理，补焊材料应与原辊体有良好的相容性和良好的冷焊效果，同时应焊过渡层，以免焊接应力太大，破坏原辊体。局部修复一般采用焊条或 CO2 气体保护焊丝等进行堆焊[37]。
（2）整体修复是指对辊体局部反复修复 5-8 次后，由于基体反复承受高压挤压应力作用，焊接微裂纹不断扩展，辊体会产生一定厚度的疲劳层，此时若再直接补焊，易产生层间脱落，需要对辊体疲劳层进行彻底清理后，进行堆焊整体修复，同时配合适当的热处理。疲劳层的清理采用碳弧气刨或电熔刨，用砂轮打磨表面，用车床车圆，彻底清理可能存在的增碳层，然后采用堆焊方法进行修复。
合金元素对堆焊合金组织及性能的影响
Fe-Cr-C 合金中含有较高 Cr 含量，在冶金反应结晶过程中，多数 Cr 以碳化物或合金化合物的形式分布在基体中，在基体中 Cr 含量较低。Laird 等采用电子微探针技术对 28.8Cr-3.2C 合金进行测量，基体中 Cr 含量只有 2.5%。
因此，在堆焊合金基体中需要加入合金元素来保证淬透性，常用 Ni、Mn、Mo 以及 Cu 等元素。C 在堆焊合金中是最重要的元素，决定碳化物的体积分数，使合金的耐磨性受到显著影响。在碳化物体积分数恒定的情况下，增加 Cr/C 比例能够提高碳化物的硬度，耐磨性也随之升高。另外，Fe-Cr-C 合金基体中含 Cr 量越高，耐腐蚀性越好。
Fe-Cr-C 合金可以通过控制共晶碳化物形貌，获得近似于球状的碳化物。碳化物细化可以通过添加合金元素实现。通常添加 0.5-3.5%的 Mo 元素细化效果较为明显，超过 4%后细化效果提升不明显。但是，由于 Mo 的价格较高，随着合金产业化的发展，常用 Ni、Cu 和 Mn 替换 Mo 来提高合金的淬透性以及防止形成珠光体。
Ni 和 Cu 仅存在于基体中，而 Mn 还会降低碳化物形成的能力。在 Fe-Cr-C 合金中添加 0.1-0.3%的 B含量，在降低奥氏体中 C 浓度同时可增加碳化物的形核数量，并保留碳化物的凝固组织形貌。合金中添加 V 元素促使合金的共晶点左移，固溶于 M7C3 碳化物中起到稳定碳化物的目的。
改善 Fe-Cr-C 合金的另一种可能的途径是在合金中加入强碳化物形成元素，例如用Nb、Ti、B 等元素来改善碳化物形貌。王智慧等在 Q235 表面利用 TIG 焊制备Fe-Nb-C-B-Ni-WC（30%）合金，研究了铌含量对堆焊合金中碳化钨溶解的影响。
结果表明，铌含量对合金中碳化钨的溶解程度有很大影响，优先在碳化钨周围生成的细小NbC 对碳化钨溶解起抑制作用，而其生成量决定了抑制碳化钨溶解作用的强弱，铌含量为 2.5%的合金中生成的 NbC 有效的抑制了碳化钨的溶解，使碳化钨颗粒保留的比较完整。
LFILI、CORREA和 Yang 等研究了 Nb 含量对 Fe-Cr-C-Nb 堆焊合金的微观组织和耐磨性的影响，结果表明，焊接冶金反应原位生成NBC碳化物比 M7C3 碳化物具有更高的耐磨性和韧性；NBC随机分布在亚稳奥氏体（γ）和共晶 M7C3 碳化物的共晶体中，与传统的高碳、高硬度合金相比，由于其更好的耐磨性和较低的成本，其合金可成功地替代了常规的材料，对于严重磨损部件来说，能够延长使用寿命。
Ti 元素也常常被加入堆焊材料中，随着 Ti 含量的增加，M7C3 型碳化物被细化，所有的碳化物（初生和共晶碳化物）的体积分数逐渐降低。当 Ti 含量为 1.47wt％时，TIC颗粒凝聚长大。ZHOU和 ZHI等利用明弧堆焊方法制备了TIC颗粒增强铁基复合涂层。
结果表明，Ti 含量小于 2wt％时，碳化物的形态和数量变化不明显；而当达到 2wt％时，原位生成的TIC明显增多，并且M7C3碳化物被细化，合金的平均显微硬度为850±20HV0.2，有效改善了合金的耐磨性。但 Ti 是一种强氧化性元素，在堆焊过程中 Ti 发生强烈的氧化反应生成 TiO2，不仅影响堆焊过程的稳定性而且影响堆焊合金质量。
结语
传统辊压机在工作时会产生噪音，对周围环境和工作人员的健康造成一定的影响。而升级后的辊压机通常采用隔音材料和减振装置，能够有效降低噪音的产生，减少对环境的噪音污染。
新一代辊压机通常采用先进的动力系统和高效能耗控制技术，能够更有效地利用能源，降低能耗。这意味着辊压机的运行过程中消耗的能源会减少，从而减少温室气体的排放量，对减缓气候变化具有积极的影响。
并且技术升级后的辊压机通常具有更高的工作效率和精度，能够更好地满足工程施工的要求。通过提高施工速度和质量，减少了工程周期和资源消耗，从而间接降低了对环境的影响。
而辊压机技术升级通常包括电子控制系统的改进，能够实现对辊压机工作参数的精确控制。通过精确控制，可以更好地适应不同材料和工况的需求，减少资源的浪费和损耗。
综上所述，辊压机技术的升级对环境具有节能减排、减少噪音污染、提高工作效率和精确控制等方面的积极作用。这些改进可以帮助降低对环境的负面影响，促进可持续发展。
