主环注入线真空系统全长60m，RIBLL2真空系统全长128m，分为烘烤段（约20m，分别与CSRm和CSRe相连）和非烘烤段两部分。非烘烤段真空度达到1×10（上标－7）Pa，比常规设计方案提高1个数量级以上；烘烤段真空度达到1×10（上标－9）～5×10（上标－10）pa，优于设计指标。将烘烤段与非烘烤段连通后，与两环相连部分的真空度基本无变化，顺利实现了10（上标－7）～10（上标－10）Pa的真空过渡。
161m长的CSRm和129m长的CSRe各分为四个象限，除各类束流诊断元件放在真空系统中外，还有大型电子冷却装置、高频室及注入、引出装置与真空系统相连。真空系统安装到位后，我们分别对两环各个象限进行了检漏、抽空，并由计算机控制，对每个象限中的近200个加热单元进行监测和控制，依此完成了全系统的在线烘烤。烘烤温度250℃，保温时间一般为40h。烘烤后两环达到了4～8×10（上标－10）Pa的极高真空度，这是我国在大型装置上获得的最高真空度，也是国际同类装置的最高指标。后来由于实验的需要，多次对两环进行放气及真空恢复，每次都能达到10（上标－10）Pa的水平，重复性良好。
目前CSR工程已全面建成并通过国家验收，其超高、极高真空系统为今后的各种物理实验提供了理想的真空环境。
参考文献
［1］杨晓天，张新俊，张军辉等．钛升华泵．F04837／06．中国，专利号：ZL 02 2 24930．3，2003年4月30日
［2］杨晓天，蒙峻，张军辉等．蒙特卡洛法在HIRFL－CSR钛升华泵设计中的应用［J］．真空与低温，2004（3）：176
［3］Yang．X．T，Zhang J．H，Wu．H．M et al．The first prototype of the HIRFL—CSR UHV system［J］．Vacuum 68（2003）：11—18
［4］E．Fischer．Ultra—high vacuum technology for storage rings．CERN．Particle Accelerate Conference． Chicago．March 16—18，1977
［5］Yang．X．T，Zhang．J．H，Zhang．X．J et al．The ultra—high vacuum system of HIRFL－CSR［J］．Vacuum 61（2001）： 55—60
［6］张军辉，杨晓天，蒙峻等．真空炉高温除气工艺对降低不锈钢材料出气率的作用［J］．真空与低温，2003（2）：105—108
［7］杨晓天，蒙峻，张军辉等．不锈钢材料在真空炉高温除气后的出气性能比较［J］．真空，2004（3）：24—26
［8］张军辉，杨晓天，蒙峻等．HIRFL—CSR超高真空烘烤系统［J］．真空，2003（2）：27—30
［9］杨晓天，周立呜，张军辉等．可拆卸式电加热套．H0583／20中国，专利号：ZL 02 2 61831．7，2003年4月30日
作者简介：
杨晓天，女，1953年3月21日出生。1979年毕业于甘肃工业大学机械制造专业，中国科学院近代物理研究所研究员，博士生导师，真空室主任，中国真空学会理事，中国粒子加速器学会理事。长期从事真空技术领域的研究工作，积累了从低真空到极高真空的各种真空系统的设计、加工和调试方面的丰富经验，尤其近年来在超高、极高真空获得方面取得了突破性成就。发表论文40余篇，获国家专利10项。通讯地址：兰州市南昌路509号；邮编：730000；电话：0931—4969530；E－mail：yangxt@impcas．ac．cn。
酒钢中板2800轧机支承辊堆焊修复技术的应用
门永卿 杨鸿遂 张宇翔 卢国林
（酒钢机械制造公司 嘉峪关 735100）
摘要：采用药芯管状焊丝堆焊修复硬面技术。修复中板2800轧机支承辊，不但满足了生产企业的备件需求，而且使其辊耗下降，使用寿命成倍提高，备件制造成本下降50％左右。堆焊修复硬面技术的关键是解决了中板2800轧机支承辊辊面局部或大面积脱落的难题。本课题所介绍的辊面堆焊厚度，磨损量等指标，优于国际同类技术，居国内领先水平。
关键词：硬面技术 药芯管状焊丝 疲劳裂纹
1前言
1．1中板2800轧机支承辊的相关指标
支承辊材质：70Cr3Mo
支承辊外形尺寸：ф1800×800×460（mm）
重量：82t
最大轧制力：55000 kN
最大轧制力矩：2×700 kN·m
轧制速度：0～2．6～6．3 m／s
1．2失效情况
中板工序2800轧机支承辊的辊身由ф1800直径开始使用，不久即出现片状剥落和裂纹。
经过超声波探伤检查，裂纹最深位置225mm（此部位直径为ф1350mm，距端面仅为15mm左右），裂纹根部（沿长度方向）宽度150mm，上口宽550～650mm。
裂纹在ф1770mm的圆周上的长度约为3200mm，其根部ф1370mm圆周上的长度为300mm。经我们查询，该支承辊的裂纹深度和和体积在国内是最大的。支承辊仅使用了15mm的工作层（原设计工作层厚度为75mm），因裂纹和剥落面积过大而报废。
1．3失效原因分析
支承辊，特别是大型轧机支承辊，其正常的损坏形式是由于钢板表面携带固体硬质颗粒（铁粒和氧化铁皮等）引起的辊面磨损。当磨损程度影响钢板表面质量时，就需停机卸辊修复，每次修磨量约2～5mm（单边），修磨后再投入使用。如此反复进行，直至辊面硬化层消耗完毕而报废。支承辊辊面硬化层深度一般为50～75mm（单边）。
除正常磨损外，非正常失效行为是辊面局部剥落，特别是靠近两侧端面部位的辊面剥落。产生剥落原因除辊体材质本身及轧辊制造工艺过程因素外，更主要原因是在服役过程中，因磨损导致辊面变形，逐步成为凹形或凸形。特别是在凹形的情况下，支承辊与工作辊的接触仅仅是辊面两端端部的接触，并因此承受超负荷滚动接触疲劳。显然，在此过程中，辊体中一旦产生裂纹源，在接触疲劳作用下，反复的塑性变形导致裂纹扩展，最终结果是产生辊面局部剥落。大量实践表明，这种剥落多发生于硬化层内，特别是辊面两端硬化层。硬化层深度越大，剥落的厚度和块度也越大。剥落一旦发生，就无法通过修磨而重新使用，从而导致支承辊提前报废。
1．4项目确定和技术指标
酒钢中板工序及炉卷炉卷现有5～6支支承辊因裂纹和剥落而报废，如果不能修复再利用，只能按废钢处理，这不仅造成了支承辊资源的极大浪费，也使生产成本居高不下。2003年初为节约资金，生产指挥控制中心已委托我公司对已报废的支承辊进行堆焊修复技术的开发研究，3月10日签订支承辊修复合同。其技术指标为，硬面堆焊层的厚度≥35mm（单边）；使用寿命≥30周期（6万～8万吨／周期）；堆焊层无夹渣、裂纹及气孔等缺陷。辊身硬度：53～57HSD。
2主要技术难点与设计
2．1工装设备的设计制造
因为是首次堆焊修复这样大型的支承辊，没有现成的设备，所有的工装设备（除埋弧电焊机外）都要自行设计制造。公司在项目计划审批中，给出的厂房使用面积仅为100㎡。要在100㎡的范围内，将落地车床、电加热炉、焊机及传动系统、承重120t的滚轮架极其传动系统等全套工装合理配置，实现堆焊修复的全部功能。设计中，既要考虑修复工件的旋转速度与焊接速度之间的匹配、还要与自动焊机的移动速度相匹配。组合式电加热炉的设计必须同时满足预热、堆焊中的保温和恒温要求及消除应力时功率需要，同时要使工人操作方便和观察，还要便于拆装。2m×8m承重100t的轧辊车床采购价格需要600多万元，我们经过多次论证，报请领导同意，将机制公司原有的C6025落地车床搬迁改造来解决辊面的加工，为解决C6025落地车床的承重不足问题，专门设计了与工件结合在一起的滚轮系统。经过使用证明此套工装设备的设计满足了上述需要。整套工装重量为74140kg。
2．2过渡层的堆焊材料
材质为70Cr3Mo的支承辊，因其含碳量高焊接性能差，堆焊中及易出现裂纹，在堆焊时必须采取措施解决，否则会带来严重隐患，甚至造成堆焊修复工作的失败。我们采用了超低碳合金焊丝，堆焊用以稀释碳的高含量，使其变成中低碳合金钢，并加入适量的Cr、Ni、Mo细化晶粒，增加韧性，铬也可以吸收碳变成碳化铬，从而大大改善了焊接性能，并配以合理焊接速度，适当增加预热温度，缩小堆焊热影响区域的温度差，降低焊接的冷却速度。实践证明以上方法可以有效地防止裂纹的产生。焊后经探伤未发现任何裂纹存在。
2．3堆焊材料的试制
大型的支承辊与中小型支承辊相比，其机械性能指标和使用情况有许多不同之处。我们针对大型的支承辊的特殊之处和酒钢中板工序的实际情况对首选的焊丝成分进行适当的调整，对其焊后的机械性能指标、硬度指标等反复进行试验测定，直至达到或超过原支承辊的各项指标为止。经反复试验调整后的焊丝配方为低碳、高铬、高镍、高钼，并配适当的锰、硅、钒等元素。堆焊材料采用低碳高合金成分可以大幅度提高焊接性能，同时有保证了所需要的硬度Cr、Ni、Mo的合理配比可明显提高机械强度指标。高钼配适量的钒在堆焊层冷却过程中，可以细化晶粒，增强耐磨性。
2．4由于需要修复的支承辊裂纹延伸深度达225mm，堆焊层的厚度超过230mm，焊接应力的消除和防止裂纹的产生则成为最主要问题，为解决此类问题，我们专门设计了解决方案。
3堆焊修复工艺
焊前探伤→辊车削加工→辊面探伤→辊面预热→堆焊过度层→中间回火→堆焊硬面工作层→回火→焊后车削→辊面检测→尺寸检测→辊面和辊径探伤→辊面磨削加工。
3．1焊前准备阶段：包括探伤、去除表面裂纹、剥落和疲劳层等缺陷，以及表面加工后进行着色或超声波探伤。
3．2焊前预热：将待堆焊的支承辊进专用加热炉电脑程序控温，按工艺规定的升温曲线设定程序，把辊面预热到480℃，并按工艺规定的时间保温，达到后道堆焊加工的要求。
3．3堆焊参数：
电流450～490A；电压29～32V；速度700～750mm／分钟；焊缝搭接量焊道宽度的40％～60％。层间温度350℃±10℃。
3．4焊后处理阶段：
①去除焊接应力；②辊身粗加工至ф1800（上标＋1．5mm），表面粗糙度达到Ra＝12．5～6．3μm；③辊身硬度检测；④超声波探伤；⑤表面磨削加工ф1800（上标＋1．5mm），表面粗糙度达到Ra＝0．8μm，达到成品的尺寸、公差要求：⑥成品支承辊的硬度检测。
4预热温度和堆焊层间温度的控制
由于堆焊层的厚度≥230mm，为防止母材金属和堆焊过程中发生相变，产生较大的应变，导致裂纹产生，针对70Cr3Mo支承辊的特点，经反复试验，确定了较为合理的预热温度和层间温度及相应的升温曲线。
堆焊层间温度应保持在堆焊材料的（即焊丝）Ms点温度以上。结合母材的化学成分，堆焊的层间温度确定为350℃±10℃。
在整个预热、堆焊、中间回火及焊后热处理进专用加热炉电脑程序控温，按工艺规定的升温曲线设定程序，把辊面预热到450℃～480℃，并按工艺规定的时间保温，达到后道堆焊加工的要求。堆焊过程中的层间温度控制尽可能做到恒温。采用加热炉电脑程序控温的加热炉可以实现350℃±10℃的温度控制要求。
5修复后的支承辊实际情况
5．1修复后相关指标检测情况
5．1．1工作层的硬度
将辊身分为五条母线，在每条母线上每隔200mm测一个点，每个点测定6次，求出算术平均值既是该轧辊的硬度。测定结果为46．8HRC（平均值），最低45HRC，最高47．2HRC。
5．1．2超声波探伤检查
委托酒泉市特种设备检验所进行检测，依据JB4730—94标准，评为合格。
5．2上机使用情况
修复后的2800轧机支承辊已于2005年6月8日21：00开始上机使用，7月14日10：00下线，期间共轧制合格中厚板104557．231吨。按合同要求： （1）将修复的支承辊配置为上辊。（2）、第一次上机使用轧制量不超过6万～8万吨。由于受中板生产条件限制，经双方商议后修复方同意第一周期使用轧制量可以在8万～9万吨，但不超过10万吨。到目前为止，已完成第二次上机前的准备工作。
对堆焊的支承辊经过上机使用，轧制量和磨损量明显优于原锻钢70Cr3Mo，并达到了预期的技术参数。满足了用户的轧制工艺要求。
6经济效益分析
6．1直接效益
