增材制造技術在冶金行業(yè)的應用和創(chuàng)新

作者：劉文權

增材制造（又稱3D打印）技術，亦稱快速成型技術。即不需要傳統(tǒng)的模具、刀具、夾具和機床，采用樹脂、尼龍、石膏、塑料、鋼渣、陶瓷、砂石等材料，隨著業(yè)界研發(fā)的進步，已經(jīng)出現(xiàn)支持鈦、不銹鋼或鋁、鐵金屬材料的打印機。根據(jù)零件或物件的三維模型數(shù)據(jù)輸入電腦，通過成型設備以材料累加的方式制成實物模型的技術。按下打印鍵，激光就能選擇性地將原材料燒結成各種物品，包括復雜的工業(yè)零部件、房屋建筑、生活中的鍋碗瓢盆。

3D打印技術作為制造業(yè)領域的一次重大技術革命，它改變了對原材料切削、組裝進行生產(chǎn)的加工模式，實現(xiàn)了隨時、隨地、按不同的需要進行生產(chǎn)。3D打印是以數(shù)字化制造及新材料、新能源應用為代表的科技領域的一次重大飛躍，是傳統(tǒng)制造技術與新材料的完美結合，已經(jīng)廣泛應用到航空航天等軍事領域和大型復雜構件的一次成型制造。如今，世界上第一輛3D打印汽車亮相加拿大，最高時速可達112公里，歐洲科學家“打印”出自行車，甚至連房屋、人體器官等都能“打印”出來。

作為工業(yè)4.0最受矚目的技術之一，3D打印在全球范圍內(nèi)的發(fā)展速度“突飛猛進”。近年來，我國對3D打印技術的發(fā)展和應用更是空前關注，《中國制造2025》已將3D打印技術列入重點發(fā)展領域。目前，金屬3D打印技術在航空航天、軍工、醫(yī)療等高端制造領域已經(jīng)有成功應用，在品質、效率、成本上體現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，但鋼鐵工業(yè)對成本、效率的苛刻要求和惡劣的服役環(huán)境是金屬3D打印技術面臨的主要挑戰(zhàn)。

3D打印在冶金行業(yè)的應用和創(chuàng)新
下面論述3D打印技術在冶金行業(yè)的創(chuàng)新和應用和創(chuàng)新情況。

1．寶鋼激光3D打印再制造
2006年，寶鋼技術作為集團公司負責金屬3D打印產(chǎn)業(yè)化應用的企業(yè)將3D打印應用于鋼鐵行業(yè)，用項目推動3D打印在工業(yè)領域的進一步發(fā)展。寶鋼技術表面工程事業(yè)部聯(lián)合國內(nèi)相關高校、科研院所，將激光金屬3D打印技術與鋼鐵冶金部件的再制造需求相結合。

2007年，寶鋼技術利用激光3D打印再制造技術，成功修復了寶鋼股份初軋1號軋機牌坊窗口面，不僅大大提高了修復效率，設備使用壽命也大幅延長。該技術為國內(nèi)首創(chuàng)，推動了3D打印再制造技術在冶金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應用，并形成了多項專利。

連接激光3D打印設備，就能直接“打印”金屬部件，不僅可以讓廢舊部件“重獲新生”，還能提升性能、延長壽命。2017年3月，寶武集團在成功實現(xiàn)多種冶金部件3D打印再制造的基礎上，又成功在冶金核心部件——結晶器銅板表面打印出激光強化涂層，使之壽命提高兩倍，引領和推動了激光3D打印再制造技術在國內(nèi)冶金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應用。

近年來，寶鋼技術成功“打印再制造”出軋機牌坊、扁頭套、萬向接軸及足輥等一系列產(chǎn)品，還先后參與制訂了激光增材再制造多項行業(yè)標準，如《在線激光修復軋機架技術規(guī)范》、《激光修復軋機扁頭套技術條件等》。寶鋼技術致力于擴大激光3D打印再制造技術的外延，在做精冶金行業(yè)的基礎上，將在航空發(fā)動機、航空起落架、地面燃機、海工軍工產(chǎn)品等領域開展多方位合作及交流，推動3D打印在工業(yè)領域的廣泛應用。

      

2. 敬業(yè)集團超高速激光熔覆技術
激光熔覆亦稱激光包覆，是一種新型的表面修復、表面改性技術。敬業(yè)增材的超高速激光熔覆技術更是目前世界上具有領先水平的激光熔覆技術。目前公司共有9臺激光熔覆設備，分別是1臺多功能設備、5臺超高速激光熔覆設備、1臺移動式機器人激光熔覆設備、1臺10kW激光熔覆設備、1臺強化設備。其中與機械研究總院、德國弗朗霍夫研究院合作開發(fā)的新型超高速率激光熔覆設備，加工效率為傳統(tǒng)熔覆設備的2～10倍，在我國超高速激光熔覆項目方面處于領先地位。

超高速激光熔覆技術可用于汽車制造業(yè)的剎車盤、車軸；石油行業(yè)的鉆井軸、油管；礦業(yè)的液壓柱；鋼鐵行業(yè)的軋輥；航空航天起落架；海工裝備的液壓支架；造紙業(yè)的混料軸和運輸業(yè)的耐磨防護等不同領域。

超高速熔覆技術激光能量主要作用于粉末，熔覆層精度高、厚度低，每年至少可加工5000平方米。激光能量僅有20%作用于基材，基材熔化深度小，稀釋率低。設備功率小，粉末利用率高，極大的節(jié)省材料和能源。近兩年來，敬業(yè)增材采用激光熔覆技術及快速成形技術等高新技術為冶金行業(yè)、煤炭行業(yè)、石油行業(yè)等受損備件修復原貌后，達到了新件90%以上使用壽命。

敬業(yè)增材制造科技有限公司與鋼廠合作加工加速輥、對齊輥、軋輥強化、輥道修復，針對鋼廠所需求高硬度、高耐磨性類型產(chǎn)品，敬業(yè)增材主要提供采用金屬粉混合碳化鎢進行修復，目前使用時間已達4個月且無明顯磨損；同時與卷板車間合作開發(fā)激光熔覆修復導齒襯板，現(xiàn)已加工2套導齒襯板，到卷板進行上線實驗冶金行業(yè)各種軋輥磨損失效，不能正常使用，通過耐高溫、高耐磨專用粉末利用激光熔覆技術加工，恢復原尺寸，使其能夠正常使用，并能顯著延長其使用壽命，減少更換周期，降低企業(yè)維修和更換成本，并能減少設備停機時間，為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。  

激光熔覆技術既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。這些關鍵設備和零部件修復及再造應用，又使再制造工程技術得到發(fā)展。

3．首鋼金屬3D打印再制造
近日，首鋼技術研究院金屬3D打印研發(fā)團隊和北京首鋼機電有限公司工程制造團隊聯(lián)合攻關，成功將金屬3D打印再制造技術應用于股份公司、京唐公司熱軋產(chǎn)線軋機牌坊窗口面修復工作，使設備使用壽命提高數(shù)倍。

傳統(tǒng)的軋機牌坊修復方法有兩種：（1）機械加工法。修復完成一段時間后，牌坊表面又會受到腐蝕磨損而失效，多次機械加工去除還會對牌坊的強度和剛度產(chǎn)生不利影響；（2）電弧堆焊法。在剛性結構上進行大面積電弧堆焊，焊接殘余應力和開裂傾向可能會造成牌坊結構發(fā)生變形，帶來較大風險。故此法現(xiàn)在極少采用。

金屬3D打印修復則完全可以避免傳統(tǒng)修復方法的缺陷，且整個修復過程可以對設備外形尺寸做到精準控制；采用的專用粉末材料可以大大提高牌坊的耐腐性和耐磨性，年腐蝕磨損量在0.1mm以內(nèi)，牌坊在線周期長達8～10年，使用壽命實現(xiàn)大幅增長。

首鋼技術研究院科研團隊針對鋼鐵工業(yè)關鍵設備再制造的潛在需求，抓住金屬3D打印再制造技術中的關鍵問題，如粉末粒度分布、顆粒形狀、材料性能，再制造過程的能量輸入、組織相變、應力分布，再制造過程的前處理和后處理技術等進行了系統(tǒng)研究。經(jīng)過事無巨細的大量準備工作，精軋機牌坊窗口面在線修復的一次成功，而且比預定工期整整提前了16個小時完成竣工驗收，修復結果讓現(xiàn)場人員贊不絕口，該技術實現(xiàn)集團內(nèi)部從實驗室研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應用的新突破。

項目團隊總結經(jīng)驗，協(xié)同配合，不斷提升修復效率，降低修復成本，后續(xù)在對股份公司2160mm和京唐公司1580mm等多架軋機牌坊窗口面的修復工作中屢次取得成功，該技術的應用為集團降本增效、提質升級提供了有力的創(chuàng)新支撐。

4．武鋼有限固廢增值利用
武鋼有限技術中心研發(fā)團隊以硅鋼邊角余料、廢鑄坯等冶金固廢為原料，通過真空霧化制備出一系列用于3D打印的鐵硅粉，一舉打破國外技術壟斷，為鋼鐵企業(yè)冶金固廢再利用開創(chuàng)新路。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展和普及，陳俊孚注意到，用于3D打印的軟磁材料鐵硅粉，完全可以從硅鋼廢鋼中提煉出來。經(jīng)過一系列科學調(diào)研和實驗，陳俊孚團隊采用真空霧化工藝，在非氧化條件下，將硅鋼廢鋼運用技術處理成鐵硅粉�！巴瑯拥牟牧�，國際價格比我們貴30%。”陳俊孚說，該技術一面世，就打破了國外進口產(chǎn)品的壟斷，實現(xiàn)了鐵硅粉的國產(chǎn)化。目前，該技術獲得多項國家專利，產(chǎn)品已廣泛應用于3D打印。團隊還與華科三維、中科院寧波材料研究所、深圳晶特制造等企業(yè)合作，實現(xiàn)產(chǎn)學研結合。

5. 寶鋼、永鋼等3D打印建筑
鋼鐵生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量固體廢棄物如：高爐水渣、鋼渣、粉煤灰等。如何充分進行回收利用，進而變廢為寶，實現(xiàn)固廢零排放，是鋼鐵行業(yè)值得研究的重要課題。

3D打印建筑技術具有節(jié)材、節(jié)能、制造周期短、成形不受零件復雜程度限制等優(yōu)勢。鋼廠鋼渣經(jīng)過高溫其穩(wěn)定性及堅固度要比普通的混凝土高得多，經(jīng)過處理可變?yōu)?D打印建筑油墨，打印出的墻體堅固度不低于傳統(tǒng)混凝土C30墻體，而且通過專業(yè)機構的環(huán)評檢測該材料是環(huán)保無害的。鋼廠固廢建筑油墨化，不僅可用于建筑打印，更有利于固廢資源存儲，將實現(xiàn)建筑建造不再開礦，還青山綠水于自然。

（1）寶武3D打印房屋
3D打印建筑技術可吸收各類型鋼廠固廢為3D打印建筑油墨，建筑填充骨料，變固廢為新型實用建筑，為鋼廠固廢的綜合利用提供了新的思路。針對寶武鋼房屋要求，采用了內(nèi)外裝飾一體化整體打印技術，讓收發(fā)室吊裝后即可投入使用。3D打印建筑僅需計算機數(shù)字建模，設計好門窗、管道及室內(nèi)裝飾，打印過程中預留相應的位置，根據(jù)設計打印室內(nèi)裝飾即可。該房屋無需地基，可根據(jù)實際需要隨意吊動，使用便捷。

3D打印建筑在吸收鋼廠固廢的同時，更能滿足建筑房屋的循環(huán)利用。也就是說，當該房屋使用到一定的年限或者不能滿足現(xiàn)行的需要，將通過拆除、粉碎、打磨、配比等程序，讓收發(fā)室變回3D打印建筑油墨，重新設計打印出新的建筑，讓建筑不在產(chǎn)生建筑垃圾。              

（2）永鋼集團
據(jù)悉，永鋼年產(chǎn)鋼渣100萬噸左右。鋼廠廢鋼渣經(jīng)過顆粒化的碾磨，在3D打印建筑中占比可達60%以上，大規(guī)模生產(chǎn)，將實現(xiàn)鋼廠固廢產(chǎn)品化出廠，保證固廢零排放，從源頭上解決固廢亂排放問題。

2018年11月中旬，3D打印設備在永鋼集團循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園正式上線。經(jīng)過1個多月的試投產(chǎn)，批量打印出環(huán)保小屋、污水池、監(jiān)測房、隔離墩、景觀花池、警亭、垂直綠化墻等3D打印建筑產(chǎn)品已投入使用。后續(xù)將打造3D打印建筑鋼廠固廢循環(huán)產(chǎn)業(yè)園，將實現(xiàn)鋼廠固廢100%資源化、建筑油墨化、產(chǎn)品出廠化，真正做到鋼廠固廢零排放，為國內(nèi)鋼廠處理固廢提供更多可能與經(jīng)驗。     

3D打印展望
目前，鋼鐵生產(chǎn)具有規(guī)�；�、批量化等特點，處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游，主要為下游產(chǎn)業(yè)（家電、汽車、造船、建筑、機械制造等產(chǎn)業(yè)）提供原材料等產(chǎn)品。而3D打印技術具有定制化、小批量和個性化需求等特點，主要生產(chǎn)終端產(chǎn)品，位于產(chǎn)業(yè)鏈的末端，與鋼鐵行業(yè)的定位不同。因此，從生產(chǎn)的特點、產(chǎn)品定位和產(chǎn)業(yè)鏈來講，3D技術快速發(fā)展雖然對鋼鐵行業(yè)沖擊較小。但3D打印的產(chǎn)品為金屬制品時，鋼鐵產(chǎn)業(yè)需為其提供原材料—金屬粉末。3D打印是第三次工業(yè)革命核心技術之一。3D打印讓粉末長成零件，將助推冶金粉末成就最具爆發(fā)力行業(yè)。 隨著3D打印技術的發(fā)展，3D打印材料尤其是金屬粉末材料的研發(fā)與制造將成為一個炙手可熱的課題，必將為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)高附加值新產(chǎn)品，成為利潤新增長點。

參考文獻（略）
資料來源：寶武、首鋼、敬業(yè)等集團、武鋼有限及盈創(chuàng)建筑科技等網(wǎng)站