3D打印技術(shù)在冶金行業(yè)的應(yīng)用和創(chuàng)新

作者：劉文權(quán)

增材制造（又稱3D打印）技術(shù)，亦稱快速成型技術(shù)。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(shè)備以材料累加的方式制成實物模型的技術(shù)。按下打印鍵，激光就能選擇性地將原材料燒結(jié)成各種物品，包括復(fù)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(shù)作為制造業(yè)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)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(yīng)用為代表的科技領(lǐng)域的一次重大飛躍，是傳統(tǒng)制造技術(shù)與新材料的完美結(jié)合，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空航天等軍事領(lǐng)域和大型復(fù)雜構(gòu)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(xué)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(shù)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)用更是空前關(guān)注，《中國制造2025》已將3D打印技術(shù)列入重點發(fā)展領(lǐng)域。目前，金屬3D打印技術(shù)在航空航天、軍工、醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域已經(jīng)有成功應(yīng)用，在品質(zhì)、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(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。

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

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

2007年，寶鋼技術(shù)利用激光3D打印再制造技術(shù)，成功修復(fù)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(fù)效率，設(shè)備使用壽命也大幅延長。該技術(shù)為國內(nèi)首創(chuàng)，推動了3D打印再制造技術(shù)在冶金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并形成了多項專利。

連接激光3D打印設(shè)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(chǔ)上，又成功在冶金核心部件——結(jié)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(lǐng)和推動了激光3D打印再制造技術(shù)在國內(nèi)冶金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

近年來，寶鋼技術(shù)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(fù)軋機架技術(shù)規(guī)范》、《激光修復(fù)軋機扁頭套技術(shù)條件等》。寶鋼技術(shù)致力于擴大激光3D打印再制造技術(shù)的外延，在做精冶金行業(yè)的基礎(chǔ)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(lǐng)域開展多方位合作及交流，推動3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

      

2. 敬業(yè)集團超高速激光熔覆技術(shù)
激光熔覆亦稱激光包覆，是一種新型的表面修復(fù)、表面改性技術(shù)。敬業(yè)增材的超高速激光熔覆技術(shù)更是目前世界上具有領(lǐng)先水平的激光熔覆技術(shù)。目前公司共有9臺激光熔覆設(shè)備，分別是1臺多功能設(shè)備、5臺超高速激光熔覆設(shè)備、1臺移動式機器人激光熔覆設(shè)備、1臺10kW激光熔覆設(shè)備、1臺強化設(shè)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(shè)備，加工效率為傳統(tǒng)熔覆設(shè)備的2～10倍，在我國超高速激光熔覆項目方面處于領(lǐng)先地位。

超高速激光熔覆技術(shù)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(lǐng)域。

超高速熔覆技術(shù)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(shè)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(shù)及快速成形技術(shù)等高新技術(shù)為冶金行業(yè)、煤炭行業(yè)、石油行業(yè)等受損備件修復(fù)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(fù)，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(fù)，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(fù)導(dǎo)齒襯板，現(xiàn)已加工2套導(dǎo)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(shù)加工，恢復(fù)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(shè)備停機時間，為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。  

激光熔覆技術(shù)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(guān)鍵設(shè)備和零部件修復(fù)及再造應(yīng)用，又使再制造工程技術(shù)得到發(fā)展。

3．首鋼金屬3D打印再制造
近日，首鋼技術(shù)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(guān)，成功將金屬3D打印再制造技術(shù)應(yīng)用于股份公司、京唐公司熱軋產(chǎn)線軋機牌坊窗口面修復(fù)工作，使設(shè)備使用壽命提高數(shù)倍。

傳統(tǒng)的軋機牌坊修復(fù)方法有兩種：（1）機械加工法。修復(fù)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(jié)構(gòu)上進行大面積電弧堆焊，焊接殘余應(yīng)力和開裂傾向可能會造成牌坊結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，帶來較大風(fēng)險。故此法現(xiàn)在極少采用。

金屬3D打印修復(fù)則完全可以避免傳統(tǒng)修復(fù)方法的缺陷，且整個修復(fù)過程可以對設(shè)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(shù)研究院科研團隊針對鋼鐵工業(yè)關(guān)鍵設(shè)備再制造的潛在需求，抓住金屬3D打印再制造技術(shù)中的關(guān)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(yīng)力分布，再制造過程的前處理和后處理技術(shù)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(fù)的一次成功，而且比預(yù)定工期整整提前了16個小時完成竣工驗收，修復(fù)結(jié)果讓現(xiàn)場人員贊不絕口，該技術(shù)實現(xiàn)集團內(nèi)部從實驗室研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新突破。

項目團隊總結(jié)經(jīng)驗，協(xié)同配合，不斷提升修復(fù)效率，降低修復(fù)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(fù)工作中屢次取得成功，該技術(shù)的應(yīng)用為集團降本增效、提質(zhì)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(shù)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(shù)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(shù)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(xué)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(shù)處理成鐵硅粉�！巴瑯拥牟牧�，國際價格比我們貴30%�！标惪℃谡f，該技術(shù)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(shù)獲得多項國家專利，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)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(xué)研結(jié)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(shù)具有節(jié)材、節(jié)能、制造周期短、成形不受零件復(fù)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(gòu)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(shù)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(shù)，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(shè)計好門窗、管道及室內(nèi)裝飾，打印過程中預(yù)留相應(yīng)的位置，根據(jù)設(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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