增材制造技術(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�,。┘夹g(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(jī)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(jìn)步，已經(jīng)出現(xiàn)支持鈦,、不銹鋼或鋁,、鐵金屬材料的打印機(jī)。根據(jù)零件或物件的三維模型數(shù)據(jù)輸入電腦,，通過(guò)成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)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(duì)原材料切削、組裝進(jìn)行生產(chǎn)的加工模式,，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí),、隨地、按不同的需要進(jìn)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(shí)速可達(dá)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(lái),。

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(jìn)”,。近年來(lái),，我國(guó)對(duì)3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用更是空前關(guān)注，《中國(guó)制造2025》已將3D打印技術(shù)列入重點(diǎn)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(dú)特優(yōu)勢(shì),，但鋼鐵工業(yè)對(duì)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(tuán)公司負(fù)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(xiàng)目推動(dòng)3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展,。寶鋼技術(shù)表面工程事業(yè)部聯(lián)合國(guó)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(hào)軋機(jī)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(zhǎng)。該技術(shù)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng),，推動(dòng)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(xiàng)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(zhǎng)壽命,。2017年3月，寶武集團(tuán)在成功實(shí)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(qiáng)化涂層,，使之壽命提高兩倍，引領(lǐng)和推動(dòng)了激光3D打印再制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,。

近年來(lái),，寶鋼技術(shù)成功“打印再制造”出軋機(jī)牌坊、扁頭套,、萬(wàn)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(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如《在線激光修復(fù)軋機(jī)架技術(shù)規(guī)范》,、《激光修復(fù)軋機(jī)扁頭套技術(shù)條件等》,。寶鋼技術(shù)致力于擴(kuò)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(dòng)機(jī),、航空起落架,、地面燃機(jī)、海工軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域開(kāi)展多方位合作及交流,，推動(dòng)3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,。

      

2. 敬業(yè)集團(tuán)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(tái)激光熔覆設(shè)備,，分別是1臺(tái)多功能設(shè)備、5臺(tái)超高速激光熔覆設(shè)備,、1臺(tái)移動(dòng)式機(jī)器人激光熔覆設(shè)備,、1臺(tái)10kW激光熔覆設(shè)備、1臺(tái)強(qiáng)化設(shè)備,。其中與機(jī)械研究總院,、德國(guó)弗朗霍夫研究院合作開(kāi)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(guó)超高速激光熔覆項(xiàng)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(yùn)輸業(yè)的耐磨防護(hù)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?jī)H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(lái)，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(dá)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(duì)齊輥、軋輥強(qiáng)化,、輥道修復(fù),，針對(duì)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(jìn)行修復(fù),，目前使用時(shí)間已達(dá)4個(gè)月且無(wú)明顯磨損；同時(shí)與卷板車間合作開(kāi)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(jìn)行上線實(shí)驗(yàn)冶金行業(yè)各種軋輥磨損失效，不能正常使用,，通過(guò)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(zhǎng)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(jī)時(shí)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(duì)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(tuán)隊(duì)和北京首鋼機(jī)電有限公司工程制造團(tuán)隊(duì)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(jī)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(jī)牌坊修復(fù)方法有兩種：（1）機(jī)械加工法,。修復(fù)完成一段時(shí)間后，牌坊表面又會(huì)受到腐蝕磨損而失效,，多次機(jī)械加工去除還會(huì)對(duì)牌坊的強(qiáng)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(jìn)行大面積電弧堆焊，焊接殘余應(yīng)力和開(kāi)裂傾向可能會(huì)造成牌坊結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,，帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn),。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(gè)修復(fù)過(guò)程可以對(duì)設(shè)備外形尺寸做到精準(zhǔn)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(zhǎng)達(dá)8～10年,，使用壽命實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。

首鋼技術(shù)研究院科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(wèn)題,，如粉末粒度分布、顆粒形狀,、材料性能，再制造過(guò)程的能量輸入,、組織相變,、應(yīng)力分布，再制造過(guò)程的前處理和后處理技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,。經(jīng)過(guò)事無(wú)巨細(xì)的大量準(zhǔn)備工作,，精軋機(jī)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(gè)小時(shí)完成竣工驗(yàn)收,，修復(fù)結(jié)果讓現(xiàn)場(chǎng)人員贊不絕口,，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)集團(tuán)內(nèi)部從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新突破。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn),，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(duì)股份公司2160mm和京唐公司1580mm等多架軋機(jī)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(tuán)降本增效、提質(zhì)升級(jí)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(tuán)隊(duì)以硅鋼邊角余料,、廢鑄坯等冶金固廢為原料，通過(guò)真空霧化制備出一系列用于3D打印的鐵硅粉,，一舉打破國(guó)外技術(shù)壟斷,，為鋼鐵企業(yè)冶金固廢再利用開(kāi)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(lái)。經(jīng)過(guò)一系列科學(xué)調(diào)研和實(shí)驗(yàn),，陳俊孚團(tuán)隊(duì)采用真空霧化工藝,，在非氧化條件下，將硅鋼廢鋼運(yùn)用技術(shù)處理成鐵硅粉,�,！巴瑯拥牟牧希瑖�(guó)際價(jià)格比我們貴30%,�,！标惪℃谡f(shuō)，該技術(shù)一面世,，就打破了國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品的壟斷,，實(shí)現(xiàn)了鐵硅粉的國(guó)產(chǎn)化。目前,，該技術(shù)獲得多項(xiàng)國(guó)家專利,，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于3D打印。團(tuán)隊(duì)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(shí)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(huì)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(jìn)行回收利用，進(jìn)而變廢為寶,，實(shí)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(shì),。鋼廠鋼渣經(jīng)過(guò)高溫其穩(wěn)定性及堅(jiān)固度要比普通的混凝土高得多,，經(jīng)過(guò)處理可變?yōu)?D打印建筑油墨，打印出的墻體堅(jiān)固度不低于傳統(tǒng)混凝土C30墻體,，而且通過(guò)專業(yè)機(jī)構(gòu)的環(huán)評(píng)檢測(cè)該材料是環(huán)保無(wú)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(chǔ),，將實(shí)現(xiàn)建筑建造不再開(kāi)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(shí)用建筑，為鋼廠固廢的綜合利用提供了新的思路,。針對(duì)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(jì)算機(jī)數(shù)字建模,，設(shè)計(jì)好門窗、管道及室內(nèi)裝飾,，打印過(guò)程中預(yù)留相應(yīng)的位置,，根據(jù)設(shè)計(jì)打印室內(nèi)裝飾即可。該房屋無(wú)需地基,，可根據(jù)實(shí)際需要隨意吊動(dòng),，使用便捷。

3D打印建筑在吸收鋼廠固廢的同時(shí),，更能滿足建筑房屋的循環(huán)利用,。也就是說(shuō)，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(guò)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(jì)打印出新的建筑,，讓建筑不在產(chǎn)生建筑垃圾。              

（2）永鋼集團(tuán)
據(jù)悉,，永鋼年產(chǎn)鋼渣100萬(wàn)噸左右,。鋼廠廢鋼渣經(jīng)過(guò)顆粒化的碾磨,，在3D打印建筑中占比可達(dá)60%以上,，大規(guī)模生產(chǎn)，將實(shí)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(wèn)題。

2018年11月中旬,，3D打印設(shè)備在永鋼集團(tuán)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園正式上線,。經(jīng)過(guò)1個(gè)多月的試投產(chǎn),，批量打印出環(huán)保小屋、污水池,、監(jiān)測(cè)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(shí)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(guó)內(nèi)鋼廠處理固廢提供更多可能與經(jīng)驗(yàn)。     

3D打印展望
目前,，鋼鐵生產(chǎn)具有規(guī)�,；�、批量化等特點(diǎn),，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(jī)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(gè)性化需求等特點(diǎn)，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(diǎn),、產(chǎn)品定位和產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)講，3D技術(shù)快速發(fā)展雖然對(duì)鋼鐵行業(yè)沖擊較小,。但3D打印的產(chǎn)品為金屬制品時(shí),，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(zhǎng)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(gè)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(rùn)新增長(zhǎng)點(diǎn)。

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