增材制造技术在冶金行业的应用和创新

作者：刘文权

增材制造（又称3D打印）技术，亦称快速成型技术。即不需要传统的模具、刀具、夹具和机床，采用树脂、尼龙、石膏、塑料、钢渣、陶瓷、砂石等材料，随着业界研发的进步，已经出现支持钛、不锈钢或铝、铁金属材料的打印机。根据零件或物件的三维模型数据输入电脑，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。按下打印键，激光就能选择性地将原材料烧结成各种物品，包括复杂的工业零部件、房屋建筑、生活中的锅碗瓢盆。

3D打印技术作为制造业领域的一次重大技术革命，它改变了对原材料切削、组装进行生产的加工模式，实现了随时、随地、按不同的需要进行生产。3D打印是以数字化制造及新材料、新能源应用为代表的科技领域的一次重大飞跃，是传统制造技术与新材料的完美结合，已经广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造。如今，世界上第一辆3D打印汽车亮相加拿大，最高时速可达112公里，欧洲科学家“打印”出自行车，甚至连房屋、人体器官等都能“打印”出来。

作为工业4.0最受瞩目的技术之一，3D打印在全球范围内的发展速度“突飞猛进”。近年来，我国对3D打印技术的发展和应用更是空前关注，《中国制造2025》已将3D打印技术列入重点发展领域。目前，金属3D打印技术在航空航天、军工、医疗等高端制造领域已经有成功应用，在品质、效率、成本上体现出独特优势，但钢铁工业对成本、效率的苛刻要求和恶劣的服役环境是金属3D打印技术面临的主要挑战。

3D打印在冶金行业的应用和创新
下面论述3D打印技术在冶金行业的创新和应用和创新情况。

1．宝钢激光3D打印再制造
2006年，宝钢技术作为集团公司负责金属3D打印产业化应用的企业将3D打印应用于钢铁行业，用项目推动3D打印在工业领域的进一步发展。宝钢技术表面工程事业部联合国内相关高校、科研院所，将激光金属3D打印技术与钢铁冶金部件的再制造需求相结合。

2007年，宝钢技术利用激光3D打印再制造技术，成功修复了宝钢股份初轧1号轧机牌坊窗口面，不仅大大提高了修复效率，设备使用寿命也大幅延长。该技术为国内首创，推动了3D打印再制造技术在冶金行业的产业化应用，并形成了多项专利。

连接激光3D打印设备，就能直接“打印”金属部件，不仅可以让废旧部件“重获新生”，还能提升性能、延长寿命。2017年3月，宝武集团在成功实现多种冶金部件3D打印再制造的基础上，又成功在冶金核心部件——结晶器铜板表面打印出激光强化涂层，使之寿命提高两倍，引领和推动了激光3D打印再制造技术在国内冶金行业的产业化应用。

近年来，宝钢技术成功“打印再制造”出轧机牌坊、扁头套、万向接轴及足辊等一系列产品，还先后参与制订了激光增材再制造多项行业标准，如《在线激光修复轧机架技术规范》、《激光修复轧机扁头套技术条件等》。宝钢技术致力于扩大激光3D打印再制造技术的外延，在做精冶金行业的基础上，将在航空发动机、航空起落架、地面燃机、海工军工产品等领域开展多方位合作及交流，推动3D打印在工业领域的广泛应用。

      

2. 敬业集团超高速激光熔覆技术
激光熔覆亦称激光包覆，是一种新型的表面修复、表面改性技术。敬业增材的超高速激光熔覆技术更是目前世界上具有领先水平的激光熔覆技术。目前公司共有9台激光熔覆设备，分别是1台多功能设备、5台超高速激光熔覆设备、1台移动式机器人激光熔覆设备、1台10kW激光熔覆设备、1台强化设备。其中与机械研究总院、德国弗朗霍夫研究院合作开发的新型超高速率激光熔覆设备，加工效率为传统熔覆设备的2～10倍，在我国超高速激光熔覆项目方面处于领先地位。

超高速激光熔覆技术可用于汽车制造业的刹车盘、车轴；石油行业的钻井轴、油管；矿业的液压柱；钢铁行业的轧辊；航空航天起落架；海工装备的液压支架；造纸业的混料轴和运输业的耐磨防护等不同领域。

超高速熔覆技术激光能量主要作用于粉末，熔覆层精度高、厚度低，每年至少可加工5000平方米。激光能量仅有20%作用于基材，基材熔化深度小，稀释率低。设备功率小，粉末利用率高，极大的节省材料和能源。近两年来，敬业增材采用激光熔覆技术及快速成形技术等高新技术为冶金行业、煤炭行业、石油行业等受损备件修复原貌后，达到了新件90%以上使用寿命。

敬业增材制造科技有限公司与钢厂合作加工加速辊、对齐辊、轧辊强化、辊道修复，针对钢厂所需求高硬度、高耐磨性类型产品，敬业增材主要提供采用金属粉混合碳化钨进行修复，目前使用时间已达4个月且无明显磨损；同时与卷板车间合作开发激光熔覆修复导齿衬板，现已加工2套导齿衬板，到卷板进行上线实验冶金行业各种轧辊磨损失效，不能正常使用，通过耐高温、高耐磨专用粉末利用激光熔覆技术加工，恢复原尺寸，使其能够正常使用，并能显著延长其使用寿命，减少更换周期，降低企业维修和更换成本，并能减少设备停机时间，为企业创造更大的效益。  

激光熔覆技术既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。这些关键设备和零部件修复及再造应用，又使再制造工程技术得到发展。

3．首钢金属3D打印再制造
近日，首钢技术研究院金属3D打印研发团队和北京首钢机电有限公司工程制造团队联合攻关，成功将金属3D打印再制造技术应用于股份公司、京唐公司热轧产线轧机牌坊窗口面修复工作，使设备使用寿命提高数倍。

传统的轧机牌坊修复方法有两种：（1）机械加工法。修复完成一段时间后，牌坊表面又会受到腐蚀磨损而失效，多次机械加工去除还会对牌坊的强度和刚度产生不利影响；（2）电弧堆焊法。在刚性结构上进行大面积电弧堆焊，焊接残余应力和开裂倾向可能会造成牌坊结构发生变形，带来较大风险。故此法现在极少采用。

金属3D打印修复则完全可以避免传统修复方法的缺陷，且整个修复过程可以对设备外形尺寸做到精准控制；采用的专用粉末材料可以大大提高牌坊的耐腐性和耐磨性，年腐蚀磨损量在0.1mm以内，牌坊在线周期长达8～10年，使用寿命实现大幅增长。

首钢技术研究院科研团队针对钢铁工业关键设备再制造的潜在需求，抓住金属3D打印再制造技术中的关键问题，如粉末粒度分布、颗粒形状、材料性能，再制造过程的能量输入、组织相变、应力分布，再制造过程的前处理和后处理技术等进行了系统研究。经过事无巨细的大量准备工作，精轧机牌坊窗口面在线修复的一次成功，而且比预定工期整整提前了16个小时完成竣工验收，修复结果让现场人员赞不绝口，该技术实现集团内部从实验室研发到产业化应用的新突破。

项目团队总结经验，协同配合，不断提升修复效率，降低修复成本，后续在对股份公司2160mm和京唐公司1580mm等多架轧机牌坊窗口面的修复工作中屡次取得成功，该技术的应用为集团降本增效、提质升级提供了有力的创新支撑。

4．武钢有限固废增值利用
武钢有限技术中心研发团队以硅钢边角余料、废铸坯等冶金固废为原料，通过真空雾化制备出一系列用于3D打印的铁硅粉，一举打破国外技术垄断，为钢铁企业冶金固废再利用开创新路。随着3D打印技术的不断发展和普及，陈俊孚注意到，用于3D打印的软磁材料铁硅粉，完全可以从硅钢废钢中提炼出来。经过一系列科学调研和实验，陈俊孚团队采用真空雾化工艺，在非氧化条件下，将硅钢废钢运用技术处理成铁硅粉。“同样的材料，国际价格比我们贵30%。”陈俊孚说，该技术一面世，就打破了国外进口产品的垄断，实现了铁硅粉的国产化。目前，该技术获得多项国家专利，产品已广泛应用于3D打印。团队还与华科三维、中科院宁波材料研究所、深圳晶特制造等企业合作，实现产学研结合。

5. 宝钢、永钢等3D打印建筑
钢铁生产中会产生大量固体废弃物如：高炉水渣、钢渣、粉煤灰等。如何充分进行回收利用，进而变废为宝，实现固废零排放，是钢铁行业值得研究的重要课题。

3D打印建筑技术具有节材、节能、制造周期短、成形不受零件复杂程度限制等优势。钢厂钢渣经过高温其稳定性及坚固度要比普通的混凝土高得多，经过处理可变为3D打印建筑油墨，打印出的墙体坚固度不低于传统混凝土C30墙体，而且通过专业机构的环评检测该材料是环保无害的。钢厂固废建筑油墨化，不仅可用于建筑打印，更有利于固废资源存储，将实现建筑建造不再开矿，还青山绿水于自然。

（1）宝武3D打印房屋
3D打印建筑技术可吸收各类型钢厂固废为3D打印建筑油墨，建筑填充骨料，变固废为新型实用建筑，为钢厂固废的综合利用提供了新的思路。针对宝武钢房屋要求，采用了内外装饰一体化整体打印技术，让收发室吊装后即可投入使用。3D打印建筑仅需计算机数字建模，设计好门窗、管道及室内装饰，打印过程中预留相应的位置，根据设计打印室内装饰即可。该房屋无需地基，可根据实际需要随意吊动，使用便捷。

3D打印建筑在吸收钢厂固废的同时，更能满足建筑房屋的循环利用。也就是说，当该房屋使用到一定的年限或者不能满足现行的需要，将通过拆除、粉碎、打磨、配比等程序，让收发室变回3D打印建筑油墨，重新设计打印出新的建筑，让建筑不在产生建筑垃圾。              

（2）永钢集团
据悉，永钢年产钢渣100万吨左右。钢厂废钢渣经过颗粒化的碾磨，在3D打印建筑中占比可达60%以上，大规模生产，将实现钢厂固废产品化出厂，保证固废零排放，从源头上解决固废乱排放问题。

2018年11月中旬，3D打印设备在永钢集团循环经济产业园正式上线。经过1个多月的试投产，批量打印出环保小屋、污水池、监测房、隔离墩、景观花池、警亭、垂直绿化墙等3D打印建筑产品已投入使用。后续将打造3D打印建筑钢厂固废循环产业园，将实现钢厂固废100%资源化、建筑油墨化、产品出厂化，真正做到钢厂固废零排放，为国内钢厂处理固废提供更多可能与经验。     

3D打印展望
目前，钢铁生产具有规模化、批量化等特点，处于产业链的中游，主要为下游产业（家电、汽车、造船、建筑、机械制造等产业）提供原材料等产品。而3D打印技术具有定制化、小批量和个性化需求等特点，主要生产终端产品，位于产业链的末端，与钢铁行业的定位不同。因此，从生产的特点、产品定位和产业链来讲，3D技术快速发展虽然对钢铁行业冲击较小。但3D打印的产品为金属制品时，钢铁产业需为其提供原材料—金属粉末。3D打印是第三次工业革命核心技术之一。3D打印让粉末长成零件，将助推冶金粉末成就最具爆发力行业。 随着3D打印技术的发展，3D打印材料尤其是金属粉末材料的研发与制造将成为一个炙手可热的课题，必将为钢铁企业生产高附加值新产品，成为利润新增长点。

参考文献（略）
资料来源：宝武、首钢、敬业等集团、武钢有限及盈创建筑科技等网站