再生塔襯里的焊接工藝

朱 寧,吳 剛,郭永春

(攀鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司,四川攀枝花617000)

再生塔襯里的焊接工藝

朱 寧,吳 剛,郭永春

(攀鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司,四川攀枝花617000)

通過對煉鐵廠再生塔254SMo不銹鋼襯板的性能進(jìn)行分析,針對在腐蝕性環(huán)境使用的情況,選擇合適的焊接方法及相對應(yīng)的焊接材料,采取搭接接頭和塞焊縫方式,制定出合理的焊接工藝和措施,保證了254SMo不銹鋼襯板的安裝焊接質(zhì)量和使用性能要求。

254SMo不銹鋼;腐蝕;焊接

1 引言

攀鋼燒結(jié)工序中產(chǎn)生的煙氣含有大量的氯化物、硫氧化物、氮氧化物等腐蝕性較強的成分,由于這些腐蝕性物料的作用,煙氣脫硫工序原使用316L材質(zhì)的鋼材制作設(shè)備,使用不到3個月就發(fā)生腐蝕穿透的情況,必須停產(chǎn)更換。為提高脫硫塔設(shè)備襯里的使用壽命,保證生產(chǎn)正常運行,決定采用耐蝕性強的254SMo不銹鋼代替316L不銹鋼用于再生塔、脫硫塔等設(shè)備襯里。

254SMo是一種高強度(比316L鋼的強度高50%)、高韌性的奧氏體不銹鋼。具有較高的含氮量,主要用于強腐蝕環(huán)境中,有較高的耐點腐蝕和耐縫隙腐蝕性能,優(yōu)秀的耐晶間腐蝕能力;它還具有很高的延展性和沖擊強度及較好的可焊性[1]。但是在焊接過程中,如果焊接工藝和措施不正確,極易造成組織粗大、成分偏析和焊接變形,導(dǎo)致耐腐蝕性能下降等,達(dá)不到使用要求。

2 焊接性分析

254SMo屬高合金純奧氏體不銹鋼,它相當(dāng)于國產(chǎn)牌號00Cr20Ni18Mo6Cu N,由于其合金含量較高,使得它比其他不銹鋼具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和綜合力學(xué)性能。其化學(xué)成分見表1,力學(xué)性能見表2。

表1 254SMo不銹鋼的化學(xué)成分(%)

表2 254SMo不銹鋼的力學(xué)性能

從表1可以看出,254SMo不銹鋼是一種含碳量極低的高鎳含氮奧氏體不銹鋼。此鋼的突出特點是在氯化物環(huán)境中具有優(yōu)異的耐蝕性,包括耐點腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕和一般腐蝕的性能,同時在很多還原性酸介質(zhì)中耐腐蝕性也很好。另外,該鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,因而具有比常用奧氏體不銹鋼更高的強度。

奧氏體不銹鋼焊接時有熱裂紋敏感性[2]。因奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大,在焊接局部加熱和冷卻條件下,焊接接頭部位的高溫停留時間較長,焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變,當(dāng)有低熔點共晶體存在時,就易在焊縫中產(chǎn)生熱裂紋。因此,應(yīng)降低焊接過程中的應(yīng)力值和收弧時填滿弧坑。

254SMo不銹鋼雖具有較高的耐腐蝕性能[1],如果焊接材料選擇不合理和焊接工藝方法不當(dāng)時,會降低焊接接頭的耐腐蝕性能。產(chǎn)生晶間腐蝕的敏化溫度區(qū)為加熱峰值溫度在500℃～1 000℃范圍的區(qū)域,在此溫度區(qū)內(nèi)停留時間過長,就易產(chǎn)生晶間腐蝕,原因是奧氏體晶界析出碳化鉻造成晶界貧鉻所致。為防止焊接接頭的晶間腐蝕,可選用含有穩(wěn)定化元素Nb或Ti的低碳焊接材料,焊接工藝上采用較小的焊接熱輸入,加快冷卻速度等[3]。

254SMo奧氏體不銹鋼焊接后,當(dāng)焊接接頭有較大的殘余應(yīng)力和接頭的組織變化時,在腐蝕介質(zhì)中易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。要防止應(yīng)力腐蝕發(fā)生,應(yīng)降低和消除焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中,在工藝方法上合理布置焊道順序和采用焊后立即錘擊焊縫等措施;在選擇焊接材料時,為保證焊縫金屬的耐應(yīng)力腐蝕性能,應(yīng)采用超合金化的焊接材料,即焊縫金屬中的耐蝕合金元素Cr、Mo、Ni等含量高于母材。

254SMo鋼在制造過程中為了使其具有純奧氏體組織,通常是經(jīng)過1 150℃～1 200℃的退火過程,這樣在鋼材中心可能出現(xiàn)微量的金屬間相,資料介紹為x相和σ相。對母材取樣經(jīng)金相分析反映出為奧氏體+σ相,σ相是一種又硬又脆并且無磁性的金屬間化合物,從使用的角度講,σ相存在一定危害,尤其是熱加工過程,如焊接過程中,不嚴(yán)格控制σ相的含量,將影響材料的使用性能。由于254SMo鋼母材本身存在σ相,當(dāng)它經(jīng)過600℃～1 000℃范圍內(nèi)長期暴露以后,σ相在晶界沉淀,這是一種硬而脆的相,它降低鋼的沖擊韌性和耐蝕性;σ相形成的危險也隨著鉻和鉬含量的增加而增加,若焊接操作不當(dāng)就會出現(xiàn)。所以要解決這些問題,焊接時采用盡可能小的線能量是關(guān)鍵。

3 254SMo奧氏體不銹鋼在再生塔的焊接

再生塔襯里焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示(筒體、襯板、蓋板、塞焊孔焊接及襯板搭接大樣圖)。襯板搭接如圖2所示。再生塔塞焊孔排列如圖3所示。

圖1 筒體、襯板、蓋板、塞焊孔焊接樣圖

圖2 襯板搭接圖

圖3 塞焊孔排列圖

從以上圖中可以看出,襯里不銹鋼鋼板焊接形式主要有搭接接頭和塞焊縫兩種。搭接接頭與對接接頭相比便于安裝和組對,由于襯板背面焊縫無法通氬氣保護(hù),在相同的焊接參數(shù)下,對接接頭背面焊縫的氧化現(xiàn)象比搭接接頭嚴(yán)重;又由于襯板較薄,采用搭接焊縫易于操作和相比對接焊縫焊接速度快一些,還可降低一定的熱輸入量,所以選擇搭接接頭比對接接頭更有利。對于密封焊來說,襯板中采用塞焊縫焊接工藝主要是為了使筒體(基材)與254SMo奧氏體不銹鋼在塞孔焊中緊密貼合,是保證再生塔使用壽命非常重要的方法[5]。

4 254SMo奧氏體不銹鋼焊接方法的選擇

考慮到現(xiàn)場施工的實際情況,研究認(rèn)為,由于再生塔襯里使用1.5mm厚的254SMo奧氏體不銹鋼板,焊接方法宜采用手工鎢極氬弧焊(TIG焊)[4],焊接時電弧區(qū)和熔化的不銹鋼板均在氬氣保護(hù)區(qū)內(nèi),使之與空氣隔離,由于氬氣為惰性氣體,它不與金屬起化學(xué)反應(yīng),也不熔解于金屬,可以避免焊縫金屬的氧化及合金元素焊損,焊接過程簡單易于控制。

5 焊接材料的選用

查閱資料可知,254SMo奧氏體不銹鋼焊接時,焊接材料選擇與母材化學(xué)成分相對應(yīng)的且合金元素較高的低碳ERNiCr Mo-3 (美國標(biāo)準(zhǔn))焊絲,規(guī)格?1.6mm～2.5mm,其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)表3所示。

從表3可以看出,這種焊絲是鉬合金化的高鎳焊絲,其熔敷的焊縫金屬在含氯化物的環(huán)境中具有很高的耐蝕性,正是由于這個特點,它可以達(dá)到理想的表面防護(hù)效果。通過現(xiàn)場焊接實驗,ERNiCr Mo-3焊絲的焊接操作性能也很好,尤其表現(xiàn)在電弧的穩(wěn)定和熔池易成形等方面。

6 焊接工藝參數(shù)

254SMo不銹鋼焊接工藝參數(shù)見表4[3]。

表3 ERNiCr Mo-3化學(xué)成分表

表4 焊接工藝參數(shù)表

7 焊接工藝及措施

(1)焊前將焊縫及兩側(cè)10mm～15mm范圍內(nèi)的雜質(zhì)、污物等清除干凈并露出金屬光澤。

(2)由于襯里鋼板選用厚度為1.5mm,因此固定焊點可多一些,點固間距為100mm左右。

(3)先焊塞焊縫后焊搭接焊縫。塞焊縫焊接時,應(yīng)從每塊襯板的中心位置開始向四周均勻間隔跳焊,以降低和分散應(yīng)力。

(4)搭接焊縫焊接時,在保證焊接質(zhì)量的情況下,選用較小電流、不擺動或稍快的焊接速度降低熱輸入量,以減少變形量和降低應(yīng)力值。焊接工藝參數(shù)見表4所示。

(5)為控制焊接應(yīng)力和變形,短焊縫(一般為400mm內(nèi))可采取分段退焊,如圖4所示;焊縫較長(400mm～1 500mm),可采取中分向兩端分段退焊,如圖5所示;長焊縫(1 500mm以上)可采取中分向兩端分段、間斷退焊(圖6所示)。

圖4 分段退焊

圖5 分段退焊

圖6 中分向兩端分段、間斷退焊

每一段焊完后,待溫度將至100℃以下時,再焊另一段。收弧時應(yīng)填滿弧坑。

(6)焊接時控制焊縫余高值不超過1.0mm,不允許咬邊,焊趾處應(yīng)與母材圓滑過渡。

(7)焊接過程中,如有呈現(xiàn)過熱或氧化顏色的部位,應(yīng)打磨清除,待冷卻到室溫后再焊接。

(8)焊縫冷卻到室溫后,在焊縫表面及兩側(cè)做酸洗鈍化處理。

(9)由于采用的是薄板襯里,反面無法焊接,要求組對時背面一定要貼嚴(yán),否則背面氧化嚴(yán)重,降低抗腐蝕能力。

(10)在254SMo不銹鋼與筒體進(jìn)行塞焊時,操作過程中應(yīng)確保254SMo鋼與筒體貼合緊密,為此需用皮榔頭或千斤頂,使用千斤頂時應(yīng)在254SMo板上墊一塊弧形墊板,用此方法可將254SMo與筒體壓實貼緊。

8 焊后檢驗

所有襯板安裝焊接完畢后,參照HG/ T20678-2000《襯里鋼殼設(shè)計技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行驗收。經(jīng)檢查焊縫外觀均勻,表面均無氧化現(xiàn)象,襯板與整個筒體貼合都緊密,在內(nèi)襯和筒體之間打2.5k Pa的氣壓,并保壓20min～30min,然后在焊縫和塞焊孔上涂肥皂水,未發(fā)現(xiàn)滲漏情況。

9 結(jié)論

通過分析了解254SMo奧氏體不銹鋼襯板的性能特點和焊接特性,針對襯板的使用環(huán)境要求,確定焊接方法,選擇合理的焊接材料,采取適當(dāng)?shù)暮附庸に嚭图夹g(shù)措施,保證了焊接質(zhì)量和要求。

結(jié)合襯板現(xiàn)場安裝實際情況,采用搭接接頭和塞焊縫形式,提高了安裝和焊接質(zhì)量,驗收結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)一年多的生產(chǎn)使用,襯板焊接接頭無明顯的腐蝕現(xiàn)象。證明此焊接工藝和措施是可行的,確保了254SMo奧氏體不銹鋼襯板的使用性能要求。

[1] 郭傳江,等.超級奧氏體不銹鋼254SMo的焊接[J].焊接技術(shù),2001.5.

[2] 張其樞,等.不銹鋼焊接[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004年7月第1版.

[3] 田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996年10月第1版.

[4] 周浩森.焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)及裝備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996年5月第1版.

[5] 劉云龍.袖珍焊工手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002年7月第1版.

Welding Technology of Regenerating Column Lining

ZHU Ning,WU Gang,GUO Yong-chun
(Pangang Group Engineering Technology Co.,Ltd.,Panzhihua Sichuan 617000)

Aiming at the performance for the corrosive environment,this paper selected the suitable welding method and the corresponding welding materials,applied the overlap joint and plug weld methods and formulated the reasonable welding technology as well as the countermeasures so as to guarantee the erection welding quality and performance requirements of 254SMo stainless lining board by analyzing the performance of 254Mo stainless lining board of regenerating column in the iron making plant.

254SMo;stainless steel;corrosion;welding

TG457

:B

1001-5108(2015)06-0060-05

朱寧,焊工高級技師、國際焊接技師,主要從事焊接工藝及焊接培訓(xùn)等方面的工作。