高爐焊接大套結(jié)構(gòu)風(fēng)口段制造技術(shù)

劉 良

（秦皇島秦冶重工有限公司，河北 秦皇島 066318）

在我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展中，金屬冶煉行業(yè)對我國工業(yè)和社會的發(fā)展影響意義深遠(yuǎn)。高爐是金屬冶煉的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性直接影響著金屬冶煉的質(zhì)量和效率。風(fēng)口是高爐實(shí)現(xiàn)金屬冶煉的重要部件，在新型高爐結(jié)構(gòu)中，對高爐的風(fēng)口進(jìn)行了新的設(shè)計，改變了傳統(tǒng)的風(fēng)口結(jié)構(gòu)形式，將風(fēng)口大套與風(fēng)口段爐殼直接焊接。這種結(jié)構(gòu)形式，能夠有效地降低其制造成本。但該種結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)口段在建造施工時精度要求高且不易把控，其制造難度大，有必要對其制造技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1 爐殼風(fēng)口段簡介

本次承制的4座高爐有效容積均為1080m3，其風(fēng)口段布置在第四帶，風(fēng)口段爐殼材質(zhì)為Q345R，板厚為45mm，內(nèi)徑Φ9400mm，高度1990mm，四段拼接。爐殼上圓周方向均勻分布風(fēng)口20個、冷卻壁水管孔及冷卻板安裝孔100個。風(fēng)口大套材質(zhì)為16Mn鍛件，外徑Φ1020mm。大套與爐殼焊縫為全熔透焊縫。爐殼保證總體圓度，任意標(biāo)高位置半徑公差±12mm，理論環(huán)形長度公差±20mm。任意相鄰風(fēng)口大套中心線夾角誤差≤4′，風(fēng)口大套水平中心線相對風(fēng)口理論標(biāo)高偏移量≤6mm，貼合高爐內(nèi)側(cè)風(fēng)口大套理論半徑公差±10mm。大套密封面粗糙度Ra≤0.8μm，大套小端內(nèi)孔直徑公差±0.15mm。

2 風(fēng)口段制造技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵

2.1 風(fēng)口帶爐殼開孔

風(fēng)口帶上分布冷卻壁水管孔、冷卻板安裝孔及風(fēng)口大套裝配孔。①冷卻壁水管孔、冷卻板安裝孔。風(fēng)口帶爐殼內(nèi)徑Φ9400mm，其曲率半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于爐殼板厚（45mm）。冷卻壁水管孔、冷卻板安裝孔由于其孔徑較小，且精度要求不嚴(yán)格，進(jìn)行卷制前開孔，采用開孔機(jī)按開孔線開孔。卷制的中性層即為爐殼鋼板厚度的中心層，中性層在其卷制前后長度沒有變化，按板厚計算出鋼板卷制后將理論孔徑包絡(luò)進(jìn)去的中性層長度即為開孔孔徑。②風(fēng)口大套裝配孔。風(fēng)口大套裝配孔孔徑為Φ1024mm，孔徑較大，且孔徑大小及位置精度直接影響大套的裝配精度及焊接質(zhì)量，故采用卷制后開孔。風(fēng)口帶爐殼卷制完成后，將風(fēng)口帶按內(nèi)徑放樣，將四段拼接殼體（按標(biāo)記角度順序）按放樣調(diào)整、組對成整圓，各拼接段錯邊量不大于3mm，測量周長校驗(yàn)直徑；用水準(zhǔn)儀、高度尺測量風(fēng)口帶爐殼高度，連板連接各拼接段。用水準(zhǔn)儀、高度尺劃出大套裝配孔水平中心線，利用全站儀、盤尺劃出20條豎直中心線，標(biāo)記出風(fēng)口的十字中心線。檢查20個風(fēng)口相對位置的準(zhǔn)確性，合格后劃出開孔輪廓線，采用靠模氣割的方法割制風(fēng)口大套裝配孔及焊接坡口，保證大套與爐殼裝配間隙2mm。

2.2 風(fēng)口大套裝配

將風(fēng)口大套在平臺上找平，劃貫通工件十字中心線并打樣沖標(biāo)記。利用組對調(diào)整工裝，將風(fēng)口大套十字中心線與風(fēng)口段爐殼孔十字中心線對齊，端面用線墜找垂直，測量大套外端面十字線上水平、垂直四點(diǎn)到爐殼中心尺寸，調(diào)整到位。風(fēng)口大套按爐殼中心對稱順序組對，掛鋼線檢查其同心度及向心精度。利用全站儀、角度儀等檢、量具，檢查調(diào)整組對偏差，保證尺寸、位置及向心精度，保證風(fēng)口大套安裝位置準(zhǔn)確。在爐殼內(nèi)側(cè)組對防變形加強(qiáng)支撐，長度方向采用方管支撐，各大套之間采用十字分布筋板加固成整體。先將風(fēng)口大套中心四個位置定位焊，定位焊長度為80mm，厚度焊透，定位焊位置清除有害雜質(zhì)。大套定位完成后，加強(qiáng)支撐加固焊接。見附圖1。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖1 大套裝配圖

2.3 風(fēng)口大套的焊接

爐殼與風(fēng)口大套為同種鋼焊接（Q345R與16Mn可焊性良好）。爐殼板厚45mm，大套焊接部位為55mm，板厚差異不大，板厚略厚。坡口形式為K型，焊接填充量達(dá)到工件質(zhì)量的8%，填充量大，并且要求焊縫為全熔透焊縫。難點(diǎn)在于爐殼與風(fēng)口大套焊接質(zhì)量的保證及焊接變形的控制。風(fēng)口大套為鍛件，其內(nèi)部組織致密，力學(xué)性能良好，不易產(chǎn)生缺陷。保證焊接質(zhì)量及控制焊接變形，需要從以下幾個方面進(jìn)行控制：

（1）焊接方法及焊接材料的選擇。爐殼與風(fēng)口大套為同種鋼焊接，按照其材質(zhì)及等強(qiáng)度原則，考慮焊接變形及焊接質(zhì)量的保證，采用CO2氣體保護(hù)焊、YJ502藥芯焊絲、焊絲直徑Φ1.2mm進(jìn)行焊接作業(yè)。

（2）焊前工件處理。焊接前，用鋼絲刷、角磨機(jī)清除坡口及母材周圍30mm范圍內(nèi)（以到坡口邊緣的距離計算）有害雜質(zhì)，必要時打磨至露出金屬光澤。

（3）焊前預(yù)熱。預(yù)熱溫度為80℃～100℃，預(yù)熱范圍為焊縫周圍200mm內(nèi)。采用火焰槍進(jìn)行預(yù)熱，紅外測溫槍進(jìn)行溫度監(jiān)控。

（4）焊接作業(yè)。將工件固定在胎架平臺上，各段之間連扳連接成整體，增加強(qiáng)度。多層多道焊，采用直進(jìn)焊，為保證坡口兩側(cè)熔合良好，允許適當(dāng)?shù)臄[動，月牙弧形擺動，但擺動寬度不超過焊絲直徑的10倍。先焊接內(nèi)側(cè)兩至三層焊道，全位置焊接。將風(fēng)口帶各段解體，水平放置，每個風(fēng)口大套需要兩名焊工同步進(jìn)行對稱焊接，同一段風(fēng)口段爐殼不同大套從中間向兩端依次焊接，使得焊接時的應(yīng)力能夠相互抵消，減少殘余應(yīng)力，控制焊接變形。每道焊接完成后及時清理焊渣及表面飛濺物，發(fā)現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的缺陷，清除后再進(jìn)行焊接。層間溫度控制在100℃～150℃，紅外測溫槍進(jìn)行溫度監(jiān)控。焊接工藝參數(shù)見表1。

（5）消除焊接殘余應(yīng)力。常規(guī)的消除殘余應(yīng)力有整體退火和局部加熱兩種方法。風(fēng)口帶屬于大型構(gòu)件，筒狀殼體，壁厚較薄，整體退火變形不易控制，并且整體退火費(fèi)用高，局部加熱受熱不均勻，效果不理想。本次采用焊接過程和焊后振動時效相結(jié)合的方法消除殘余應(yīng)力。焊接時，每道焊道焊接完成后，采用小錘敲擊焊道，敲擊時用力均勻，并沿著焊接方向進(jìn)行敲擊，錘子不可帶棱角或尖角。敲擊時，不要傷及母材。第一層焊道不可敲擊，否則，可能會因其焊道強(qiáng)度不足，敲擊不當(dāng)導(dǎo)致根部裂紋。也不允許對蓋面焊道進(jìn)行敲擊，否則可能會使表面層焊道因敲擊而產(chǎn)生表面冷作硬化，出現(xiàn)裂紋傾向，也影響焊縫表面外觀質(zhì)量。焊接完成后，將風(fēng)口帶墊起，用滿足噸位要求的振動器進(jìn)行振動時效消除殘余應(yīng)力。

圖2 工廠焊接現(xiàn)場

2.4 矯正焊接變形

風(fēng)口大套與爐殼焊接后，爐殼不可避免地會發(fā)生形變，需要進(jìn)行二次預(yù)組裝、校正變形。平臺上放樣，按內(nèi)徑放樣調(diào)整矯正、組對成整圓，連板連接各拼接段。檢查調(diào)整組對偏差，確保大套組對尺寸、位置及向心精度。

2.5 機(jī)械加工

風(fēng)口帶單片尺寸為6700mm×1500mm×1990mm，需要用帶回轉(zhuǎn)臺的大型數(shù)控鏜銑床加工，分片加工后，又面臨現(xiàn)場組裝焊接變形的風(fēng)險。將大套密封面直徑方向留6mm的現(xiàn)場加工余量，大套其余尺寸裝配前加工成?，F(xiàn)場將風(fēng)口帶與上下帶組裝焊接完成后，用可移動式鏜孔設(shè)備，按大套端面保留找正線找正，重新修整密封面，能夠有效地保證其精度。密封面粗糙度要求Ra≤0.8μm，采用人工刮研的方法精磨密封面滿足要求。

3 結(jié)語

對4座1080m3高爐焊接大套結(jié)構(gòu)風(fēng)口段的制造進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，突破國內(nèi)沿用的常規(guī)制作方法，在保證焊接質(zhì)量和精度方面取得了良好效果。但還有待于改進(jìn)，例如，現(xiàn)場沒有可移動加工設(shè)備時，密封面現(xiàn)場精整加工便無從實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳林川,陸一平,彭杰.大型高爐新型結(jié)構(gòu)風(fēng)口段制造技術(shù)[J].武鋼技術(shù),2016,54(02)：30-33.

[2]生利英.4000m～3特大型高爐風(fēng)口法蘭焊接和熱處理工藝[J].金屬加工(熱加工),2014(02)：88-90.