爐底板裂紋分析及焊接修復(fù)

李金龍

(長江職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

一、引言

硅鋼環(huán)形退火爐(ROF)是取向硅鋼進(jìn)行高溫退火的熱處理設(shè)備，其中，爐底板是非常重要的部件，其數(shù)量大，且價格昂貴，當(dāng)前的爐底板的一次使用壽命大約為一年，超過一年后，爐底板開始產(chǎn)生裂紋并變形，影響產(chǎn)品質(zhì)量，需下線更換。因此，爐底板的使用壽命嚴(yán)重影響硅鋼環(huán)形爐退火生產(chǎn)工序的成本，迫切需要通過修復(fù)再制造來延長爐底板使用壽命，以提高經(jīng)濟(jì)效益。

二、爐底板相關(guān)參數(shù)

POF爐爐底板為中空圓盤結(jié)構(gòu)，用于承載熱處理工件進(jìn)行高溫退火，爐底板主要采用耐熱鋼鑄坯再進(jìn)行鍛造、機(jī)械加工和熱處理工序制造，材質(zhì)選用0Cr23Ni13，使用工況為鋼卷裝爐后在1 150℃高溫下退火156小時，然后鋼卷出爐降溫，再裝爐循環(huán)使用。硅鋼卷放置在爐底板上面，硅鋼卷重量約為17T，直徑為φ1 600mm，高度1 200mm。[1]

在退火過程中，由于環(huán)境溫度高、且升溫降溫頻繁、高溫爐氣對流的不均勻、承受鋼卷的重載荷等因素的影響，爐底板既受到交變應(yīng)力作用，還經(jīng)受高溫氣體的沖刷侵蝕。[2]在如此惡劣的工況條件下，經(jīng)過幾個周期的使用后，爐底板邊緣開始萌生裂紋，并逐步向心部擴(kuò)展，最后形成課間的徑向裂紋，導(dǎo)致爐底板表面扭曲不平，使鋼卷端面發(fā)生壓印卷邊，造成硅鋼開卷后鋼板邊部形成馬蹄狀變形的產(chǎn)品質(zhì)量問題。另一方面，裂紋根部的應(yīng)力集中使裂紋迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致爐底板破損嚴(yán)重而報廢。[3]

三、舊爐底板成份分析

實驗中，選用一塊上線使用一年半的爐底板進(jìn)行綜合分析及焊接修復(fù)，該爐底板破損嚴(yán)重，有兩處比較明顯的大裂紋，裂紋長度約220mm,深度90mm，還有一處成橫向V字形，縱向貫穿，即將剝落。據(jù)了解，該部位在前期檢修時，經(jīng)過臨時補(bǔ)焊處理。其他部位通過探傷檢測，發(fā)現(xiàn)爐底板表面，60%的部位有比較集中的小型熱裂紋，其深度約3-5mm。從該爐底板大裂紋旁邊本體上進(jìn)行取樣，進(jìn)行光譜分析和力學(xué)實驗，其主要化學(xué)成分如表1所示，機(jī)械性能則如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，爐底板基材是耐熱鋼0Cr23Ni13。

表1 爐底板材質(zhì)成份(%)

表2 爐底板機(jī)械性能

四、爐底板金相組織分析

取該爐底板的V字形剝落塊制成試樣進(jìn)行金相組織分析，圖1為未腐蝕的金相組織照片，從中能清晰地看到晶界和晶間已存在腐蝕狀態(tài)，雜質(zhì)缺陷也很多。圖2為腐蝕后的金相照片，有很多晶間和晶界析出物，腐蝕后的強(qiáng)度會有很大幅度下降，容易導(dǎo)致工件開裂。

圖1 未腐蝕的金相組織照片

圖3則為掃描電鏡下的組織狀態(tài)，在掃描電鏡下，可觀察到試樣的表面比較“臟”，可能為鐵的氧化物，估計是由于基體的硬度較大，在拋光的時候使硬質(zhì)相與基體脫離。沿晶界存在晶間裂紋，且在晶界之間存在脆性物質(zhì)。晶粒較為粗大，大約為500μm；在晶界表面還存在夾渣，且試樣的表面存在缺陷。不難發(fā)現(xiàn)，前期的臨時補(bǔ)焊效果不佳。

圖3 試樣的掃描電鏡組織

五、爐底板的焊接修復(fù)

(一)焊接材料選擇

根據(jù)舊爐底板的化學(xué)成份、機(jī)械性能、金相組織及使用工況條件等參數(shù)，選用ZY309LMo藥芯焊絲對主裂紋進(jìn)行恢復(fù)性焊接修復(fù)，避免產(chǎn)生熱裂紋，選用ZY310藥芯焊絲進(jìn)行表面堆焊蓋面，提升爐底板的表面性能，延長使用壽命，焊絲具體成分如表3所示。

表3 兩種焊絲成分(%)

(二)具體焊接修復(fù)工藝

首先，目測觀察爐底板正反面及側(cè)面裂紋分布，測量裂紋大致尺寸；然后，爐底板的大裂紋處加工出V型坡口，如圖4所顯示。隨后，采用ZY309LMo焊絲補(bǔ)焊V型坡口，焊接規(guī)范電流I=200-240A,電壓U=26-28V，CO2氣體保護(hù)焊接，焊接層間溫度控制在150℃以內(nèi)。處理完畢后，對補(bǔ)焊區(qū)域著色探傷，確保補(bǔ)焊質(zhì)量。同時，采用立車車削爐底板表面，深度6mm，并對加工表面進(jìn)行著色探傷，確保熱裂紋清除干凈，如圖5所示。再對爐底板平面采用ZY310焊絲進(jìn)行自動焊蓋面堆焊，焊接過程如圖6所示。

圖4 較大裂紋處開坡口

圖5 爐底板表面車削臺階，消除表面熱裂紋

圖6 焊接過程

當(dāng)焊接完成后，經(jīng)探傷檢測，無焊接缺陷。通過退火消除焊接應(yīng)力，并進(jìn)行機(jī)加工達(dá)到尺寸和表面粗糙度要求。具體狀況如圖7所示。

圖7 焊后加工成成品

六、使用效果和結(jié)語

將焊接修復(fù)好的爐底板上線使用半年，通過停機(jī)檢測，焊接部位未出現(xiàn)裂紋，如圖8所示，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖8 使用半年后未出現(xiàn)裂紋

實驗證明，選用ZY309LMo和ZY310藥芯焊絲，并采用以上修復(fù)工藝，可對出現(xiàn)裂紋的爐底板進(jìn)行有效修復(fù)，從而延長了爐底板的使用壽命。由此可見，該工藝技術(shù)可為以后同類型的實驗研究提供參考依據(jù)，有效降低成本，提升爐底板使用壽命。