三鋼6號(hào)高爐爐殼焊接工藝研究

段 晨

（福建三鋼冶金建設(shè)有限公司，福建 365000）

0 引言

高爐設(shè)備在冶金行業(yè)應(yīng)用廣泛，是主要冶煉設(shè)備之一，高爐爐殼作為高爐的重要組成部件，其質(zhì)量是決定高爐能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。爐殼的作用是固定冷卻設(shè)備，保證高爐砌體牢固，密封爐體，不僅要承受爐頂載荷，還要能承受熱應(yīng)力和內(nèi)部的煤氣壓力，抵抗突然沖擊，因此高爐爐殼必須具有足夠的強(qiáng)度才能保證高爐安全可靠。而爐殼又是由眾多部分焊接而成的，故而焊縫的質(zhì)量又是重中之重。制訂合理的焊接工藝，并嚴(yán)格按工藝施工是確保高爐爐殼焊接質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文對福建三鋼閩光煉鐵廠6號(hào)高爐大修改造工程概況進(jìn)行了介紹，對6號(hào)高爐爐殼接方法、焊接材料、焊接設(shè)備進(jìn)行了分析和確定。同時(shí)根據(jù)焊接工藝評定和驗(yàn)證結(jié)果，制定出了高爐爐殼具體焊接工藝，并對最終的焊接結(jié)果進(jìn)行了評定。

1 工程概況

此次福建三鋼閩光煉鐵廠6號(hào)高爐大修改造工程，爐殼材質(zhì)采用BB503鋼板，殼體厚度為45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、70 mm五種規(guī)格。高爐殼體共分為22帶（見圖1），所有殼體需要在車間分片進(jìn)行下料，卷制后運(yùn)至施工現(xiàn)場的組裝平臺(tái)，進(jìn)行爐體單節(jié)制造，然后在現(xiàn)場吊裝成爐體。

圖1 6號(hào)高爐爐殼結(jié)構(gòu)示意圖

2 焊接工藝的確定

2.1 BB503鋼板的可焊性分析

BB503鋼板屬于低合金高強(qiáng)度鋼板，化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。根據(jù)國際碳當(dāng)量計(jì)算公式，計(jì)算得到其碳當(dāng)量為0.48%，大于0.4%，具有較高的冷裂紋敏感性，可焊性不好，焊接過程中容易出現(xiàn)裂紋。另外，該材質(zhì)中含有N，焊接操作不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生時(shí)效脆化，所以，必須嚴(yán)格控制焊接工藝及參數(shù)[1，2]。

表2 BB503的力學(xué)性能

2.2 焊接方法

為了保證爐殼焊接的效率和可操作性，降低成本，采用最常用的CO2氣體保護(hù)多層多道焊[3]。

2.3 焊接材料

采用與爐殼鋼板成分相近、直徑為Φ1.2 mm的ER49-1實(shí)芯焊絲，成分和力學(xué)性能見表3、表4。

表3 ER49-1焊絲的化學(xué)成分 /%

表4 ER49-1焊絲的力學(xué)性能

2.4 焊接設(shè)備

采用硅整流CO2自動(dòng)焊機(jī)，型號(hào)：KR-500。

3 焊接工藝評定

3.1 焊接工藝評定

在正式焊接爐殼前，對BB503鋼板的CO2氣保焊進(jìn)行焊接工藝評定。通過對焊接接頭的質(zhì)量檢測以及拉伸、彎曲、沖擊一系列的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證焊接接頭的質(zhì)量，以確定合適的工藝參數(shù)。

3.2 評定材料及焊接參數(shù)

為保證焊接工藝評定的認(rèn)可范圍達(dá)到施工要求，根據(jù)《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)，選擇δ=40 mm的鋼板為焊接工藝評定對象，其認(rèn)可的板厚范圍為16～80 mm，符合高爐殼體的需要。

選定焊接方法為板狀對接雙面CO2氣體保護(hù)立焊，工藝評定試板的尺寸為500 mm×250 mm×40 mm，其坡口示意圖如圖2所示。焊接工藝參數(shù)為電流100～140 A，電壓為20～25 V。

圖2 試板坡口示意圖

3.3 評定結(jié)果與分析

3.3.1 接頭外觀質(zhì)量

焊縫外觀檢查結(jié)果符合GB 50236—2011《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求，未發(fā)現(xiàn)裂紋、咬邊、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷。焊縫經(jīng)超聲波無損探傷檢測，達(dá)到Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2 力學(xué)性能測試

對焊接接頭進(jìn)行拉伸、側(cè)彎、沖擊力學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，此種焊接工藝得到的焊接接頭抗拉強(qiáng)度和沖擊值都高于母材的標(biāo)準(zhǔn)下限值，側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果均合格。

表5 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過焊接工藝評定，BB503鋼板可采用CO2氣保焊，焊接接頭性能好，可將此焊接方法使用于高爐爐殼焊接。

4 爐殼焊接工藝

根據(jù)BB503鋼板CO2氣保焊的工藝評定，設(shè)計(jì)制定了6號(hào)高爐爐殼焊接工藝。

4.1 焊接坡口

爐殼焊縫分為環(huán)焊縫與立焊縫，環(huán)焊縫的坡口型式采用非對稱K型坡口方式（見圖3），立焊縫的坡口形式采用非對稱X型坡口方式（見圖4）。

圖3 爐殼環(huán)焊縫坡口方式

圖4 爐殼立焊縫坡口方式

4.2 坡口加工要求

為保證坡口加工的一致性，采用半自動(dòng)切割機(jī)加工坡口，確保坡口表面沒有裂紋、夾渣、分層以及大于1 mm的缺棱等缺陷。焊接前應(yīng)對坡口進(jìn)行打磨至露出金屬光澤，尤其是組對時(shí)進(jìn)行定位焊焊縫及周邊雜質(zhì)打磨，必要時(shí)需用碳弧氣刨清理，同時(shí)要對坡口兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)的油污、水分、鐵銹等雜質(zhì)清理干凈。

4.3 坡口組對要求

坡口組對后，要進(jìn)行整體檢查。對于坡口有深刻痕的，要在焊前堆焊長肉，確保打底焊道的質(zhì)量。

4.4 定位焊

定位焊采用CO2氣保焊，其他要求與正式焊接要求相同。定位焊的位置在焊接背面，反面焊接時(shí)要將其刨除。橫焊縫定位焊長度50～80 mm，間距500～600 mm，焊肉高8 mm。定位焊縫不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。定位焊縫如有微裂紋，則定位焊前也應(yīng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度100～150℃，預(yù)熱方法可采用火焰加熱。對于定位焊產(chǎn)生的微裂紋，要徹底刨除干凈，預(yù)熱后重新點(diǎn)焊。

4.5 預(yù)熱

由于爐殼鋼板厚，剛性大，焊接量大，且母材碳當(dāng)量較高，因此正式焊接前要做預(yù)熱處理。預(yù)熱方式采用氧氣-乙炔焰大烤槍均勻地烘烤爐殼加熱。預(yù)熱應(yīng)在焊接的反面進(jìn)行，范圍在坡口兩側(cè)，每側(cè)預(yù)熱范圍不小于板厚的3倍?？刂祁A(yù)熱溫度為150℃～200℃，且預(yù)熱時(shí)，溫度上升不宜過快，同時(shí)注意控制總預(yù)熱時(shí)間為1～2 h完成。在焊接過程中仍需邊預(yù)熱邊焊接，直至打完底并填焊兩遍后才停止預(yù)熱工作，但焊縫仍需一氣焊完。環(huán)焊縫焊接時(shí)，對層間溫度進(jìn)行控制，控制溫度為100～150℃。

預(yù)熱、層間溫度的控制設(shè)專職人員管理。開始加熱的時(shí)候就要進(jìn)行測溫，每次測溫間隔30分鐘，同時(shí)做好記錄工作；如果升溫異常，過快或者過慢要及時(shí)采取調(diào)整措施。環(huán)縫位置的測溫點(diǎn)布置，要先將環(huán)縫等分為16點(diǎn)，每點(diǎn)上、下距焊口200 mm位置各為1點(diǎn)（共32點(diǎn)）為測溫點(diǎn)，見圖5。

圖5 測溫點(diǎn)分布

4.6 焊前準(zhǔn)備

（1）領(lǐng)取焊材時(shí)，檢驗(yàn)ER49-1焊絲包裝是否完好，拆封使用時(shí)倘若發(fā)現(xiàn)焊絲表面存在銹跡應(yīng)將焊絲退還倉庫。

（2）二氧化碳?xì)怏w純度不低于99.5%，含水量不超過0.05%，瓶內(nèi)氣體壓力低于1 N/mm2應(yīng)停止使用。

4.7 正式焊接

4.7.1 焊接順序

先焊內(nèi)側(cè)，焊2～3層后，外側(cè)清根，打磨干凈后，內(nèi)外側(cè)交錯(cuò)施焊，注意內(nèi)外部的焊接方向相反。焊接前對間隙較大的區(qū)域在外側(cè)加陶瓷襯墊，完成焊接后去除陶瓷襯墊，并用碳弧氣刨對爐殼內(nèi)側(cè)焊縫第一道焊縫進(jìn)行清根打磨，務(wù)必保證去除氣孔、夾渣、氧化物等可能存在的缺陷、雜質(zhì)。

爐殼環(huán)焊縫焊接時(shí)需4名焊工（對角同時(shí)順時(shí)針方向同步施焊），焊工必須均勻?qū)ΨQ施焊，各段的焊接速度、焊接電流、焊接電壓保持一致。為避免應(yīng)力，各道焊縫起弧點(diǎn)、收弧點(diǎn)必須間隔100 mm以上。

4.7.2 焊接參數(shù)

爐殼焊縫的焊接參數(shù)如表6所示。

表6 焊接參數(shù)

4.7.3 焊接措施

（1）在施焊過程中注意層層打渣，層層檢查，每道焊縫中的焊瘤、飛濺和氣孔清除干凈后，方可進(jìn)行下一層焊接；多層焊的層間接頭應(yīng)錯(cuò)開50～100 mm，避免因始、終點(diǎn)疊在一起引起應(yīng)力集中和其他焊接缺陷。后一層焊道壓前一層焊道30～50 mm。

（2）在施焊過程中注意采取有效的防風(fēng)、防雨措施。

（3）每道焊縫宜連續(xù)焊接，若不得不中斷時(shí)，下次焊前需重新預(yù)熱。

（4）對采用碳弧氣刨時(shí)，清根后應(yīng)修整刨槽，磨除滲碳層。

4.8 焊后處理

焊接完成后要在焊縫上包一層保溫巖棉，做好焊縫緩冷工作。待焊縫冷卻后應(yīng)及時(shí)清除焊縫表面熔渣及兩側(cè)飛濺，對焊瘤、咬邊等缺陷進(jìn)行處理，控制立焊縫余高≤3 mm，環(huán)焊縫余高≤3.5 mm，同時(shí)對環(huán)焊100 mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨（見圖6），為超聲波探傷做好準(zhǔn)備。

圖6 焊縫與打磨探傷區(qū)域

5 焊接檢驗(yàn)

爐殼上的鐵口框、風(fēng)口法蘭、檢修門及爐殼對接與T形接頭，焊縫應(yīng)符合《煉鐵工藝爐殼體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50567）中的一級(jí)焊縫要求，爐缸段與爐底環(huán)板連接采用焊透的T形接頭對接與角接組合焊縫。爐底板對接焊縫等級(jí)為二級(jí)，所有角焊縫等級(jí)為三級(jí)，外觀二級(jí)，焊縫質(zhì)量檢測應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205）中的相關(guān)規(guī)定。

6 結(jié)語

通過對BB503爐殼鋼板的焊接性分析，確定了此次6號(hào)高爐爐殼焊接方法、焊接材料及焊接設(shè)備，經(jīng)過焊接工藝評定，制定了此次高爐爐殼焊接工藝方案和保障措施。實(shí)踐證明，此次6號(hào)高爐爐殼采用上述焊接工藝方案，經(jīng)過檢驗(yàn)，所有焊縫均滿足工藝質(zhì)量要求，大體形位公差良好，只有局部位置進(jìn)行了火焰調(diào)整。在加快了爐殼焊接進(jìn)度、節(jié)約成本的同時(shí)，保證了焊接質(zhì)量，提高了高爐的使用壽命。