40吨转炉炉壳的焊接工艺分析

40吨转炉炉壳的焊接工艺分析

周超 ,王凯

文山海螺水泥有限责任公司   文山海螺水泥有限责任公司

内容:40吨级的回转锅炉,是包钢薄板坯连铸连轧企业的主要装备。炉壳在工作期间,必须经受给炉加废旧钢铁以及在炉口结渣后的撞击。它具有重载、倾动和高温的特点,属于薄壳结构。本文重点阐述了炉壳的技术措施的选用、制作。

关键词:炉壳焊接裂纹

1、转炉的概述

转炉炉体可以旋转,用来吹炼钢或吹炼锍铁的冶金工程炉。转炉炉体一般用钢材制造,通常成圆柱形,内衬防火料,在吹炼时靠基本类型的加热升温,而不需外部电阻热,是最重要的炼铁设备也可从事铜、镍熔炼。

1.1、转炉的工作情况

根据配料需要,首先将废旧钢材等材料放入炉内,然后再注入生铁水,并加入适量的人造渣料。加料时,先将氧气喷火机的炉顶伸入炉中,再喷入空气(纯净超过99%的高压空气流),让其通过与高温贴水物发生抗氧化反映,从而去掉杂质。

1.2、转炉的结构

转炉主要由炉帽、炉体、炉底等三个部分所构成。各个部分均用钢材进行,成形之后再焊接或者用球瓶连接成整体。如图所示:

1—水冷炉口;2—锥形炉帽;3—出钢口;

4—护板;5—上卡板;6—上卡板槽;

7—斜块;8—下卡板槽;9—下卡板;

10—圆柱形炉身;11—销钉和斜楔;

12—可摘卸活动炉底。

2、转炉炉壳材料分析

为了提高承重构件的承载能力,和避免在特定条件下发生脆性损伤,应当针对构件的重要性、载荷特性、构造类型、应力状况、联接方式、钢材厚度以及工作环境等各种因素综合考量,根据转炉炉壳的工作特征可选定材料Q235-B作为炉壳的焊接材料。材料中Q235-B的热塑、加工弹性好,但硬度较低,故焊接性能好。

2.1、Q235-B钢的化学成分及力学性能

表1 炉壳材料的牌号、成分

注:Q235-B级沸腾钢锰的标准分数上限是0.60%。

2.2、Q235-B钢的力学性能

表2 炉壳材料Q235-B的力学性能分析

2.3、Q235-B钢的焊接性分析

由表1和表2得出以下结论:

A、Q235-B的含碳量和合金成分比例均较小,因此低碳钢塑性高,而且热淬硬倾向性较低,是焊接性能良好的新型金属复合材料。

B、在通常情况下,在焊缝流程中不必须进行加热时效和焊后热处理的工艺技术方法。

C、能够实现用焊条电弧焊各种不同空间情况下的焊缝,且焊缝方法与操作工艺都比较简单,且易于掌握。

D、不需要有特别大和复杂的装置,对焊缝电源也无特别需求,普通交、直流弧焊机均能连接。

3、炉壳的焊接工艺分析

该炉壳外型规格很大,可以通过手工电弧焊的方式进行焊接,手工电弧焊的主要优势:技术简易、维修简单；工作方式灵活；使用范围广泛。手工电弧焊的主要弊端:对焊工技术要求过多；劳动环境条件较差；制造质量差。

3.1、焊接参数的选择

指焊缝中,为提高焊缝效率所选定的诸物电流,包括焊缝电流、电弧电压和焊缝速度等。

a、焊条直径

为提高产品效益,应该尽量地使用口径较大的焊条。而用口径过大的焊条连接时,易产生未焊透或连接成型质量不好等问题。选择焊丝直径时应考虑焊接件的水平部位大小和厚薄,在平焊部位或厚薄较大的焊接件上应选用孔径较大的焊丝,横焊、立焊、仰焊等部位焊缝时,焊缝电压宜较平焊部位小10%-20%;较薄焊接件上应选用孔径较小的焊丝

b、焊接电流

在选用焊电流时,应考虑药皮长度、药皮形状、连接接头材料、连接形式、焊缝部位、焊道厚度等。通常焊接长度越粗,熔化电导体需要的能量越高,此时需要提高焊接电压。常见的焊条直径使用焊接电流参考值如下：

c、电弧电压

弧度压力一般限制在焊缝的宽窄,弧度压力越高,则焊缝越宽,而由于在药皮电弧焊中,焊缝宽窄主要是靠焊条的侧向位移程度来调节,所以调节弧度压力的作用也很明显。

在通常情况下,以电极尺寸小于焊接尺寸的1/2-1倍为好,最适当的电弧压力约为16-25V。碱性焊条的电极长度为焊条的1/2较好,因此酸性焊条的电极长度应小于焊接长度。

d、焊接速度

焊条时速,指单位时间内进行焊接工作的总长度。焊接电弧焊时,在确保焊缝具有所规定的规格和形状,并确保焊缝质量良好的原则下,焊接速度由焊工依据具体情况活动控制。

3.2、坡口的制备

A、由于该炉壳外形尺寸很大,吊装、搬运、机加工的难度很大,最简便、最经济的解决办法是当场机械加工,但当场加工的局限性又规定了在该坡处的必须是K形、V形和X形坡处。

B、炉壳内部可以同时工作,以便减少焊缝变化,并使钝边二面的熔敷金属尽可能的等量,如采用X字形斜坡式处理。为了保证炉壳形状,按图2要求制备斜坡处。

图2 X形坡口示意图

α—坡口角度;δ—工件厚度; P—钝边高度; b—根部间隙

3.3、裂纹敏感性的估算

焊缝断裂主要可分五大类:热断裂、冷裂纹、再加热断裂、层状撕裂、应力腐蚀断裂。通过对上述五类焊缝断裂的产生机制、转炉炉壳中的钢种成份、以及工作环境解析。基本能够得出以下结论:该炉壳焊缝中能够形成的裂缝仅仅有冷裂纹和层状撕裂,并不能够形成热裂缝、再加热裂缝和应力侵蚀裂缝。

3.3.1、冷裂纹

冷裂纹通常是在焊接后逐步制冷的过程中,在Ms点周围或更低的工作温度区域内逐步形成的,其来源多出现于带有缺口效果的焊接热影响区域,以及物理化学特性不一致的局部地区。

为了粗略估算,采用插销试验所得出的经验公式:

Pcm =ωC +ωSi/30+(ωMn+ωCu+ωCr)/20+ωNi/60+ωMo/5+ωV/10+23ωB (1)

并且目前使用较为普遍的冷裂纹判据方法:

Pc = Pcm +[H]/60+δ/600(2)

预热温度经验公式:

t0=1440Pc-392(3)

式中:Pcm—钢种合金元素的碳当量(%); B—硼元素的有效当量(%);

[H]—扩散氢含量(mL/100g);δ—板厚(mm);

Pc—钢种的裂纹敏感指标;T0—预热温度℃;

将表2-1中Q235-B钢各元素代入公式(1)计算得:

Pcm =0.18+0.30/30+0.50/20=0.215
根据参考Q235-B钢的[H]=2.15 mL/100g

板厚为转炉炉壳的厚度δ=40 mm 。

将所得数据代入公式(2)得:

Pc =0.215+2.15/60+40/600=0.318
所以,预热温度为:

t0=1440Pc-392=1440×0.318-392=166℃

该炉壳只有当加热温度高于166℃时,在焊缝的受热影响区才不会出现裂缝,所以焊接前要预热,同时加热温度大于166℃。

3.3.2、层状撕裂

层状撕破率是较低的断裂类型,其最主要的原因是由于热轧后钢材的内层中具有不同高度的层状夹杂体,在焊缝中形成了垂直于钢材表层的内部应力,使热影响点周围或稍远的区域呈现成"阶梯"形式的层状断裂,且可穿水晶扩散。层状撕裂的特点为板材在水平轧制方向上发生梯形裂缝。

判定层状撕裂的经验公式如下:

P1= Pcm +[H]/60+5S (4)

式中:P1—对层状撕裂的敏感度指标(%);Pcm—化学成分敏感指数(%);(与裂纹中的Pcm相同);

[H]—扩散氢含量(mL/100g);S—钢板中的含S数量(%);

将表2-1的数据及上述数据代入公式(4)中得:

P1=0.215+2.15/60+5×0.045=0.476
该钢种的P1值不大,

不易形成层状撕裂。

4、结论

根据该焊接工艺所焊接的近40万吨转炉炉壳,经过制订了科学合理的焊接工艺参数和连接方式,能够合理的调节结构件焊接形状,从而降低和消除焊缝缺陷,提高了结构件的焊缝品质,外观尺寸上也保证了焊缝结束后的稳定状态,从而符合炉壳的使用条件和使用寿命,表明了该焊接工艺是合理的。

参考资料

[1] 丁仁亮.金属材料及热处理.第三版.北京：机械工业出版社，2000-10。

[2] 雷世明.焊接方法与设备.第二版. 北京：机械工业出版社，2008-09。

[3] 英若采.熔焊原理及金属材料焊接. 第二版. 北京：机械工业出版社，2000-05。

[4] 邓洪军.焊接结构生产.第二版. 北京：机械工业出版社，2009-06。

[5] 时彦林.冶炼机械.北京：化学工业出版社，2004-04。

姓名：周超 出生年月：1993年4月 单位：文山海螺水泥有限责任公司

研究方向：机械工程

姓名：王凯 出生年月：1992年9月单位：文山海螺水泥有限责任公司

研究方向：机械工程