复合钢板及其焊接方法在高炉热风炉的应用.pdf

设备管理与维修2023 翼10（下）（6）入口夹送辊：及时检查夹送辊的辊面的衬胶是否破损。（7）夹紧台：检查夹紧台下衬板，及时清除衬板上留下的油污，检查衬板表面是否光滑，发现毛刺及时更换破损衬板。（8）平整轮：平整轮表面脏污或异物粘接时要迅速清理平整轮表面，转动平整轮、检查转动是否平滑顺畅，处理更新损坏的平整轮，工件表面利用角磨机返修，使最后用柔软的布清洗反射箔。（9）钢板二次感应加热器：主要作用于对带钢进行预热，感应加热器的温度和距离关键在于带钢的钢种和薄厚度，采用聚亚烷基胺的 C 形支架位于感应加热器上方，阻止带钢和预加热带钢直接接触。（10）激光焊机导向系统：主要用于固定、压接带钢，定位焊机机头和焊机头部分。对于激光下导轮表面要及时认真检查，光路和软连接是否有泄漏，传动表面的污垢或异物及时清理，否则会对焊接质量产生不良影响，造成轧机断带。3.2常见故障的处理以常见的冷却单元异常为例，进行故障分析。（1）故障现象：在激光焊机焊接时激光 HMI 报警列表上，报告为“cooling unit error”红色字体闪动。（2）可能原因：焊机冷却单元出现工作异常。（3）处理方法：第一时间告知电气维护人员进行处理。从焊机 PLC 可以看到冷却单元发生的故障，低液位报警的情况下添加冷却液后液位缓慢上升后自动复位，报警消除。若高压报警的情况下打开冷却单元的前控制面板，找到检测开关，下面有一个绿色的复位按钮就可以点击复位后，复位激光源故障。但这只是暂时的处理方法，应尽快联系维修处理。3.3激光焊接的主要特点（1）速度快、深度大、变形小。（2）能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。（3）可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。（4）激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达 5颐1，最高可达 10颐1。（5）焊接能量转换密度高：高功率激光束聚焦后，由于焦斑直径非常小，功率密度高，可达到 105108 W/cm2。参考文献1本溪钢铁（集团）公司.本溪钢铁（集团）公司冷轧厂主要生产线引进合同 Z.2中国金属学会冷轧板带学术委员会.中国冷轧板带大全 M.北京：冶金工业出版社，2005.编辑吴建卿1炼铁热风炉使用现状高炉热风炉是炼铁行业的重要生产设备，它是通过消耗煤气燃烧产生的热量来为高炉提供高温热风。首钢京唐 2 号高炉于 2010 年投产，投产初期热风炉使用效果较好，但服役 34 年之后陆续出现炉壳开裂问题（图 1），并有逐渐加剧趋势，经过实施整带更换炉壳板等措施仍无法彻底解决，严重时威胁高炉的正常生产1。随着热风炉的频繁破损、修复、再破损，热风炉炉龄均有缩短趋势，局部挖补更换炉壳无法从根本上消除隐患，有烧出风险，可能引发火灾、爆炸、中毒、烧伤及影响高炉生产等严重后果。2炼铁热风炉问题分析对热风炉炉壳开裂焊缝解剖和显微观察，发现热风炉炉壳焊缝部位存在明显的未熔合缺陷，且炉壳裂纹靠近焊缝并沿焊缝发展，局部跨越焊缝，形成垂直和平行于焊缝的两种裂纹。两种类型的裂纹均起源于炉壳内壁，并向炉壳外壁呈树枝状发展，裂纹内部发生明显氧化（图 2）。从开裂面裂断口微观形貌来看，裂纹首先在炉壳内壁沿晶扩展，然后穿晶扩展，补焊过的平行裂摘要：介绍热风炉炉壳开裂情况，分析引起热风炉炉壳开裂的影响因素，发现炉壳内壁发生腐蚀造成应力集中是频繁开裂的重要原因。重点从改善炉壳材料、焊接处理等方面降低腐蚀并消除应力，提出复合钢板在热风炉上应用和复合钢板焊接、热处理技术应用。关键词：热风炉；炉壳开裂；腐蚀；复合钢板；焊接中图分类号：TG457.11文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10D.48复合钢板及其焊接方法在高炉热风炉的应用丁立轩，于占忠，李倩倩，靳晓爽，马召，赵波，王桂林（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山063200）图 1热风炉炉壳开裂状态骳髆髕设备管理与维修2023 翼10（下）图 2热风炉炉壳内壁形貌纹处发现裂纹从补焊的热影响区再次发生沿晶扩展，并在炉壳内壁、裂纹及开裂面中发现 S、P、Cl 等腐蚀性元素。炉壳开裂的机理为：淤焊接质量差，焊缝存在咬边、未熔合、焊渣等明显焊接缺陷，造成应力集中、焊接残余应力高；于焊缝附近的大裂纹起始于焊缝与母材咬边处，该位置集聚的应力大，是开裂的诱因；盂S、Cl 等腐蚀性介质使炉壳发生点蚀与均匀腐蚀，形成较深的腐蚀坑，在其底部尖端产生应力集中点，诱发并加速开裂；榆热风炉内压力周期性变化引起的交变应力，促使应力集中位置开裂或已开裂部位的裂纹扩展。综上所述，焊接和母材缺陷是导致应力集中和微裂纹的根本原因，并在交变应力作用下加速疲劳损坏，导致预期寿命缩短。残余应力、交变应力、腐蚀介质是炉壳开裂的 3 个因素2，炉壳开裂的机理为应力腐蚀疲劳开裂。3热风炉复合钢板及焊接方法的应用基于热风炉的工作特点，应力的周期性变化，钢结构疲劳问题是热风炉的共性问题，不可避免，因此技术改进重点放在减少腐蚀方面。3.1改善炉壳材料，提升抗腐蚀性能不锈钢复合板是碳钢基层与不锈钢复层牢固冶金结合而形成的复合钢板，该材料兼具不锈钢的耐腐蚀性和碳钢良好的机械强度及加工性能。904L 是一种低碳、高铬、高镍、高钼的超级奥氏体不锈钢，对均匀腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂和一般性腐蚀都有良好的耐腐蚀性能3。在热风炉生产环境中，介质对热风炉炉壳的腐蚀主要发生在热风炉炉壳内表面4，因此本次大修高温段采用复合板，材料为基板碳钢+内壁耐腐蚀不锈钢的设计选择，即热风炉 9 带以上炉壳往上至燃烧器下托砖圈部位为 Q355R+904L 复合钢板，将 904L 较强的抗腐蚀能力与 Q355R 较好的力学性能相结合。3.2复合钢板的焊接对不锈钢层及过渡层焊接选择热丝 TIG 焊方法，基层焊接采用 CO2气体保护焊焊接方法。复合钢板的坡口加工采用等离子切割方式，普通碳钢板的坡口则采用火焰切割的方式进行加工（图 3）。切割坡口时保证坡口角度的精确、坡口面光洁度符合规范要求，对坡口进行目视检查和渗透检测。坡口切割完毕后需对坡口面及坡口两侧边缘不小于 20 mm 范围内的油漆、油、锈、氧化皮、水等杂物进行清除，保证焊接质量。如图 4 所示，炉壳不锈钢复合板焊接首先在不锈钢侧采用CO2气体保护焊焊接部件淤，焊接至不锈钢复合层下表面 56 mm，在反面（碳钢侧）进行碳弧气刨清根部件于、打磨、合格后进行焊接盂，碳钢侧焊缝余高为 13 mm，不锈钢复合层焊接前对碳钢焊缝表面进行打磨光顺，并进行表面超声检测，合格后再采用钨极氩弧焊进行不锈钢复合层的填充和盖面焊接部件榆。不锈钢侧焊缝余高为 0.51.5 mm，打磨平整后进行超声二次检测，打磨过程注意保护不锈钢板表面。各段焊接速度趋于一致，多层多道焊接头相互错开 50 mm以上，最大限度同时完成一面焊接，不能一次焊完的焊缝，停止焊接后立即加热 200300 益保温处理，再次焊接前重新预热。3.3复合钢板焊接技术热处理焊接残余应力是影响热风炉炉壳应力的重要因素，需要按照技术要求进行妥善的热处理，降低炉壳在工作状态下的应力水平。复合钢板焊接全部为中厚板焊接，为消除钢板在弯制和焊接后产生的残余应力，要进行焊前预热和后热处理。焊前预热方式为温控电加热法（图 5）。焊缝两侧约 50 mm处用测温枪测量温度，加热 11.5 h 达到 120150 益温度。加热开始后，每隔 10 min 测温一次，并根据测量结果及时调整升温速度。纵缝、环缝测温位置必须在加热面的反面（即炉壳内侧）进行，纵缝测量点在距离施焊坡口两侧各约 50 mm 处平均取 6点，图 3坡口型式示意图 4复合钢板焊接示意骳髆髖设备管理与维修2023 翼10（下）环缝测量位置在焊缝上、下两侧距焊缝 100 mm 平均取 32 点为测温点，道间温度的测量在距离待焊坡口两侧各约 25 mm 处。为防止焊接裂纹的产生，炉壳体焊缝焊接、探伤结束后，对所有不锈钢复合板环缝、纵缝进行热处理消除应力。热处理在炉壳外侧采用焊口外敷设履带式加热板方法进行5，采用专业加温机加温，按照图 6 所示的温控曲线进行把控，升温速度不大于 120 益/h，采用“低温长时”的热处理方式，适当降低热处理温度，延长保温时间，防止不锈钢有晶间应力腐蚀倾向造成的敏化问题，防止复层母材和焊接接头铬碳化合物的析出。炉壳焊接过程，CO2气体保护焊及钨极氩弧焊均采用多层多道焊接、窄道焊接，且填充每层焊道排列适当，控制热输入，统一焊机参数，做好接头、收弧工作，保证熔透焊，其中钨极氩弧焊焊接时尽量减小摆动幅度以保证焊接质量。3.4复合钢板焊接质量管控所有参与厚板焊接施工人员必须固定，派专人负责检查记录，对焊缝的焊道次数、温度电流、电压等数据记录清楚。焊接完毕将焊工编号用钢印打在每道焊缝附近，且焊接完成后进行不锈钢表面的修磨。焊接质量管控措施流程如图 7 所示，具体措施包括：（1）制定防冷纹裂措施：用合理的焊接工艺，减小焊接应力，采用低氢型焊材，干燥保存。（2）防热纹裂措施：在焊接过程中严格要控制焊道的宽深比在合理范围内，控制焊缝成型系数，控制焊接电流不宜过大。（3）防出气孔措施：焊接的地方保持干净清洁，焊接过程中，焊接电流要适当，避免焊接速度过快，熔池内气体要完全放出、严格把控焊材品质、严格控制 CO2气体纯度等。（4）防出焊渣措施：在焊接施工前反复检查施焊部位及周围的清洁度。（5）防未焊透措施：坡口和间隙的尺寸保证合格以及根部及层间清理彻底。（6）放雨防风措施：搭设防风防雨棚和操作平台等。炉壳验收执行全熔透焊缝 100%渗透检验+100%超声波（复合板 TOFD）无损探伤方式检验，角焊缝及气密焊缝 100%渗透检验+100%超声波（复合板 TOFD）无损探伤方式检验，对于手工焊和半自动焊的焊缝，取其长度 10%进行射线探伤，对于自动焊的焊缝取其长度的 5%进行射线探伤。4效益效果热风炉大修改造通过应用复合钢板和其焊接技术，热风炉炉壳使用寿命得到延长。通过炉壳材料的提升，降低炉壳内壁腐蚀，从根源上解决了炉壳开裂问题，减少因炉壳开裂应急处理的次数，节省检修费用，保证设备稳定，也避免了由于处理故障甩炉对风温造成的影响。从复合钢板应用到焊接流程管理，实施全员全过程管控，不仅为大型高炉热风炉大修积累经验。同时降低了排放指标，减少热风炉烟气的硫排量。参考文献1陈辉，孙健，王伟，等.热风炉焊接残余应力周向分布与消除 C.中国金属学会，第十二届中国钢铁年会论文集，2019.2武建龙，陈辉，孙健，等.大型热风炉炉壳开裂原因探讨分析 C.2017 第五届炼铁对标、节能降本及新技术研讨会论文集，2017.3王凤会，刘立伟，王小勇，等.Q345R+904L 不锈钢复合板焊接接头力学及腐蚀性能的研究 J.电焊机，2019，49（11）：20-25.4刘水林.谈热风炉壳复合钢板的制作与焊接 J.山西建筑，2014，40（28）：105-106.5章锐.热风炉炉壳高温段的去应力退火 J.科技资讯，2012（4）：108.编辑张韵图 5焊前余热示意图 6退火热处理曲线图 7焊接质量控制流程骳髆髗