热风炉焊接工艺曲线立缝电渣焊.doc

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热风炉焊接工艺

按260m3高炉及其四座热风炉炉壳焊接工程中, 板厚大于28mm的炉壳垂直立焊缝, 全部采用了管焊条熔嘴电渣焊工艺。但由于设计外形上的要求, 热风炉炉体上部为曲线变径, 顶部为悬链线半球形, 因而存在大量曲线和”S”形曲线拼接立焊缝。在四座热风炉中, 板厚大于28mm的立焊缝总长共443m, 其中曲线和”S”形曲线立焊缝就有275m, 占总长的65%。在直线立缝采用电焊的工艺基础上, 针对曲线立焊缝的特点, 采取了相应的工艺措施, 做了模拟试验, 制订了相应的焊接工艺, 在热风炉炉壳的曲线和”S”曲线立焊缝上, 实现了管焊条熔嘴电渣焊。

一、 热风炉炉壳焊接概况
按260m3高炉共四座热风炉, 设计为内燃式。炉身直径8m, 上部曲线变径处的直径9.5m, 全高38m。炉壳钢板的材质为SM41B, 板厚分别为16、 20、 22、 28、 32、 36、 42mm。总重1132t。
热风炉炉壳分成22带制造。曲线变径处及半球形炉顶曲面部位共五带, 全部分块热压成型, 拼成曲面环节。各分块间的拼接立缝, 均为曲线立缝( 如图1) 。
其中第十五带, 即曲线变径部位, 原设计分为两带, 在两圆弧切点处分开, 由一条环形焊接联接。由于在热加工时改进了加工工艺, 将原设计的两带合并成一带, 该带在炉体纵剖面上呈”S”形弯曲。内弧的曲率半径为1400mm, 外弧的曲率半径为3500mm, 板厚42mm, 垂直高度2340mm, 弧长2470mm。整个环带由14个分块组成, 共56条曲线立缝, 总长158m。
第十九带由14个分块组成, 在炉体纵剖面上曲率半径为2400mm, 板厚32mm, 垂直高度为800mm, 弧长832mm, 共56条曲线立缝, 总长46.6m。
第二十带由12个分块组成, 在炉体总剖面上的曲线形状为设计给定的悬链线, 板厚28mm, 垂直高度1500mm, 弧长1598mm, 共48条曲线立缝, 总长76.7m。
以上三带的曲线立缝均采用管焊条熔嘴电渣焊工艺方法焊接, 其余两带曲线立缝, 因板厚只有22mm, 只能采用手工焊。热风炉的全部环缝均采用手工焊。

二、 曲线立缝电渣焊的工艺特点
曲线立缝电渣焊工艺是在直线立缝电渣焊的基础上改进后形成的。所采用的焊接设备、 工艺装备、 焊接规范和基本工艺操作方法, 与直线立缝电渣焊基本上相同, 其特点如下。
①由于工艺上的要求, 管焊条要必须置于焊缝间隙之中。因此, 焊接曲线焊缝的管焊条也必须是弯曲的, 其曲率必须与所焊的曲线焊缝一致而且保证对中。由于焊条在弯曲加工上的误差, 致使管焊条偏离焊缝中心, 造成渣池温度不均匀, 易产生未熔合等缺陷。
②弯曲加工的管焊条, 因药皮龟裂或脱落, 造成钢管裸露, 易产生中间引弧短路容易使焊接过程中断。
③弯曲的管焊条, 焊丝不易顺利经过, 影响焊丝按正常速度给送, 甚至出现卡丝、 输送轮打滑现象, 使焊接工作被迫停止。
④水冷结晶器工作面必须是曲面, 以使结晶器与工件表面严密接触, 间隙不能超过允许数值。否则会因间隙过大造成跑渣, 影响电渣过程的稳定。
⑤由于管焊条和工作间隙呈弯曲状, 焊药粉不能顺利填入渣池, 常常产生挂药现象, 因此, 有时不能有效地调正渣池深度, 造成电渣过程不稳, 焊接电压变化较大。
⑥由于曲线焊缝上各点斜率不同, 渣池在各点上的截面尺寸亦不相同。在焊接过程中由于渣池截面变化, 需要随时调正焊接工艺参数, 以保证线能量的相对均衡。

三、 曲线立缝电渣焊的工艺措施
1、 管焊条的弯曲加工
①因管焊条的供货状态是直条供货。因此, 焊接前必须按所焊焊缝的弯曲形状和曲率进行弯曲加工。弯曲加工的方法是首先做好弯曲样板, 计算好弧长, 在木垫或橡胶垫上用手工弯曲成要求的形状, 最后用样板检查并调正, 焊条与样板的间隙不大于2mm。加工后的焊条应在焊缝间隙中试装, 要求焊条与板边或结晶器工作面不接触, 间隙大于3mm。
②为使管焊条在弯曲加工中药皮不致大片脱落, 在加工前将焊条进行回潮处理。处理的方法是将焊条在较潮湿的环境中或地面上放置24h。
③药皮大片脱落的部分, 用焊药粉和水玻璃补涂, 补涂的部分涂层不能过厚, 尽量与原药皮直径一致。过厚的部分用砂纸打光, 补涂后进行干燥。无条件干燥时, 可在焊前对焊条下部500mm左右长的一段, 用乙炔火焰烘干, 其余部分在焊接过程中可自行干燥。
④由于管焊条在弯曲的焊缝间隙中, 常常因自然下垂而改变其位置。因此, 对管焊条与焊接边缘采取固定措施。固定的方法可采用钢丝绕结点焊在工件边缘上, 或用钢线挂钩别在板面上, 也可用临时挡铁顶住。前一种方法可在焊前进行, 固定点的间距在500mm左右, 后两种方法多在焊按过程中用以临时对中固定。
2、 水冷结晶器
曲线焊缝所用的弧形结晶器, 因在一般情况下构件的直径比较大, 曲面的加工比较困难。为了简化加工, 我们采取的方法是, 在圆弧外表面结晶器加工成圆弧的, 所有内圆弧表面的结晶器均采用较短的平面结晶器。为了减少圆弧结晶器的种类, 可根据所焊不同曲率的焊缝, 进行综合考虑。对于曲率比较接近的, 即在结晶器弧长范围内, 两弧弦高度差不大于2mm时, 能够通用, 可是只可用曲率大的代替曲率小的, 这样可保证结晶器安装的稳定性, 如图2所示。内表面的平结晶器的长度确定原则是: 当结晶器与工件的弧形表面接触时, 其弧弦高不大于2mm, 如图3。图4为热风炉第十五带”S”形曲线立缝水冷结晶器配置图。
3、 焊丝
焊接曲线焊缝所用的焊丝直径, 要比在相同情况下焊接直线缝所选用的直径小一些。比如, 我们在使用ф12×4管焊条焊接直线立缝时选用的焊丝直径为ф3.2mm, 焊接曲线立缝时, 则改用ф3.0, 焊丝端部进行倒角处理。为了提高焊丝的挺度, 所用的ф3.0mm焊丝最好用ф3.2mm焊丝直接冷拔加工。
4、 焊药粉
为焊药粉顺利填入渣池, 不致产生挂药现象, 在焊药粉中加入20～30%细粒431焊剂, 粒度为1～1.5mm, 并要筛分选净。

四、 单面丝极电渣焊( KES法)
高炉炉壳, 除炉喉三带外, 其余9节共34条立焊焊缝, 采用日产TM-54型自动电渣焊机, 配GR-H800型焊接电源完成的。
这种焊接方法与手工电弧焊法相比有劳动生产率高、 焊剂消耗少, 劳动条件好, 节约能源, 焊道质量高等优点。
高炉炉壳立焊焊缝采用日本产Y-CM( ф2.4mm) 镀铜焊丝, 日本产YF-15焊剂。
高炉炉壳立焊缝所用的电渣焊机是KES-TM54型单面线极电渣焊机。
单面丝极电渣焊对施工条件有如下几点要求:
①焊件装配精度要求严格, 装配间隙≤5mm, 装配错口≤3mm。
②前后水冷结晶器供水量要求水压大于2×105Pa; 水流量大于8～12L/min, 另外需保证终结晶器流出的水温不得大于45℃。
③网络电压要求比较稳定。
经验证明KES法施焊时, 如果供电网络电压波动太大, 会对焊接质量产生较大的影响, 一般供电网络电压波动不得大于2～5%。我们在施焊中在网路上另加TNSTA-90/0.5油浸式自动感应调压器, 使电源稳压性能达到要求。
在外界条件满足上述要求后, 施焊中影响电渣焊质量的主要有焊接电压、 焊接电流、 渣池深度3个参数。辅助焊接参数有焊丝伸出长度, 电源极性等。

五、 强迫成型气电自动焊
高炉外燃式热风炉。热风炉的蓄热室、 燃烧室的全部现场气焊焊缝均采用强迫成型气电自动焊( 即EG法) 进行焊接。
强迫成型气电自动焊接法有以下几个优点:
①生产率高。能够相对地采用大电流施焊, 焊接速度快。以焊32mm厚钢板为例: 手工焊时, 纯焊接速度是0.3m/h。用单面丝极电渣焊的速度是2.1m/h, 而用强迫成型气电自动焊则是3.4m/h, 为手工焊的11倍, KES法的1.6倍。
②质量好。由于此法采用药芯焊丝, 并加二氧化碳气体保护。双重保护使有害气体不易侵入熔池。熔渣比较薄, 便于施焊工人监视施焊处, 能及时调节焊接参数。它的起弧段所造成的熔合不良区段比KES法短。EG法焊缝不易产生气孔、 夹渣、 末熔合等焊接缺陷。
EG法施焊比KES法施焊所用线能量小, 晶粒较细, 焊缝冲击韧性也比其它焊法好。
③劳动强度低。由于自动化程度较高, 有溶池深度自动反馈装置, 工人劳动强度较低, 工程中使用了( 日产) DAIDEN、 EG-U型强迫成型气电自动气焊机, 配CR-H800型电源。
施焊前, 焊丝要在250℃～300℃温度内烘干1h, 然后在100℃～150℃的保温箱内保温待用。烘干温度不可过高, 时间也不可太长, 否则焊丝发软, 导致送丝间断性步进, 造成断弧等缺陷。
强迫成型气电自动立焊机的主要焊接参数有4个: 焊接电压、 焊接电流、 焊接速度和二氧化碳气体流量。辅助焊接规范参数有: 熔池液面高度、 装配间隙、 错口尺寸、 电源极性及冷却水流量等。
这种焊法的装配精度要求组装焊缝间隙10～12mm, 由于上端的黄向收缩比下端大, 实际装配时, 焊缝上端间隙12mm, 下端间隙是10mm( 焊缝全长是5m时) 。
焊缝的装配错口一般不得大于3mm, 否则自动焊机机头爬升时, 滑块与炉壳不易贴紧, 易跑渣。
这种焊法要求强迫供应冷却水( 上、 下结晶器用冷却水) , 冷却水流量是10～12L/min, 水压是3～3.6×105Pa。
这种焊法对供电网络的电压稳定性要求也比较严格, 一般不应超过2～5%, 我们加配了国产稳压电源加以保证, 其型号TNSJA-90/0.5油浸式自动感应调压器。

六、 焊道热处理
高炉外燃式热风炉, 其蓄热室及燃烧室拱顶壳体采用日本SM41C-CF钢材。这种构件在日本曾经出现过应力腐蚀裂纹。为了预防焊缝的应力腐蚀裂纹, 工艺规定必须在焊后进行焊道及热影响区的消除残余应力热处理。
热风炉拱顶部分的工厂焊缝, 已在制造厂进行了整体消除残余应力热处理。这就将壳体冷弯加工及焊缝拼接时所产生的残余应力作了处理, 降低到许可的范围之内。而工地拼接的焊缝, 则应在工地焊完之后进行局部消除残余应力退火处理。其中在工地退火焊件最大直径为ф11.66m, 放长焊缝为36.6m, 最高焊缝条距地面54m。
高炉热风炉焊后热处理所用设备是日本退火株式会社的产品, 主要有JAN-100-6型6回路程序控制退火机, JAN-200型12回路程序控制退火机及JAN-T型小型退火机。
高炉热风炉拱顶的退火温度为: 625℃±25℃。
退火作业的恒温时间与板厚( δ) 有关, 其计算公式如下:
t( 恒温时间) ≥( h)
退火作业时, 升温速度与降温速度是根据板厚( δ) 计算出来的, 其公式如下:
R( 升、 降温速度) ≤200×( ℃/h)
在升温时, 300℃以前能够自由升温, 对升温速度不加限制; 在降温时, 温度到300℃以下, 能够自由冷却。
这套退火机组所用的加热元件为箱式加热器和板式加热器两种。箱式加热器附有保温层, 内装有5KW与3KW的电阻丝各一组。外形尺寸900mm×600mm。厚153mm, 有4个引出端子, 可使用5KW, 3KW或8KW等组合功率, 适用于平面或大曲率面的加热。
板式加热器本身不带保温层的加热元件。功率5KW, 可用于整体退火或不规则元件的退火处理。
焊后热处理机组有如下优点:
①机动性好, 适应于基建工地使用。它的最大退火机重1.6t, 最小退火机仅27.5kg, 可根据退火工件的大小任意组合, 便于工地移动。
②适应性好, 工艺性能广泛。经过机组的不同, 能够适应ф25mm的管口退火至ф25m的大型构件．大型球罐的退火。由于备有多种加热器, 还能够适应表面带有筋板的复杂构件的退火。当某些构件既须要焊前预热．又要求焊后消氢或焊后热处理时, 就能够一次装机, 分段进行不同处理。
③温度参数控制准确, 同步性好。能够作到各测温点同步升．降温。
④有利于文明施工及安全作业。