炼钢转炉汽化烟道加料水套耐磨层的堆焊工艺

梁修福

摘 要：炼钢转炉汽化烟道运转时，通过加料水套向钢包中加合金料，势必与水套内壁相摩擦，日久则磨损水套导致泄漏。为了保护水套内壁，就要求在内壁上堆焊一层耐磨层，起到保护的作用。而由于加料水套自身的结构及焊接材料的特性，决定了该堆焊工艺独特性。

关键词：堆焊；淬硬组织；裂纹；低熔点共晶；塑性储备

顾名思义加料水套是炼钢转炉炼钢过程中向炉中加合金料用的通道。加料水套的结构一般是由20GΦ38×4受热管密排焊接，组成直径为600-1000mm的圆筒状。

该耐磨层所用的焊材为马氏体不锈钢焊材，一般选用符合AWS A5.9-2006《不锈钢光焊丝和填充丝》标准的ER410焊丝。马氏体不锈钢焊材在使用中都要求焊前对焊件进行预热，焊后及时后热或热处理，因为这类焊材在焊缝中，其焊缝组织在空冷的情况下都为淬硬组织，极容易形成淬硬裂纹或延迟裂纹。

而加料水槽堆焊的实际情况却是：

一、如果按正常的要求预热后焊接，Φ38×4受热管及整个加料水套将会产生严重的焊接变形，并且这种变形难以进行矫正，因为马氏体焊层硬度高，塑性差，强行对加料水套进行矫正，堆焊层将会出现裂纹。在转炉烟道恶劣的工况环境下，烟气温度会剧烈的变化，受热管会随之热胀冷缩，会导致表层的裂纹不断的向深层扩展，而引起严重的后果。

二、如果焊前不对加料水套进行预热，则耐磨堆焊层冷却速度快，形成应力集中。淬硬组织硬而脆的特性决定了堆焊层的金属塑性储备很低，在焊接应力的作用下，在焊缝冷却的时即可产生淬硬裂纹；或在淬硬组织、焊接应力和氢元素三因素共同作用下，形成延迟裂纹又称为氢致裂纹，其在100～-100℃的温度范围内随时都会产生。

所以，加料水套的耐磨层的堆焊，不能按常规的做法进行。下面就该堆焊工艺进行详细讲解。

一、在堆焊ER410之前，在20G受热管上先堆焊2～3mm ER309过渡层。因ER309是奥氏体焊材，其熔敷金属具有很好的塑性和韧性。有了这层奥氏体堆焊层，就可以为ER410马氏体堆焊层提供应力松弛所需的塑性储备。因为焊接裂纹产生的根本原因是，焊接应力松弛所需的应变量超过了该部位金属所能提供的最大应变能力（即材料本身的塑性储备）。这层相对柔软的奥氏体堆焊层为马氏体堆焊层提供了足够的应变量，使其应力得到最大程度的释放，从而避免了裂纹的产生。

二、增设循环泵，堆焊的同时给加料水套通循环水，将焊接热影响范围降至最小，这是控制焊接变形的有效措施。焊接温度场越大，温度梯度越大，由此引起的不同组织间相变产生的组织应力场，和不同部位的热胀冷缩产生的应力场的范围就大，焊接变形就越严重。通过循环水，压缩温度场，此时的焊接变形集中于焊缝金属上，而受热管的变形及加料水套的整体变形很小。

三、焊前要彻底清理加料水套内表面的油、锈等杂物，如果不好清理，可对加料水套进行整体抛丸处理。因ER309熔敷金属的含镍量达到了13%，所以奥氏体体现出了镍基合金的特性：对热裂纹非常敏感。究其敏感的根本原因是因为镍是奥氏体形成元素的同时，能和多种元素形成低熔点共晶，诸如：硫、磷、锡、铅、锌、锑、铋、砷等。

在堆焊操作时，要注意以下几点对焊层的影响：

一、ER309焊丝工艺性的影响。与堆焊ER410相比， ER309由于含镍量高，表现出了更多的镍基合金的工艺特性，液态焊缝金属流动性差，不像钢的焊缝金属那样容易润湿展开。这就使得其焊道两边焊趾处与基材之间不易圆滑过渡或熔合不良，造成堆焊层表面高低不平。针对该情况，宜采用小幅度摆动施焊，摆动幅度不超过15mm。这样堆焊时焊道两侧焊趾处温度都较高，有利于两侧的熔合。在操作上，当摆动到每侧的极限位置时，要稍停顿一下，以便有足够的时间使焊道间的搭接处充分熔合。

二、工件倾角的影响。堆焊时，为了控制对焊层的厚度，一般将工件与水平面形成一定的夹角α，称为工件倾角，如图所示。工件倾角对焊层的影响较大。焊枪移动的方向是从高处到低处，就是俗称的倒流水焊法。随着工件倾角增大，堆焊面变陡，液态焊缝金属受重力作用向下流的趋势加大，焊接速度相应增大，堆焊层厚度变薄，外观较平坦。反之，工件倾角减小，堆焊面趋于平焊位置，液态焊缝金属下流趋势减小，焊接速度变慢，堆焊层厚度增厚，堆焊层外观凹凸加剧。

在堆焊层厚度一定的情况下，堆焊ER309时，由于其本身固有的特性，焊件倾角可比堆焊ER410时大一些，角度一般为25～35°。而在堆焊ER410时，由于该焊丝为马氏体型焊丝，不含Ni元素，故其液态焊缝金属的润湿性非常好，几乎和普通碳钢无异。故在堆焊ER410时，其工件倾角可适当减小，一般为20～30°。

工件倾角示意图 摆动幅度示意图插图

三、摆动幅度对堆焊层的影响。堆焊操作时的摆动幅度对堆焊层厚度和外观有很大的影响。摆动幅度增大，堆焊层增厚，焊道之间易造成搭接不良，堆焊层表面变粗糙；反之，堆焊层减薄，堆焊层的表面状况会得到改良。这是因为以下原因：如图所示，随着焊枪摆动幅度L的增大，在环境温度和冷却水的作用下，两端极限位置a点和b点的温差增大。当焊枪摆到b点时，a点的温度已经较低，当焊枪摆回到a点时，熔池受到基材温度的抑制而变得较小，焊缝余高增加，也就使得堆焊层增厚。也是由于基材温度较低的作用，液态焊缝金属难以很好的展开与周边金属充分的熔合，从而使得堆焊层表面凹凸不平。反之在摆动幅度较小时，堆焊层表面较平整。

四、焊接参数对堆焊层的影响。在加料水套耐磨层的堆焊中，ER309和ER410两种焊丝的焊接参数由焊丝的规格、加料水套耐热管的厚度、工件倾角和摆动幅度等因素有关。一般焊丝的规格选用Φ1.2mm为宜。由于受热管的厚度一般为4mm，为了避免烧穿，一般采用的参数较小，如表一。