高炉焊接大套结构风口段制造技术

2018-05-23刘良

世界有色金属 2018年6期

刘良

（秦皇岛秦冶重工有限公司，河北秦皇岛 066318）

在我国经济的飞速发展中，金属冶炼行业对我国工业和社会的发展影响意义深远。高炉是金属冶炼的关键设备，其结构、稳定性直接影响着金属冶炼的质量和效率。风口是高炉实现金属冶炼的重要部件，在新型高炉结构中，对高炉的风口进行了新的设计，改变了传统的风口结构形式，将风口大套与风口段炉壳直接焊接。这种结构形式，能够有效地降低其制造成本。但该种结构形式的风口段在建造施工时精度要求高且不易把控，其制造难度大，有必要对其制造技术进行进一步的研究。

1 炉壳风口段简介

本次承制的4座高炉有效容积均为1080m³，其风口段布置在第四带，风口段炉壳材质为Q345R，板厚为45mm，内径Φ9400mm，高度1990mm，四段拼接。炉壳上圆周方向均匀分布风口20个、冷却壁水管孔及冷却板安装孔100个。风口大套材质为16Mn锻件，外径Φ1020mm。大套与炉壳焊缝为全熔透焊缝。炉壳保证总体圆度，任意标高位置半径公差±12mm，理论环形长度公差±20mm。任意相邻风口大套中心线夹角误差≤4′，风口大套水平中心线相对风口理论标高偏移量≤6mm，贴合高炉内侧风口大套理论半径公差±10mm。大套密封面粗糙度Ra≤0.8μm，大套小端内孔直径公差±0.15mm。

2 风口段制造技术难点和关键

2.1 风口带炉壳开孔

风口带上分布冷却壁水管孔、冷却板安装孔及风口大套装配孔。①冷却壁水管孔、冷却板安装孔。风口带炉壳内径Φ9400mm，其曲率半径远远大于炉壳板厚（45mm）。冷却壁水管孔、冷却板安装孔由于其孔径较小，且精度要求不严格，进行卷制前开孔，采用开孔机按开孔线开孔。卷制的中性层即为炉壳钢板厚度的中心层，中性层在其卷制前后长度没有变化，按板厚计算出钢板卷制后将理论孔径包络进去的中性层长度即为开孔孔径。②风口大套装配孔。风口大套装配孔孔径为Φ1024mm，孔径较大，且孔径大小及位置精度直接影响大套的装配精度及焊接质量，故采用卷制后开孔。风口带炉壳卷制完成后，将风口带按内径放样，将四段拼接壳体（按标记角度顺序）按放样调整、组对成整圆，各拼接段错边量不大于3mm，测量周长校验直径；用水准仪、高度尺测量风口带炉壳高度，连板连接各拼接段。用水准仪、高度尺划出大套装配孔水平中心线，利用全站仪、盘尺划出20条竖直中心线，标记出风口的十字中心线。检查20个风口相对位置的准确性，合格后划出开孔轮廓线，采用靠模气割的方法割制风口大套装配孔及焊接坡口，保证大套与炉壳装配间隙2mm。

2.2 风口大套装配

将风口大套在平台上找平，划贯通工件十字中心线并打样冲标记。利用组对调整工装，将风口大套十字中心线与风口段炉壳孔十字中心线对齐，端面用线坠找垂直，测量大套外端面十字线上水平、垂直四点到炉壳中心尺寸，调整到位。风口大套按炉壳中心对称顺序组对，挂钢线检查其同心度及向心精度。利用全站仪、角度仪等检、量具，检查调整组对偏差，保证尺寸、位置及向心精度，保证风口大套安装位置准确。在炉壳内侧组对防变形加强支撑，长度方向采用方管支撑，各大套之间采用十字分布筋板加固成整体。先将风口大套中心四个位置定位焊，定位焊长度为80mm，厚度焊透，定位焊位置清除有害杂质。大套定位完成后，加强支撑加固焊接。见附图1。

表1 焊接工艺参数

图1 大套装配图

2.3 风口大套的焊接

炉壳与风口大套为同种钢焊接（Q345R与16Mn可焊性良好）。炉壳板厚45mm，大套焊接部位为55mm，板厚差异不大，板厚略厚。坡口形式为K型，焊接填充量达到工件质量的8%，填充量大，并且要求焊缝为全熔透焊缝。难点在于炉壳与风口大套焊接质量的保证及焊接变形的控制。风口大套为锻件，其内部组织致密，力学性能良好，不易产生缺陷。保证焊接质量及控制焊接变形，需要从以下几个方面进行控制：

（1）焊接方法及焊接材料的选择。炉壳与风口大套为同种钢焊接，按照其材质及等强度原则，考虑焊接变形及焊接质量的保证，采用CO2气体保护焊、YJ502药芯焊丝、焊丝直径Φ1.2mm进行焊接作业。

（2）焊前工件处理。焊接前，用钢丝刷、角磨机清除坡口及母材周围30mm范围内（以到坡口边缘的距离计算）有害杂质，必要时打磨至露出金属光泽。

（3）焊前预热。预热温度为80℃～100℃，预热范围为焊缝周围200mm内。采用火焰枪进行预热，红外测温枪进行温度监控。

（4）焊接作业。将工件固定在胎架平台上，各段之间连扳连接成整体，增加强度。多层多道焊，采用直进焊，为保证坡口两侧熔合良好，允许适当的摆动，月牙弧形摆动，但摆动宽度不超过焊丝直径的10倍。先焊接内侧两至三层焊道，全位置焊接。将风口带各段解体，水平放置，每个风口大套需要两名焊工同步进行对称焊接，同一段风口段炉壳不同大套从中间向两端依次焊接，使得焊接时的应力能够相互抵消，减少残余应力，控制焊接变形。每道焊接完成后及时清理焊渣及表面飞溅物，发现影响焊接质量的缺陷，清除后再进行焊接。层间温度控制在100℃～150℃，红外测温枪进行温度监控。焊接工艺参数见表1。

（5）消除焊接残余应力。常规的消除残余应力有整体退火和局部加热两种方法。风口带属于大型构件，筒状壳体，壁厚较薄，整体退火变形不易控制，并且整体退火费用高，局部加热受热不均匀，效果不理想。本次采用焊接过程和焊后振动时效相结合的方法消除残余应力。焊接时，每道焊道焊接完成后，采用小锤敲击焊道，敲击时用力均匀，并沿着焊接方向进行敲击，锤子不可带棱角或尖角。敲击时，不要伤及母材。第一层焊道不可敲击，否则，可能会因其焊道强度不足，敲击不当导致根部裂纹。也不允许对盖面焊道进行敲击，否则可能会使表面层焊道因敲击而产生表面冷作硬化，出现裂纹倾向，也影响焊缝表面外观质量。焊接完成后，将风口带垫起，用满足吨位要求的振动器进行振动时效消除残余应力。

图2 工厂焊接现场

2.4 矫正焊接变形

风口大套与炉壳焊接后，炉壳不可避免地会发生形变，需要进行二次预组装、校正变形。平台上放样，按内径放样调整矫正、组对成整圆，连板连接各拼接段。检查调整组对偏差，确保大套组对尺寸、位置及向心精度。

2.5 机械加工

风口带单片尺寸为6700mm×1500mm×1990mm，需要用带回转台的大型数控镗铣床加工，分片加工后，又面临现场组装焊接变形的风险。将大套密封面直径方向留6mm的现场加工余量，大套其余尺寸装配前加工成。现场将风口带与上下带组装焊接完成后，用可移动式镗孔设备，按大套端面保留找正线找正，重新修整密封面，能够有效地保证其精度。密封面粗糙度要求Ra≤0.8μm，采用人工刮研的方法精磨密封面满足要求。