三钢6号高炉炉壳焊接工艺研究

段 晨

（福建三钢冶金建设有限公司，福建 365000）

0 引言

高炉设备在冶金行业应用广泛，是主要冶炼设备之一，高炉炉壳作为高炉的重要组成部件，其质量是决定高炉能否正常运行的关键因素。炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉体，不仅要承受炉顶载荷，还要能承受热应力和内部的煤气压力，抵抗突然冲击，因此高炉炉壳必须具有足够的强度才能保证高炉安全可靠。而炉壳又是由众多部分焊接而成的，故而焊缝的质量又是重中之重。制订合理的焊接工艺，并严格按工艺施工是确保高炉炉壳焊接质量的关键环节。

本文对福建三钢闽光炼铁厂6号高炉大修改造工程概况进行了介绍，对6号高炉炉壳接方法、焊接材料、焊接设备进行了分析和确定。同时根据焊接工艺评定和验证结果，制定出了高炉炉壳具体焊接工艺，并对最终的焊接结果进行了评定。

1 工程概况

此次福建三钢闽光炼铁厂6号高炉大修改造工程，炉壳材质采用BB503钢板，壳体厚度为45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、70 mm五种规格。高炉壳体共分为22带（见图1），所有壳体需要在车间分片进行下料，卷制后运至施工现场的组装平台，进行炉体单节制造，然后在现场吊装成炉体。

图1 6号高炉炉壳结构示意图

2 焊接工艺的确定

2.1 BB503钢板的可焊性分析

BB503钢板属于低合金高强度钢板，化学成分见表1，力学性能见表2。根据国际碳当量计算公式，计算得到其碳当量为0.48%，大于0.4%，具有较高的冷裂纹敏感性，可焊性不好，焊接过程中容易出现裂纹。另外，该材质中含有N，焊接操作不当会产生时效脆化，所以，必须严格控制焊接工艺及参数[1，2]。

表2 BB503的力学性能

2.2 焊接方法

为了保证炉壳焊接的效率和可操作性，降低成本，采用最常用的CO2气体保护多层多道焊[3]。

2.3 焊接材料

采用与炉壳钢板成分相近、直径为Φ1.2 mm的ER49-1实芯焊丝，成分和力学性能见表3、表4。

表3 ER49-1焊丝的化学成分 /%

表4 ER49-1焊丝的力学性能

2.4 焊接设备

采用硅整流CO2自动焊机，型号：KR-500。

3 焊接工艺评定

3.1 焊接工艺评定

在正式焊接炉壳前，对BB503钢板的CO2气保焊进行焊接工艺评定。通过对焊接接头的质量检测以及拉伸、弯曲、冲击一系列的力学实验，验证焊接接头的质量，以确定合适的工艺参数。

3.2 评定材料及焊接参数

为保证焊接工艺评定的认可范围达到施工要求，根据《承压设备焊接工艺评定》标准，选择δ=40 mm的钢板为焊接工艺评定对象，其认可的板厚范围为16～80 mm，符合高炉壳体的需要。

选定焊接方法为板状对接双面CO2气体保护立焊，工艺评定试板的尺寸为500 mm×250 mm×40 mm，其坡口示意图如图2所示。焊接工艺参数为电流100～140 A，电压为20～25 V。

图2 试板坡口示意图

3.3 评定结果与分析

3.3.1 接头外观质量

焊缝外观检查结果符合GB 50236—2011《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》的Ⅱ级标准的质量要求，未发现裂纹、咬边、未焊透、气孔、夹渣等缺陷。焊缝经超声波无损探伤检测，达到Ⅱ标准。

3.3.2 力学性能测试

对焊接接头进行拉伸、侧弯、冲击力学实验，结果见表5。试验数据证明，此种焊接工艺得到的焊接接头抗拉强度和冲击值都高于母材的标准下限值，侧弯试验结果均合格。

表5 力学试验结果

经过焊接工艺评定，BB503钢板可采用CO2气保焊，焊接接头性能好，可将此焊接方法使用于高炉炉壳焊接。

4 炉壳焊接工艺

根据BB503钢板CO2气保焊的工艺评定，设计制定了6号高炉炉壳焊接工艺。

4.1 焊接坡口

炉壳焊缝分为环焊缝与立焊缝，环焊缝的坡口型式采用非对称K型坡口方式（见图3），立焊缝的坡口形式采用非对称X型坡口方式（见图4）。

图3 炉壳环焊缝坡口方式

图4 炉壳立焊缝坡口方式

4.2 坡口加工要求

为保证坡口加工的一致性，采用半自动切割机加工坡口，确保坡口表面没有裂纹、夹渣、分层以及大于1 mm的缺棱等缺陷。焊接前应对坡口进行打磨至露出金属光泽，尤其是组对时进行定位焊焊缝及周边杂质打磨，必要时需用碳弧气刨清理，同时要对坡口两侧30 mm范围内的油污、水分、铁锈等杂质清理干净。

4.3 坡口组对要求

坡口组对后，要进行整体检查。对于坡口有深刻痕的，要在焊前堆焊长肉，确保打底焊道的质量。

4.4 定位焊

定位焊采用CO2气保焊，其他要求与正式焊接要求相同。定位焊的位置在焊接背面，反面焊接时要将其刨除。横焊缝定位焊长度50～80 mm，间距500～600 mm，焊肉高8 mm。定位焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷。定位焊缝如有微裂纹，则定位焊前也应预热，预热温度100～150℃，预热方法可采用火焰加热。对于定位焊产生的微裂纹，要彻底刨除干净，预热后重新点焊。

4.5 预热

由于炉壳钢板厚，刚性大，焊接量大，且母材碳当量较高，因此正式焊接前要做预热处理。预热方式采用氧气-乙炔焰大烤枪均匀地烘烤炉壳加热。预热应在焊接的反面进行，范围在坡口两侧，每侧预热范围不小于板厚的3倍。控制预热温度为150℃～200℃，且预热时，温度上升不宜过快，同时注意控制总预热时间为1～2 h完成。在焊接过程中仍需边预热边焊接，直至打完底并填焊两遍后才停止预热工作，但焊缝仍需一气焊完。环焊缝焊接时，对层间温度进行控制，控制温度为100～150℃。

预热、层间温度的控制设专职人员管理。开始加热的时候就要进行测温，每次测温间隔30分钟，同时做好记录工作；如果升温异常，过快或者过慢要及时采取调整措施。环缝位置的测温点布置，要先将环缝等分为16点，每点上、下距焊口200 mm位置各为1点（共32点）为测温点，见图5。

图5 测温点分布

4.6 焊前准备

（1）领取焊材时，检验ER49-1焊丝包装是否完好，拆封使用时倘若发现焊丝表面存在锈迹应将焊丝退还仓库。

（2）二氧化碳气体纯度不低于99.5%，含水量不超过0.05%，瓶内气体压力低于1 N/mm2应停止使用。

4.7 正式焊接

4.7.1 焊接顺序

先焊内侧，焊2～3层后，外侧清根，打磨干净后，内外侧交错施焊，注意内外部的焊接方向相反。焊接前对间隙较大的区域在外侧加陶瓷衬垫，完成焊接后去除陶瓷衬垫，并用碳弧气刨对炉壳内侧焊缝第一道焊缝进行清根打磨，务必保证去除气孔、夹渣、氧化物等可能存在的缺陷、杂质。

炉壳环焊缝焊接时需4名焊工（对角同时顺时针方向同步施焊），焊工必须均匀对称施焊，各段的焊接速度、焊接电流、焊接电压保持一致。为避免应力，各道焊缝起弧点、收弧点必须间隔100 mm以上。

4.7.2 焊接参数

炉壳焊缝的焊接参数如表6所示。

表6 焊接参数

4.7.3 焊接措施

（1）在施焊过程中注意层层打渣，层层检查，每道焊缝中的焊瘤、飞溅和气孔清除干净后，方可进行下一层焊接；多层焊的层间接头应错开50～100 mm，避免因始、终点叠在一起引起应力集中和其他焊接缺陷。后一层焊道压前一层焊道30～50 mm。

（2）在施焊过程中注意采取有效的防风、防雨措施。

（3）每道焊缝宜连续焊接，若不得不中断时，下次焊前需重新预热。

（4）对采用碳弧气刨时，清根后应修整刨槽，磨除渗碳层。

4.8 焊后处理

焊接完成后要在焊缝上包一层保温岩棉，做好焊缝缓冷工作。待焊缝冷却后应及时清除焊缝表面熔渣及两侧飞溅，对焊瘤、咬边等缺陷进行处理，控制立焊缝余高≤3 mm，环焊缝余高≤3.5 mm，同时对环焊100 mm范围内进行打磨（见图6），为超声波探伤做好准备。

图6 焊缝与打磨探伤区域

5 焊接检验

炉壳上的铁口框、风口法兰、检修门及炉壳对接与T形接头，焊缝应符合《炼铁工艺炉壳体结构技术规范》（GB50567）中的一级焊缝要求，炉缸段与炉底环板连接采用焊透的T形接头对接与角接组合焊缝。炉底板对接焊缝等级为二级，所有角焊缝等级为三级，外观二级，焊缝质量检测应符合《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205）中的相关规定。

6 结语

通过对BB503炉壳钢板的焊接性分析，确定了此次6号高炉炉壳焊接方法、焊接材料及焊接设备，经过焊接工艺评定，制定了此次高炉炉壳焊接工艺方案和保障措施。实践证明，此次6号高炉炉壳采用上述焊接工艺方案，经过检验，所有焊缝均满足工艺质量要求，大体形位公差良好，只有局部位置进行了火焰调整。在加快了炉壳焊接进度、节约成本的同时，保证了焊接质量，提高了高炉的使用寿命。