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首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司1#號高爐爐殼焊接技術

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文介紹在京唐5500 m3高爐爐殼的施工中，通過CO2氣體保護焊焊接工藝的改進，焊接過程的控制，防風防雨等技術措施的應用，使無損檢測一次合格率達到100%，順利通過了監理和業主的驗收。
    關鍵詞：高爐爐殼 厚板焊接

    1 引言
    京唐1#號高爐地處渤海灣曹妃甸島，高爐容積為5500m3，年產生鐵約450萬噸，建成后是國內最大的高爐之一。京唐1#號高爐爐殼由二十五帶圍板組焊而成，在不同帶位高度不等，最高2.6m，最低0.5m，爐殼直徑也不相同，爐腹處直徑為18.6m，爐口處直徑為6.4m。爐殼的不同部位，所使用的鋼板厚度分別為60mm、70mm、75mm、80mm、90mm和110mm六種。鋼板材質為BB503【1】。全部焊縫采用CO2氣體保護焊焊接。由于曹妃甸島地處沿海，空氣潮濕，雨雪天氣較多，環境惡劣。因此需克服以上因素的影響，調整有關工藝參數，改變傳統工藝，充分發揮CO2氣體保護焊的優勢，確保高爐爐殼的焊接質量。

    2 技術難點
    2.1掌握CO2氣體保護焊焊接BB503鋼的焊接工藝。
    高爐爐殼鋼板為BB503鋼板，材質屬于微合金高強鋼（HSLA）。其碳當量高于0.4%，冷裂紋的敏感性較大，可焊性不好，在焊接及冷卻過程中容易出現熱裂、冷裂、氫致裂紋等現象【2】。另外，該材質中含有N，如果焊接不當很容易產生時效脆化，因此需要嚴格控制焊接工藝參數，防止因N的聚集而產生裂紋、氣孔等現象。鋼板厚度大（最大δ=110mm），焊接全部采用CO2氣體保護焊，必須有成熟的焊接工藝。
    2.2高空的立縫焊接。
    由于高爐容積較大，最大直徑處達18.6m。因此，受客觀條件和吊裝能力所限，大部分爐殼圍板不能在地面組焊成型后，整帶吊裝到位，有相當一部分立縫，只能在高空焊接完成。
    2.3克服環境因素對焊接質量的影響。
    曹妃甸地處沿海、空氣潮濕、雨雪大風天氣較多，年均相對濕度在51%；全年平均雨雪天氣日數為65.9天左右，占全年的18%。當風速大于2m/s時，必須采取有效的防風措施后方可進行施焊。因此，克服環境因素對焊接質量的影響已成為一個重大難題。
    針對以上難點，開展了研究工作。

    3.BB503焊接工藝評定
    3.1焊絲的選擇
    JQ.YJ501-1為氧化鈦型CO2氣體保護藥芯焊絲（化學成分及力學性能如表1、表2），焊接工藝性能優良，電弧柔和穩定，飛濺小，脫渣容易，焊縫成型美觀。

    3.2 CO2氣體的選擇
    確保CO2氣體純度并保證瓶中壓力不得低于1.5Mpa。
    3.3 預熱、層溫要求
    由于母材碳當量較高，所以焊前必須進行預熱，預熱采用電加熱法。預熱范圍為坡口兩側各不小于焊件厚度的3倍距離，并要求溫度均勻，要求由專職加熱工進行加熱。預熱溫度、層間溫度要求見表3。

    采用履帶式電加熱塊【3】對焊接接頭進行加溫，每個加熱塊長600mm、寬280mm，將加熱裝置安裝在爐殼外側，以焊縫為中心安置，環縫以上1/3、下2/3安置。焊前爐殼預熱溫度要求在100～150℃，開始預熱后升溫速度不宜過快，達到預熱要求的時間約為2小時。開始加熱后，每隔30分鐘左右測溫一次，并做好升溫記錄，如發現溫升過快或過慢，應及時進行調整。縱縫測量預熱溫度位置必須在加熱面的反面進行，并距離施焊接頭坡口兩側各寬約50mm處，上、中、下各一點。環縫的測溫位置先將環縫等分16份，每點上、下距焊口200mm的各2點（共32點）為測溫點(如圖1)，同樣是在加熱面的反面進行。使用接觸式測溫表監測溫度。

    3.4焊接工藝參數（表4）

    3.5 焊后檢查
    3.5.1 焊縫內部質量評定
    超聲波探傷檢查，并按GB11345-89標準I級評片，所有焊件全部I級合格。
    3.5.2 焊縫力學性能試驗及評定
    焊件拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊韌度試驗按GB50236-98標準執行，試驗記錄正確，評定結果全部合格（報告編號：首中試驗字（W08）第2-13號）。
    3.5.3 焊縫熔合線金相組織分析
    從所做的焊縫熔金合線金相組織照片分析，均為鐵素體、珠光體、粒狀貝氏體。可以認為BB503鋼的焊接采用JQ.YJ501-1焊絲，用純CO2氣體，在焊接性方面是可行的，可以得到合格的焊接接頭。

    4.防風、雨措施
    BB503鋼采用CO2氣體保護焊焊接工藝性能已經得到了滿意的結果，但CO2氣體保護焊受風、雨的影響很大，在沒有任何防風、雨措施的條件下，在工地現場的高空作業中無法實現CO2氣體保護焊接。
    4.1 防風措施
    妨礙焊接的風向主要是來自水平方向和鉛垂方向。在爐殼內部采用石棉布將爐身上的冷卻壁水管孔、風口、鐵口等孔洞遮蓋或封堵，以免空氣通過這些孔洞灌入爐殼內部形成橫向貫流及向上的空氣對流。水平方向的風可以簡單地在焊接平臺的加高欄桿上圍上蛇皮布加以阻擋；鉛垂方向的風則使用專用的防風罩，防風罩由薄鐵板制成，借助磁力塊的磁力將防風罩壓緊在爐壁上【3】，使焊接環境相對封閉，減小焊接區域的空氣流通速度。
    4.2 防雨措施
    將爐殼頂部加裝的罩棚制作成直徑大于爐殼直徑5m的傘形結構，并在罩棚頂部覆蓋遮雨材料。焊口部位在預熱、焊接及后熱處理過程中禁止雨淋。

    5.現場焊接
    5.1立縫焊接
    每帶爐殼縱縫先焊內口，采用多層單道擺動焊接，擺動方式為月牙形。當內側焊縫厚度超過30?時，在內側焊接的同時，在外側進行碳弧氣刨清根。這樣，能夠保證內側的層間溫度，又能夠保證外側的預熱溫度。期間，可進行溫度測量，若溫度沒有達到要求，可采用加熱塊進行補溫。
    碳弧氣刨清根完畢后，使用φ125mm角向磨光機打磨，同時進行目檢，確認無問題后，開始進行外側焊縫的焊接，此時內側焊縫不間斷焊接，這樣就形成了內外側同時不同步焊接。注意內外兩側電弧間距控制在300?以上。
    整個過程采用CO2氣體保護焊進行焊接，采用直通焊法。在焊接過程中，要不斷測量層間溫度。測量層間溫度必須在焊接面的基體金屬表面，距離焊趾邊緣25mm和沿下一道起始處75mm處進行。將加熱塊置于焊接接頭兩側約300?，視現場層間溫度大小，控制加熱塊溫度。此時，加熱溫度不要太高，滿足層間溫度要求即可。
    5.2環縫焊接
    環縫焊接時也是先焊內口，但與縱縫不同的是，采用多層多道擺動焊接，擺動方式為直線形。
    將環形焊縫按圓周等分成16段（圖2）。每名焊工焊一段，大約2.0～2.5m，按同一方向同時焊接。

    對于每名焊工所施焊的部分，又進一步分成三小段（見圖3），要求各段的焊接速度、焊接電流、電壓保持一致，多層多道焊，接頭錯開50?以上。
    內外側同時不同步焊接時，要注意每名焊工大約錯開半個分段長度的距離，同時內外部的焊接方向相反（圖4）。

    內外側焊接共由32～40名焊工完成，每名焊工焊接2.0～2.5m。在焊接過程中，要不斷測量層間溫度。將加熱塊置于焊接接頭兩側約300?，視現場層間溫度大小，控制加熱塊溫度。此時，加熱溫度不要太高，滿足層間溫度要求即可。
    5.3 后熱處理
    焊接完成后立即進行250℃～300℃、保溫2小時的后熱處理。
    因要求2～4帶組裝在一起進行局部熱處理，縱縫施焊后如來不及進行焊后熱處理，應采用消氫處理。加熱升溫達到250～300℃，恒溫2小時，在保溫條件下自然緩冷。
    5.4 焊后檢查
    高爐爐殼所有焊縫于焊接完成24小時后檢查驗收。對接焊縫的表面質量符合GB50236-98表11.3.2中Ⅲ級要求；射線探傷方法按GB3323執行，符合Ⅲ級規定；超聲波探傷方法按GB11345執行，符合Ⅱ級規定。

    6.結束語
    該方案于2007年8月正式實施，至2008年3月份歷時7個月，高爐爐殼焊接工作全部完成。在整套焊接方案實施過程中，所有焊口的焊接質量全部達到標準要求。在如此厚度（最大δ=110mm）的特殊材質高爐爐殼焊接上采用全CO2氣體保護焊在國內尚屬首次。


    參考文獻：

    1. 黃錫鎬 曹能，《高爐爐殼鋼板BB503焊接性研究焊接研究與生產論文》-《 焊接研究與生產》，1994.3
    2. 盧立香 許立新 閻增興 《特大型高爐爐殼專用鋼BB503現場焊接工藝焊接技術論文》-《焊接技術》 天津市焊接研究所;中國工程建設焊接協會 2005.1
    3. 劉春波, 尹桂全, 程俊彪, 盧立香, 蔣濤, 《焊后熱處理對BB503鋼焊接接頭性能及組織的影響》-《金屬熱處理》第29卷 2004
    4. 游泰，《CO2氣保焊在寶鋼三號高爐HS燃燒室爐殼焊接上的應用》-《焊接技術》2001.9
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