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首钢京唐钢铁联合有限公司1#号高炉炉壳焊接技术

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文介绍在京唐5500 m3高炉炉壳的施工中，通过CO2气体保护焊焊接工艺的改进，焊接过程的控制，防风防雨等技术措施的应用，使无损检测一次合格率达到100%，顺利通过了监理和业主的验收。
    关键词：高炉炉壳 厚板焊接

    1 引言
    京唐1#号高炉地处渤海湾曹妃甸岛，高炉容积为5500m3，年产生铁约450万吨，建成后是国内最大的高炉之一。京唐1#号高炉炉壳由二十五带围板组焊而成，在不同带位高度不等，最高2.6m，最低0.5m，炉壳直径也不相同，炉腹处直径为18.6m，炉口处直径为6.4m。炉壳的不同部位，所使用的钢板厚度分别为60mm、70mm、75mm、80mm、90mm和110mm六种。钢板材质为BB503【1】。全部焊缝采用CO2气体保护焊焊接。由于曹妃甸岛地处沿海，空气潮湿，雨雪天气较多，环境恶劣。因此需克服以上因素的影响，调整有关工艺参数，改变传统工艺，充分发挥CO2气体保护焊的优势，确保高炉炉壳的焊接质量。

    2 技术难点
    2.1掌握CO2气体保护焊焊接BB503钢的焊接工艺。
    高炉炉壳钢板为BB503钢板，材质属于微合金高强钢（HSLA）。其碳当量高于0.4%，冷裂纹的敏感性较大，可焊性不好，在焊接及冷却过程中容易出现热裂、冷裂、氢致裂纹等现象【2】。另外，该材质中含有N，如果焊接不当很容易产生时效脆化，因此需要严格控制焊接工艺参数，防止因N的聚集而产生裂纹、气孔等现象。钢板厚度大（最大δ=110mm），焊接全部采用CO2气体保护焊，必须有成熟的焊接工艺。
    2.2高空的立缝焊接。
    由于高炉容积较大，最大直径处达18.6m。因此，受客观条件和吊装能力所限，大部分炉壳围板不能在地面组焊成型后，整带吊装到位，有相当一部分立缝，只能在高空焊接完成。
    2.3克服环境因素对焊接质量的影响。
    曹妃甸地处沿海、空气潮湿、雨雪大风天气较多，年均相对湿度在51%；全年平均雨雪天气日数为65.9天左右，占全年的18%。当风速大于2m/s时，必须采取有效的防风措施后方可进行施焊。因此，克服环境因素对焊接质量的影响已成为一个重大难题。
    针对以上难点，开展了研究工作。

    3.BB503焊接工艺评定
    3.1焊丝的选择
    JQ.YJ501-1为氧化钛型CO2气体保护药芯焊丝（化学成分及力学性能如表1、表2），焊接工艺性能优良，电弧柔和稳定，飞溅小，脱渣容易，焊缝成型美观。

    3.2 CO2气体的选择
    确保CO2气体纯度并保证瓶中压力不得低于1.5Mpa。
    3.3 预热、层温要求
    由于母材碳当量较高，所以焊前必须进行预热，预热采用电加热法。预热范围为坡口两侧各不小于焊件厚度的3倍距离，并要求温度均匀，要求由专职加热工进行加热。预热温度、层间温度要求见表3。

    采用履带式电加热块【3】对焊接接头进行加温，每个加热块长600mm、宽280mm，将加热装置安装在炉壳外侧，以焊缝为中心安置，环缝以上1/3、下2/3安置。焊前炉壳预热温度要求在100～150℃，开始预热后升温速度不宜过快，达到预热要求的时间约为2小时。开始加热后，每隔30分钟左右测温一次，并做好升温记录，如发现温升过快或过慢，应及时进行调整。纵缝测量预热温度位置必须在加热面的反面进行，并距离施焊接头坡口两侧各宽约50mm处，上、中、下各一点。环缝的测温位置先将环缝等分16份，每点上、下距焊口200mm的各2点（共32点）为测温点(如图1)，同样是在加热面的反面进行。使用接触式测温表监测温度。

    3.4焊接工艺参数（表4）

    3.5 焊后检查
    3.5.1 焊缝内部质量评定
    超声波探伤检查，并按GB11345-89标准I级评片，所有焊件全部I级合格。
    3.5.2 焊缝力学性能试验及评定
    焊件拉伸试验、弯曲试验、冲击韧度试验按GB50236-98标准执行，试验记录正确，评定结果全部合格（报告编号：首中试验字（W08）第2-13号）。
    3.5.3 焊缝熔合线金相组织分析
    从所做的焊缝熔金合线金相组织照片分析，均为铁素体、珠光体、粒状贝氏体。可以认为BB503钢的焊接采用JQ.YJ501-1焊丝，用纯CO2气体，在焊接性方面是可行的，可以得到合格的焊接接头。

    4.防风、雨措施
    BB503钢采用CO2气体保护焊焊接工艺性能已经得到了满意的结果，但CO2气体保护焊受风、雨的影响很大，在没有任何防风、雨措施的条件下，在工地现场的高空作业中无法实现CO2气体保护焊接。
    4.1 防风措施
    妨碍焊接的风向主要是来自水平方向和铅垂方向。在炉壳内部采用石棉布将炉身上的冷却壁水管孔、风口、铁口等孔洞遮盖或封堵，以免空气通过这些孔洞灌入炉壳内部形成横向贯流及向上的空气对流。水平方向的风可以简单地在焊接平台的加高栏杆上围上蛇皮布加以阻挡；铅垂方向的风则使用专用的防风罩，防风罩由薄铁板制成，借助磁力块的磁力将防风罩压紧在炉壁上【3】，使焊接环境相对封闭，减小焊接区域的空气流通速度。
    4.2 防雨措施
    将炉壳顶部加装的罩棚制作成直径大于炉壳直径5m的伞形结构，并在罩棚顶部覆盖遮雨材料。焊口部位在预热、焊接及后热处理过程中禁止雨淋。

    5.现场焊接
    5.1立缝焊接
    每带炉壳纵缝先焊内口，采用多层单道摆动焊接，摆动方式为月牙形。当内侧焊缝厚度超过30?时，在内侧焊接的同时，在外侧进行碳弧气刨清根。这样，能够保证内侧的层间温度，又能够保证外侧的预热温度。期间，可进行温度测量，若温度没有达到要求，可采用加热块进行补温。
    碳弧气刨清根完毕后，使用φ125mm角向磨光机打磨，同时进行目检，确认无问题后，开始进行外侧焊缝的焊接，此时内侧焊缝不间断焊接，这样就形成了内外侧同时不同步焊接。注意内外两侧电弧间距控制在300?以上。
    整个过程采用CO2气体保护焊进行焊接，采用直通焊法。在焊接过程中，要不断测量层间温度。测量层间温度必须在焊接面的基体金属表面，距离焊趾边缘25mm和沿下一道起始处75mm处进行。将加热块置于焊接接头两侧约300?，视现场层间温度大小，控制加热块温度。此时，加热温度不要太高，满足层间温度要求即可。
    5.2环缝焊接
    环缝焊接时也是先焊内口，但与纵缝不同的是，采用多层多道摆动焊接，摆动方式为直线形。
    将环形焊缝按圆周等分成16段（图2）。每名焊工焊一段，大约2.0～2.5m，按同一方向同时焊接。

    对于每名焊工所施焊的部分，又进一步分成三小段（见图3），要求各段的焊接速度、焊接电流、电压保持一致，多层多道焊，接头错开50?以上。
    内外侧同时不同步焊接时，要注意每名焊工大约错开半个分段长度的距离，同时内外部的焊接方向相反（图4）。

    内外侧焊接共由32～40名焊工完成，每名焊工焊接2.0～2.5m。在焊接过程中，要不断测量层间温度。将加热块置于焊接接头两侧约300?，视现场层间温度大小，控制加热块温度。此时，加热温度不要太高，满足层间温度要求即可。
    5.3 后热处理
    焊接完成后立即进行250℃～300℃、保温2小时的后热处理。
    因要求2～4带组装在一起进行局部热处理，纵缝施焊后如来不及进行焊后热处理，应采用消氢处理。加热升温达到250～300℃，恒温2小时，在保温条件下自然缓冷。
    5.4 焊后检查
    高炉炉壳所有焊缝于焊接完成24小时后检查验收。对接焊缝的表面质量符合GB50236-98表11.3.2中Ⅲ级要求；射线探伤方法按GB3323执行，符合Ⅲ级规定；超声波探伤方法按GB11345执行，符合Ⅱ级规定。

    6.结束语
    该方案于2007年8月正式实施，至2008年3月份历时7个月，高炉炉壳焊接工作全部完成。在整套焊接方案实施过程中，所有焊口的焊接质量全部达到标准要求。在如此厚度（最大δ=110mm）的特殊材质高炉炉壳焊接上采用全CO2气体保护焊在国内尚属首次。


    参考文献：

    1. 黄锡镐 曹能，《高炉炉壳钢板BB503焊接性研究焊接研究与生产论文》-《 焊接研究与生产》，1994.3
    2. 卢立香 许立新 阎增兴 《特大型高炉炉壳专用钢BB503现场焊接工艺焊接技术论文》-《焊接技术》 天津市焊接研究所;中国工程建设焊接协会 2005.1
    3. 刘春波, 尹桂全, 程俊彪, 卢立香, 蒋涛, 《焊后热处理对BB503钢焊接接头性能及组织的影响》-《金属热处理》第29卷 2004
    4. 游泰，《CO2气保焊在宝钢三号高炉HS燃烧室炉壳焊接上的应用》-《焊接技术》2001.9
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