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首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司1#號(hào)高爐爐殼焊接技術(shù)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)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(hù)焊焊接工藝的改進(jìn)，焊接過程的控制，防風(fēng)防雨等技術(shù)措施的應(yīng)用，使無損檢測一次合格率達(dá)到100%，順利通過了監(jiān)理和業(yè)主的驗(yàn)收。
    關(guān)鍵詞：高爐爐殼 厚板焊接

    1 引言
    京唐1#號(hào)高爐地處渤海灣曹妃甸島，高爐容積為5500m3，年產(chǎn)生鐵約450萬噸，建成后是國內(nèi)最大的高爐之一。京唐1#號(hào)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(zhì)為BB503【1】。全部焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊焊接。由于曹妃甸島地處沿海，空氣潮濕，雨雪天氣較多，環(huán)境惡劣。因此需克服以上因素的影響，調(diào)整有關(guān)工藝參數(shù)，改變傳統(tǒng)工藝，充分發(fā)揮CO2氣體保護(hù)焊的優(yōu)勢(shì)，確保高爐爐殼的焊接質(zhì)量。

    2 技術(shù)難點(diǎn)
    2.1掌握CO2氣體保護(hù)焊焊接BB503鋼的焊接工藝。
    高爐爐殼鋼板為BB503鋼板，材質(zhì)屬于微合金高強(qiáng)鋼（HSLA）。其碳當(dāng)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(xiàn)熱裂、冷裂、氫致裂紋等現(xiàn)象【2】。另外，該材質(zhì)中含有N，如果焊接不當(dāng)很容易產(chǎn)生時(shí)效脆化，因此需要嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，防止因N的聚集而產(chǎn)生裂紋、氣孔等現(xiàn)象。鋼板厚度大（最大δ=110mm），焊接全部采用CO2氣體保護(hù)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(dá)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(dāng)一部分立縫，只能在高空焊接完成。
    2.3克服環(huán)境因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響。
    曹妃甸地處沿海、空氣潮濕、雨雪大風(fēng)天氣較多，年均相對(duì)濕度在51%；全年平均雨雪天氣日數(shù)為65.9天左右，占全年的18%。當(dāng)風(fēng)速大于2m/s時(shí)，必須采取有效的防風(fēng)措施后方可進(jìn)行施焊。因此，克服環(huán)境因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響已成為一個(gè)重大難題。
    針對(duì)以上難點(diǎn)，開展了研究工作。

    3.BB503焊接工藝評(píng)定
    3.1焊絲的選擇
    JQ.YJ501-1為氧化鈦型CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲（化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2），焊接工藝性能優(yōu)良，電弧柔和穩(wěn)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(yù)熱、層溫要求
    由于母材碳當(dāng)量較高，所以焊前必須進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱采用電加熱法。預(yù)熱范圍為坡口兩側(cè)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(jìn)行加熱。預(yù)熱溫度、層間溫度要求見表3。

    采用履帶式電加熱塊【3】對(duì)焊接接頭進(jìn)行加溫，每個(gè)加熱塊長600mm、寬280mm，將加熱裝置安裝在爐殼外側(cè)，以焊縫為中心安置，環(huán)縫以上1/3、下2/3安置。焊前爐殼預(yù)熱溫度要求在100～150℃，開始預(yù)熱后升溫速度不宜過快，達(dá)到預(yù)熱要求的時(shí)間約為2小時(shí)。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(fā)現(xiàn)溫升過快或過慢，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整?？v縫測量預(yù)熱溫度位置必須在加熱面的反面進(jìn)行，并距離施焊接頭坡口兩側(cè)各寬約50mm處，上、中、下各一點(diǎn)。環(huán)縫的測溫位置先將環(huán)縫等分16份，每點(diǎn)上、下距焊口200mm的各2點(diǎn)（共32點(diǎn)）為測溫點(diǎn)(如圖1)，同樣是在加熱面的反面進(jìn)行。使用接觸式測溫表監(jiān)測溫度。

    3.4焊接工藝參數(shù)（表4）

    3.5 焊后檢查
    3.5.1 焊縫內(nèi)部質(zhì)量評(píng)定
    超聲波探傷檢查，并按GB11345-89標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)評(píng)片，所有焊件全部I級(jí)合格。
    3.5.2 焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)及評(píng)定
    焊件拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊韌度試驗(yàn)按GB50236-98標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試驗(yàn)記錄正確，評(píng)定結(jié)果全部合格（報(bào)告編號(hào)：首中試驗(yàn)字（W08）第2-13號(hào)）。
    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?？梢哉J(rèn)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(fēng)、雨措施
    BB503鋼采用CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝性能已經(jīng)得到了滿意的結(jié)果，但CO2氣體保護(hù)焊受風(fēng)、雨的影響很大，在沒有任何防風(fēng)、雨措施的條件下，在工地現(xiàn)場的高空作業(yè)中無法實(shí)現(xiàn)CO2氣體保護(hù)焊接。
    4.1 防風(fēng)措施
    妨礙焊接的風(fēng)向主要是來自水平方向和鉛垂方向。在爐殼內(nèi)部采用石棉布將爐身上的冷卻壁水管孔、風(fēng)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(nèi)部形成橫向貫流及向上的空氣對(duì)流。水平方向的風(fēng)可以簡單地在焊接平臺(tái)的加高欄桿上圍上蛇皮布加以阻擋；鉛垂方向的風(fēng)則使用專用的防風(fēng)罩，防風(fēng)罩由薄鐵板制成，借助磁力塊的磁力將防風(fēng)罩壓緊在爐壁上【3】，使焊接環(huán)境相對(duì)封閉，減小焊接區(qū)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(jié)構(gòu)，并在罩棚頂部覆蓋遮雨材料。焊口部位在預(yù)熱、焊接及后熱處理過程中禁止雨淋。

    5.現(xiàn)場焊接
    5.1立縫焊接
    每帶爐殼縱縫先焊內(nèi)口，采用多層單道擺動(dòng)焊接，擺動(dòng)方式為月牙形。當(dāng)內(nèi)側(cè)焊縫厚度超過30?時(shí)，在內(nèi)側(cè)焊接的同時(shí)，在外側(cè)進(jìn)行碳弧氣刨清根。這樣，能夠保證內(nèi)側(cè)的層間溫度，又能夠保證外側(cè)的預(yù)熱溫度。期間，可進(jìn)行溫度測量，若溫度沒有達(dá)到要求，可采用加熱塊進(jìn)行補(bǔ)溫。
    碳弧氣刨清根完畢后，使用φ125mm角向磨光機(jī)打磨，同時(shí)進(jìn)行目檢，確認(rèn)無問題后，開始進(jìn)行外側(cè)焊縫的焊接，此時(shí)內(nèi)側(cè)焊縫不間斷焊接，這樣就形成了內(nèi)外側(cè)同時(shí)不同步焊接。注意內(nèi)外兩側(cè)電弧間距控制在300?以上。
    整個(gè)過程采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)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(jìn)行。將加熱塊置于焊接接頭兩側(cè)約300?，視現(xiàn)場層間溫度大小，控制加熱塊溫度。此時(shí)，加熱溫度不要太高，滿足層間溫度要求即可。
    5.2環(huán)縫焊接
    環(huán)縫焊接時(shí)也是先焊內(nèi)口，但與縱縫不同的是，采用多層多道擺動(dòng)焊接，擺動(dòng)方式為直線形。
    將環(huán)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(shí)焊接。

    對(duì)于每名焊工所施焊的部分，又進(jìn)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(cuò)開50?以上。
    內(nèi)外側(cè)同時(shí)不同步焊接時(shí)，要注意每名焊工大約錯(cuò)開半個(gè)分段長度的距離，同時(shí)內(nèi)外部的焊接方向相反（圖4）。

    內(nèi)外側(cè)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(cè)約300?，視現(xiàn)場層間溫度大小，控制加熱塊溫度。此時(shí)，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(jìn)行250℃～300℃、保溫2小時(shí)的后熱處理。
    因要求2～4帶組裝在一起進(jìn)行局部熱處理，縱縫施焊后如來不及進(jìn)行焊后熱處理，應(yīng)采用消氫處理。加熱升溫達(dá)到250～300℃，恒溫2小時(shí)，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(shí)后檢查驗(yàn)收。對(duì)接焊縫的表面質(zhì)量符合GB50236-98表11.3.2中Ⅲ級(jí)要求；射線探傷方法按GB3323執(zhí)行，符合Ⅲ級(jí)規(guī)定；超聲波探傷方法按GB11345執(zhí)行，符合Ⅱ級(jí)規(guī)定。

    6.結(jié)束語
    該方案于2007年8月正式實(shí)施，至2008年3月份歷時(shí)7個(gè)月，高爐爐殼焊接工作全部完成。在整套焊接方案實(shí)施過程中，所有焊口的焊接質(zhì)量全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在如此厚度（最大δ=110mm）的特殊材質(zhì)高爐爐殼焊接上采用全CO2氣體保護(hù)焊在國內(nèi)尚屬首次。


    參考文獻(xiàn)：

    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(chǎn)論文》-《 焊接研究與生產(chǎn)》，1994.3
    2. 盧立香 許立新 閻增興 《特大型高爐爐殼專用鋼BB503現(xiàn)場焊接工藝焊接技術(shù)論文》-《焊接技術(shù)》 天津市焊接研究所;中國工程建設(shè)焊接協(xié)會(huì) 2005.1
    3. 劉春波, 尹桂全, 程俊彪, 盧立香, 蔣濤, 《焊后熱處理對(duì)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(hào)高爐HS燃燒室爐殼焊接上的應(yīng)用》-《焊接技術(shù)》2001.9
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