LF型精煉爐電極中相橫臂的焊接修復工藝

劉社琴　劉俊良

LF型精煉爐電極中相橫臂的焊接修復工藝

劉社琴劉俊良

【摘要】分析了LF型精煉爐中相橫臂鋼銅復合材料的焊接性，提出相應的修復工藝措施，有效解決了中相橫臂的滲漏問題。

1. 概述

LF型精煉爐中相橫臂是煉鋼電弧爐、鋼包精煉爐二次大電流供電系統——短網的重要組成部分之一，具有集電極支撐和向電極傳送大電流為一體的功能，是傳統導電銅管式橫臂的更新換代產品，其使用情況和導電情況直接影響了爐外精煉的質量。中相橫臂是水冷式橫臂之一，如附圖所示。它由鋼銅復合材料制造而成的，其工作環境溫度高，且經常過負荷運行，生產時頻繁振動。在長期使用后，在上面板與側面板、下面板與側面板之間的角接接頭焊縫出現多處滲漏，中相橫臂滲漏容易導致電路短路而出現重大設備事故，因此，需對中相橫臂的焊接性進行分析，并制定合理的焊接修復工藝方案。

2. 中相橫臂焊接性分析

中相橫臂是由上、下面板、側面板等組成的箱形焊接結構，所有焊縫均為連續氣密性焊縫，檢漏試驗水壓為0.8MPa，保壓30min不得有滲漏。上、下面板、側面板均為銅、鋼復合板，基層材料為14mm厚Q235A鋼板，覆層材料為6mm厚的純銅板。鋼與銅焊接屬異種金屬焊接，由于兩者之間的熔點、熱導率、線膨脹系數、收縮率等方面的物理性能差異（見表1），惡化了金屬的焊接性。

由于銅的導熱系數大，20℃時銅的導熱系數是鐵的7倍多，1 000℃時是鐵的11倍多，焊接時熱量迅速從加熱區向外傳導出去，使母材與填充金屬難以熔合，因此焊接是要使用大功率的熱源，焊前或焊接過程中要采取預熱措施；再由于銅的線膨脹系數和收縮率也較大，銅的線膨脹系數比鐵大15%，而收縮率比鐵大1倍以上，再加上銅的導熱能力強，使焊接熱影響區寬，焊接時如工件剛度不大，又無防變形的措施，容易導致工件產生較大的變形。當工件剛度很大時，由于變形受阻會在焊縫及熔合區產生很大的焊接應力而導致裂紋的產生，這是鋼與銅焊接時存在的主要問題之一。針對鋼與銅的物理性能的差異，修復中相橫臂時需要制定嚴格的工藝措施。

中相橫臂

表1　銅與鐵物理性能比較

3. 中相橫臂修復的工藝措施

（1）焊前準備焊接前先將焊接近縫區的油污、灰塵、水分等清理干凈，用滲透探傷檢測中

相橫臂外側角焊縫，查出裂紋位置，并作好標識。根據焊前檢測情況，用碳弧氣刨的方法將裂紋徹底清除。碳弧氣刨時需要一人在前預熱，一人在后氣刨，預熱溫度300℃左右，氣刨完后用砂輪機打磨至露出金屬本色。

（2）焊接方法的選擇根據中相橫臂實物狀況及我單位現有裝備情況，焊接方法選用焊條電弧焊。

（3）焊接材料的選擇焊條電弧焊焊接鋼與銅的復合材料時，由于基層是Q235A，焊接性較好，故基層可用E4303焊條打底，填充及覆層可以采用純銅填充材料焊接。因為用純銅填充材料焊接時，鋼材熔化后，Fe過渡到焊縫中去。為了保證焊縫具有足夠高的抗裂性能，焊縫中wFe應控制在10%～43%。如用純銅T2焊條芯焊條ECu焊接鋼銅復合板時，焊縫的成分為：wCu=55.4%，wC=0.08%，wSi=1.16%，wP=0.035%，其余為Fe。此時焊縫中wFe恰為43%左右，焊縫不產生裂紋，因此填充及覆層選用純銅焊條ECu來焊接，焊接前焊條按規定要求烘干，以便去除焊條中的水分。

（4）預熱由于純銅導熱系數大，焊接時熱量迅速從加熱區向外傳導出去，故焊前必須先進行預熱，現采用局部預熱和焊接過程跟蹤加熱的方法來確保焊接過程的進行，考慮到熱源溫度、成本等因素，選用操作簡便、加熱溫度容易控制的氧丙烷火焰加熱，并采用大號割槍加熱，預熱溫度550℃。

（5）焊接當預熱溫度達到550℃、火焰顏色呈亮紅色時可進行焊接，焊接時盡量使焊接位置至于平焊位置，采用多層多道焊，打底層焊兩道，用E4303焊條，φ3.2mm，焊接電流控制在80～120A。打底層焊接后用滲透探傷檢測焊縫，滲透探傷檢測合格后再進行0.8MPa水壓試驗，保壓30min無滲漏現象，即可焊接填充、蓋面層。

填充、蓋面層用純銅焊條ECu，φ5mm，第三層開始的填充層及蓋面層焊接電流可加大至180～200A，蓋面層的焊縫余高可適當加大，最好達到5mm以上，以便焊后錘擊焊縫時為焊縫金屬延展提供余量，焊接參數如表2所示。

焊接與加熱同步進行，兩人同時作業，一人在前加熱，一人在后焊接。焊接為了防止氧、氫等氣體侵入熔池，打底層焊接時使用短弧焊接，操作時焊條末端不要擺動，電弧沿焊縫作直線移動，小電流、高速焊，盡量使焊縫薄而窄。填充層焊接時，焊條可稍微作橫向擺動，但擺動的范圍不應超過焊條直徑的兩倍。蓋面層的焊接，焊接電弧以直線移動為主。每道焊縫焊接時速度要快，每層焊后應及時清渣，層間溫度≥550℃。

（6）焊后處理為了減少焊接殘余應力和改善接頭性能，焊后用平頭錘擊焊縫以消除焊接應力，另外采用局部高溫加熱的方法來消除應力，即在焊縫區用大號割槍將焊縫加熱到500℃左右，并用石棉保溫緩冷。

4. 質量檢測

焊后先進行外觀檢測、滲透檢測，焊縫不得有裂紋、表面氣孔及焊瘤等缺陷，外觀檢查合格后方可進行水壓試驗，檢漏試驗水壓為0.8MPa，保壓30min無滲漏現象。

5. 結語

通過對鋼銅復合材料的焊接性分析，制定以上修復工藝方案，修復后的中相橫臂經過煉鋼廠的使用，效果良好。實踐證明，所采用的修復工藝方案有效。

表2　焊接參數

參考文獻：

[1]劉云龍．袖珍焊工手冊[M]．北京：機械工業出版社，2002，7．

[2]姜煥中．焊接方法及設備[M]．北京：機械工業出版社，1981，1．

20141025

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作者簡介：劉社琴等，新余鋼鐵集團機械制造公司。