三鋼6號高爐爐殼焊接工藝研究

段 晨

（福建三鋼冶金建設有限公司，福建 365000）

0 引言

高爐設備在冶金行業應用廣泛，是主要冶煉設備之一，高爐爐殼作為高爐的重要組成部件，其質量是決定高爐能否正常運行的關鍵因素。爐殼的作用是固定冷卻設備，保證高爐砌體牢固，密封爐體，不僅要承受爐頂載荷，還要能承受熱應力和內部的煤氣壓力，抵抗突然沖擊，因此高爐爐殼必須具有足夠的強度才能保證高爐安全可靠。而爐殼又是由眾多部分焊接而成的，故而焊縫的質量又是重中之重。制訂合理的焊接工藝，并嚴格按工藝施工是確保高爐爐殼焊接質量的關鍵環節。

本文對福建三鋼閩光煉鐵廠6號高爐大修改造工程概況進行了介紹，對6號高爐爐殼接方法、焊接材料、焊接設備進行了分析和確定。同時根據焊接工藝評定和驗證結果，制定出了高爐爐殼具體焊接工藝，并對最終的焊接結果進行了評定。

1 工程概況

此次福建三鋼閩光煉鐵廠6號高爐大修改造工程，爐殼材質采用BB503鋼板，殼體厚度為45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、70 mm五種規格。高爐殼體共分為22帶（見圖1），所有殼體需要在車間分片進行下料，卷制后運至施工現場的組裝平臺，進行爐體單節制造，然后在現場吊裝成爐體。

圖1 6號高爐爐殼結構示意圖

2 焊接工藝的確定

2.1 BB503鋼板的可焊性分析

BB503鋼板屬于低合金高強度鋼板，化學成分見表1，力學性能見表2。根據國際碳當量計算公式，計算得到其碳當量為0.48%，大于0.4%，具有較高的冷裂紋敏感性，可焊性不好，焊接過程中容易出現裂紋。另外，該材質中含有N，焊接操作不當會產生時效脆化，所以，必須嚴格控制焊接工藝及參數[1，2]。

表2 BB503的力學性能

2.2 焊接方法

為了保證爐殼焊接的效率和可操作性，降低成本，采用最常用的CO2氣體保護多層多道焊[3]。

2.3 焊接材料

采用與爐殼鋼板成分相近、直徑為Φ1.2 mm的ER49-1實芯焊絲，成分和力學性能見表3、表4。

表3 ER49-1焊絲的化學成分 /%

表4 ER49-1焊絲的力學性能

2.4 焊接設備

采用硅整流CO2自動焊機，型號：KR-500。

3 焊接工藝評定

3.1 焊接工藝評定

在正式焊接爐殼前，對BB503鋼板的CO2氣保焊進行焊接工藝評定。通過對焊接接頭的質量檢測以及拉伸、彎曲、沖擊一系列的力學實驗，驗證焊接接頭的質量，以確定合適的工藝參數。

3.2 評定材料及焊接參數

為保證焊接工藝評定的認可范圍達到施工要求，根據《承壓設備焊接工藝評定》標準，選擇δ=40 mm的鋼板為焊接工藝評定對象，其認可的板厚范圍為16～80 mm，符合高爐殼體的需要。

選定焊接方法為板狀對接雙面CO2氣體保護立焊，工藝評定試板的尺寸為500 mm×250 mm×40 mm，其坡口示意圖如圖2所示。焊接工藝參數為電流100～140 A，電壓為20～25 V。

圖2 試板坡口示意圖

3.3 評定結果與分析

3.3.1 接頭外觀質量

焊縫外觀檢查結果符合GB 50236—2011《現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范》的Ⅱ級標準的質量要求，未發現裂紋、咬邊、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷。焊縫經超聲波無損探傷檢測，達到Ⅱ標準。

3.3.2 力學性能測試

對焊接接頭進行拉伸、側彎、沖擊力學實驗，結果見表5。試驗數據證明，此種焊接工藝得到的焊接接頭抗拉強度和沖擊值都高于母材的標準下限值，側彎試驗結果均合格。

表5 力學試驗結果

經過焊接工藝評定，BB503鋼板可采用CO2氣保焊，焊接接頭性能好，可將此焊接方法使用于高爐爐殼焊接。

4 爐殼焊接工藝

根據BB503鋼板CO2氣保焊的工藝評定，設計制定了6號高爐爐殼焊接工藝。

4.1 焊接坡口

爐殼焊縫分為環焊縫與立焊縫，環焊縫的坡口型式采用非對稱K型坡口方式（見圖3），立焊縫的坡口形式采用非對稱X型坡口方式（見圖4）。

圖3 爐殼環焊縫坡口方式

圖4 爐殼立焊縫坡口方式

4.2 坡口加工要求

為保證坡口加工的一致性，采用半自動切割機加工坡口，確保坡口表面沒有裂紋、夾渣、分層以及大于1 mm的缺棱等缺陷。焊接前應對坡口進行打磨至露出金屬光澤，尤其是組對時進行定位焊焊縫及周邊雜質打磨，必要時需用碳弧氣刨清理，同時要對坡口兩側30 mm范圍內的油污、水分、鐵銹等雜質清理干凈。

4.3 坡口組對要求

坡口組對后，要進行整體檢查。對于坡口有深刻痕的，要在焊前堆焊長肉，確保打底焊道的質量。

4.4 定位焊

定位焊采用CO2氣保焊，其他要求與正式焊接要求相同。定位焊的位置在焊接背面，反面焊接時要將其刨除。橫焊縫定位焊長度50～80 mm，間距500～600 mm，焊肉高8 mm。定位焊縫不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。定位焊縫如有微裂紋，則定位焊前也應預熱，預熱溫度100～150℃，預熱方法可采用火焰加熱。對于定位焊產生的微裂紋，要徹底刨除干凈，預熱后重新點焊。

4.5 預熱

由于爐殼鋼板厚，剛性大，焊接量大，且母材碳當量較高，因此正式焊接前要做預熱處理。預熱方式采用氧氣-乙炔焰大烤槍均勻地烘烤爐殼加熱。預熱應在焊接的反面進行，范圍在坡口兩側，每側預熱范圍不小于板厚的3倍。控制預熱溫度為150℃～200℃，且預熱時，溫度上升不宜過快，同時注意控制總預熱時間為1～2 h完成。在焊接過程中仍需邊預熱邊焊接，直至打完底并填焊兩遍后才停止預熱工作，但焊縫仍需一氣焊完。環焊縫焊接時，對層間溫度進行控制，控制溫度為100～150℃。

預熱、層間溫度的控制設專職人員管理。開始加熱的時候就要進行測溫，每次測溫間隔30分鐘，同時做好記錄工作；如果升溫異常，過快或者過慢要及時采取調整措施。環縫位置的測溫點布置，要先將環縫等分為16點，每點上、下距焊口200 mm位置各為1點（共32點）為測溫點，見圖5。

圖5 測溫點分布

4.6 焊前準備

（1）領取焊材時，檢驗ER49-1焊絲包裝是否完好，拆封使用時倘若發現焊絲表面存在銹跡應將焊絲退還倉庫。

（2）二氧化碳氣體純度不低于99.5%，含水量不超過0.05%，瓶內氣體壓力低于1 N/mm2應停止使用。

4.7 正式焊接

4.7.1 焊接順序

先焊內側，焊2～3層后，外側清根，打磨干凈后，內外側交錯施焊，注意內外部的焊接方向相反。焊接前對間隙較大的區域在外側加陶瓷襯墊，完成焊接后去除陶瓷襯墊，并用碳弧氣刨對爐殼內側焊縫第一道焊縫進行清根打磨，務必保證去除氣孔、夾渣、氧化物等可能存在的缺陷、雜質。

爐殼環焊縫焊接時需4名焊工（對角同時順時針方向同步施焊），焊工必須均勻對稱施焊，各段的焊接速度、焊接電流、焊接電壓保持一致。為避免應力，各道焊縫起弧點、收弧點必須間隔100 mm以上。

4.7.2 焊接參數

爐殼焊縫的焊接參數如表6所示。

表6 焊接參數

4.7.3 焊接措施

（1）在施焊過程中注意層層打渣，層層檢查，每道焊縫中的焊瘤、飛濺和氣孔清除干凈后，方可進行下一層焊接；多層焊的層間接頭應錯開50～100 mm，避免因始、終點疊在一起引起應力集中和其他焊接缺陷。后一層焊道壓前一層焊道30～50 mm。

（2）在施焊過程中注意采取有效的防風、防雨措施。

（3）每道焊縫宜連續焊接，若不得不中斷時，下次焊前需重新預熱。

（4）對采用碳弧氣刨時，清根后應修整刨槽，磨除滲碳層。

4.8 焊后處理

焊接完成后要在焊縫上包一層保溫巖棉，做好焊縫緩冷工作。待焊縫冷卻后應及時清除焊縫表面熔渣及兩側飛濺，對焊瘤、咬邊等缺陷進行處理，控制立焊縫余高≤3 mm，環焊縫余高≤3.5 mm，同時對環焊100 mm范圍內進行打磨（見圖6），為超聲波探傷做好準備。

圖6 焊縫與打磨探傷區域

5 焊接檢驗

爐殼上的鐵口框、風口法蘭、檢修門及爐殼對接與T形接頭，焊縫應符合《煉鐵工藝爐殼體結構技術規范》（GB50567）中的一級焊縫要求，爐缸段與爐底環板連接采用焊透的T形接頭對接與角接組合焊縫。爐底板對接焊縫等級為二級，所有角焊縫等級為三級，外觀二級，焊縫質量檢測應符合《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB50205）中的相關規定。

6 結語

通過對BB503爐殼鋼板的焊接性分析，確定了此次6號高爐爐殼焊接方法、焊接材料及焊接設備，經過焊接工藝評定，制定了此次高爐爐殼焊接工藝方案和保障措施。實踐證明，此次6號高爐爐殼采用上述焊接工藝方案，經過檢驗，所有焊縫均滿足工藝質量要求，大體形位公差良好，只有局部位置進行了火焰調整。在加快了爐殼焊接進度、節約成本的同時，保證了焊接質量，提高了高爐的使用壽命。