110 t转炉炉壳耳轴座裂纹焊接修复技术研究与应用.pdf

:./.转炉炉壳耳轴座裂纹焊接修复技术研究与应用魏永辉王辉行(甘肃酒钢集团西部重工股份有限公司 甘肃 嘉峪关)摘 要:针对某钢厂 转炉炉壳壳耳轴座出现的裂纹问题该文从裂纹的特点、产生裂纹的原因、耳轴座焊接性能等几个方面进行对比分析制定了采用奥氏体不锈钢材料冷焊修复的方案经过焊接修复验证解决了转炉炉壳耳轴座焊接修复难题对类似材质的母材的焊接修复具有借鉴意义关键词:转炉炉壳耳轴座裂纹焊接修复中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言转炉炉壳是转炉炉体的重要组成部件一般由炉帽、炉身和炉底组成是炼钢厂的主要设备 炉壳作为炼钢工序的关键设备其重要性不言而喻稍有不慎就会造成重大设备事故及人员伤亡事故所以其制作和使用要求都十分严格某钢厂 转炉炉壳以往由国内知名重工企业分瓣制作后运到钢厂拼焊而成这种制作方法周期长占用钢厂的作业场地对钢厂的正常生产有一定的干扰 由于客户作业场地限制加之正在使用的几个炉壳均出现不同程度恶化急需在最短时间内完成新炉壳的制作并投入使用无法采用原有方案生产制造所以客户此次决定与笔者所在公司合作采用就近整体制作、运输的制造方案笔者主要针对炉壳制作过程中耳轴座母材出现裂纹的问题进行了分析研究通过采用奥氏体不锈钢材料冷焊修复的方案解决了耳轴座母材裂纹问题对类似低合金耐热钢材料的焊接修复以及类似形式的炉壳耳轴座裂纹的修复提供参考 裂纹的特点文中讨论的转炉炉壳由炉帽和炉身组成炉身为圆筒结构如图 所示其炉身顶部加强圈上布置有三处耳轴及耳轴座耳轴与耳轴座之间通过过盈配合的方式装配连接耳轴座与筒体之间采用焊接连接炉壳直径 高度 炉壳工作温度为 左右实际工作中耳轴承受的最大载荷约 壳制作结束后耳轴座与筒体连接的焊缝按照/标准中、探伤级的要求进行了检测经检测发现焊缝内部质量及各项尺寸符合图纸要求但在进行焊缝表面缺陷处理时发生了 耳轴座母材开裂 此问题的发生恰巧是炼钢生产线已经下线旧炉壳同时等待新炉壳上线的关键时刻所以必须快速进行修复以解决炼钢生产的燃眉之急图 炉壳结构示意图经验交流 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:魏永辉()男甘肃庆阳人工程师主要从事材料成型及控制工程方面的技术工作.裂纹的宏观检查该炉身采用 材质钢板卷制成型耳轴座连接位置截面为箱体结构箱体截面尺寸约(高)(宽)采用 厚度的钢板拼焊而成 耳轴座尺寸为 (长)(宽)(高)长方体结构中心处有 的贯穿孔用于安装耳轴耳轴座最薄处厚度为 耳轴座的材质为 所述的裂纹处于耳轴座下侧与筒体连接的焊缝附近如图 所示 裂纹与焊缝平行处于距离焊缝边缘 的耳轴座母材一侧裂纹宽度.裂纹长度与耳轴座宽度相同长度为 延伸至左右两端竖向焊缝时停止 裂纹先在左端出现长度约 然后停留约 后快速延伸至右端 此处耳轴座本体厚度为 在耳轴座本体的内侧裂纹从左向右贯通外侧左端向右有 长度的裂纹右端无裂纹内侧中间至右端裂纹边缘平整内侧靠左端及外侧裂纹的耳轴座侧边缘呈撕裂状图 耳轴座母材上出现的裂纹位置及实物照片.化学成份对断裂位置取样并随炉试样进行了化学分析结果如表 所列从表 可以看出化学成份符合/汽轮机承压铸钢件技术条件.条款的要求表 耳轴座化学成份/项目标准要求.随炉试样.断裂位置取样.力学性能断裂位置无法取样进行力学性能试验所以对随炉试样进行了力学性能再次复检试验其结果如表 所列从表 可以看出力学性能均符合/汽轮机承压铸钢件技术条件.条款的要求表 耳轴座力学性能项目./标准要求随炉试样.显微组织耳轴座热处理状态为调质对裂纹区金相组织进行检测结果如图、所示 图、均为铁素体珠光体但是均出现粗大珠光体图 呈网状铁素体粗大珠光体图 外侧裂纹附近金 图 内侧裂纹附近金相()相()按照/钢的游离渗碳体、珠光体和魏氏组织的评定方法将图、分别评定为、级说明热处理过程控制不当 同时通过询问厂家得知开裂位置刚好是浇筑冒口对铸件的性能有一定的影响 在后续的修复过程中发现裂纹左端还存在不同程度的疏松、非金属夹杂物等铸造缺陷有资料研究表明:钢的浇注温度要求高工艺流动性较差 因此浇铸时的非金属夹杂物不容易上浮逸出金属表面且容易在转角处产生裂纹、缩孔和皮下气孔等浇铸缺陷 从试验结果看化学成份、力学性能及显微组织均符合规范/中的条款要求 从断口形貌裂特征看由于裂纹先发生的位置存在组织疏松等铸造缺陷导致塑性和韧性均下降焊接过程中随着预热、焊接冶金过程等的共同作用形成不同的温度场最终在焊缝的拉应力的作用下造成了焊缝附近耳轴座本体脆性断裂导致裂纹快速延伸进而使整个截面产生裂纹 焊接修复方法的选择.耳轴座母材特性耳轴座母材材质为 其外表面全部采用机械加工的方法去除 后成型 化学成分如表 所列根据国际焊接学会()的碳当量 公式 ()()/()()机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)经验交流()/()()/其碳当量为.焊接性较差淬硬倾向较大焊后焊缝和热影响区的母材容易出现淬硬组织甚至产生裂纹因此需要在焊前制定合理的焊接工艺由于 钢可焊性比较差从成分近似的钢奥氏体等温分解曲线看出中温转变曲线突出对冷却速度具有高度的敏感性在一定宽广的冷却范围内转变基本发生在中温区并形成贝氏体组织而且冷脆性转变温度在室温以上 由于材质本身具有淬火敏感性和脆化倾向在应力作用下邻近焊缝的基体金属易产生冷裂纹在采用 珠光体焊条焊接时焊缝金属在冷却时也容易发生再度淬火并产生应力变得对裂纹敏感 在 中加入了对再热裂纹敏感的铬、钼、钒元素消应力热处理不规范时容易产生再热裂纹从其再热裂纹敏感指数()()()()()()计算出其值为.容易出现再热裂纹 所以如果采用焊后热处理的热补焊工艺时需特别重视去应力退火的工艺过程.修复方式选择铸钢件母材的补焊方法有热补焊、同质冷补焊、异质冷补焊三种方法 此次修复的炉壳置于室外工件外形大无法实现整体保温措施只能选择全部露天作业或者局部保温作业室外温度 左右且昼夜温差 左右 热补焊的焊接方法需要预热、连续焊接焊后还需要进行热处理会造成工件局部位置温度升高、受热不均匀将会引起更大的应力还可能会导致其他问题的发生 同质冷补焊的焊接材料采购困难无法满足工期需要 异质冷补焊采用的是奥氏体焊材可以在无需预热或者预热较低的温度下进行补焊 同时奥氏体焊接材料塑性较好其与 母材导热系数、线性膨胀系数相近焊接后焊接应力主要集中在塑性较好奥氏体焊缝一侧可降低焊缝的残余应力减少焊缝的焊接应力对耳轴座母材的作用 所以采用奥氏体焊接材料进行异质冷补焊的工艺方法能够满足工期、施工环境、焊接操作的条件焊接后质量还能够得到保证奥氏体焊条焊接 珠光体钢时如果焊接接头在高温下停留时间过长会在奥氏体与珠光体交界处产生严重碳迁移导致珠光体侧形成脱碳层、软化奥氏体一侧增碳层、硬化两侧性能相差悬殊产生较大的应力集中降低焊接接头的承载能力研究发现在珠光体钢侧先堆焊奥氏体过渡层并控制过渡层焊接时热输入可以减小焊接接头高温下停留时间减小焊接应力减小珠光体稀释和碳迁移的影响 焊接工艺要点.母材缺陷清除及坡口制作清除缺陷前在裂纹两端采用磁力钻打 的止裂孔 由于原焊缝距离裂纹较近为了减少焊接填充量将裂纹至原有焊缝上沿(含焊缝热影响区)的部分全部气割切除角磨机打磨去除耳轴座母材侧表面所有缺陷 采用/承压设备无损检测中的渗透检测和超声波检测的方法确认两侧母材表面及焊缝两侧 范围内无超标缺陷按照去除缺陷后所形成的空隙形状制作与筒体侧同材质、同厚度的填充钢板作为耳轴座缺少部分的补充 耳轴座侧不制作坡口筒体侧母材开非对称“”型坡口填充钢板与耳轴座焊接的边开单面对称“”型坡口坡口角度 均无钝边坡口制作均采用氧乙炔火焰手工切割气割后将坡口边缘 范围内打磨出金属光泽如图 所示图 修复用坡口示意图.焊接材料及方法的选择在过去由于施工现场环境复杂、恶劣现场焊接作业以及小型备件焊接制作多以手工电弧焊为主随着公司现场环境治理以及焊接技术培训的推进焊接以其焊接成本低、生产效率高、焊接质量高、焊接变形小、焊接应力小、适用范围广等诸多优点逐渐被人们接受并在重要焊接作业场合中使用实芯焊丝富氩气体保护焊与药芯焊丝 气体保护焊都能满足焊缝质量要求 但是药芯焊丝 气体保护焊比实芯焊丝富氩气体保护焊的焊接质量更稳定效率也略高于实芯焊丝富氩气体保护焊气体比富氩气体成本更加低廉 综上所述气体保护焊在不锈钢焊接中更具优势为提高修复效率该方案全部采用熔化极 气体保护焊的焊接方法 同时为避免奥氏体与 珠光体钢焊接时对焊缝金属的稀释作用避免在过渡区产生脆性马氏体需在 珠光体钢即耳轴座母材侧堆焊 的奥氏体过渡层并控制奥体材料堆焊时的热输入减小高温停留时间以减小焊接应力所以耳轴座侧母材采用经验交流 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用 不锈钢药芯焊丝焊丝直径.其余位置均采用 药性焊丝焊丝直径.焊接操作步骤()焊前准备 在炉壳 耳轴座位置内外搭建施工棚施工棚高度、大小以不影响焊接作业为准确保作业过程中不会因加热、焊接等引起火灾()耳轴座母材侧及填充钢板的坡口面堆焊焊接前在施工棚内也放置一片加热器确保施工环境温度保持在 左右 其中耳轴座母材堆焊时用电加热器整体预热 焊接过程中对非焊接位置采用硅酸铝保温毡进行包裹保温仅露出焊接部位 采用 奥氏体不锈钢药性焊丝进行焊接用远红外测温仪测定温度堆焊采用小规范焊接层间温度控制不超过 即手触摸焊缝不烫手时方可进行下一层焊接循环作业直至完成堆焊厚度 要求整个焊道焊接后外观呈不锈钢的亮白色不得发乌、发黄 因不锈钢焊接易出现弧坑裂纹收弧时需采用焊机收弧功能同时收弧时稍作停留焊后仔细观察每个收弧处有裂纹时需打磨清除后方可焊接下一道焊缝()组对 采用不锈钢专用角磨片打磨上述步骤完成的堆焊层然后将筒体母材、填充钢板、耳轴座母材组对点焊在一起()填充焊接耳轴座母材与填充钢板形成的焊缝 采用 奥氏体不锈钢药性焊丝进行焊接用远红外测温仪测定温度堆焊采用小规范焊接层间温度控制不超过 即手触摸焊缝不烫手时方可进行下一层焊接 每道焊接结束后采用不锈钢头风铲敲击焊道减小焊接应力 正面焊接三层六道后背侧采用不锈钢专用角磨片打磨清根将坡口底部修整成“”槽便于焊接然后焊接背侧坡口五层后方可焊接正面焊道如此正面反面交替对称焊接直至焊缝焊接结束()无损检测 角磨机打磨步骤()所焊焊缝使焊道与两侧母材圆滑过渡 然后按照/承压设备无损检测中的渗透检测和超声波检测级要求对步骤()所焊焊缝内部质量、外部质量进行检测()设置刚性固定 在填充钢板与筒体母材之间设置刚性固定拉筋刚性固定拉筋距离焊缝两端约 焊缝内侧、外侧对称设置刚性固定拉筋上需设置半径 的半圆过焊孔刚性固定拉筋钢板厚度 如图 所示()焊接填充钢板与筒体母材间的焊缝 采用 药性焊丝焊接焊丝直径.焊接过程中层间温度不超过 耳轴座本体接近下层焊缝处的温度不超过 正面焊接后背侧采用碳弧气刨清根然后正反面交替对称焊接直至焊接结束焊接过程中每焊接完一道需采用风铲振动敲击以减小焊接应力()无损检测 打磨去除刚性固定拉筋并打磨使焊缝表面与母材过渡圆滑按照步骤()的要求在完成焊接 后进行无损检测()振动时效处理 对整个炉壳的炉身进行时效振动处理消除部分焊接应力消减应力峰值使残余应力处于均匀状态()无损检测 按照步骤()的要求进行无损检测如图 所示 图 刚性固定设置 图 无损检测及修补完成的焊道 结 语对此次修补的焊缝在 后再次进行了渗透及超声无损检测确认同时对周边其余耳轴座的焊缝也进行了渗透及超声无损检测结果发现无裂纹、无超标缺陷确认此次修复成功当 材质的铸钢件不便于采用焊后热处理的热焊补工艺方案时可采用奥氏体冷焊修补的焊接方案进行修补充分利用奥氏体焊接材料的良好的塑韧性在坡口面堆焊过渡层后进行填充焊接选用小焊接规范较低的层间温度减小温度场不均匀所带来的焊接内应力破坏作用有效地防止了焊接裂纹的产生减少焊接变形缩短修复工期节省成本文中所采用的方法也为其他类似铸钢件的修复提供了一种解决问题的思路参考文献:/.汽轮机承压铸钢件技术条件.斯宝祥.钢三通裂纹原因分析和焊接修复技术.浙江电力():./.钢的游离渗碳体、珠光体和魏氏组织的评定方法.陈祝年.焊接工程师手册.北京:机械工业出版社.佚 名.汽缸使用奥氏体钢焊条补焊试验总结.汽轮机技术():./.汽轮机铸钢件补焊技术导则.陈 罡徐东洋徐 彤.汽轮机缸体裂纹修理补焊.设备管理与维修():.姚海龙张恩涛刘胜合等.二氧化碳气体保护焊在不锈钢焊接中的优势.纯碱工业():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)经验交流