高爐焊接大套結構風口段制造技術

劉 良

（秦皇島秦冶重工有限公司，河北 秦皇島 066318）

在我國經濟的飛速發展中，金屬冶煉行業對我國工業和社會的發展影響意義深遠。高爐是金屬冶煉的關鍵設備，其結構、穩定性直接影響著金屬冶煉的質量和效率。風口是高爐實現金屬冶煉的重要部件，在新型高爐結構中，對高爐的風口進行了新的設計，改變了傳統的風口結構形式，將風口大套與風口段爐殼直接焊接。這種結構形式，能夠有效地降低其制造成本。但該種結構形式的風口段在建造施工時精度要求高且不易把控，其制造難度大，有必要對其制造技術進行進一步的研究。

1 爐殼風口段簡介

本次承制的4座高爐有效容積均為1080m3，其風口段布置在第四帶，風口段爐殼材質為Q345R，板厚為45mm，內徑Φ9400mm，高度1990mm，四段拼接。爐殼上圓周方向均勻分布風口20個、冷卻壁水管孔及冷卻板安裝孔100個。風口大套材質為16Mn鍛件，外徑Φ1020mm。大套與爐殼焊縫為全熔透焊縫。爐殼保證總體圓度，任意標高位置半徑公差±12mm，理論環形長度公差±20mm。任意相鄰風口大套中心線夾角誤差≤4′，風口大套水平中心線相對風口理論標高偏移量≤6mm，貼合高爐內側風口大套理論半徑公差±10mm。大套密封面粗糙度Ra≤0.8μm，大套小端內孔直徑公差±0.15mm。

2 風口段制造技術難點和關鍵

2.1 風口帶爐殼開孔

風口帶上分布冷卻壁水管孔、冷卻板安裝孔及風口大套裝配孔。①冷卻壁水管孔、冷卻板安裝孔。風口帶爐殼內徑Φ9400mm，其曲率半徑遠遠大于爐殼板厚（45mm）。冷卻壁水管孔、冷卻板安裝孔由于其孔徑較小，且精度要求不嚴格，進行卷制前開孔，采用開孔機按開孔線開孔。卷制的中性層即為爐殼鋼板厚度的中心層，中性層在其卷制前后長度沒有變化，按板厚計算出鋼板卷制后將理論孔徑包絡進去的中性層長度即為開孔孔徑。②風口大套裝配孔。風口大套裝配孔孔徑為Φ1024mm，孔徑較大，且孔徑大小及位置精度直接影響大套的裝配精度及焊接質量，故采用卷制后開孔。風口帶爐殼卷制完成后，將風口帶按內徑放樣，將四段拼接殼體（按標記角度順序）按放樣調整、組對成整圓，各拼接段錯邊量不大于3mm，測量周長校驗直徑；用水準儀、高度尺測量風口帶爐殼高度，連板連接各拼接段。用水準儀、高度尺劃出大套裝配孔水平中心線，利用全站儀、盤尺劃出20條豎直中心線，標記出風口的十字中心線。檢查20個風口相對位置的準確性，合格后劃出開孔輪廓線，采用靠模氣割的方法割制風口大套裝配孔及焊接坡口，保證大套與爐殼裝配間隙2mm。

2.2 風口大套裝配

將風口大套在平臺上找平，劃貫通工件十字中心線并打樣沖標記。利用組對調整工裝，將風口大套十字中心線與風口段爐殼孔十字中心線對齊，端面用線墜找垂直，測量大套外端面十字線上水平、垂直四點到爐殼中心尺寸，調整到位。風口大套按爐殼中心對稱順序組對，掛鋼線檢查其同心度及向心精度。利用全站儀、角度儀等檢、量具，檢查調整組對偏差，保證尺寸、位置及向心精度，保證風口大套安裝位置準確。在爐殼內側組對防變形加強支撐，長度方向采用方管支撐，各大套之間采用十字分布筋板加固成整體。先將風口大套中心四個位置定位焊，定位焊長度為80mm，厚度焊透，定位焊位置清除有害雜質。大套定位完成后，加強支撐加固焊接。見附圖1。

表1 焊接工藝參數

圖1 大套裝配圖

2.3 風口大套的焊接

爐殼與風口大套為同種鋼焊接（Q345R與16Mn可焊性良好）。爐殼板厚45mm，大套焊接部位為55mm，板厚差異不大，板厚略厚。坡口形式為K型，焊接填充量達到工件質量的8%，填充量大，并且要求焊縫為全熔透焊縫。難點在于爐殼與風口大套焊接質量的保證及焊接變形的控制。風口大套為鍛件，其內部組織致密，力學性能良好，不易產生缺陷。保證焊接質量及控制焊接變形，需要從以下幾個方面進行控制：

（1）焊接方法及焊接材料的選擇。爐殼與風口大套為同種鋼焊接，按照其材質及等強度原則，考慮焊接變形及焊接質量的保證，采用CO2氣體保護焊、YJ502藥芯焊絲、焊絲直徑Φ1.2mm進行焊接作業。

（2）焊前工件處理。焊接前，用鋼絲刷、角磨機清除坡口及母材周圍30mm范圍內（以到坡口邊緣的距離計算）有害雜質，必要時打磨至露出金屬光澤。

（3）焊前預熱。預熱溫度為80℃～100℃，預熱范圍為焊縫周圍200mm內。采用火焰槍進行預熱，紅外測溫槍進行溫度監控。

（4）焊接作業。將工件固定在胎架平臺上，各段之間連扳連接成整體，增加強度。多層多道焊，采用直進焊，為保證坡口兩側熔合良好，允許適當的擺動，月牙弧形擺動，但擺動寬度不超過焊絲直徑的10倍。先焊接內側兩至三層焊道，全位置焊接。將風口帶各段解體，水平放置，每個風口大套需要兩名焊工同步進行對稱焊接，同一段風口段爐殼不同大套從中間向兩端依次焊接，使得焊接時的應力能夠相互抵消，減少殘余應力，控制焊接變形。每道焊接完成后及時清理焊渣及表面飛濺物，發現影響焊接質量的缺陷，清除后再進行焊接。層間溫度控制在100℃～150℃，紅外測溫槍進行溫度監控。焊接工藝參數見表1。

（5）消除焊接殘余應力。常規的消除殘余應力有整體退火和局部加熱兩種方法。風口帶屬于大型構件，筒狀殼體，壁厚較薄，整體退火變形不易控制，并且整體退火費用高，局部加熱受熱不均勻，效果不理想。本次采用焊接過程和焊后振動時效相結合的方法消除殘余應力。焊接時，每道焊道焊接完成后，采用小錘敲擊焊道，敲擊時用力均勻，并沿著焊接方向進行敲擊，錘子不可帶棱角或尖角。敲擊時，不要傷及母材。第一層焊道不可敲擊，否則，可能會因其焊道強度不足，敲擊不當導致根部裂紋。也不允許對蓋面焊道進行敲擊，否則可能會使表面層焊道因敲擊而產生表面冷作硬化，出現裂紋傾向，也影響焊縫表面外觀質量。焊接完成后，將風口帶墊起，用滿足噸位要求的振動器進行振動時效消除殘余應力。

圖2 工廠焊接現場

2.4 矯正焊接變形

風口大套與爐殼焊接后，爐殼不可避免地會發生形變，需要進行二次預組裝、校正變形。平臺上放樣，按內徑放樣調整矯正、組對成整圓，連板連接各拼接段。檢查調整組對偏差，確保大套組對尺寸、位置及向心精度。

2.5 機械加工

風口帶單片尺寸為6700mm×1500mm×1990mm，需要用帶回轉臺的大型數控鏜銑床加工，分片加工后，又面臨現場組裝焊接變形的風險。將大套密封面直徑方向留6mm的現場加工余量，大套其余尺寸裝配前加工成。現場將風口帶與上下帶組裝焊接完成后，用可移動式鏜孔設備，按大套端面保留找正線找正，重新修整密封面，能夠有效地保證其精度。密封面粗糙度要求Ra≤0.8μm，采用人工刮研的方法精磨密封面滿足要求。

3 結語

對4座1080m3高爐焊接大套結構風口段的制造進行技術攻關，突破國內沿用的常規制作方法，在保證焊接質量和精度方面取得了良好效果。但還有待于改進，例如，現場沒有可移動加工設備時，密封面現場精整加工便無從實現。

參考文獻

[1]吳林川,陸一平,彭杰.大型高爐新型結構風口段制造技術[J].武鋼技術,2016,54(02)：30-33.

[2]生利英.4000m～3特大型高爐風口法蘭焊接和熱處理工藝[J].金屬加工(熱加工),2014(02)：88-90.