黃凌志

武漢鋼鐵綠色城建金屬結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司 湖北武漢 430000

1 序言

真空處理鋼制渣罐用于盛裝經(jīng)RH真空爐精煉處理后的廢棄高溫鋼渣，要求與煉鋼重型起吊設(shè)備安全匹配，便于罐底鋼渣的傾倒。該種類型鋼渣罐原為整體鑄造，容積和體重均無法滿足現(xiàn)場工藝要求。

武漢鋼鐵綠色城建金屬結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司首次研制該類型鋼制渣罐，具有材質(zhì)性能好、精準(zhǔn)度高、容積大、重量輕及經(jīng)濟(jì)實惠的特點。由于鋼渣出爐排放前已進(jìn)行過降低溫度的處理，故此真空處理鋼制渣罐采取在罐底鋪設(shè)耐材層進(jìn)行罐體保護(hù)。其主要特點如下：①罐體為倒錐體結(jié)構(gòu)，上端內(nèi)口直徑為4440mm，下端內(nèi)口直徑為2700mm，總高達(dá)3590mm，單件凈重約50t。②罐體底板及壁板厚度均為70mm，材質(zhì)為Q355R；耳軸的材質(zhì)為35鍛件鋼（以下簡稱35鋼），耳軸座材質(zhì)為ZG310-570。③鋼制渣罐工作和運行時主要有平行起吊及翻轉(zhuǎn)出渣兩種工位，各種工位運行時均要求設(shè)備平穩(wěn)可靠、翻轉(zhuǎn)靈活自如，因此制作質(zhì)量要求較高。

本文主要論述真空處理鋼制渣罐制作工藝控制過程，重點對真空處理鋼制渣罐制作焊接過程進(jìn)行有效控制，解決異種鋼焊接難點。對焊接生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題進(jìn)行診斷分析，制定相應(yīng)返修工藝，確保焊接質(zhì)量合格。

2 制作過程中的重點與難點控制

（1）重點與難點分析 真空處理鋼制渣罐采用厚板焊接結(jié)構(gòu)形式，罐體底板及壁板厚度均為70mm，焊接過程中會產(chǎn)生較大焊接應(yīng)力；罐體底板及壁板材質(zhì)與耳軸、耳軸座材質(zhì)不同，且35鋼和ZG310-570均屬于中碳鋼，焊接性差，易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷[1]。因此，制作的重點與難點控制主要包括厚板焊接和異種鋼焊接兩個方面。

（2）主要制造工藝流程 主要工藝流程如圖1所示。

（3）材料質(zhì)量檢測控制 所有材料入廠前應(yīng)具有產(chǎn)品合格證明書，其中罐底、罐體所用Q355R材料按NB/T 47013－2015《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)行100%UT檢測，三級合格。

（4）耳軸、耳軸座、耳軸套外委加工質(zhì)量控制 耳軸超聲波檢測內(nèi)部缺陷，結(jié)果為二級合格，按V組鍛件檢驗，調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到207～269HBW。耳軸座、耳軸套正火加回火處理，超聲波檢測內(nèi)部缺陷，結(jié)果為二級合格。

圖1 主要工藝流程

（5）組焊工藝質(zhì)量控制 組裝順序為：罐體拼焊→底板與罐體拼焊→裝焊耳軸→裝加強(qiáng)箍→底板與罐體組裝→裝焊傾翻裝置→裝焊耳軸周圍的加強(qiáng)筋。罐體與罐底組裝完后，對局部圓度超差處進(jìn)行火焰矯正。上口直徑 、圓度、罐高在允許公差范圍內(nèi)的情況下，在上口處應(yīng)加焊臨時支撐。裝耳軸前應(yīng)將罐體擺放好、測平，用經(jīng)緯儀測定耳軸的裝焊點，以保證耳軸的同軸度。兩耳軸同軸度的最大允差為3mm。所有零件必須在檢測后方可裝配。

（6）厚板焊接控制 當(dāng)母材厚度≥32mm時，針對重要部位焊前需預(yù)熱到100～150℃，預(yù)熱方法為煤氣加熱。焊后進(jìn)行熱處理，工藝為150～200℃并保溫2h以上。要求連續(xù)一次性焊完并保證層間溫度＞100℃。對于沒能連續(xù)焊完的焊縫，再次施焊前必須重新預(yù)熱。

（7）罐體組裝控制 ①罐體底板允許接一條焊縫，接料寬度≥1000mm。②罐體分上下兩個部分，每部分由兩個半圓形成，各片下料必須用數(shù)控切割機(jī)切割。③罐體各片下料時，每片母線及弧長方向需留2mm焊接收縮余量。每端預(yù)留滾圓壓頭余量700mm（或采取焊接壓頭板方式）。④扇形面滾圓采用分區(qū)滾制法，應(yīng)用弦長＞1500mm的檢查樣板在曲面大口和小口檢查曲率，錐面與樣板的間隙＜3～5mm。⑤筒體滾圓成形后，其上下口弦長誤差應(yīng)在2mm內(nèi)，串角＜5mm。⑥接縫應(yīng)按圖樣布置，對接錯邊量＜2mm，圓度應(yīng)控制在3mm以內(nèi)。

（8）焊縫檢測 真空處理鋼制渣罐主要焊縫和檢測要求見表1。

3 異種鋼焊接缺陷處理

（1）現(xiàn)象描述 經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，耳軸座與耳軸間的環(huán)焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)冷裂紋，如圖2所示。

圖2 環(huán)焊縫處出現(xiàn)裂紋

（2）原因分析 ZG310-570與35鋼屬于中碳鋼，裂紋分布在熱影響區(qū)。該類缺陷主要是由于碳當(dāng)量偏高、淬硬組織過多，以及焊條熔敷金屬中氫含量過多所致。

1）碳當(dāng)量分析。耳軸座材質(zhì)為ZG310-570，耳軸材質(zhì)為35鋼，兩種材質(zhì)的化學(xué)成分見表2。

由表2可知，35鋼化學(xué)成分的各項數(shù)據(jù)低于ZG310-570，因此依據(jù)ZG310-570化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上限值，由碳當(dāng)量公式計算出最大碳當(dāng)量值為0.773%，這說明其焊接性較差，屬難焊材料，需采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方法。

表1 真空處理鋼制渣罐主要焊縫和檢測要求

表2 耳軸座和耳軸材質(zhì)的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2）淬硬組織分析。焊縫和熱影響區(qū)的冷裂傾向，除了與其成分有關(guān)外，組織對性能的影響更為明顯。在成分一定的前提下，組織決定冷卻速度。淬硬組織越多，硬度越高，焊接性越差。通過控制冷卻速度，改變焊接區(qū)的組織種類和硬度，降低產(chǎn)生裂紋的可能性。

焊接時母材的實際初始溫度和焊接熱輸入大小影響著冷卻速度，我們在實際焊接中，未采取相應(yīng)的后熱措施，導(dǎo)致冷卻速度過快，這也是產(chǎn)生冷裂紋的主要原因。

3）氫的影響分析。引起冷裂紋的因素，不僅是碳當(dāng)量、冷卻速度或者淬硬組織，焊縫中的氫含量同樣會增加冷裂紋敏感度。在焊接過程中和焊后，焊縫中的氫會不斷地向熱影響區(qū)擴(kuò)散或聚集，導(dǎo)致熱影響區(qū)組織不易變形，增大產(chǎn)生冷裂紋的概率。

4 焊縫返修采取的措施

（1）焊前準(zhǔn)備 ①用碳弧氣刨清除裂紋。注意碳棒角度指向焊縫中心，采取分段逐層處理，每個分段長度≤200mm、深度≤5mm，最后處理各分段長度為50mm的間隔段。②采用風(fēng)槍勻速清除焊渣，用肉眼觀察裂紋情況。③清理完所有冷裂紋后，用錐形小磨頭打磨焊道，清除滲碳層后，采用著色檢測確認(rèn)結(jié)果。

（2）焊材的選擇 焊縫及熱影響區(qū)的組織及性能在很大程度上取決于焊材，為了保證焊縫的力學(xué)性能與母材的性能相匹，焊縫熔敷金屬的強(qiáng)度要求與母材的強(qiáng)度基本上等強(qiáng)[2]，同時保證熔敷金屬具有良好的抗裂性能及抗氧化性能，選用φ3.2mm和φ4.0mm奧氏體不銹鋼焊條，如A302。

焊接區(qū)的氫主要來源于焊接材料和焊接區(qū)的水分，提高焊材的烘干溫度，可降低焊縫中溶解的氫。因此，為防止裂紋的產(chǎn)生，焊條在使用前必須要進(jìn)行300～350℃的烘干，并保溫2h，焊接時使用保溫桶。

（3）焊前預(yù)熱 預(yù)熱的目的：一是可以降低焊接接頭的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫逸出，避免氫致裂紋；二是可減小焊接區(qū)與焊件整體之間溫差值（也稱溫度梯度）。因為溫差值越小，焊接區(qū)與焊件結(jié)構(gòu)間溫度不均勻性也越小，所以降低了焊接應(yīng)力，也降低了焊接應(yīng)變速率，有利于避免焊接裂紋。

焊前預(yù)熱溫度為250～300℃，預(yù)熱方法為煤氣或電輔助加熱，并用石棉包裹至僅露出焊接區(qū)域，加熱范圍為坡口兩側(cè)150mm。如中斷連續(xù)焊接，再次施焊前必須重新預(yù)熱。

（4）施焊 選擇有經(jīng)驗的焊工施焊，耳軸座和耳軸焊縫返修采用焊條電弧焊，焊條為A302，直流電源。打底焊使用φ3.2mm焊條，焊接電流為70～130A；填充和蓋面焊使用φ4.0mm焊條，焊接電流為100～160A；采用多層窄道焊接，注意控制層間溫度，焊條擺動不得過大，且不要在軸塊側(cè)過多停留。

（5）焊后后熱處理 焊后熱處理溫度為250℃，保溫2h以上，然后緩冷，24h后進(jìn)行100%UT檢測。

5 裂紋修復(fù)后熱處理

（1）熱處理要求 熱處理之前需檢查設(shè)備、溫控儀表、自動記錄儀是否完好，并經(jīng)專檢員簽字認(rèn)可；耳軸座修復(fù)且經(jīng)無損檢測合格后進(jìn)行整體消除應(yīng)力熱處理；耳軸座入爐時爐內(nèi)溫度≤300℃。

（2）焊后熱處理 焊后熱處理工藝曲線如圖3所示。

圖3 焊后熱處理工藝曲線

6 結(jié)束語

通過對真空處理鋼制渣罐制作中出現(xiàn)的耳軸座和耳軸間焊縫冷裂紋問題進(jìn)行分析，并且制定出相應(yīng)的返修工藝，達(dá)到了制作要求，進(jìn)行一次返修處理后，沒有再次出現(xiàn)焊縫質(zhì)量問題。由此可見，對于ZG310-570材質(zhì)的組裝產(chǎn)品，選用A302焊條，進(jìn)行250～300℃預(yù)熱，并通過減緩冷卻速度，在規(guī)范的工藝指導(dǎo)下進(jìn)行操作，既可降低該類材質(zhì)焊接冷裂紋缺陷產(chǎn)生的可能性，又為今后的鋼結(jié)構(gòu)組裝過程中，對于中碳鋼的焊接可起到一定的借鑒作用。