钢渣罐修复裂纹产生原因分析及对策

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钢渣罐修复裂纹原因分析及对策彭润平（武钢研究院湖北武汉430080）摘要：经过分析钢渣罐修复出现裂纹的原因，总结出具体的解决措施，指导现场焊接生产，提高钢渣罐的修复效率。关键词：钢渣罐；裂纹；原因；措施CountermeasuresandanalysisonthereasonsofrepaircrackforslagcansPENGrun-ping(Research&DevelopmentCenterofWISCO,Wuhan430080,China)Abstract:Byanalysisonthereasonsofrepaircrackforslagcans,Thepresentpapersummarizesspecificalsolutionsforguidingon-sceneproductionofweldingandimprovingtherepairefficiencyofslagcans.Keywords:slagcans;crack;reason;measure武钢股份公司炼钢总厂四分厂（以下简称四炼钢）使用的18.6m3钢渣罐，材质为ZG230-450，罐体厚度为100mm，上口直径为φ4200mm，下口直径为φ2300mm，高度为3100mm，重量为37.5t（具体形状尺寸见图1）。图1钢渣罐主要形状尺寸使用过程中，经目视检查发现裂纹，主要位于耳轴加强筋板与钢渣罐本体连接处，采用常规焊接方法修补后，修复焊缝外表面经磁粉检测仍发现裂纹。一般认为铸钢件焊接修复在本质上与轧钢件焊接修复并没有区别，铸钢件焊接修复并没有引起足够的重视，造成钢渣罐修复效率不高；又由于钢渣罐是炼钢生产中重要设备，出现裂纹若修复不及时可能会影响炼钢生产；所以有必要对钢渣罐修复焊缝产生裂纹的原因进行分析。1原因分析这类裂纹经过观察，大部分产生在修复焊缝的热影响区，产生该类裂纹原因主要是碳当量偏高、材质、表面状况、焊接热影响区淬硬以及熔敷金属中含有大量的氢等所致。1.1可焊性分析根据钢渣罐的材质为ZG230-450,其化学成分见表1，其力学性能见表2。表1:ZG230-450化学成分WB/%CSiMnSP残余元素≤0.30≤0.50≤0.90≤0.04≤0.04≤1.00第4页 作者简介：彭润平（1976-），男，工程师，13720206024表2:ZG230-450力学性能屈服强/MPa抗拉强/MPa伸长率/%收缩率/%冲击吸收功AKV焦耳AKU焦耳≥230≥450≥22≥32≥25≥35根据国际焊接学会推荐的碳当量公式[1]：(%)式中：WC——钢中碳的百分含量；WMn——钢中锰的百分含量；WCr——钢中铬的百分含量；WMo——钢中钼的百分含量；WV——钢中钒的百分含量；WNi——钢中镍的百分含量；WCu——钢中铜的百分含量。依据表1钢渣罐化学成分百分含量的上限值，计算出该钢渣罐的最大碳当量值为0.45%，这说明其焊接性不好，淬硬倾向明显，焊接前需要采取预热等适当的工艺措施。1.2表面状况分析在铸造过程中，为了改善钢渣罐的抗机械粘砂性能，一般会在型砂中添加一定量的煤粉（主要是碳），在浇注过程中可能形成活性的碳原子而渗入钢渣罐的表面，从而使得表面含碳量较高。在干砂造型,负压的条件浇注时,铸件有表面增碳现象,增碳层厚度为0.50～2.50mm,增碳量在0.01%～0.60%之间[2]。1.3氢的影响焊接中若使用含有水分的焊条，在焊接过程中，氢从电弧气氛中进入液态金属，使熔敷金属中含有大量的氢，这些氢是原子态的。随着温度的下降，一部分氢向外逸出，一部分氢扩散到热影响区，并且每二个氢原子结合成分子状的氢要占据稍大的空间，而热影响区淬硬部分不易产生变形，使得产生裂纹的几率大大提高。1.4热影响区硬度的影响[3]钢渣罐修复是在极狭小的范围内进行的，易造成冷却速度像淬火那样的迅速，因此钢渣罐修复焊缝热影响区都被淬硬。图2是经过实验得出的焊接断面硬度分布图，从这个图上可以看出焊接热影响区的硬度比母材高得多，再者，修复焊缝位于耳轴加强筋板和罐体拐角处，形状突变易造成应力集中，这些助长了裂纹的产生。第4页 图2焊接热影响区的硬度分布2解决措施由上述分析可知，采取特殊的焊前准备，采用恰当的焊接材料，选取准确的预热温度，规范的焊接操作可以大大减少这类焊接裂纹的产生。2.1焊前准备由于铸造过程中可能会使得表面硬度偏高，表面处理不干净导致氢进入熔敷金属，所以焊前准备尤为重要。先在裂纹两端钻直径φ6mm的止裂孔，再用电弧气刨清理大的缺陷，然后用角向抛光机在表面上清除渗碳层，再用磁轭法检测表面是否还残留缺陷。缺陷完全消除后，最后将挖掘部分的拐角处做成如鼓肚碗状，上面口宽，便于焊接操作。焊前用角向磨光机将该修复部位周围60mm内清理干净，直至露出金属光泽并修磨平滑。2.2焊接材料的选择焊缝及热影响区的组织及性能在很大程度上取决于焊接材料，为了保证焊缝的力学性能与母材的性能相匹配，焊缝熔敷金属的强度要求与母材的强度基本上等强，但为了防止焊缝有较大的开裂倾向，尽量减少焊缝中的氢的含量，因此采用手工电弧焊时，焊接材料选用φ4mm，E4315的低氢焊条。由于低氢焊条药皮容易受潮，而焊条药皮中的水分是氢的主要来源，为了防止裂纹的产生，焊条在使用前要经过350℃、2小时烘干，冷却到100℃保存并随用随取。使用前检查焊条药皮是否开裂、脱落及焊芯生锈和偏心现象，不符合要求的焊条严禁使用。2.3预热温度确定预热的目的基本上是为了降低熔敷金属与母材之间温度差的影响，减少淬硬区，降低收缩应力，提高氢的扩散速度，不致于有产生裂纹的危险。根据计算预热温度的经验公式：TC=Ceq×360式中：TC——预热温度，℃Ceq——碳当量，%钢渣罐的碳当量为0.45%，由此得出钢渣罐的预热温度为162℃。考虑到钢渣罐的体积大，壁厚达到100mm，采用局部预热，焊接时的刚性大，焊接过程中会生产很大的焊接应力，因此预热温度定为200℃。预热范围为补焊区向四周扩展300mm；采用电感应加热，用石棉包裹仅露出焊接区域，焊接过程中用红外测温仪监控修复部位的温度，当降低到150℃时再次加热。2.4焊接操作补焊应由有经验的持证焊工进行操作，尽可能在水平位置施焊。为了防止未焊透及弧坑裂纹产生，补焊应连续进行，在不得不中断时，应采取保温措施。焊接电源为直流电焊机，极性为反接；焊接电流平焊时140A～170A，立焊及仰焊时130A～160A；焊接电压控制在28v～32v，焊接速度在13cm/min～15cm/min范围内。补焊时，焊条不应摆动过大，缺陷较大时应分段、交错焊接，采用短弧、窄焊道多层焊。焊接时各层的每道焊缝后应用小手锤或风铲进行锤击以减少焊接应力；补焊过程中若发现裂纹及缺陷，应彻底清除后方可继续补焊，焊后将焊缝打磨平整。2.5焊后处理及检验由于钢渣罐体积大，用整体热处理进行消除焊接应力的方法很显然是不切实际的，因此将补焊区加热至350℃～400℃左右，然后用石棉将整个补焊区包住，缓慢冷却至室温。第4页 焊后用磁轭法检测修复焊缝及向四周扩展50mm的区域，用A1-30/100试片校验检测灵敏度，控制磁化时间，掌握磁化方向，严格按JB/T4730-2005标准要求进行检测及评定[4]。3结语2008年12月至2009年5月期间对采用此法修复的26台钢渣罐进行了检测，有25台钢渣罐修复后检测没有发现缺陷，钢渣罐修复一次合格率为96%。有1台钢渣罐发现2mm长裂纹，经过第二次修复后检测后没有发现缺陷。由此可见，18.6m3钢渣罐采取特殊的焊前准备，选用φ4mm，E4315焊条，预热200℃，规范的焊接操作可以大量减少这类焊接裂纹的产生。该措施针对修复18.6m3钢渣罐裂纹合理得当，效果明显。建议依据该类钢渣罐修复措施，针对其他规格的钢渣罐编制一一对应的焊接措施。参考文献[1]、曾乐主编现代焊接技术手册上海科学技术出版社1993.12[2]、代军李保峰曹金钟实型负压铸造技术在铸钢生产中的应用铸造技术1993（1）25-26[3]、[日]副岛一雄仁熊贤次著张锐译铸钢铸铁焊接要点黑龙江人民出版社1980.04[4]、JB/T4730-2005特种设备无损检测新华出版社2005.10第4页