论文部分内容阅读
[摘 要]竖炉作为一种重要的冶炼设备被广泛应用于黑色金属镍的冶炼。由于其是一种较为复杂的焊接结构产品，并且具有较高的技术要求，作为我厂一种新的生产产品，在时间紧、任务重的情况下，车间上下一心，在规定的工期内完成了生产任务。但在生产中也遇到了很多困难，现将工作做一下初步的总结，为以后该类产品的生产提供一定的参考经验。
[关键词]竖炉；冶炼设备；金属镍；焊接结构
中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0021-02
1.工程简介
众所周知，黑色金属镍作为我国稀缺的金属之一，特别是近年来，在全球镍需求不断扩大和普遍对中国不锈钢产业看好的情况下，国际镍价飞速上涨。国际镍价飞速上涨对我国不锈钢产业和其他相关用镍行业造成了严重的负面影响[1]。在努力勘探开采国内现有镍矿资源的同时，我国企业还积极与国外的镍矿企业进行合作。在提高勘探投资、积极开发镍资源的同时，为了应对镍价的高涨，主要用镍行业还应该从节流的角度，不断开发用镍量少的新产品，减缓镍需求量的迅速增长。竖炉作为重要的镍冶炼设备而引起广泛的关注，特别是小型竖炉的制作，由于其低成本，高效率而被生产厂家广泛使用。随着我国国外镍冶炼的发展，要求镍冶炼设备具有较高的技术指标，以保证设备出口后的顺利使用。本文针对我厂生产镍冶炼设备—竖炉的生产过程出现的问题进行了总结，为以后同类设备的生产提供宝贵的生产经验。
2 焊接施工难点及特点
2.1 焊接难点
实践证明，竖炉本体生产时应该具有较高的技术要求，特别是在焊缝处的结构强度要高，这是由于烧室承受着1100～1120℃的高温及10～20kPa压力；另外，燃烧室温度较高，整个砌体因热膨胀而产生位移，必然导致筒体本体也随着产生位移；并且现有的燃烧室底部框架都是自由地放置在混凝土平台上，平台表面粗糙，热膨胀产生的摩擦力很大，因此容易导致顶部砌体开裂；同时，内外筒体之间具有循环冷却水，造成筒体本身的内外温度差异过大，使其寿命变短。
由于竖炉炉体炉壳下的实际高度为3m，内外筒体板厚分别为12mm与16mm，而我厂的设备当中只有一个德国的大辊床满足辊12mm与16mm的板厚要求，但该设备也不能辊宽度3m的板，因此需要对筒体分别卷制后进行组立拼接。竖炉筒体组对焊接时，焊口为环缝，为了保持最佳工位焊接，筒体需进行转动。而竖炉并未安装驱动装置。因此，筒体转动只能借助临时装置驱动，为了按时完成生产任务，在车间建议下，公司购置了小型辊胎，确保了生产的按时进行。
竖炉筒体焊接过程中存在送风孔、塞焊孔与竖炉筒体本体的焊接，二者的焊接质量直接影响竖炉的使用寿命，并且根据技术要求焊后进行打水压试验。由于送风孔和观察孔数量较多，焊接时，送风孔相互之间距离较近，造成与筒体本体焊接存在较大的难度，易焊不透，使得水压试压失败；同时要求送风管、观察管与筒体本体之间具有一定的相对角度，即送风管与筒体下端面夹角80°，观察管与筒体底部形成4°夹角，采用常规的方法进行组立，增加操作者的施工难度。因此，制作了定位胎具，以提高生产效率。
竖炉生产过程当中，具有16个塞焊孔，且塞焊孔尺寸为100mm×20mm。要求塞焊孔焊完之后进行打压试验，在初次焊接完成后进行试压，结果大部分塞焊孔均产生漏水，经过分析认为是由于在焊接过程中所采用的焊接顺序存在问题，因此改善了焊接顺序，使上述问题得到解决。
2.2 施工特点
竖炉筒体组对共有6条环缝，每条环焊缝长约6m，需焊5～6道，焊接工作量并不大，但是由于板厚仅为12mm，焊接工艺要求较为严格，导致时间长，工人操作较为困难；由于接到项目后要求生产时间较短，为尽快完成生产，车间组织高级焊接技术工人进行焊接，为确保按期完工创造了条件。
3 焊接工艺
3.1 焊接方法
本工程筒体焊接采用GMAW+SAW 方法，用CO2+Ar气体保护焊打底，埋弧焊填充、盖面。塞焊孔与送风管采用手工电弧焊的方法焊接。
3.3 焊接工艺参数
3.4 预热及焊后热处理
竖炉筒体本体材质未为Q235钢，焊接性很好，因此不需要进行预热处理。但焊接过程中在焊接热影响区过热区将发生严重的晶粒粗化。此区的温度是处在固相线以下到 1100℃左右，金属处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到粗大组织即魏氏组织。对于Q235而言，当线能量过大时，则会引起 HAZ 的组织粗大，造成粗晶脆化。因此，要合理控制线能量的大小，而且在焊后可以进行适当的退火处理来消除粗晶脆化。
焊接变形主要是由于焊接过程中焊接热循环对金属材料是一种不均匀的加热和冷却过程引起的。焊接时，焊缝和热影响区温度较高，金属受热膨胀受到常温金属的阻碍和制约，便产生了压缩塑性变形，冷却时由于收缩受限而产生拉伸塑性变形。
4 焊接操作要点
4.1 打底焊
竖炉筒体外侧打底焊采用20%CO2+80%Ar 混合气体保护焊，焊层不能太厚，控制在3～4 mm 为宜。操作要点：在筒外侧搭设操作平台，先驱动筒体转动，转速稳定在焊接工艺要求的焊接速度后方能焊接。焊接过程中，如转速不合适再进行微调，直至满足焊接需要。
4.2 埋弧焊焊接
4.2.1 外侧填充、盖面
利用已搭设好的操作平台，在筒体外侧安装小车运行轨道，按照工艺要求将焊接工艺参数调整到要求值，然后起动焊机和滚轮架，调节筒体旋转速度，进行焊接位置的调整，让焊机小车保持在筒体12 点钟焊接位置，如图1所示。然后进行正常焊接。
4.2.2 内侧填充、盖面
内侧焊接位置选择在筒体内侧最低处，在筒体内侧安装轨道，将焊接小车放在轨道上，按照工艺要求将焊接工艺参数调整到要求值，起动焊机和滚轮架，调节筒体旋转速度， 进行焊接位置的调整，让焊车保持在筒体6点钟焊接位置后进行正常的焊接。在焊接过程中，应随时注意观察电流表和电压表的读数，观察焊接小车的行走情况是否在水平位焊接，有无跑偏，如有偏差及时进行调整。并应注意观察漏斗内的焊剂量。 4.3 塞焊孔的焊接
在实际的生产中往往由于焊接顺序的不同，而导致最终成品的质量不同。针对生产中遇到塞焊孔在打水压过程中出现漏水的现象，进过分析认为是由于焊接顺序所引起的，即在焊接时，焊工愿意在拐角点起弧，这样易于焊接操作。但是由于采用手工电弧焊，使得起弧点与收弧点处焊不透，导致露点的存在。因此，改用下图所示引弧点与收弧点，解决了露点的问题。
5 技术创新
5.1 CO2气体保护焊
CO2气体保护焊的优点是高效、节能、抗锈、低氢等。由于CO2气体保护焊在焊接过程中极易产生气孔，为保证焊接质量，采取了如下措施：
（1）施工前，将焊件表面的铁锈、油污、脏物等清理干净，并使焊件表面保持干燥；
（2）施工中采用的CO2气体是混有少量氩气的混合气体，焊接前将CO2气瓶倾斜约30°，将瓶内的积水放出来，以保证CO2气体干燥，在焊接中产生的气孔得到了有效控制。
5.2 埋弧焊
埋弧焊生产效率高，是焊条电弧焊的几倍，焊丝直径大，焊接电流大，电弧的熔深能力比焊丝的熔覆效率高，焊缝成形美观。熔池存在时间长，冶金反应充分，焊缝质量稳定，有渣壳保护，减少了焊缝中O，H，N的含量，从而减小了产生气孔、裂纹的可能。工艺参数自动调节，对焊工的技能水平要求不高。劳动条件好，没有弧光辐射。与其他弧焊方法比，埋弧焊的抗风能力好[3-5]。
5.3 引进无级变频调速滚轮架
为保持水平位焊接，筒体旋转采用无级变频调速滚轮架，保证了筒体空间焊接位置不变。CO2气体保护焊打底时，在顶部操作平台施焊，筒体旋转线速度维持在焊接速度；在埋弧焊焊接时，焊接小车在筒体上行走，行走方向与筒体转向相反，速度与筒体旋转线速度大小相等，筒体旋转与焊接同时进行；此种焊接方法，保证了在最佳水平位焊接，焊接能连续进行，焊接质量明显提高。滚轮架设备费用低，安全性好，方便施工，生产效率明显提高。
5.4 送风管定位胎具设计
送风管与炉体为一体式焊接结构。为了使送风管获得更好分散吹风效果，管路形状设计较为复杂，设计送风管与炉体下盖板角度为80度，观察管与炉体下盖板角度为5度，送风管与观察管组焊完成后再与筒体连接。组焊时要求保证送风管、观察管与炉体下盖板之间的相对角度；并且送风管与送风观察孔由18个直径为133mm、壁厚为8mm管组成，要求所有的送风管上法兰均在同一平面内，施工难度较大。针对这一情况设计出具有很好送风管与观察管定位的装置，如图：
该实用新型专利装置解决了竖炉送风管以及观察管相对于竖炉本体角度的问题，节省了两个管的安装时间，减少了工人的劳动强度，提高了生产效率。
6 结论
竖炉筒体组对、焊接的过程中，采用GMAW+SAW焊接方法，气体保护焊采用CO2+Ar 混合气体，焊接质量得到了可靠的保证；同时采用无级变频调速滚轮架驱动回转窑筒体转动，操作方便，安全性好，降低了筒体驱动成本；设计送风管定位胎具降低了安装难度，焊接施工效率成倍提高。
参考文献
[1] [20] 彭冀湘，刘勇，王顺兴，等.火焰熔覆镍基/陶瓷涂层的耐磨性研究[J].中国表面工程，2003，9（1）：1-19.
[2] 温建盛.金属材料预热处理[M].机械工业出版社，2008：120～126.
[3] 牟红杰，康喜军，杨晓波，等.Q235钢筒体埋弧自动焊工艺[J].焊接，2001，45（4）：29～30.
[4] GB50551—2010球团机械设备安装工程质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2010.
[5] 马玉科，朱博，王文凯.回转窑筒体组对焊接施工技术[J].焊接技术，2012，41（1）：月60～64.
[关键词]竖炉；冶炼设备；金属镍；焊接结构
中图分类号：TG454 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0021-02
1.工程简介
众所周知，黑色金属镍作为我国稀缺的金属之一，特别是近年来，在全球镍需求不断扩大和普遍对中国不锈钢产业看好的情况下，国际镍价飞速上涨。国际镍价飞速上涨对我国不锈钢产业和其他相关用镍行业造成了严重的负面影响[1]。在努力勘探开采国内现有镍矿资源的同时，我国企业还积极与国外的镍矿企业进行合作。在提高勘探投资、积极开发镍资源的同时，为了应对镍价的高涨，主要用镍行业还应该从节流的角度，不断开发用镍量少的新产品，减缓镍需求量的迅速增长。竖炉作为重要的镍冶炼设备而引起广泛的关注，特别是小型竖炉的制作，由于其低成本，高效率而被生产厂家广泛使用。随着我国国外镍冶炼的发展，要求镍冶炼设备具有较高的技术指标，以保证设备出口后的顺利使用。本文针对我厂生产镍冶炼设备—竖炉的生产过程出现的问题进行了总结，为以后同类设备的生产提供宝贵的生产经验。
2 焊接施工难点及特点
2.1 焊接难点
实践证明，竖炉本体生产时应该具有较高的技术要求，特别是在焊缝处的结构强度要高，这是由于烧室承受着1100～1120℃的高温及10～20kPa压力；另外，燃烧室温度较高，整个砌体因热膨胀而产生位移，必然导致筒体本体也随着产生位移；并且现有的燃烧室底部框架都是自由地放置在混凝土平台上，平台表面粗糙，热膨胀产生的摩擦力很大，因此容易导致顶部砌体开裂；同时，内外筒体之间具有循环冷却水，造成筒体本身的内外温度差异过大，使其寿命变短。
由于竖炉炉体炉壳下的实际高度为3m，内外筒体板厚分别为12mm与16mm，而我厂的设备当中只有一个德国的大辊床满足辊12mm与16mm的板厚要求，但该设备也不能辊宽度3m的板，因此需要对筒体分别卷制后进行组立拼接。竖炉筒体组对焊接时，焊口为环缝，为了保持最佳工位焊接，筒体需进行转动。而竖炉并未安装驱动装置。因此，筒体转动只能借助临时装置驱动，为了按时完成生产任务，在车间建议下，公司购置了小型辊胎，确保了生产的按时进行。
竖炉筒体焊接过程中存在送风孔、塞焊孔与竖炉筒体本体的焊接，二者的焊接质量直接影响竖炉的使用寿命，并且根据技术要求焊后进行打水压试验。由于送风孔和观察孔数量较多，焊接时，送风孔相互之间距离较近，造成与筒体本体焊接存在较大的难度，易焊不透，使得水压试压失败；同时要求送风管、观察管与筒体本体之间具有一定的相对角度，即送风管与筒体下端面夹角80°，观察管与筒体底部形成4°夹角，采用常规的方法进行组立，增加操作者的施工难度。因此，制作了定位胎具，以提高生产效率。
竖炉生产过程当中，具有16个塞焊孔，且塞焊孔尺寸为100mm×20mm。要求塞焊孔焊完之后进行打压试验，在初次焊接完成后进行试压，结果大部分塞焊孔均产生漏水，经过分析认为是由于在焊接过程中所采用的焊接顺序存在问题，因此改善了焊接顺序，使上述问题得到解决。
2.2 施工特点
竖炉筒体组对共有6条环缝，每条环焊缝长约6m，需焊5～6道，焊接工作量并不大，但是由于板厚仅为12mm，焊接工艺要求较为严格，导致时间长，工人操作较为困难；由于接到项目后要求生产时间较短，为尽快完成生产，车间组织高级焊接技术工人进行焊接，为确保按期完工创造了条件。
3 焊接工艺
3.1 焊接方法
本工程筒体焊接采用GMAW+SAW 方法，用CO2+Ar气体保护焊打底，埋弧焊填充、盖面。塞焊孔与送风管采用手工电弧焊的方法焊接。
3.3 焊接工艺参数
3.4 预热及焊后热处理
竖炉筒体本体材质未为Q235钢，焊接性很好，因此不需要进行预热处理。但焊接过程中在焊接热影响区过热区将发生严重的晶粒粗化。此区的温度是处在固相线以下到 1100℃左右，金属处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到粗大组织即魏氏组织。对于Q235而言，当线能量过大时，则会引起 HAZ 的组织粗大，造成粗晶脆化。因此，要合理控制线能量的大小，而且在焊后可以进行适当的退火处理来消除粗晶脆化。
焊接变形主要是由于焊接过程中焊接热循环对金属材料是一种不均匀的加热和冷却过程引起的。焊接时，焊缝和热影响区温度较高，金属受热膨胀受到常温金属的阻碍和制约，便产生了压缩塑性变形，冷却时由于收缩受限而产生拉伸塑性变形。
4 焊接操作要点
4.1 打底焊
竖炉筒体外侧打底焊采用20%CO2+80%Ar 混合气体保护焊，焊层不能太厚，控制在3～4 mm 为宜。操作要点：在筒外侧搭设操作平台，先驱动筒体转动，转速稳定在焊接工艺要求的焊接速度后方能焊接。焊接过程中，如转速不合适再进行微调，直至满足焊接需要。
4.2 埋弧焊焊接
4.2.1 外侧填充、盖面
利用已搭设好的操作平台，在筒体外侧安装小车运行轨道，按照工艺要求将焊接工艺参数调整到要求值，然后起动焊机和滚轮架，调节筒体旋转速度，进行焊接位置的调整，让焊机小车保持在筒体12 点钟焊接位置，如图1所示。然后进行正常焊接。
4.2.2 内侧填充、盖面
内侧焊接位置选择在筒体内侧最低处，在筒体内侧安装轨道，将焊接小车放在轨道上，按照工艺要求将焊接工艺参数调整到要求值，起动焊机和滚轮架，调节筒体旋转速度， 进行焊接位置的调整，让焊车保持在筒体6点钟焊接位置后进行正常的焊接。在焊接过程中，应随时注意观察电流表和电压表的读数，观察焊接小车的行走情况是否在水平位焊接，有无跑偏，如有偏差及时进行调整。并应注意观察漏斗内的焊剂量。 4.3 塞焊孔的焊接
在实际的生产中往往由于焊接顺序的不同，而导致最终成品的质量不同。针对生产中遇到塞焊孔在打水压过程中出现漏水的现象，进过分析认为是由于焊接顺序所引起的，即在焊接时，焊工愿意在拐角点起弧，这样易于焊接操作。但是由于采用手工电弧焊，使得起弧点与收弧点处焊不透，导致露点的存在。因此，改用下图所示引弧点与收弧点，解决了露点的问题。
5 技术创新
5.1 CO2气体保护焊
CO2气体保护焊的优点是高效、节能、抗锈、低氢等。由于CO2气体保护焊在焊接过程中极易产生气孔，为保证焊接质量，采取了如下措施：
（1）施工前，将焊件表面的铁锈、油污、脏物等清理干净，并使焊件表面保持干燥；
（2）施工中采用的CO2气体是混有少量氩气的混合气体，焊接前将CO2气瓶倾斜约30°，将瓶内的积水放出来，以保证CO2气体干燥，在焊接中产生的气孔得到了有效控制。
5.2 埋弧焊
埋弧焊生产效率高，是焊条电弧焊的几倍，焊丝直径大，焊接电流大，电弧的熔深能力比焊丝的熔覆效率高，焊缝成形美观。熔池存在时间长，冶金反应充分，焊缝质量稳定，有渣壳保护，减少了焊缝中O，H，N的含量，从而减小了产生气孔、裂纹的可能。工艺参数自动调节，对焊工的技能水平要求不高。劳动条件好，没有弧光辐射。与其他弧焊方法比，埋弧焊的抗风能力好[3-5]。
5.3 引进无级变频调速滚轮架
为保持水平位焊接，筒体旋转采用无级变频调速滚轮架，保证了筒体空间焊接位置不变。CO2气体保护焊打底时，在顶部操作平台施焊，筒体旋转线速度维持在焊接速度；在埋弧焊焊接时，焊接小车在筒体上行走，行走方向与筒体转向相反，速度与筒体旋转线速度大小相等，筒体旋转与焊接同时进行；此种焊接方法，保证了在最佳水平位焊接，焊接能连续进行，焊接质量明显提高。滚轮架设备费用低，安全性好，方便施工，生产效率明显提高。
5.4 送风管定位胎具设计
送风管与炉体为一体式焊接结构。为了使送风管获得更好分散吹风效果，管路形状设计较为复杂，设计送风管与炉体下盖板角度为80度，观察管与炉体下盖板角度为5度，送风管与观察管组焊完成后再与筒体连接。组焊时要求保证送风管、观察管与炉体下盖板之间的相对角度；并且送风管与送风观察孔由18个直径为133mm、壁厚为8mm管组成，要求所有的送风管上法兰均在同一平面内，施工难度较大。针对这一情况设计出具有很好送风管与观察管定位的装置，如图：
该实用新型专利装置解决了竖炉送风管以及观察管相对于竖炉本体角度的问题，节省了两个管的安装时间，减少了工人的劳动强度，提高了生产效率。
6 结论
竖炉筒体组对、焊接的过程中，采用GMAW+SAW焊接方法，气体保护焊采用CO2+Ar 混合气体，焊接质量得到了可靠的保证；同时采用无级变频调速滚轮架驱动回转窑筒体转动，操作方便，安全性好，降低了筒体驱动成本；设计送风管定位胎具降低了安装难度，焊接施工效率成倍提高。
参考文献
[1] [20] 彭冀湘，刘勇，王顺兴，等.火焰熔覆镍基/陶瓷涂层的耐磨性研究[J].中国表面工程，2003，9（1）：1-19.
[2] 温建盛.金属材料预热处理[M].机械工业出版社，2008：120～126.
[3] 牟红杰，康喜军，杨晓波，等.Q235钢筒体埋弧自动焊工艺[J].焊接，2001，45（4）：29～30.
[4] GB50551—2010球团机械设备安装工程质量验收规范[S].北京：中国计划出版社，2010.
[5] 马玉科，朱博，王文凯.回转窑筒体组对焊接施工技术[J].焊接技术，2012，41（1）：月60～64.