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摘要：在非标设备制作中，运用Solid Edge软件，对澳斯麦特熔炼炉马蹄形过渡段进行实体建模，按现场起重设备吊装能力分带成型，并完成虚拟装配，生成制作放样详图，有效解决了复杂形状、大尺寸、异型筒体不规则曲面的放样制作难题。
关键词：澳斯麦特熔炼炉 马蹄形过渡段 放样制作技术
中图分类号：TF806文献标识码： A
1 前言
我公司承担的云锡10万吨铜冶炼项目，其中的澳斯麦特熔炼炉，是整个工程的核心非标设备，该设备由澳大利亚澳斯麦特公司设计，委托我公司制作安装。熔炼炉马蹄形过渡段筒体上口为6段不规则圆弧形状，下口为标准的圆形。主要特点是外形尺寸较大：长度方向8.667m，宽度方向6.07m，高度6.51m；板材厚：板厚δ=36㎜，材质为16MnR；重量重：过渡段总重45t。各分段上下口之间的曲面放样和压制精度是质量控制的重点和难点。
2 技术特点及原理
2.1 技术特点
2.1.1 澳斯麦特熔炼炉马蹄形过渡段示意图：
附图 2-1 澳斯麦特熔炼炉马蹄形过渡段外形示意图
2.1.2 分带情况说明
1) 施工进展情况，澳斯麦特熔炼炉四周钢结构施工高度达到20m。
2) 我公司现场有一台2200t.m塔吊，作业半径45m，吊装能力为15t。
3) 整个过渡段总重约45t，确定分四带进行制作，每带重量控制在12t以内。
4) 熔炼炉中心线距离塔吊中心线距离（作业半径）40ｍ，最大吊装高度达到72m，满足吊装能力要求。根据上述情况分段如下：
图2-2 马蹄形过渡段分带示意图
2.2 技术原理
2.2.1 采用Solid Edge实体放样软件，先将实体放样建模。根据现场设备吊装能力，将过渡段合理分带，用相应高度的截面切割实体，分为四个不同形状的锥体，再把每个锥体的样分别展开。再将放样图形转化为CAD图形后，利用CAD的测量功能，深化加工出放样详图。
2.2.2 板厚处理：采用Solid Edge 软件实体放样，从中性层展开时，要求实体板材必须要有一个厚度，我们假设壳体板材厚度为 0.2 ㎜，采用无限趋近的方式，把系统误差控制在２㎜以内。
2.2.3 排板错缝及定位技术：根据CAD放样详图，利用CAD可以进行精确测量，实现准确基准定位及排板错缝。
2.2.4 制作：采用卷板机压头模具技术，解决了瓦块曲面的成型，节约了卷板机所需的压头板材料，降低了材料损耗。
2.2.5 焊缝收缩量处理：通过对焊缝收缩量的控制，根据筒节垂直方向焊缝数量，在筒节圆周方向预留收缩总量及适当间隙，最终准确控制了炉体及过渡段高度方向及外形尺寸的成型尺寸。焊缝收缩量计算公式：。
3 施工工艺流程及操作要点
3.1施工工艺流程
见图3-1 施工工艺流程图
图3-1 施工工艺流程图
3.2 操作要点
3.2.1 Solid Edge软件实体建模
采用Solid Edge实体放样软件，先将实体放样建模，根据分段情况，用相应高度的截面切割实体，因过渡段上顶面和下底面尺寸已知，通过附图3-2可以获取第二个断面（从上往下，下同）尺寸，通过附图3-3可以获取第三、第四个断面尺寸，同时可以获得四个分段的实体模型。附图如下：
图3-2 第一带锥带壳体放样尺寸图
图3-3 第三带锥带壳体放样尺寸图
3.2.2 CAD深加工获得放样详图
1) 根据Solid Edge实体放样模型，导入CAD进行深化加工，利用CAD的精确测量功能，进行测量验证和标识。
放样尺寸验证复核：利用放样展开图CAD详图进行验证。因整个过渡段下底面尺寸为标准圆弧，该段圆弧可以精确计算和测量。方法是测量每段（带）上下口周长，用底面标准圆弧周长验证其余圆周周长偏差情况。详图见附图3-4马蹄形过渡段展开详图。
2) 板厚处理：放样及制作过程中，因Solid Edge 软件实体放样，从中性层展开时，要求实体板材必须要有一个厚度，我们假设壳体板材厚度为 0.2 ㎜，采用无限趋近的方式，把系统误差控制在２㎜以内。经验证：断面圆弧尺寸测量长度与理论计算长度偏差1.85㎜，偏差率为0.011%。满足实际施工圆弧尺寸偏差要求。
分带展开详图：
图3-4 马蹄形过渡段排板及错缝示意图
图3-5 马蹄形过渡段展开详图
3.2.3 材料采购
根据图3-4 马蹄形过渡段排板及错缝示意图，确定板材尺寸，组织材料定尺采购与供货。
3.2.4 制作准备
1) 制作场地及设备：因过渡段筒体外形尺寸较大，考虑运输及吊装因素，确定在距离现场较近的车间进行。设备选用30×7000㎜自动卷板机1台。
2) 组织班组技术骨干及技术管理人员熟悉图纸及制作要求，进行制作技术交底。
3) 制作与预装在车间进行，预装设备选用车间20吨行车。
4) 现场搭设制作预装临时操作平台，平台大小：10m×10m；采用δ=12㎜钢板，平台用枕木及碎石找平。
5) 用δ=4㎜钢板根据过渡段不同圆弧情况制作检测样板。
3.2.5下料与压制
1) 根据放样详图，采用半自动切割机进行精确切割，确保切割尺寸准确。
2) 压制成型控制：采用卷板机，卷制成型。在放样成果出来后，我们认为既然过渡段曲线是线性的，就可以用卷板机进行卷制成型。同时考虑用专用模具压制的话，一是成本较高，二是模具制作周期较长，无法满足工程进度及成本控制需要。
3) 排板错缝及定位技术：根据放样详图，可以实现准确基准定位及排板错缝。使整个炉体及过渡段焊缝位置更加合理，受力结构更加科学。
4) 制作：采用卷板机压制，存在压头损耗的问题，如果每块板都预留300㎜鋼板压头，材料损耗量非常大，达到了41％左右，最后确定采用卷板机压头模具技术。这样，将原来的材料损耗降低了约19％，取得了较好的经济效益。卷板机压头模具示意图如下：
附图3-6胎膜示意图
附图3-7 钢板卷制示意图
5) 其它控制措施
卷制采用三滚式卷板机进行，卷制过程中采用弦长不小于1500mm的样板检查其瓦块的圆弧情况，弧线与样板间的间隙≤2mm，过渡段炉壳分带检查其上、下口200㎜位置尺寸。
对局部区位因卷制出现的曲率偏差及翅曲变形。采用专制的胎模工装对瓦块进行冷顶压矫正。
壁板卷制成后，立置在平台上用样板检查。垂直方向上用直线板检查，其间隙不得大于1mm，里外都检测，防止出现凸、凹腰鼓形状；水平方向用弧形板检查其间隙不得大于2mm。
每一带瓦块制作完成后，先进行预组装，合格后放入专门的瓦块放置架，防止瓦块在堆放和运输中变形。
3.2.6 分带组对焊接
1) 根据排板及错缝要求，每段过渡段由3块瓦块组成，详见图3-4。
2) 焊接方式采用手工焊打底，气保焊盖面的方式，坡口形式为X型坡口，焊接采用内部打底外部清根方式。因板材较厚，焊接采用内外多层堆焊方式。
3) 环缝焊接顺序，为防止不均匀焊接变形，由４个焊工分别从四个方位按顺时针方向同时施焊，示意图如下：
图3-8 炉壳体焊接顺序示意图
4) 为防止焊接变形及吊装运输变形，分段筒体内部采用Ф108×4.5钢管制作两层米字撑加以固定。
5) 焊缝收缩量处理：
焊接变形收缩是一个比较复杂的问题，对接焊缝的收缩变形与对接焊缝的坡口形式、对接间隙、焊接线能量、钢板的厚度和焊缝的横截面积等因素有关，坡口大、对接间隙大，焊缝截面积大，焊接能量也大，则变形也大。因该设备坡口型式为X型坡口，采用以下公式计算每道焊缝的收缩近似值：
其中，y为收缩近似值，单位mm；e＝2.718282；δ为板厚＝36mm。代入计算得：
=4.88mm
对焊缝收缩量的控制，主要是在过渡段垂直方向和水平方向焊缝预留收缩总量及适当间隙，最终准确控制了炉体及过渡段的成型尺寸。
3.2.7 吊装与总体检验
1) 各段组对焊接完成后，对各段尺寸进行检测核定，合格后再进行分段吊装。
2) 吊装采用现场2200t.m塔吊进行吊装作业。塔吊42m作业半径能吊15吨，最大吊装高度72m，满足要求。
3) 为防止吊装变形，吊点选择在米字撑相应的支撑位置。
4) 总体检验：分带吊裝预装完成后，进行初步检测，检测过渡段外形尺寸、标高及垂直度是否满足设计要求。各段环缝焊接完成后，再进行复测检查，复测外形尺寸及总体标高是否满足要求。
4.实施效果
1) 利用该放样制作技术完成的云锡澳斯麦特熔炼炉及吹炼炉制作安装工程，顺利通过业主、监理、质检站及澳大利亚专家的现场验收。该项目自2010年投入生产以来一直运行正常，获得业主及相关方一致好评。
2) 该技术于2013年3月22日通过云南省科学技术奖励办公室组织的科技成果鉴定，批准登记号：9532013Y002。
3) 以该技术为核心的《澳斯麦特熔炼炉制作放样工法》获云南省2012年度省级工法，工法编号：YNGF3 2011-42。
4) 该放样制作技术获得两项国家实用新型专利权：《一种熔炼炉炉壳马蹄形过渡段制体》，专利号：201220141797.3；《卷板机压头模具》，专利号：201220141807.3。
5.结论与展望
在非标设备制作中，首次运用Solid Edge软件，对澳斯麦特熔炼炉马蹄形过渡段进行实体建模，按吊装及板材供应规格要求分带成型，并完成虚拟装配，生成制作放样详图，有效解决了复杂形状、大尺寸、异型筒体不规则曲面的放样制作难题。该技术在非标设备设计、制作和安装过程中，探索出一种新的放样制作实施方法，具有较好的推广价值。项目成果在异型非标设备设计、制作和安装领域达到国内先进水平。
关键词：澳斯麦特熔炼炉 马蹄形过渡段 放样制作技术
中图分类号：TF806文献标识码： A
1 前言
我公司承担的云锡10万吨铜冶炼项目，其中的澳斯麦特熔炼炉，是整个工程的核心非标设备，该设备由澳大利亚澳斯麦特公司设计，委托我公司制作安装。熔炼炉马蹄形过渡段筒体上口为6段不规则圆弧形状，下口为标准的圆形。主要特点是外形尺寸较大：长度方向8.667m，宽度方向6.07m，高度6.51m；板材厚：板厚δ=36㎜，材质为16MnR；重量重：过渡段总重45t。各分段上下口之间的曲面放样和压制精度是质量控制的重点和难点。
2 技术特点及原理
2.1 技术特点
2.1.1 澳斯麦特熔炼炉马蹄形过渡段示意图：
附图 2-1 澳斯麦特熔炼炉马蹄形过渡段外形示意图
2.1.2 分带情况说明
1) 施工进展情况，澳斯麦特熔炼炉四周钢结构施工高度达到20m。
2) 我公司现场有一台2200t.m塔吊，作业半径45m，吊装能力为15t。
3) 整个过渡段总重约45t，确定分四带进行制作，每带重量控制在12t以内。
4) 熔炼炉中心线距离塔吊中心线距离（作业半径）40ｍ，最大吊装高度达到72m，满足吊装能力要求。根据上述情况分段如下：
图2-2 马蹄形过渡段分带示意图
2.2 技术原理
2.2.1 采用Solid Edge实体放样软件，先将实体放样建模。根据现场设备吊装能力，将过渡段合理分带，用相应高度的截面切割实体，分为四个不同形状的锥体，再把每个锥体的样分别展开。再将放样图形转化为CAD图形后，利用CAD的测量功能，深化加工出放样详图。
2.2.2 板厚处理：采用Solid Edge 软件实体放样，从中性层展开时，要求实体板材必须要有一个厚度，我们假设壳体板材厚度为 0.2 ㎜，采用无限趋近的方式，把系统误差控制在２㎜以内。
2.2.3 排板错缝及定位技术：根据CAD放样详图，利用CAD可以进行精确测量，实现准确基准定位及排板错缝。
2.2.4 制作：采用卷板机压头模具技术，解决了瓦块曲面的成型，节约了卷板机所需的压头板材料，降低了材料损耗。
2.2.5 焊缝收缩量处理：通过对焊缝收缩量的控制，根据筒节垂直方向焊缝数量，在筒节圆周方向预留收缩总量及适当间隙，最终准确控制了炉体及过渡段高度方向及外形尺寸的成型尺寸。焊缝收缩量计算公式：。
3 施工工艺流程及操作要点
3.1施工工艺流程
见图3-1 施工工艺流程图
图3-1 施工工艺流程图
3.2 操作要点
3.2.1 Solid Edge软件实体建模
采用Solid Edge实体放样软件，先将实体放样建模，根据分段情况，用相应高度的截面切割实体，因过渡段上顶面和下底面尺寸已知，通过附图3-2可以获取第二个断面（从上往下，下同）尺寸，通过附图3-3可以获取第三、第四个断面尺寸，同时可以获得四个分段的实体模型。附图如下：
图3-2 第一带锥带壳体放样尺寸图
图3-3 第三带锥带壳体放样尺寸图
3.2.2 CAD深加工获得放样详图
1) 根据Solid Edge实体放样模型，导入CAD进行深化加工，利用CAD的精确测量功能，进行测量验证和标识。
放样尺寸验证复核：利用放样展开图CAD详图进行验证。因整个过渡段下底面尺寸为标准圆弧，该段圆弧可以精确计算和测量。方法是测量每段（带）上下口周长，用底面标准圆弧周长验证其余圆周周长偏差情况。详图见附图3-4马蹄形过渡段展开详图。
2) 板厚处理：放样及制作过程中，因Solid Edge 软件实体放样，从中性层展开时，要求实体板材必须要有一个厚度，我们假设壳体板材厚度为 0.2 ㎜，采用无限趋近的方式，把系统误差控制在２㎜以内。经验证：断面圆弧尺寸测量长度与理论计算长度偏差1.85㎜，偏差率为0.011%。满足实际施工圆弧尺寸偏差要求。
分带展开详图：
图3-4 马蹄形过渡段排板及错缝示意图
图3-5 马蹄形过渡段展开详图
3.2.3 材料采购
根据图3-4 马蹄形过渡段排板及错缝示意图，确定板材尺寸，组织材料定尺采购与供货。
3.2.4 制作准备
1) 制作场地及设备：因过渡段筒体外形尺寸较大，考虑运输及吊装因素，确定在距离现场较近的车间进行。设备选用30×7000㎜自动卷板机1台。
2) 组织班组技术骨干及技术管理人员熟悉图纸及制作要求，进行制作技术交底。
3) 制作与预装在车间进行，预装设备选用车间20吨行车。
4) 现场搭设制作预装临时操作平台，平台大小：10m×10m；采用δ=12㎜钢板，平台用枕木及碎石找平。
5) 用δ=4㎜钢板根据过渡段不同圆弧情况制作检测样板。
3.2.5下料与压制
1) 根据放样详图，采用半自动切割机进行精确切割，确保切割尺寸准确。
2) 压制成型控制：采用卷板机，卷制成型。在放样成果出来后，我们认为既然过渡段曲线是线性的，就可以用卷板机进行卷制成型。同时考虑用专用模具压制的话，一是成本较高，二是模具制作周期较长，无法满足工程进度及成本控制需要。
3) 排板错缝及定位技术：根据放样详图，可以实现准确基准定位及排板错缝。使整个炉体及过渡段焊缝位置更加合理，受力结构更加科学。
4) 制作：采用卷板机压制，存在压头损耗的问题，如果每块板都预留300㎜鋼板压头，材料损耗量非常大，达到了41％左右，最后确定采用卷板机压头模具技术。这样，将原来的材料损耗降低了约19％，取得了较好的经济效益。卷板机压头模具示意图如下：
附图3-6胎膜示意图
附图3-7 钢板卷制示意图
5) 其它控制措施
卷制采用三滚式卷板机进行，卷制过程中采用弦长不小于1500mm的样板检查其瓦块的圆弧情况，弧线与样板间的间隙≤2mm，过渡段炉壳分带检查其上、下口200㎜位置尺寸。
对局部区位因卷制出现的曲率偏差及翅曲变形。采用专制的胎模工装对瓦块进行冷顶压矫正。
壁板卷制成后，立置在平台上用样板检查。垂直方向上用直线板检查，其间隙不得大于1mm，里外都检测，防止出现凸、凹腰鼓形状；水平方向用弧形板检查其间隙不得大于2mm。
每一带瓦块制作完成后，先进行预组装，合格后放入专门的瓦块放置架，防止瓦块在堆放和运输中变形。
3.2.6 分带组对焊接
1) 根据排板及错缝要求，每段过渡段由3块瓦块组成，详见图3-4。
2) 焊接方式采用手工焊打底，气保焊盖面的方式，坡口形式为X型坡口，焊接采用内部打底外部清根方式。因板材较厚，焊接采用内外多层堆焊方式。
3) 环缝焊接顺序，为防止不均匀焊接变形，由４个焊工分别从四个方位按顺时针方向同时施焊，示意图如下：
图3-8 炉壳体焊接顺序示意图
4) 为防止焊接变形及吊装运输变形，分段筒体内部采用Ф108×4.5钢管制作两层米字撑加以固定。
5) 焊缝收缩量处理：
焊接变形收缩是一个比较复杂的问题，对接焊缝的收缩变形与对接焊缝的坡口形式、对接间隙、焊接线能量、钢板的厚度和焊缝的横截面积等因素有关，坡口大、对接间隙大，焊缝截面积大，焊接能量也大，则变形也大。因该设备坡口型式为X型坡口，采用以下公式计算每道焊缝的收缩近似值：
其中，y为收缩近似值，单位mm；e＝2.718282；δ为板厚＝36mm。代入计算得：
=4.88mm
对焊缝收缩量的控制，主要是在过渡段垂直方向和水平方向焊缝预留收缩总量及适当间隙，最终准确控制了炉体及过渡段的成型尺寸。
3.2.7 吊装与总体检验
1) 各段组对焊接完成后，对各段尺寸进行检测核定，合格后再进行分段吊装。
2) 吊装采用现场2200t.m塔吊进行吊装作业。塔吊42m作业半径能吊15吨，最大吊装高度72m，满足要求。
3) 为防止吊装变形，吊点选择在米字撑相应的支撑位置。
4) 总体检验：分带吊裝预装完成后，进行初步检测，检测过渡段外形尺寸、标高及垂直度是否满足设计要求。各段环缝焊接完成后，再进行复测检查，复测外形尺寸及总体标高是否满足要求。
4.实施效果
1) 利用该放样制作技术完成的云锡澳斯麦特熔炼炉及吹炼炉制作安装工程，顺利通过业主、监理、质检站及澳大利亚专家的现场验收。该项目自2010年投入生产以来一直运行正常，获得业主及相关方一致好评。
2) 该技术于2013年3月22日通过云南省科学技术奖励办公室组织的科技成果鉴定，批准登记号：9532013Y002。
3) 以该技术为核心的《澳斯麦特熔炼炉制作放样工法》获云南省2012年度省级工法，工法编号：YNGF3 2011-42。
4) 该放样制作技术获得两项国家实用新型专利权：《一种熔炼炉炉壳马蹄形过渡段制体》，专利号：201220141797.3；《卷板机压头模具》，专利号：201220141807.3。
5.结论与展望
在非标设备制作中，首次运用Solid Edge软件，对澳斯麦特熔炼炉马蹄形过渡段进行实体建模，按吊装及板材供应规格要求分带成型，并完成虚拟装配，生成制作放样详图，有效解决了复杂形状、大尺寸、异型筒体不规则曲面的放样制作难题。该技术在非标设备设计、制作和安装过程中，探索出一种新的放样制作实施方法，具有较好的推广价值。项目成果在异型非标设备设计、制作和安装领域达到国内先进水平。