煉鋼轉爐汽化煙道加料水套耐磨層的堆焊工藝

梁修福

摘 要：煉鋼轉爐汽化煙道運轉時，通過加料水套向鋼包中加合金料，勢必與水套內(nèi)壁相摩擦，日久則磨損水套導致泄漏。為了保護水套內(nèi)壁，就要求在內(nèi)壁上堆焊一層耐磨層，起到保護的作用。而由于加料水套自身的結構及焊接材料的特性，決定了該堆焊工藝獨特性。

關鍵詞：堆焊；淬硬組織；裂紋；低熔點共晶；塑性儲備

顧名思義加料水套是煉鋼轉爐煉鋼過程中向爐中加合金料用的通道。加料水套的結構一般是由20GΦ38×4受熱管密排焊接，組成直徑為600-1000mm的圓筒狀。

該耐磨層所用的焊材為馬氏體不銹鋼焊材，一般選用符合AWS A5.9-2006《不銹鋼光焊絲和填充絲》標準的ER410焊絲。馬氏體不銹鋼焊材在使用中都要求焊前對焊件進行預熱，焊后及時后熱或熱處理，因為這類焊材在焊縫中，其焊縫組織在空冷的情況下都為淬硬組織，極容易形成淬硬裂紋或延遲裂紋。

而加料水槽堆焊的實際情況卻是：

一、如果按正常的要求預熱后焊接，Φ38×4受熱管及整個加料水套將會產(chǎn)生嚴重的焊接變形，并且這種變形難以進行矯正，因為馬氏體焊層硬度高，塑性差，強行對加料水套進行矯正，堆焊層將會出現(xiàn)裂紋。在轉爐煙道惡劣的工況環(huán)境下，煙氣溫度會劇烈的變化，受熱管會隨之熱脹冷縮，會導致表層的裂紋不斷的向深層擴展，而引起嚴重的后果。

二、如果焊前不對加料水套進行預熱，則耐磨堆焊層冷卻速度快，形成應力集中。淬硬組織硬而脆的特性決定了堆焊層的金屬塑性儲備很低，在焊接應力的作用下，在焊縫冷卻的時即可產(chǎn)生淬硬裂紋；或在淬硬組織、焊接應力和氫元素三因素共同作用下，形成延遲裂紋又稱為氫致裂紋，其在100～-100℃的溫度范圍內(nèi)隨時都會產(chǎn)生。

所以，加料水套的耐磨層的堆焊，不能按常規(guī)的做法進行。下面就該堆焊工藝進行詳細講解。

一、在堆焊ER410之前，在20G受熱管上先堆焊2～3mm ER309過渡層。因ER309是奧氏體焊材，其熔敷金屬具有很好的塑性和韌性。有了這層奧氏體堆焊層，就可以為ER410馬氏體堆焊層提供應力松弛所需的塑性儲備。因為焊接裂紋產(chǎn)生的根本原因是，焊接應力松弛所需的應變量超過了該部位金屬所能提供的最大應變能力（即材料本身的塑性儲備）。這層相對柔軟的奧氏體堆焊層為馬氏體堆焊層提供了足夠的應變量，使其應力得到最大程度的釋放，從而避免了裂紋的產(chǎn)生。

二、增設循環(huán)泵，堆焊的同時給加料水套通循環(huán)水，將焊接熱影響范圍降至最小，這是控制焊接變形的有效措施。焊接溫度場越大，溫度梯度越大，由此引起的不同組織間相變產(chǎn)生的組織應力場，和不同部位的熱脹冷縮產(chǎn)生的應力場的范圍就大，焊接變形就越嚴重。通過循環(huán)水，壓縮溫度場，此時的焊接變形集中于焊縫金屬上，而受熱管的變形及加料水套的整體變形很小。

三、焊前要徹底清理加料水套內(nèi)表面的油、銹等雜物，如果不好清理，可對加料水套進行整體拋丸處理。因ER309熔敷金屬的含鎳量達到了13%，所以奧氏體體現(xiàn)出了鎳基合金的特性：對熱裂紋非常敏感。究其敏感的根本原因是因為鎳是奧氏體形成元素的同時，能和多種元素形成低熔點共晶，諸如：硫、磷、錫、鉛、鋅、銻、鉍、砷等。

在堆焊操作時，要注意以下幾點對焊層的影響：

一、ER309焊絲工藝性的影響。與堆焊ER410相比， ER309由于含鎳量高，表現(xiàn)出了更多的鎳基合金的工藝特性，液態(tài)焊縫金屬流動性差，不像鋼的焊縫金屬那樣容易潤濕展開。這就使得其焊道兩邊焊趾處與基材之間不易圓滑過渡或熔合不良，造成堆焊層表面高低不平。針對該情況，宜采用小幅度擺動施焊，擺動幅度不超過15mm。這樣堆焊時焊道兩側焊趾處溫度都較高，有利于兩側的熔合。在操作上，當擺動到每側的極限位置時，要稍停頓一下，以便有足夠的時間使焊道間的搭接處充分熔合。

二、工件傾角的影響。堆焊時，為了控制對焊層的厚度，一般將工件與水平面形成一定的夾角α，稱為工件傾角，如圖所示。工件傾角對焊層的影響較大。焊槍移動的方向是從高處到低處，就是俗稱的倒流水焊法。隨著工件傾角增大，堆焊面變陡，液態(tài)焊縫金屬受重力作用向下流的趨勢加大，焊接速度相應增大，堆焊層厚度變薄，外觀較平坦。反之，工件傾角減小，堆焊面趨于平焊位置，液態(tài)焊縫金屬下流趨勢減小，焊接速度變慢，堆焊層厚度增厚，堆焊層外觀凹凸加劇。

在堆焊層厚度一定的情況下，堆焊ER309時，由于其本身固有的特性，焊件傾角可比堆焊ER410時大一些，角度一般為25～35°。而在堆焊ER410時，由于該焊絲為馬氏體型焊絲，不含Ni元素，故其液態(tài)焊縫金屬的潤濕性非常好，幾乎和普通碳鋼無異。故在堆焊ER410時，其工件傾角可適當減小，一般為20～30°。

工件傾角示意圖 擺動幅度示意圖插圖

三、擺動幅度對堆焊層的影響。堆焊操作時的擺動幅度對堆焊層厚度和外觀有很大的影響。擺動幅度增大，堆焊層增厚，焊道之間易造成搭接不良，堆焊層表面變粗糙；反之，堆焊層減薄，堆焊層的表面狀況會得到改良。這是因為以下原因：如圖所示，隨著焊槍擺動幅度L的增大，在環(huán)境溫度和冷卻水的作用下，兩端極限位置a點和b點的溫差增大。當焊槍擺到b點時，a點的溫度已經(jīng)較低，當焊槍擺回到a點時，熔池受到基材溫度的抑制而變得較小，焊縫余高增加，也就使得堆焊層增厚。也是由于基材溫度較低的作用，液態(tài)焊縫金屬難以很好的展開與周邊金屬充分的熔合，從而使得堆焊層表面凹凸不平。反之在擺動幅度較小時，堆焊層表面較平整。

四、焊接參數(shù)對堆焊層的影響。在加料水套耐磨層的堆焊中，ER309和ER410兩種焊絲的焊接參數(shù)由焊絲的規(guī)格、加料水套耐熱管的厚度、工件傾角和擺動幅度等因素有關。一般焊絲的規(guī)格選用Φ1.2mm為宜。由于受熱管的厚度一般為4mm，為了避免燒穿，一般采用的參數(shù)較小，如表一。