ZG20Mn的化学成分?其焊接性怎么样?

ZG20Mn的化学成分?其焊接性怎么样?
ZG20Mn的化学成分?其焊接性怎么样?

ZG20Mn的化学成分?其焊接性怎么样?
摘要〕本文介绍宝钢一号高炉风口一段焊接的难点与要点,通过拘束应力试验、风口大套模拟试验等焊接试验探索风口一段炉壳与风口大套科学的焊接技术和合理的焊接工艺,为宝钢一号高炉风口一段成功制作做出贡献.
〔关键词〕风口一段；风口大套；ZG20Mn；焊接试验；焊接变形
1 引言
伴随着中国生铁产量的高速增长,中国高炉炼铁技术水平也取得了长足的发展,逐渐向大型化、高效化、自动化方向发展.高炉大型化的目的是要在改善高炉生产效率的前提下来提高单炉生产能力和劳动生产率以及降低单位生铁的投资和成本；高炉大型
化具有生产效率高、降低消耗、节约人力资源、提高铁水质量、减少环境污染等突出优点,高炉的大型化已成为当今世界炼铁生产的发展趋势.宝钢分公司在这种环境下,决定于2008年9月对宝钢一号高炉停炉扩容大修,一号高炉扩容后内容积为4966m,壳体最大内径17600mm,共分为21段,板厚50~100mm,炉壳总高度为44.96m,总重量约1381t.
2 风口一段简介
风口一段位于高炉炉壳第6段,材质为BB503,板厚为100mm,风口一段均匀分布风口装置40个,分为8块,其中风口大套直接与炉壳焊接38个,通过法兰与炉壳焊接2个（分布角度为0°,270°）,风口装置材质为ZG-20Mn.风口一段主要制孔有风口孔40个,制孔直径为φ990mm和φ1245mm.
风口一段主体材质为BB503.BB503为微合金化Nb-Ti系钢,其化学成分和力学性能见表1、表2； 风口装置主体材质为铸钢件ZG20Mn,其化学成分和力学性能见表3、表4.
为了确保具有良好的焊接性能,铸钢件的焊接碳当量按国际焊接协会（IIW）推荐公式：C =C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%）确定应控制在C ≤0.42%.
3 风口一段焊接难点与要点
风口一段焊接难点和要点在于炉壳与风口大套的焊接质量和焊接变形的控制.
现代炉壳使用寿命长,安装精度高.风口大套的安装尺寸要求：任意相邻风口大套中心线夹角在+4′以内；相邻风口大套中心线高度差≤3mm；其它风口大套中心线高度差≤5mm；风口大套任意两外母线之差≤2mm；相对风口大套中心连线与炉中心偏差
≤10mm；风口大套水平度≤2mm；风口一段上口平面度≤4mm.风口大套为铸造件,其内部存在组织疏松缺陷,致使疏松部位力学性能下降,如果疏松部位靠近焊缝,此部位就是薄弱环节,容易产生缺陷.风口大套材质为ZG20Mn,ZG20Mn化学成分、金相组织与BB503钢材存在差异,致使线膨胀系数、热导率、磁导率也不同,造成焊接残余应力大,焊接接头性能下降.风口一段板厚为100mm,属于厚板焊接,焊接量大,焊缝填充金属量大,焊接变形不易控制.
为了保证风口一段的制作要求,从母材材质、风口大套的铸造精度和质量、焊接材料、焊接工艺、预热缓冷、焊后热处理等多个方面确保风口一段的焊接质量和控制焊接变形.
为了做好炉壳风口段制作和焊接,我公司做了大量的准备工作.对炉壳所用BB503钢板都要求正火状态下交货,逐张进行100%UT检验.风口大套ZG20Mn铸钢件的质量是影响焊接质量的关键因素,因此风口大套的铸造质量是前期质量控制的重点,在考察铸造厂的软硬件条件下,派我公司经验丰富的质检人员和无损检测专家驻厂监造,对风口大套铸造质量和尺寸精度进行全面监控,保证ZG20Mn风口大套的铸造质量.
4 风口一段焊前准备
为了保证宝钢一号高炉风口一段的成功制作,确保炉壳与风口大套的成功焊接,通过科学的装配,合理的加固措施,进行充分的焊接试验和焊接模拟确定合适的焊接方法和焊接工艺参数,测量焊接变形数据.风口一段焊前准备工作主要流程为：焊接工
艺评定→拘束应力试验→焊工培训→风口大套模拟试验.
4.1 焊接工艺评定
在要求铸造质量的同时,为确保炉壳风口大套的焊接质量,做好ZG-20Mn与BB503的焊接工艺评定,同时考察不同的焊接方法对焊接质量和焊接变形的影响,文献[2]指出BB503钢对中、小线能量输入的手工电弧焊（SMAW）、CO 气体保护焊（GMAW）和埋弧焊适应性良好.鉴于风口大套的实际焊接情况,无法采用埋弧焊焊接,因此只对手工电弧焊和CO气体保护焊进行焊接工艺评定,焊接材料分别为J507焊条和ER50-6焊丝.研究表明,焊后热处理能有效改善BB503焊接接头的冲击韧性,接头焊接应力降低,显微组织细化,晶界面积增加,使晶界上的杂质浓度减少,提高了焊
接接头抗脆断和耐应力腐蚀的能力,避免沿晶界脆性断裂,使得BB503焊接接头具有良好的综合力学性能.因此,工艺评定试件焊接完毕后应进行焊后热处理.
BB503钢板焊接试板厚为70mm,ZG20Mn板厚为60mm,坡口一致,具体的坡口型式见图1,焊接工艺参数见表5.
焊接完毕后,按JB/T6046-92《碳钢、低合金钢焊接构件焊后热处理方法》进行焊后热处理,热处理完毕后进行100%UT检测,焊缝全达到Ⅰ级焊缝要求.按JB/T4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》的规定,对焊接试件进行拉伸、弯曲、冲击试验,数值均超过了母材的下限值,如此表明焊接工艺评定所采用的焊接工艺规范是正确的.
4.2 拘束应力试验
风口一段板厚达到100mm,坡口为全熔透,焊接量大,焊接容易产生较大焊接残余应力和焊接变形,焊接过程中处理不当还可能产生裂纹.因此有必要考察焊缝在拘束状态下的实际情况.在工艺评定合格后,完全模拟风口大套与风口一段的焊接型式分别对手工电弧焊（S1）和气体保护焊（S2）进行拘束应力试验,观察在刚性固定即拘束状态下焊缝的质量和变形的具体数据.
4.2.1 拘束应力试验的原理及装配型式
拘束应力试验的原理就是考察焊缝在完全拘束的情况下,焊缝在完全刚性固定、焊接应力无法释放,使焊接应力完全拘束在焊缝中,由焊接应力引起的焊接变形的情况.拘束应力试验的装配及坡口型式如图2所示,其原理就是利用左右两块拘束板固定试
板ZG20Mn和试板BB503之间的试验焊缝,考察试验焊缝焊接完毕后,焊接变形的情况.
4.2.2 拘束应力试验焊接顺序
件按图2所示装配好,先焊接试板BB503与拘束板1、拘束板2之间的拘束焊缝,再焊拘束板1、拘束板2与试板ZG20Mn之间的拘束焊缝,最后焊接试板BB503与试板ZG20Mn之间的试验焊缝,焊接完毕后测量ZG20Mn板内缩量.
4.2.3 拘束应力试验数据测量及分析
拘束应力试验变形测量部位见图3.其中CO 气保焊试件S2在对试验焊缝进行100%UT检测时发现靠近拘束板长度约200mm范围内存在断续缺陷,在进行碳刨返修后,发现变形量更大,图4为返修后试件的照片.返修后的试件记为S2-R1,测量所得数据见表6.
从表6所得数据可知,在控制焊接变形量方面,CO气体保护焊要优于手工电弧焊,且CO气体保护焊焊接效率要远远大于手工电弧焊,在保证焊缝质量的同时,优先采用CO气体保护焊焊接风口大套.试件S2进行返修时,焊接变形量是返修前的5倍左右,因此,在后续的风口大套焊接时应保证非常高的焊缝合格率,若出现大面积的返修,焊接变形将成为一个难以避开的难题.
为了控制风口大套的焊接变形,在充分考证的前提下,采取图6所示的加固方式,对一整块风口一段上的风口大套进行连位固定,焊接时采取2人一大套,共10人同时同步、对称焊接,使焊接应力分化、抵消,在最大程度上减小焊接应力.
4.3 焊工培训
通过综合考察,在风口大套焊接中基本确定以CO气体保护焊为主,手工电弧焊为辅的原则.
为了保证风口大套的焊缝合格率,结合风口大套的具体焊接位置,对我公司焊工进行风口大套焊接的专项培训,并挑选焊接技能过硬的焊工.焊接试板采用风口一段风口大套开孔所留BB503圆板,圆板边缘完全按照风口一段与风口大套坡口型式开坡口,用
厚度大于30mm的钢板卷成圆弧与圆板连接,模拟风口一段的焊接情况.
4.4 风口大套模拟试验
经过多项焊接试验后,为了掌握风口一段的焊接最真实的数据,决定用两个成品风口大套完全模拟风口带的实际焊接情况,实际检验焊接工艺参数是否合适,测量控制焊接变形的措施是否达到理想效果.
4.4.1 风口大套与炉壳焊接的坡口型式及焊缝检验标准
风口大套与风口一段焊接要求全熔透焊接,焊缝坡口型式见图5.风口大套与炉壳焊缝要求按JB/T4730.3-2005标准进行100%UT检测,Ⅱ级合格
4.4.2 风口大套与风口一段炉壳装配
风口大套装配用特制的吊具,装配时与风口大套制孔四心线对准,通过全站仪测定大套中心的安装高度和角度,利用上下调节板调整组装深度,水平调节板调节大套组装高度,调整合格后,调整板间焊接固定,大套与风口一段点焊固定,调整及加固方法
见图6.
4.4.3 焊接
为了控制焊接变形,此次模拟试验采取4名焊工同时焊接,采用分步对称焊接.加热片放置在风口大套内侧焊缝位置伴随预热,控制焊缝侧和非焊缝侧的温度梯度,使焊缝收缩与母材基本一致,控制焊接变形.焊缝正面坡口焊接完毕后,反面气刨清根,刨槽深且窄,CO气体保护焊焊枪不易走丝,因此采用手工电弧焊打底2~3层,其后用CO气体保护焊焊接完毕.
焊接注意事项：
a、焊前,坡口及附近50mm内油、锈等污物应打磨清除干净.焊接材料应按规定烘干和除锈、除油.
b、风口一段炉壳与风口大套焊接,焊前应预热,预热温度为130~150℃,预热范围为焊缝周围300mm内；焊接时,要伴随预热,加热片加植在焊缝背面（风口大套内壁）,控制焊缝侧和非焊缝侧的温度梯度基本一致.
c、正面焊缝焊接完毕后,反面气刨清根,反面清根时应露出打底焊金属,并打磨清除渗碳层,刨槽在不利于CO气体保护焊焊嘴走丝的情况下,采用手工电弧焊J507焊条打底2~3层.
d、正反面打底层采取小电流,窄道慢速焊,每层焊接完毕后应用小锤轻击焊缝,释放焊接应力.
e、焊接时整体上应对称施焊,由4名或6名焊工同时焊接,焊接采取分段对称焊.
4.4.4 数据测量及分析
对模拟试验的试件在组装焊接前、组装焊接后、加固拆除后和热处理后4个状态下各点测量变形数据,测量位置图和测量数据见图7和表7.
从焊接完毕和与组装前的数据对比来看,焊接变形很小,只有风口带内弦长L11、L12因焊接收缩3mm,其他数据变形量均控制
在1mm以内,这证明风口大套的组装加固是非常成功的.在加固装置拆除以后,焊接应力部分释放,风口大套内端中心弦长L1、L2、L3和大套内端中心对角线长L4分别伸展1mm.在进行热处理后测得数据与加固拆除后完全一致,保证风口带焊接变形在制作尺寸要求之内,验证了风口大套的加固和预热焊后热处理等措施能有效地控制焊接变形,风口大套的工装、焊接工艺、预热方法是完全成功的,为炉壳风口带的成功制作提供了有用的实际经验和试验数据.
5 风口大套与风口一段焊接
宝钢一号高炉风口一段中风口大套直接与炉壳焊接38个,通过法兰与炉壳焊接2个,共分为8块,每块上有5个风口大套（法兰）,采用的加固方法是经过风口大套模拟试验检验的图6所示加固方式.焊接时主体采用的是CO气体保护焊,焊丝选用ER50-6,采用风口大套模拟试验所得的焊接工艺；预热采用电加热片伴随预热；焊接采用2人一大套,10人同时、同步对称焊接,分化抵消焊接应力；无损检测合格后,整体热处理.
经过32天的焊接,风口一段焊接工作完满结束,焊缝表面成形美观,焊缝经100%UT检测,一次合格率达到了99.6%,焊接变形控制良好,基本上无需矫正,完全符合风口一段的制作精度要求.风口一段焊后成形见图8.
6 结束语
通过对宝钢一号高炉风口一段炉壳板BB503和风口大套ZG20Mn进行焊接工艺评定、拘束应力试验和风口大套模拟试验,风口一段炉焊接取得了良好的效果,验证了风口大套的加固措施、焊接工艺、预热热处理等措施能保证风口一段的制作要求.其不仅焊接质量高,而且焊接变形控制良好,保证了风口一段后续精加工尺寸要求,为宝钢一号高炉风口一段的成功制作提供了坚实的技术支持和保障.

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ZG20Mn化学成分（%)：C 0.12-0.22 Mn 1.00-1.60 Si 0.60-0.80
P和S <=0.035 Ni <=0.40
焊接性相对可以的铸钢