陳士超

(中信重工機械股份有限公司, 河南 洛陽 471000)

設備及自動化

特大型底吹爐筒體制造技術

陳士超

(中信重工機械股份有限公司, 河南 洛陽 471000)

以東營方圓銅業(yè)φ5.5 m×28.8 m底吹熔煉爐為研究對象，詳細闡述了特大型底吹爐筒體制造過程中的卷圓、加工、吊裝、焊接及熱處理等關鍵技術。

底吹爐; 筒體焊接; 銅熔煉

0 前言

底吹熔煉是我國自主創(chuàng)新的銅精礦熔煉技術，具有投資少、處理能力大、物料適應性強、運行成本低等特點，已得到業(yè)界的普遍認可[1]。隨著銅冶煉企業(yè)產(chǎn)能的不斷增大，作為該技術的核心設備—底吹熔煉爐正逐步向大型化發(fā)展，由中信重工機械股份有限公司承制的東營方圓銅業(yè)剛剛投產(chǎn)的100萬t底吹熔煉爐規(guī)格達φ5.5×28.8 m。

本公司進入臥式有色冶煉爐(包括臥式轉(zhuǎn)爐、陽極爐、底吹爐等)制造領域較早，具有很高的高端市場占有率，在設備規(guī)格上多次打破國內(nèi)記錄，實現(xiàn)了多項技術創(chuàng)新，已形成獨有的有色冶煉爐設計、制造、檢驗體系。與以往有色爐相比，東營方圓銅業(yè)底吹熔煉爐筒體無論是直徑還是長度，均超出運輸和吊裝極限，無法實現(xiàn)制造廠內(nèi)整體制作、試車，對本公司而言是一個很大的挑戰(zhàn)。

1 筒體強度校核

該底吹熔煉爐由中國恩菲工程技術有限公司設計，筒體直徑5 500 mm，長度28 800 mm，跨距22 000 mm，筒體板材質(zhì)Q370R，板厚100 mm，筒體重量達440 t，考慮耐火材料和熔液重量在內(nèi)，筒體載荷約1 200 t。出于安全的考慮，東營方圓銅業(yè)提供參數(shù)，要求本公司對筒體進行二次校核，圖1和圖2是計算結(jié)果。

從圖1分析結(jié)果可以看出，筒體最大等效應力出現(xiàn)在墊板處，其數(shù)值為50.3 MPa，遠低于Q370R鋼板在300 ℃(工作溫度)下的屈服強度255 MPa，安全系數(shù)5.1。從圖2分析結(jié)果可知，筒體最大變形出現(xiàn)在筒體間下部，其數(shù)值為4 mm，撓度為0.18 mm/m，低于窯爐類許用撓度0.4 mm/m，安全系數(shù)為2.22。

因此，所選筒體板材質(zhì)和厚度能夠滿足使用要求。

2 制作方案

底吹爐要求現(xiàn)場安裝調(diào)整后滾圈和托輪接觸面大于80%，大小齒輪寬度方向接觸大于50%，高度方向接觸大于40%，這要求筒體兩端墊板外圓必須保證很高的同軸度，為實現(xiàn)這一目的，以往有色爐筒體墊板外圓均是臥車加工，并要求一次裝夾，兩端同時完成，同軸度可控制在0.25 mm以內(nèi)[2]。

圖1 筒體等效應力分布

圖2 筒體變形分布

受運輸和吊裝能力限制，東營方圓銅業(yè)底吹爐筒體必須分段制作，現(xiàn)場組焊。為了保證各段筒節(jié)現(xiàn)場組焊后兩端墊板外圓1 mm的同軸度，進行了大膽創(chuàng)新，即現(xiàn)場安裝時利用焊于筒節(jié)內(nèi)部的凸凹法蘭將相鄰筒節(jié)定位和固定，焊接前兩筒節(jié)不需要借助安裝工具調(diào)整，其同軸度完全靠凸凹法蘭高的加工精度保證，具體形式見圖3。

圖3 筒節(jié)現(xiàn)場組對連接形式

其中，兩端球形封頭和相鄰筒節(jié)分別組成第一和第九運輸段，第二和第八運輸段為帶墊板筒節(jié)。

3 焊接工藝評定

筒體板采用了鍋爐及壓力容器用鋼板，材質(zhì)為Q370R，板厚100 mm，全部按探傷板采購，按JB/T4730.3—2005標準Ⅱ級進行驗收。為了保證焊接質(zhì)量，提高效率，確定采用埋弧自動焊，焊絲、焊劑分別為H10Mn2(φ4)和SJ101。由于Q370R材料在本公司第一次使用，缺少實際的實踐經(jīng)驗，因此，首先按JB 4708—2000和GB 12337—1998標準進行焊接工藝評定[3]。

圖4 φ5.5 m×28.8 m底吹熔煉爐分段示意圖

評定試驗對接焊縫的坡口形式要求和筒體縱橫向焊縫保持一致，見圖5。焊接操作順序如下：第一，焊前預熱，預熱溫度為200 ℃；第二、焊接外側(cè)焊縫(55°)；第三，從內(nèi)測清根，去除焊接缺陷；第四，焊接內(nèi)側(cè)焊縫(50°)；第五，超聲波探傷，按GB/T11345標準Ⅰ級執(zhí)行；第六，探傷合格的焊縫進行去應力退火。

圖5 焊縫坡口的形式

表1為焊接母材和焊接材料的力學性能。

表1 Q370R及H10Mn2力學性能

表2、表3、表4分別是拉伸試驗、導引彎曲試驗及沖擊試驗的試驗數(shù)據(jù)。

表2 拉伸試驗

表3 導引彎曲試驗

通過上述試驗數(shù)據(jù)分析，焊接接頭的屈服強度、沖擊韌性等數(shù)據(jù)與母材性能的相比，都略高于母材，說明焊接材料的選取、焊接工藝的參數(shù)設定，是合理和可行的，很好的達到了等強匹配的原則，完全能夠滿足此種材料的焊接需要。

表4 沖擊試驗

4 筒節(jié)制作

備料：筒體鋼板是按定尺板采購，受鋼廠軋制鋼板所用毛坯限制，單塊鋼板重量不得超過26 t，由于分段制作的筒節(jié)重量均在31～50 t之間，均超出限定重量，只能兩塊拼接。拼接的兩塊鋼板坡口由刨邊機加工，加工后打磨光滑，然后按經(jīng)過評定的焊接工藝進行焊接。

選粒大飽滿的蘇丹草種子(無農(nóng)藥包衣)與接種劑混合均勻，且種子與接種劑質(zhì)量比4∶11[7]，對照處理種子用無菌水拌種。種子與接種劑混合均勻后置于陰暗處處理2 h。過磷酸鈣(P2O5≥14%)以75 kg/hm2的施肥量作基肥，蘇丹草各生育時期均不追肥，但根據(jù)當?shù)赜晁闆r，可進行田間常規(guī)灌溉。

滾圓：滾圓在160數(shù)控滾床上進行，見圖6。滾圓時仔細操作，確保筒節(jié)圓度，利用樣板測量，保證筒體與樣板的間隙不超過1.5 mm。滾圓結(jié)束后，按相同的焊接工藝方案進行對接焊縫的焊接。

圖6 筒節(jié)滾圓

圖7 筒節(jié)立車加工

法蘭焊接：筒節(jié)滾圓后，在筒節(jié)兩端內(nèi)側(cè)焊接法蘭板，法蘭板厚度為70 mm，與筒節(jié)間單側(cè)斷續(xù)焊。法蘭板同時也起到運輸支撐的作用，不需要額外增加工藝支撐和運輸支撐。

圖9 筒體現(xiàn)場組焊方案圖

機加工：法蘭板和筒節(jié)焊接后需要立車加工筒節(jié)坡口，見圖7，同時將法蘭板加工成凸法蘭或凹法蘭，見圖8。加工時，以筒體外圓為粗基準找正后加工法蘭止口，保證法蘭止口和筒節(jié)外圓同心。筒節(jié)兩端的法蘭止口有同軸度要求，偏差控制在0.1 mm以內(nèi)。相鄰兩筒節(jié)上凸法蘭和凹法蘭止口采用間隙配合，最小間隙0.05 mm，最大間隙0.2 mm。依靠各獨立筒節(jié)高的加工精度保證筒體現(xiàn)場安裝時兩端墊板外圓的同軸度。

圖8 筒節(jié)凸凹法蘭結(jié)構形式

5 現(xiàn)場施工

底吹爐基礎平臺高5 m，距離地面較高，且分九段運輸至現(xiàn)場的筒節(jié)重量較大，若地面整體組焊，總重量達440 t，遠遠超出汽車吊起吊能力，無法實施。

現(xiàn)場技術人員經(jīng)過反復論證最終施工方案如下。圖9為筒體現(xiàn)場組焊方案圖。

第一階段。首先，將兩臺500 t滾輪架在地面安放平齊，保證滾輪中心高度一致，同側(cè)滾輪同軸。其次，按制造廠內(nèi)標記將3件筒節(jié)在兩臺滾輪架上組對，通過筒節(jié)內(nèi)置凸凹法蘭上36組螺栓將相鄰筒節(jié)把緊。第三，搭建焊接腳手架平臺固定焊機，采用埋弧自動焊，同時對兩道環(huán)縫焊接。

第二階段。首先，借助500 t滾輪架和汽車吊將固定端滾圈套裝于第二筒節(jié)。其次，將第二筒節(jié)和第三筒節(jié)組焊。第三，利用同樣的方法將滑動端滾圈套裝于第八筒節(jié)。最后，將第七筒節(jié)和第八筒節(jié)組焊。

第三階段。首先，在高空搭建兩處安裝平臺，其中一處放置700 t滾輪架。其次，利用500 t汽車吊將組焊后的第二、第三筒節(jié)及固定端滾圈一起吊裝在固定端滾圈放置和700 t滾輪架上，將組焊后的第七、第八筒節(jié)及滑動端滾圈一起吊裝在滑動端托輪裝置上，通過工藝法蘭將上述第二至第八筒節(jié)組成一體。第三，利用激光跟蹤儀測量兩端墊板外圓同軸度(實際測量值為0.47 mm)。最后，進行兩道對接焊縫的焊接，焊后再次測量墊板外圓同軸度(實際測量值為0.5 mm)。

第四階段。由于主體部分已經(jīng)完成，帶封頭筒節(jié)即第一和第九筒節(jié)安裝不需要搭建平臺，完全借助汽車吊在空中完成。

5.1 焊前預熱

筒體板屬特厚板，且焊縫要求按超聲波Ⅰ級探傷，焊前需對焊接區(qū)進行預熱，否則焊縫易出現(xiàn)開裂及其他焊接缺陷，焊接變形難以控制[4]。根據(jù)制造廠內(nèi)焊接工藝評定時的要求，預熱溫度需達到200 ℃以上?，F(xiàn)場施工常用的煤爐加熱法雖便于操作，但現(xiàn)場為冬季露天作業(yè)，加熱區(qū)離開熱源后溫度很快降低，效果較差。為了解決這一問題，采用遠紅外加熱+煤爐加熱相結(jié)合的方式，具體方法如下：①在筒體內(nèi)壁圓周方向均勻放置遠紅外加熱片；②在筒體外壁圓周方向(除下部外)均勻放置遠紅外加熱片，加熱片和筒體外圓保持20～30 mm間距，依靠腳手架固定；③筒體外側(cè)下部部放置煤爐。

預熱時，當筒體待焊區(qū)域的溫度達到350 ℃，將內(nèi)側(cè)的加熱片斷電，外側(cè)仍然通電加熱，即焊接過程中，外側(cè)加熱片及筒體下部的煤加熱繼續(xù)進行，確保焊接時的溫度在200 ℃以上。圖10、圖11為現(xiàn)場溫度測量情況。

圖10 測量外面溫度

圖11 測量內(nèi)部溫度

5.2 筒體焊接

筒體的焊接采用埋弧自動焊，外側(cè)焊縫焊接規(guī)范見表5。外側(cè)焊縫完成后，割除筒體內(nèi)側(cè)凸凹法蘭，然后利用碳弧氣刨對內(nèi)側(cè)焊道進行清根，最后進行內(nèi)側(cè)焊縫的焊接，焊接規(guī)范見表6。

焊接完成后，對焊縫進行100%超聲波探傷，按GB/T11345標準Ⅰ級驗收，不能滿足要求的焊縫嚴格按工藝規(guī)范返修。

探傷合格的焊縫需進行去應力退火，以消除焊接應力，減少焊接變形，同時消除組織缺陷。制造廠

表5 外側(cè)焊縫焊接規(guī)范

表6 內(nèi)側(cè)焊縫焊接規(guī)范

內(nèi)制作的所有筒節(jié)均是采用整體進退火爐退火，現(xiàn)場焊縫的退火只能采用遠紅外退火。

6 總結(jié)

經(jīng)過本公司設計、機加、焊接、熱處理、運輸、安裝及質(zhì)檢部門的精心策劃和通力合作，東營方圓銅業(yè)φ5.5×28.8 m底吹爐已通過現(xiàn)場驗收，投入運行，目前使用效果良好。在整個項目執(zhí)行過程中，突破了多項技術和工藝難題，積累了制造及現(xiàn)場安裝經(jīng)驗，對臥式有色爐的大型化發(fā)展具有重大意義。

[1] 胡麗瓊，李棟.氧氣底吹熔煉爐的研發(fā)與應用[J]．有色設備，2011，(1)．

[2] 瞿鐵.貴溪冶煉廠φ4×11.7 m我司轉(zhuǎn)爐的研制[J]．有色冶煉，2001，(6)．

[3] 秦軍,劉奉家,趙亮等.壓力容器鋼板Q370R生產(chǎn)試制[J]．新疆鋼鐵，2014,(2)．

[4] 李亞江主編．焊接冶金學—材料焊接性[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007．

Manufacturing technology of super large bottom-blowing furnace shell

CHEN Shi-chao

This paper takesφ5.5 m×28.8 m bottom-blowing smelting furnace in Dongying Fangyuan Copper Co. Ltd. as study object, and elaborates the key technologies during the manufacture of super large bottom-blowing furnace shell, such as rolling, fabrication, assembly, welding and heat treatment, etc. in detail.

bottom-blowing furnace; furnace shell welding; copper smelting

陳士超(1983—)，男，河南洛陽人，碩士，工程師，主要從事窯爐機械設計、制造及服務工作。

2016-02-23

TF811

B

1672-6103(2017)01-0036-05