LF型精炼炉电极中相横臂的焊接修复工艺

刘社琴　刘俊良

LF型精炼炉电极中相横臂的焊接修复工艺

刘社琴刘俊良

【摘要】分析了LF型精炼炉中相横臂钢铜复合材料的焊接性，提出相应的修复工艺措施，有效解决了中相横臂的渗漏问题。

1. 概述

LF型精炼炉中相横臂是炼钢电弧炉、钢包精炼炉二次大电流供电系统——短网的重要组成部分之一，具有集电极支撑和向电极传送大电流为一体的功能，是传统导电铜管式横臂的更新换代产品，其使用情况和导电情况直接影响了炉外精炼的质量。中相横臂是水冷式横臂之一，如附图所示。它由钢铜复合材料制造而成的，其工作环境温度高，且经常过负荷运行，生产时频繁振动。在长期使用后，在上面板与侧面板、下面板与侧面板之间的角接接头焊缝出现多处渗漏，中相横臂渗漏容易导致电路短路而出现重大设备事故，因此，需对中相横臂的焊接性进行分析，并制定合理的焊接修复工艺方案。

2. 中相横臂焊接性分析

中相横臂是由上、下面板、侧面板等组成的箱形焊接结构，所有焊缝均为连续气密性焊缝，检漏试验水压为0.8MPa，保压30min不得有渗漏。上、下面板、侧面板均为铜、钢复合板，基层材料为14mm厚Q235A钢板，覆层材料为6mm厚的纯铜板。钢与铜焊接属异种金属焊接，由于两者之间的熔点、热导率、线膨胀系数、收缩率等方面的物理性能差异（见表1），恶化了金属的焊接性。

由于铜的导热系数大，20℃时铜的导热系数是铁的7倍多，1 000℃时是铁的11倍多，焊接时热量迅速从加热区向外传导出去，使母材与填充金属难以熔合，因此焊接是要使用大功率的热源，焊前或焊接过程中要采取预热措施；再由于铜的线膨胀系数和收缩率也较大，铜的线膨胀系数比铁大15%，而收缩率比铁大1倍以上，再加上铜的导热能力强，使焊接热影响区宽，焊接时如工件刚度不大，又无防变形的措施，容易导致工件产生较大的变形。当工件刚度很大时，由于变形受阻会在焊缝及熔合区产生很大的焊接应力而导致裂纹的产生，这是钢与铜焊接时存在的主要问题之一。针对钢与铜的物理性能的差异，修复中相横臂时需要制定严格的工艺措施。

中相横臂

表1　铜与铁物理性能比较

3. 中相横臂修复的工艺措施

（1）焊前准备焊接前先将焊接近缝区的油污、灰尘、水分等清理干净，用渗透探伤检测中

相横臂外侧角焊缝，查出裂纹位置，并作好标识。根据焊前检测情况，用碳弧气刨的方法将裂纹彻底清除。碳弧气刨时需要一人在前预热，一人在后气刨，预热温度300℃左右，气刨完后用砂轮机打磨至露出金属本色。

（2）焊接方法的选择根据中相横臂实物状况及我单位现有装备情况，焊接方法选用焊条电弧焊。

（3）焊接材料的选择焊条电弧焊焊接钢与铜的复合材料时，由于基层是Q235A，焊接性较好，故基层可用E4303焊条打底，填充及覆层可以采用纯铜填充材料焊接。因为用纯铜填充材料焊接时，钢材熔化后，Fe过渡到焊缝中去。为了保证焊缝具有足够高的抗裂性能，焊缝中wFe应控制在10%～43%。如用纯铜T2焊条芯焊条ECu焊接钢铜复合板时，焊缝的成分为：wCu=55.4%，wC=0.08%，wSi=1.16%，wP=0.035%，其余为Fe。此时焊缝中wFe恰为43%左右，焊缝不产生裂纹，因此填充及覆层选用纯铜焊条ECu来焊接，焊接前焊条按规定要求烘干，以便去除焊条中的水分。

（4）预热由于纯铜导热系数大，焊接时热量迅速从加热区向外传导出去，故焊前必须先进行预热，现采用局部预热和焊接过程跟踪加热的方法来确保焊接过程的进行，考虑到热源温度、成本等因素，选用操作简便、加热温度容易控制的氧丙烷火焰加热，并采用大号割枪加热，预热温度550℃。

（5）焊接当预热温度达到550℃、火焰颜色呈亮红色时可进行焊接，焊接时尽量使焊接位置至于平焊位置，采用多层多道焊，打底层焊两道，用E4303焊条，φ3.2mm，焊接电流控制在80～120A。打底层焊接后用渗透探伤检测焊缝，渗透探伤检测合格后再进行0.8MPa水压试验，保压30min无渗漏现象，即可焊接填充、盖面层。

填充、盖面层用纯铜焊条ECu，φ5mm，第三层开始的填充层及盖面层焊接电流可加大至180～200A，盖面层的焊缝余高可适当加大，最好达到5mm以上，以便焊后锤击焊缝时为焊缝金属延展提供余量，焊接参数如表2所示。

焊接与加热同步进行，两人同时作业，一人在前加热，一人在后焊接。焊接为了防止氧、氢等气体侵入熔池，打底层焊接时使用短弧焊接，操作时焊条末端不要摆动，电弧沿焊缝作直线移动，小电流、高速焊，尽量使焊缝薄而窄。填充层焊接时，焊条可稍微作横向摆动，但摆动的范围不应超过焊条直径的两倍。盖面层的焊接，焊接电弧以直线移动为主。每道焊缝焊接时速度要快，每层焊后应及时清渣，层间温度≥550℃。

（6）焊后处理为了减少焊接残余应力和改善接头性能，焊后用平头锤击焊缝以消除焊接应力，另外采用局部高温加热的方法来消除应力，即在焊缝区用大号割枪将焊缝加热到500℃左右，并用石棉保温缓冷。

4. 质量检测

焊后先进行外观检测、渗透检测，焊缝不得有裂纹、表面气孔及焊瘤等缺陷，外观检查合格后方可进行水压试验，检漏试验水压为0.8MPa，保压30min无渗漏现象。

5. 结语

通过对钢铜复合材料的焊接性分析，制定以上修复工艺方案，修复后的中相横臂经过炼钢厂的使用，效果良好。实践证明，所采用的修复工艺方案有效。

表2　焊接参数

参考文献：

[1]刘云龙．袖珍焊工手册[M]．北京：机械工业出版社，2002，7．

[2]姜焕中．焊接方法及设备[M]．北京：机械工业出版社，1981，1．

20141025

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作者简介：刘社琴等，新余钢铁集团机械制造公司。