焊接结构渣包的研发与制造.pdf

第六篇设备与机械 册 m 上海 上海科技技术出版社 1 9 7 9 3 3 8 3 4 1 3 袁哲俊 金属切削刀具 m 上海 上海科技技术出版社 1 9 8 4 3 1 8 4 周泽华 金属切削原理 m 上海 上海科技技术出版社 1 9 8 4 1 5 1 1 6 1 5 衡阳有色冶金机械总厂工艺处 主要设备技术规范 m 2 衡阳 衡 阳有色冶金机械总厂档案馆 1 9 9 1 6 田润科 硬质合金刀具 刀片 应用技术 i 株洲 中国机械工业 金属切削刀具技术协会 2 0 0 8 焊接结构渣包的研发与制造 李迎迎肖启富 中钢集团衡阳重机有限公司技术中心 湖南衡阳4 2 1 0 0 2 摘要 铸造渣包铸造缺陷多 易开裂 难于修复 修复成本高且寿命短 尤其是在渣缓冷工艺工况中 铸造渣包开裂 问题严重 修复难度极大 报废率高 综合使用成本很高 为了攻克铸造渣包这些缺点 从焊接渣包案例收集 构思到调研 试验 设计和研制 并进行生产现场跟踪 针 对铜冶炼渣包的工况 设定结构模型 依据渣包在整个受渣和倒渣等循环操作过程中的温度 应力 应变 高温特性 进行了有限元分析与模拟计算 证明焊接渣包性能稳定可靠 能完全替代并优化于铸造渣包 关键词 铸造渣包焊接结构渣包 研发制造 a b s t r a c t c a s t i n gs l a gl a d l ec a s t i n gd e f e c t s e a s yt oc r a c k h a r dt or e p a i r r e p a i ro fh i g hc o s ta n ds h o r tl i f e e s p e c i a l l yi n t h es l a gs l o wc o o l i n gp r o c e s sc o n d i t i o n s c a s t i n gs l a gl a d l ec r a c kp r o b l e m s t h er e p a i ri sd i f f i c u l t h i g hr e j e c t i o nr a t e c o m p r e h e n s i v eu s ec o s ti sv e r yh i g h i no r d e rt oo v e r c o m et h e s ed i s a d v a n t a g e so fc a s t i n gs l a gl a d l e f r o mt h ew e l d i n gs l a gp a c k a g ec a s ec o l l e c t i o n c o n c e p t i o n t or e s e a r c h t e s t d e s i g na n dd e v e l o p m e n t a n dt r a c k i n go fp r o d u c t i o na r e a i nv i e wo ft h ec o p p e rs m e l t i n gs l a gp a c k a g e c o n d i t i o n s e tt h es t r u c t u r em o d e l a c c o r d i n gt os l a gp a c k a g eb ys l a ga n ds l a gi nt h ee n t i r ec i r c u l a t i o ni nt h ep r o c e s so f o p e r a t i o ns u c ha st e m p e r a t u r e s t r e s s s t r a i na n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n p a c k a g ep r o v e dt h a tw e l d i n gs l a gi ss t a b l ea n dr e l i a b l ep e d o r m a n e e c a nc o m p l e t e l yr e p l a c et h ec a s t i n gs l a gp a c k a g e k e yw 吣 c a s t i n gs l a gl a d l e w e l d i n gs l a g t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t m a n u f a c t u r e 0 序言 铜冶炼工艺中用来处理高温熔化状态的冰铜渣和 粗铜渣的高温容器简称为渣包 其形状类似于圆锥形 水杯j 依工况不同 目前一般渣包的体积大约在5 4 0 m 3 之间 重量大约从1 5 6 0 吨 自1 8 7 0 年世界现代 冶炼技术以来 渣包一直是铸造成型的冶金设备 这也 是数百年来人们心中所形成的约定俗成的思维定势 铸造渣包难免存在冷隔 夹砂 气孔 砂眼 缩孔 粗晶 疏松 偏析和残余应力等诸多缺陷 由于工况恶劣 易 产生贯穿性裂纹和严重变形等缺陷 为克服传统铸造 渣包的诸多缺陷 延长渣包的使用寿命 采用焊接结构 渣包来替代铸造渣包已成为冶炼行业和各制造企业的 一大研发课题 铜渣包是铜冶炼炉窑排出的高温铜渣的储装工 1 2 0 具 属于易损件 市场需求量较大 铜渣包由包体 耳 轴 加强板组 倾翻凸块及多个支脚等部件组成 本文 特针对大冶有色公司冶炼厂1 2m 3 渣包的工况条件和 用户提供的尺寸规格及基本结构展开研究 确定制造 方案 1 焊接结构铜渣包研发及制造关键技术简介 1 1 焊接结构渣包技术研究 针对炼铜工艺中的渣包 采用一种全新的制造方 法 用焊接方法取代铸造方法 主要研究内容有 有限 元分析 结构造型及高温强度研究 材料失效研究 金 相 球化 脱碳 石墨化 蠕变等 锥度比抗冲刷 腰带适 配抗裂抗变形 卷板成形和焊接工艺研究等等 实践 证明 新型结构焊接渣包可焊性好 修复潜力大 性价 比高 使用寿命长 制造周期短 且制造方法完全符合 第六篇设备与机械 绿色制造理念 见表1 1 焊接结构渣包与铸造渣包主要机械性能对比 表1焊接结构渣包与铸造渣包主要机械性能对比 本体材料屈服强度 m p a 抗拉强度 m p a 延伸率 断面收缩率 焊接结构渣包低合金钢 d 一2 7 5 3 4 5a 4 7 0 6 3 08 3 4 f 一3 4 铸造渣包 z g 2 3 0 一4 5 0 o 一2 3 0d 一4 5 06 1 6 l 2 2 材料优缺点对比 焊接结构渣包 钢锭通过开坯 热 冷轧制而成 其 组织致密 晶粒较小且较均匀 铸造渣包 铸钢是钢锭再次经过熔化浇铸成型 其 不可避免带有铸造缺陷 如成分的变化 晶粒粗大易 产生疏松 气孔等缺陷 2 渣包设计技术参数 以大冶有色1 2 肝渣包为 例 渣包额定容积 1 2m 3 渣包本体重量 2 4 8t 渣包装载重量 2 8 4 0t 渣包装载物料 铜渣 冰铜渣 粗铜渣 耳轴中心距 37 7 5m m 地面距耳轴中心高 22 7 5m m 3 渣包设计基本结构 本渣包采用q 3 4 5 b 材料 的焊接结构件制作而成 锥形简体 底封板及底座钢圈 均用t 8 0m m 钢板成形 焊接而成 包体外周与筋板 加强圈等件号焊接 以确保渣包体的强度要求 耳轴 采用3 5 钢锻造而成 耳轴与包体耳轴座内孔采用h 7 j s 6 配合 且分别用1 2 个m 3 0 6 5 的8 8 级内六角高 强度螺钉紧固联接一体 4 渣包设计技术要求 1 本渣包制造应符合j b t 5 0 0 0 3 2 0 0 7 重型机 械通用技术条件一焊接件 及j b t 5 0 0 0 8 2 0 0 7 重型 机械通用技术条件一锻件 要求 2 渣包外观应无明显损伤及变形 焊缝不得出现 裂纹 夹渣等焊接缺陷 3 渣包内表面焊缝应打磨平整光滑 底封板圆周 的角焊缝应呈圆滑过渡 4 锥形筒体的对接焊缝 底封板圆周的角接焊缝 及耳轴座与筒体的连接焊缝均要求采用超声波探伤检 查 其要求应符合g b t 1 1 3 4 5 8 9 中i 级规定 5 渣包焊后要求去应力退火 再进行机械加工 6 两个 5 0 h 7 耳轴孔的同轴度偏差应不大于 2m n l 耳轴及耳轴座要求粗加工后超声波检查 达到 g b t 1 1 3 4 5 8 9 中 级规定 7 渣包制作完毕后首台要求进行4 0t 承重试验 1 2 焊接结构渣包制造关键技术简介 焊接结构冶金渣包主体制造工艺流程分为 钢板 复检 放样下料 拼接卷板 组装焊接 热处理去应力 等 下面就以上下法兰 底部封板及耳轴座焊接 锥形 筒体下料卷制为例简要说明 1 锥形筒体制作要求 锥形简体分3 块放样展 开拼接 采用1 4 0m m 卷板机整体卷压成形 x 型拼接 焊缝用s a w 方法焊接 焊丝选用h 1 0 m n 2 p 3 2m m 配 焊剂h j 3 5 0 拼接焊缝按设计要求进行超声波探伤检 查 其要求应符合g b t 1 1 3 4 5 8 9 中i 级规定 如图1 图2 所示 图1 锥形简体拼接示图 图2 锥形筒体成型 2 上下法兰及底部封板制作要求 上下法兰及 底部封板坡口采用立车加工 保证焊缝质量 k 型坡 口焊缝与筒体连接 采用g m a w 方法焊接 多层多道 焊 焊丝选用e r 5 0 6 中1 2m m 如图3 图5 所示 1 12 1 第六篇设备与机械 2 0 4 0 图5 底部封板坡口 3 耳轴座制作要求 耳轴座与耳轴采用过渡配 合 螺栓连接 耳轴座采用锻钢 与简体连接形式见下 图所示 采用g 方法焊接 多层多道焊 焊丝选 用e r 5 0 6 p 1 2m m 焊缝按设计要求进行超声波探 伤检查 其要求应符合g b t 1 1 3 4 5 8 9 中i 级规定 如 图6 所示 图6 耳轴座与简体组焊坡1 3 4 热处理去应力 渣包焊后在进行机械加工前 要求进行热处理退火去应力 图7 为渣包热处理时间 记录曲线 图8 为1 2m 3 渣包模型 1 1 2 2 图7 焊后热处理温度一时间记录曲线 图8 1 2m 3 渣包模型图 2 焊接结构渣包应用过程中的有限元分析 因篇幅有限 本文只简单介绍该技术的研制及其 在大冶有色的应用过程和有限元分析要点 2 1 渣包使用过程中有限元模拟分析 f e a 初始条件 模型涉及渣包使用过程 交变热循环 的温度模 拟 应变 应力和变形 冷却过程的热弹塑性等 分析 中的不确定因素有 隔热作用于 渣包的峰值温度场 景 散热系数 不同温度下材料的屈服应力 切变模量 等等 有限元计算工具 d e l l1 9 0 0 软件 a n s y s8 0 渣包在盛装铜渣操作过程中 实际温度场及其分 布复杂 很难精准确定 为了使测定数据更为接近实 际 用热成像仪测量渣包外壳的温度 测量值总体分布 在2 0 0 9 0 0 c 范围内 但这只是一个瞬时的外壳温度 值 其内壁或芯部温度肯定高于10 0 0 c 计算模型 分别采用了6 0m i t t 和8 0m m 厚的锥形渣包 不同参 数条件下的温度分布云图及渣包外壁处的温度变化曲 线图 比较6 种不同情况下渣包外壁温度变化曲线 可知 外壁最高温度在6 0 0 7 0 0c 之间 符合正态分 布 与实测的结果接近 可作为设计及模拟分析初始条 件 第六篇设备与机械 2 2 渣包使用全过程的温度 应变 应力和变形计算 采用1 2 三维模型模拟8 0m m 厚渣包使用全过程 的温度 应变 应力和变形过程 从温度变化曲线可以 看出 渣包外壁在2 4 0 0 s 时达到最高温度 其值大约在 6 6 0 左右 渣包在外壁最高温度下的变形 应力和应 变值最大 渣包冷却后 残余变形 应力和应变比较小 倾翻装置的大筋板出现应力集中现象 设计宜采用圆 弧过渡 减少应力集中 从冷却后的应力分布云图可以 看出 筋板与渣包外壁的交接处拉应力比较大 如图9 图1 4 所示 型 图1 0 渣包温度分布云图及温度变化曲线 梦0 留 辫 图1 1 模拟工况下热应变分析 图1 2 模拟工况下的静 动态受力分析 图1 3 模拟工况下热变形分析 图1 4 最高工况温度下的变形特征 一 p 1 12 3 叫蠲诩测穗葛 i o i 7 l 删 第六篇设备与机械 2 3 焊接结构渣包有限元分析结果 1 有限元分析 h a 与计算表明 一定时段内 少量使用次数对渣包变形和应力的影响不明显 但随 着次数的增加 材料的屈服强度比变大 冲击韧性下 降 因计算中初始条件具有一些不确定性 计算结果 和实际情况会存在差异 渣包的开裂 变形失效与温 度 应力及结构有关 因高温蠕变及热应变脆化导致 热疲劳失效 见下文 渣包的壁厚越厚 峰值温度和 温度梯度越低 其承载能力和抗变形能力越强 部分 数据见表2 表3 表2 渣包有限元计算结果对比 应力 m p a 应变 变形 r a m 结构特征拉应力压应力拉应变压应变 轴向径向轴向径向轴向径向轴向径向轴向径向 圆弧底 6 0m n l1 1 5 92 2 0 71 3 72 7 5 2 9 2 1 8 0 4 5 59 9 3 1 1 3 9 8 5 4 圆弧底一8 0 m m 1 1 7 02 1 3 21 2 52 6 7 2 6 8 1 5 24 2 19 8 0 1 0 4 7 7 1 1 平底一6 0 m m 1 0 3 41 9 7 51 2 31 5 3 1 0 8 1 4 03 5 04 5 1 3 2 4 7 2 2 平底一8 0 m m 0 9 8 81 8 8 71 2 11 3 5 1 0 3 1 3 33 5 74 3 9 3 1 8 5 8 7 表3 渣包高温运行某时间段跟踪检测数据 摘录 检测次数 123456 使用炉数 51 73 44 66 47 4 耳轴向蠕变 3m m 2m m 3 m m 4 i t i i t i 9 m m一1 1m m 罐壁内凹 0 n l n l 5i t l n l 9n l r n一1 4 m m一1 6 m m一2 1 m m 罐体高度 2 2 7 5 m m2 2 7 5 m m2 2 7 3 m m2 2 7 2i t l r n2 2 7 0i t l l f f l2 2 6 9 m m 罐壁孑l 位 0m m 1r n l t l 3r n l t l 6 m l n 7 m m一1 0 m t n 金相组织铁素体铁素体脱碳倾向性轻度轻度 珠光体珠光体球化球化球化 3 焊接渣包在交变热循环工况下热疲劳失效 理论分析 温度变化会引起膨胀或收缩 若温度均匀变化 则伸缩是自由的 即没有受任何限制 构件中不会 产生显著应力 反之 会产生应力 这种应力便称 之为 热应力 或 温差应力 3 1 热应力及其产生条件 温度引起的结构变形受到约束 将产生热应力 构件内部存在温差 即使无约束 也会产生热应力 两个构件因温度分布不均引起热膨胀量不等 将引 起热应力 3 2 热应力及其理论分析计算 圆筒形构件在非均匀温度场中热应力模型大致 分三种 一种是实心圆柱体 二种是厚壁圆筒 三种 是薄壁圆筒 三种情况下 温度分布规律不同 热应 2 4 力计算公式也各不相同 本文仅考虑厚壁圆筒结构 在不同的温度分布下 热应力计算公式及其实际应 用 上述三种模型中 厚壁圆筒具有典型性 如图 1 5 a 所示 其中r 和r 分别为其外半径和内半径 当r z 一0 时 便是实心圆柱体 当r z 接近r z z 时 厚壁圆筒便成薄壁圆筒 下面研究渣包这种厚壁圆 筒结构在非均匀温度场中 热应力公式的一般形式 首先 分析将产生哪些热应力分量 为了说明 问题 可以将厚壁圆筒看成由许多薄壁圆筒套在一 起而成 由于温度分布不均匀 每个薄壁圆筒的热 膨胀量都不一样 例如中心温度高于表面温度时 则 内层的热膨胀量大 而外层的热膨胀量少 这样内 层的热膨胀便受到外层的限制 因而受到均匀的径 向压力 外压 而外层则受到均匀的径向张力 内 压 在这些力的作用下 便产生了环向应力和径向 第六篇设备与机械 应力 分别用t 嘞 t o 表示 此外在轴线 z 方向 各层薄壁圆筒的热膨胀量也不一样 因此在这一方 向也要产生热应力 用r o 表示 圆筒上任一点的 应力状态如图1 5 b 所示 因为结构以及温度分布都 是对称于轴线的 所以热应力出必然与轴对称的 即热应力分量r 口 r 口 r o 等都与座标q z 无关 只 是半径r 的函数 以位移作为未知量 先建立位移微分方程并求 得位移函数 然后再通过位移与应力的关系求得应 力 为此将平衡方程 几何方程和物理方程加以综 合 解得力与位移的关系及厚壁圆筒在温度和应力 共同作用下的位移微分方程 对此积分后得到任意 一点的径向位移计算公式 而后得到热应力计算公 式的一般形式 田1 5 厚璧圈筒结构中的热应力计算模受 一一南玑t r d r 上l p w r2 一而刊r 门r 十 岛导 再茄丽e 一一南乳丁 胁 南t 南 南 导 十矸1 茄1 丽e 口 一2 肛 w 一寺t 矸蔫可c e 1 一血