碎煤加压气化炉煤锁的工艺研究及生产应用

碎煤加压气化炉煤锁的工艺研究及生产应用

苏东波 赵 钰 樊志勤 梁雁斌 杨晓冬 赵 凯 张创晋 王海瑞

【摘要】针对碎煤加压气化炉煤锁用钢Q345R的焊接，首先对ER49—1和ER50—6气体保护实芯焊丝进行了对比试验分析，基本掌握了两种焊丝的技术特性。又分别选用ER50—6焊丝CO2气体保护焊封底，H10Mn2+SJ101埋弧焊填充盖面传统工艺与ER49—1焊丝CO2气体保护焊封底，H08Mn2SiA+SJ101埋弧焊填充盖面新工艺，做了两组焊材的焊接工艺评定对比试验分析。试验与生产实际表明，采用新工艺施焊煤锁部件切实可行，这为今后碎煤加压气化炉煤锁的焊接开辟了一条新的途径。

关键词：Q345R；气体保护实芯焊丝；对比试验

1. 概述

近年来，随着企业的转型升级和产品的更新换代以及清洁能源的快速发展，压力容器产品日趋大型化、轻量化、高参数化，促使焊接技术向优质、高效的方向发展。碎煤加压气化炉是合成油生产中第一道工序的关键设备，产品直径为3 800mm，长度为1 250mm，自重达256t，日处理煤炭量接近500t，每小时产气量达3.5～5.5万m3。煤锁是气化炉的重要关键部件，材料为Q345R锅炉和压力容器钢，煤锁焊缝在焊后要求进行退火热处理，而焊后退火热处理对煤锁部件焊接接头的力学性能有一定影响，采用传统焊接工艺施焊已远不能满足产品的技术要求，这一现象在国内普遍存在，严重地制约着焊接生产的快速发展。为此，我们进行了煤锁的焊接工艺评定试验，并制定出焊接工艺规程，焊出的产品完全满足技术标准要求。

2. Q345R钢材性能分析

Q345R材料是GB713—2008规定的锅炉和压力容器用钢，它是由16Mn和19Mn钢材演变而来，其焊接性较好，并具有良好的综合力学性能，是目前用途最广、用量最大的锅炉和压力容器专用钢板。Q345R（板厚48mm）材料的化学成分、力学性能如表1所示。从表1看出，Q345R钢材的Mn、Si元素含量在标准规定值的中限上，C、S、P等有害元素控制较严，其强度控制适中，而塑韧性优良。

3. 焊接工艺方法的选择

针对煤锁部件为厚板大型焊接结构的特点，从确保焊缝质量和提高生产效率的角度出发，选用CO2气体保护焊打底，埋弧焊填充盖面工艺，来施焊煤锁部件。

表1 Q345R钢材的化学成分与力学性能

钢板牌试验温度/℃ 试验值/J Q345R（板厚48mm）标准规定值 ≤0.02 1.20～1.60≤0.55≤0.015≤0.025≥0.020 490～620≥315≥21 0 34 合格Q345R（板厚48mm）试验值化学成分（质量分数，%） 力学性能C Mn Si S P Al Rm/MPa ReLA /MPa（%）冲击吸收能量 弯曲试验D=30mm，α=180° 0.18 1.43 0.34 0.001 0.015 0.010 540 370 39 0 249，253，253（252） 合格

4. 焊接材料的合理选择

焊接材料选择的正确与否，对保证煤锁部件焊后热处理的接头力学性能至关重要。Q345R是最低抗拉强度为490MPa的压力容器专用材料，在常规焊态下，以往传统的工艺采用ER50—6（φ1.2mm）实芯焊丝CO2气体保护焊封底。10Mn2或H08MnA（φ4.0mm），配SJ101烧结焊剂埋弧焊填充盖面。根据我们多年来的焊接试验研究及生产应用，选择熔敷金属抗拉强度储备较高的焊接材料进行焊接工艺评定试验，即CO2气保护采用ER49—1（φ1.2mm）实芯焊丝，埋弧焊丝使用H08Mn2SiA（φ4.0mm）焊丝配SJ101烧结焊剂。首先我们对ER49—1和ER50—6两种气体保护实芯焊丝，按GBT8110—2008标准，做了对比试验分析，试验结果如表2所示。

由表2可见，ER49—1焊丝锰元素含量显著高于ER50—6焊丝，这对提高焊丝熔敷金属的强度十分有利，ER49—1焊丝熔敷金属的强度明显高于ER50—6焊丝，考虑到ER49—1焊丝熔敷金属强度储备较大，在焊后退火热处理时，虽然焊丝熔敷金属强度有所下降，但仍能满足Q345R钢材的技术要求。而ER50—6焊丝熔敷金属强度在焊态下已接近Q345R材料的最低强度标准值，显然在焊后热处理的状态下，ER50—6焊丝熔敷金属强度将不能满足Q345R钢材的标准技术要求。从确保Q345R焊接接头抗拉强度的角度出发，决定CO2气体保护焊采用ER49—1（φ1.2mm）实芯焊丝，埋弧焊使用H08Mn2SiA（φ4.0mm）焊丝，配置SJ101烧结焊剂，进行焊接工艺评定。

5. 焊接工艺评定

按照NB/T47014—2011标准进行Q345R（板厚48mm）钢材的焊接工艺评定，试验分别选择两组焊材进行焊接工艺评定，第一组采用新的ER49—1（φ1.2mm）焊丝CO2气体保护焊封底，H08Mn2SiA（φ4.0mm）+SJ101烧结焊剂埋弧焊填充盖面。第二组采用传统的ER50—6（φ1.2mm）焊丝CO2气体保护焊封底，H10Mn2（φ4.0mm）+SJ101烧结焊剂埋弧焊填充盖面，分别进行焊接工艺评定试验。

（1）焊接接头形式及焊接参数 焊接工艺评定试板坡口尺寸及接头形式如图1所示，焊接参数分别如表3和表4所示。

（2）焊后退火热处理 试板焊后经X射线探伤检查达到Ⅰ级焊缝，对试板做焊后退火热处理，热处理工艺曲线如图2所示

（3）焊接接头力学性能对比试验 试板经焊后退火热处理后，进行解剖加工试样，并进行接头力学性能对比试验，试验结果如表5所示。

图1 试板坡口尺寸及接头形式

图2 试板焊后退火热处理曲线

表2 焊丝化学成分及熔敷金属力学性能

保护气体 化学成分（质量分数，%） 力学性能焊丝牌号种类 流量/L·min-1 C Mn Si S P Cu Rm/MPa ReL/MPa A（%）冲击吸收能量试验温度/℃ 试验值/J ER49—1（φ1.2mm）CO2 15 0.078 1.96 0.85＜0.018 0.019 0.20 617 512 25 -30 70，58，67，65，63（65）（φ1.2mm） 0.065 1.70 0.98 0.011 0.015 0.25 543 435 30 -30 74，76，80，85，72（77）ER50—6

表3 气体保护焊焊接参数

焊接速度/mm·min-1种类 流量/L·min-1保护气体焊丝牌号电流极性 预热温度/℃道间温度/℃焊接电流/A电弧电压/V 160 ≤250 260～280 28～30 190～250 ER49—1（φ1.2mm） CO2 15 直流反接ER50—6（φ1.2mm） 160 ≤250 270～290 29～30 195～255

表4 埋弧焊参数

焊接速度/mm·min-1 中间处理类型 牌号焊剂焊丝牌号电流极性 道间温度/℃焊接电流/A电弧电压/V≤250 500～600 30～32 300～350 碳弧气刨清根后再进行焊接H10Mn2（φ4.0mm） ≤250 550～600 32～33 310～345 H08Mn2SiA（φ4.0mm） 烧结焊剂 SJ101 直流反接

表5 两组焊材的焊接接头力学性能及硬度试验

接头拉伸 侧弯试验 最高硬度 冲击吸收能量（0 ℃）/J Rm/MPa 断裂位置 D=4t α=180° 位置 硬度值HV10焊接方法 焊缝 热影响区焊材组合母材 166 气保焊 162，184，160（169） 128，132，162（141）热影响区 173埋弧焊 147，146，138（144） 128，146，156（143）焊缝 162第一组 508，503（506） 焊缝 四件完好母材 160 气保焊 107，109，109（108） 111，111，123（115）热影响区 164埋弧焊 169，166，165（167） 146，137，147（143）焊缝 159第二组 495，488（492） 焊缝 四件完好

从表5可看出，两组焊材的接头侧弯与冲击试验结果符合Q345R钢材标准要求。接头维氏硬度测试值均小于标准规定值240HV10，这表明接头无淬硬倾向。传统的第二组选材接头的抗拉试验值接近于Q345R钢材标准下限值，明显低于第一组焊材的接头抗拉强度试验值。从接头的安全使用性能出发，选用第一组焊材施焊煤锁部件比较合理。

6. 生产应用

煤锁是加压气化炉的关键部件，材质为Q345R，厚度为90mm，热处理状态正火，尺寸：φ2 800mm，高3 000mm，重量达20t，它属二类压力容器，工作温度150℃，工作压力0～3.06MPa，介质为煤、粗煤气。在焊接工艺评定合格的条件下，制定了产品的焊接工艺规程，用于指导煤锁的焊接生产，焊出的产品经各项检查，完全满足产品技术要求，有效保证了整个碎煤加压气化炉产品的质量，受到用户的一致好评。

7. 结语

依照NB/T47014—2011标准，对Q345R（板厚48mm）X形坡口，采用ER49—1实芯焊丝CO2气体保护焊封底，H08Mn2SiA焊丝+SJ101烧结焊剂埋弧焊填充盖面，进行焊接工艺评定，试验结果均达到相关标准要求。根据焊接工艺评定结果，制定了煤锁部件的焊接工艺规程，焊出的产品经检查完全满足产品技术要求。

作者简介：苏东波等，太原重工股份有限公司。