炉底板裂纹分析及焊接修复

李金龙

(长江职业学院，湖北 武汉 430074)

一、引言

硅钢环形退火炉(ROF)是取向硅钢进行高温退火的热处理设备，其中，炉底板是非常重要的部件，其数量大，且价格昂贵，当前的炉底板的一次使用寿命大约为一年，超过一年后，炉底板开始产生裂纹并变形，影响产品质量，需下线更换。因此，炉底板的使用寿命严重影响硅钢环形炉退火生产工序的成本，迫切需要通过修复再制造来延长炉底板使用寿命，以提高经济效益。

二、炉底板相关参数

POF炉炉底板为中空圆盘结构，用于承载热处理工件进行高温退火，炉底板主要采用耐热钢铸坯再进行锻造、机械加工和热处理工序制造，材质选用0Cr23Ni13，使用工况为钢卷装炉后在1 150℃高温下退火156小时，然后钢卷出炉降温，再装炉循环使用。硅钢卷放置在炉底板上面，硅钢卷重量约为17T，直径为φ1 600mm，高度1 200mm。[1]

在退火过程中，由于环境温度高、且升温降温频繁、高温炉气对流的不均匀、承受钢卷的重载荷等因素的影响，炉底板既受到交变应力作用，还经受高温气体的冲刷侵蚀。[2]在如此恶劣的工况条件下，经过几个周期的使用后，炉底板边缘开始萌生裂纹，并逐步向心部扩展，最后形成课间的径向裂纹，导致炉底板表面扭曲不平，使钢卷端面发生压印卷边，造成硅钢开卷后钢板边部形成马蹄状变形的产品质量问题。另一方面，裂纹根部的应力集中使裂纹迅速扩展，最终导致炉底板破损严重而报废。[3]

三、旧炉底板成份分析

实验中，选用一块上线使用一年半的炉底板进行综合分析及焊接修复，该炉底板破损严重，有两处比较明显的大裂纹，裂纹长度约220mm,深度90mm，还有一处成横向V字形，纵向贯穿，即将剥落。据了解，该部位在前期检修时，经过临时补焊处理。其他部位通过探伤检测，发现炉底板表面，60%的部位有比较集中的小型热裂纹，其深度约3-5mm。从该炉底板大裂纹旁边本体上进行取样，进行光谱分析和力学实验，其主要化学成分如表1所示，机械性能则如表2所示。由表中数据可以看出，炉底板基材是耐热钢0Cr23Ni13。

表1 炉底板材质成份(%)

表2 炉底板机械性能

四、炉底板金相组织分析

取该炉底板的V字形剥落块制成试样进行金相组织分析，图1为未腐蚀的金相组织照片，从中能清晰地看到晶界和晶间已存在腐蚀状态，杂质缺陷也很多。图2为腐蚀后的金相照片，有很多晶间和晶界析出物，腐蚀后的强度会有很大幅度下降，容易导致工件开裂。

图1 未腐蚀的金相组织照片

图3则为扫描电镜下的组织状态，在扫描电镜下，可观察到试样的表面比较“脏”，可能为铁的氧化物，估计是由于基体的硬度较大，在抛光的时候使硬质相与基体脱离。沿晶界存在晶间裂纹，且在晶界之间存在脆性物质。晶粒较为粗大，大约为500μm；在晶界表面还存在夹渣，且试样的表面存在缺陷。不难发现，前期的临时补焊效果不佳。

图3 试样的扫描电镜组织

五、炉底板的焊接修复

(一)焊接材料选择

根据旧炉底板的化学成份、机械性能、金相组织及使用工况条件等参数，选用ZY309LMo药芯焊丝对主裂纹进行恢复性焊接修复，避免产生热裂纹，选用ZY310药芯焊丝进行表面堆焊盖面，提升炉底板的表面性能，延长使用寿命，焊丝具体成分如表3所示。

表3 两种焊丝成分(%)

(二)具体焊接修复工艺

首先，目测观察炉底板正反面及侧面裂纹分布，测量裂纹大致尺寸；然后，炉底板的大裂纹处加工出V型坡口，如图4所显示。随后，采用ZY309LMo焊丝补焊V型坡口，焊接规范电流I=200-240A,电压U=26-28V，CO2气体保护焊接，焊接层间温度控制在150℃以内。处理完毕后，对补焊区域着色探伤，确保补焊质量。同时，采用立车车削炉底板表面，深度6mm，并对加工表面进行着色探伤，确保热裂纹清除干净，如图5所示。再对炉底板平面采用ZY310焊丝进行自动焊盖面堆焊，焊接过程如图6所示。

图4 较大裂纹处开坡口

图5 炉底板表面车削台阶，消除表面热裂纹

图6 焊接过程

当焊接完成后，经探伤检测，无焊接缺陷。通过退火消除焊接应力，并进行机加工达到尺寸和表面粗糙度要求。具体状况如图7所示。

图7 焊后加工成成品

六、使用效果和结语

将焊接修复好的炉底板上线使用半年，通过停机检测，焊接部位未出现裂纹，如图8所示，达到了预期效果。

图8 使用半年后未出现裂纹

实验证明，选用ZY309LMo和ZY310药芯焊丝，并采用以上修复工艺，可对出现裂纹的炉底板进行有效修复，从而延长了炉底板的使用寿命。由此可见，该工艺技术可为以后同类型的实验研究提供参考依据，有效降低成本，提升炉底板使用寿命。