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本钢修建公司热风炉帽振动时效

发布人:发布时间:2014-06-24

热风炉帽、高炉风口带钢甲******焊接应力的振动时效处理

前  言
      本钢修建公司在大修施工中,根据设计部门的要求,需对热风炉帽、高炉风口带钢甲进行时效处理,用以******焊接应力。但因结构过大,加上现场条件的限制,无法采用热处理法来******应力,故根据以往同类型焊接构件的振动时效******应力的经验,确定采用振动时效来处理上述结构。经与大连理工大学有关人员共同探讨,认为是可行的,并确定如下实施方案:
      1、对热风炉帽分段(17带、18带和16带)共2组6件分别采用地面上的振动时效处理;
      2、当炉帽的2个分段(17带、18带和16带)吊装到炉顶对装后整体进行处理;
      3、对高炉风口带钢甲的整体在地面上采用振动时效处理。
      经过厂校双方有关人员的共同努力,近一个月全部完成上述工作,现报告如下:

一、热风炉炉帽的分段振动时效处理
      1.振动时效处理对金属构件的作用
      振动时效是对具有残余应力的金属构件进行振动处理,使构件在共振频率下振动。由于在共振状态下构件按一定的振型产生弹性变形而产生动应力,当这个动应力与构件上各点的残余应力相叠加后,大于材料的屈服极限,则在该点出现局部的塑性变形,因而应力得到释放。所以振动时效从原理上来说,就是降低构件内的残余应力。应力降低的水平与构件内的动应力大小有关,动应力大则******应力的效果高,动应力小,******应力的效果也低。
      振动时效既然可以降低应力,则必然可以******或降低残余应力对构件的影响。其作用有如下几方面:
      ①降低和均化应力,******应力集中,防止裂纹
      因为振动过程中残余应力大的点首先进入屈服,所以高应力点下降的比例大,使应力均化程度高,从而降低应力集中而防止裂纹。
      ②减少或防止构件变形
      构件的变形是由于残余应力特点造成的,因为残余应力的分布和量值具有很大的随机性,分布不均且量值差别太大,所以容易产生变化,即可变性。残余应力的变化,必然使构件产生变形,因此在使用前或安装前,通过振动时效使应力降低和均化,必然防止或减少变形。
      ③提高焊接构件的疲劳寿命,增加使用周期
      通过大量的实验和实践证明,振动时效可提高焊件的疲劳寿命50%以上,提高使用寿命0.5~1倍。
      由于振动时效的上述作用,使该项技术得到厂矿企业和国家的重视和认可,1991年制定了国家行业标准JB/T5928.91,并在1993年被国家科委批准为“*********科技成果重点推广计划”项目,在全国普遍推广。在冶金行业,本钢和鞍钢在转炉壳体和托圈上应用***早,******次振动时效处理的壳体至今还在应用,为企业节省大量资金。可以说,实践证明振动时效在冶金构件上的应用,优于原先采用的喷油热时效。
      2.热风炉帽子分段振动时效处理
      热风炉帽子是在地面平台上焊接好的,但由于重量过大,不能整体吊到炉顶,故在地面上将其切割成两段(17带、18带和16带)后再吊装。切割完成后,首先在地面上做振动时效处理,两段处理现场请见图(1~2)。

图1:热风炉帽分段(17、18带)振动处理现场

图2:热风炉帽分段(16带)振动处理现场
      ① 处理情况见表1。
      1.支承方式:热风炉帽分段(17带、18带和16带)底部用道木支承。
      2.激振点:由于结构的限制,激振器安装在分段底部端板边缘,用卡具卡住。
      3.拾振位置:拾振器安装在分段上部。
      4.激振器偏心:智能振动时效2000型设备,偏心为“6档”。
      5.激振频率:通过扫频由设备自动选择共振峰,处理时可由加速度辐值来控制。
      6.处理时间: 30分钟左右。
      ② 振动处理监测曲线与分析
      热风炉帽焊接件(17带、18带和16带)在振动处理时给出了2条的监测曲线(见附图)。
      根据JB/T5928.91机械行业标准的规定,监测曲线中出现下述三种情况之一,即认为振动处理达到了效果:
      其一,时间振幅曲线[G(T)],随着时间在发生变化,即上升型、下降型均可(可由曲线指示或数字显示读数均可)。
      其二,幅频特性曲线的对比,振后曲线峰值升高。
      其三,幅频特性曲线的对比,振后曲线峰线左移即频率下降(可由曲线观察或上面数字显示看出)。
      根据上述有关规定,观察我们对热风炉帽焊接件(17带、18带和16带)处理时获得的2张曲线图,可以看出:
      分段(17带、18带)焊接件处理曲线图上时间-振幅曲线[G(T)],呈下降型,的频率下降了10转/分,峰值下降0.1g。
      分段(16带)焊接件处理曲线图上时间-振幅曲线[G(T)],呈上升型,的频率下降了30转/分,峰值上升0.8g。
      ③ 分段焊缝残余应力的检测
      为了检测振动时效在******应力方面的效果,在振动处理前、后,分别在分段主要焊缝选择5点进行残余应力的检测。残余应力测试结果见表1~2。
  
      结论与分析:
      ①从表1可以看出,******段分段(17带、18带)振动处理前主应力为326.90MPa,而振动处理后主应力为188.52MPa,******率为42.05%,超过标准要求。这次VSR处理是合格的。
      ②从表2可以看出,第二段分段(16带)振动处理前主应力为296.45MPa,而振动处理后主应力为187.84MPa,******率为35.06%,超过标准要求。这次VSR处理是合格的。

二、高炉风口带钢甲的振动时效处理
      1、高炉风口带钢甲结构及应力分布特点
      高炉风口带钢甲是一个刚度很大的圆环,表面一圈均布刚度很大的小圆环插入焊接而成。由于大圆环很厚,故小圆环插入后焊缝很大,多层焊接。
      从上述结构型式不难看出,风口加强圆环及大圆环壳板间多层焊缝在焊接结晶时受到较强的约束,因此将产生较大的焊接残余应力,特别是垂直焊缝方向产生的应力将远远高于平板对焊时产生的垂直焊缝方向的应力。这是该结构应力分布的特点之一。应力分布的特点之二,由于焊缝较大,焊缝表面与大壳体表面几乎成45°角,故焊缝根部具有较高的应力集中系数,使用中将会产生较大的工作应力。因此,在使用过程中,极易在焊缝的根部出现沿根部扩展的环向裂纹。所以,在使用前做时效处理,用以******应力是必要的,而且也是可行的。
      2、高炉风口带钢甲分段的振动时效处理
      带钢甲在制造过程中已分成七段,且七段结构型式及尺寸完全相同。因此振动处理参数几乎完全相同,只是由于支撑方式的差异,使激振参数有较小的变化。
      如同其它构件的振动时效处理一样,首先对构件做振动处理前的残余应力测试,其次是选择参数做振动时效处理,***后做振动时效后的残余应力检测。

图3:带钢甲分段振动时效处理现场
      ① 处理情况见表1。
      1.支承方式:带钢甲分段底部用道木支承。
      2.激振点:由于结构的限制,激振器安装在带钢甲分段上部边缘,用卡具卡住。
      3.拾振位置:拾振器安装在带钢甲分段上部。
      4.激振器偏心:智能振动时效2000型设备,偏心为“4档”。
      5.激振频率:通过扫频由设备自动选择共振峰,处理时可由加速度辐值来控制。
      6.处理时间: 30分钟左右。
      ② 振动处理监测曲线与分析
      高炉风口带钢甲焊接件在振动处理时给出了监测曲线(见附图)。
      根据JB/T5928.91机械行业标准的规定,监测曲线中出现下述三种情况之一,即认为振动处理达到了效果:
      其一,时间振幅曲线[G(T)],随着时间在发生变化,即上升型、下降型均可(可由曲线指示或数字显示读数均可)。
      其二,幅频特性曲线的对比,振后曲线峰值升高。
      其三,幅频特性曲线的对比,振后曲线峰线左移即频率下降(可由曲线观察或上面数字显示看出)。
      根据上述有关规定,观察我们对高炉风口带钢甲焊接件处理时获得的1张曲线图,可以看出:
      高炉风口带钢甲焊接件处理曲线图上时间-振幅曲线[G(T)],呈上升型,峰点的频率下降了12转/分,峰值下降0.8g。
      振动时效前、后均做了焊缝根部的残余应力检测,其结果如表3所示。


      3、处理效果的分析
      ①本次处理均采用自动调频,并跟踪记录随时间增长时,加速度的对应幅值。从附图可见,高炉风口带钢甲焊接件在处理时,其幅值都发生了较大的变化,在激振条件不变的情况下,幅值变化说明构件内应力在发生变化,因此可以说振动时效在起着******应力的作用,参数选择是合理的,而***后的效果将由残余应力检测来确定。
      ②振动处理前、后残余应力的检测如表3所示。从表3中不难看出振动处理前沿焊缝根部的焊接残余应力过大,平行环焊缝的应力(σ1)328.17MPa,垂直焊缝的应力(σ2)为170.80MPa。而振动处理后的应力分别为221.66MPa和135.26MPa,即振动处理前、后下降32.46%,超过了国家标准。
      从上述结果不难看出由于结构型式和焊接工艺造成了高炉风口加强环焊缝根部的应力过大,特别是垂直焊缝方向的应力达到170.80MPa,将是造成焊缝根部环向裂纹的主要原因。所以,这种结构成型后必须采用时效处理,而应以振动时效处理为******手段。从表3不难看出振动时效在******应力上的两大特点:
      一是******率高,完全可以达到国家规定标准(30%);
      二是均化应力效果高,从表3中数据可明显见到这一特点。
      这两个特点,特别是第二个特点在类似高炉风口带钢甲这样结构中是***为明显的,而且也是热时效所不具备的。
      ③结论:振动时效在高炉风口带钢甲上******应力上是合格的,达到国家标准。