吴江锐 汪猛 王创先
十四冶建设集团云南安装工程有限公司 云南昆明 650033
摘要：大型高炉炉壳制作，锥段炉壳开孔精度要求高，且锥段炉壳上冷却壁水管孔及定位销孔中心线与锥段炉壳不垂直。在锥段炉壳下料的同时，炉壳上冷却壁水管孔及定位销孔需要一起开孔，为了有效解决大型高炉锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔难题，根据需要研究、创新的大型高炉锥段炉壳斜孔开孔技术，采用Solidworks高炉锥段炉壳建模生成2D-CAD下料开孔图，采用CAD对锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔图进行修正，再采用StarCAM-CNC CUT套料软件转换2D-CAD下料图，输入数控切割机设备采用火焰切割进行开孔的开孔技术方法，有效解决大型高炉锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔精度高及开孔难题。
关键词：大型高炉 锥段炉壳 斜开孔技术
1、前言
由我司承建的云南玉溪某公司产能置换、技术升级改造工程1350m3高炉，属于大型高炉，要求锥段炉壳冷却壁上的水管孔及定位销孔在卷制前都要开完，开孔精度要求高（孔中心水平间距偏差±2mm，孔中心垂直间距偏差±2mm，圆度偏差2mm）。Solidworks高炉锥段炉壳建模、CAD对锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔图进行修正、StarCAM-CNC CUT套料软件转换2D-CAD开孔图、火焰数控切割机设备开孔是此次大型高炉锥段炉壳斜孔开孔技术的重点和难点。
2、技术原理
大型高炉锥段炉壳开孔精度要求高（孔中心水平间距偏差±2mm，孔中心垂直间距偏差±2mm，圆度偏差2mm），锥段炉壳上冷却壁水管孔及定位销孔中心线与锥段炉壳不垂直有一定角度（见图2-1高炉炉壳炉腹段冷却壁水管孔及定位销孔设计图），为了保证开孔图精度、减少开孔图尺寸精度误差，采用Solidworks软件对高炉锥段炉壳本体按照1:1进行建模，冷却壁水管孔及定位销孔开孔在模型上进行开孔（见图2-2 Solidworks建模开孔模型图），模型开孔完毕按照高炉锥段炉壳设计每段分块，以锥段炉壳钢板中间层展开形成2D-CAD开孔图（见图2-3高炉炉壳炉腹段下料开孔图）。
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图2-3高炉炉壳炉腹段下料开孔图
采用CAD对锥段炉壳钢板中间层展开形成2D-CAD开孔图进行修正（见图2-4高炉炉壳炉腹段CAD修正后开孔图），再采用StarCAM-CNC CUT套料软件将2D-CAD导入、排版、导出，生成数控切割机设备能使用的G代码，输入数控切割机采用火焰数控切割机设备进行开孔。
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图2-4高炉炉壳炉腹段CAD修正后开孔图
3、技术特点
3.1炉壳下料、开孔一次成形，精度高
锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔，2D-CAD经过套料软件转换后，在数控切割机上锥段炉壳下料、开孔一次加工成形，定位精度更高，经测量开孔中心最大偏差1mm，常规锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔方法是在高炉炉壳安装后，才能进行开孔，锥段炉壳下料时不能开孔，常规方法开孔中心间距偏差5mm。
3.2 开孔效率提高
锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔加工时间更短，在锥段炉壳下料时同时开孔，而常规锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔方法需要在炉壳安装后，在炉壳上测量定位、划线，再进行开孔。新工艺每块锥段炉壳水冷壁水管孔及定位销孔开孔需要时间约2小时，常规锥段炉壳开孔从测量定位、划线、开孔需要时间约5小时。
3.3开孔人工成本降低
锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔加工只需要1人，而常规锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔需要5人（划线需要3人，开孔需要2人）。
3.4提高了安全性
锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔是在数控切割机上完成，是在工厂地面上操作比常规开孔技术安全。常规锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔开孔，测量定位、划线、开孔是炉壳安装后进行，属于高空作业。
4、大型高炉锥段炉壳斜孔开孔技术实施要点
4.1 Solidworks深化设计
采用Solidworks按照设计图进行深化设计注意事项：必须完全按照设计图进行建模，建模模型尺寸必须1:1，建模模型完成后必须另外专人对模型进行审核，建模模型审核完毕后形成2D-CAD下料开孔图，必须采用高炉炉壳钢板中间层形成下料开孔图。
4.2 数控切割机割枪转动中心测量
从图2-1 高炉炉壳炉腹段冷却壁水管孔及定位销孔设计图可见水管孔及定位销孔中心线与炉壳钢板不垂直，有一定的角度倾斜。因此采用数控切割机开孔时，割枪必须与炉壳钢板倾斜，割枪与炉壳钢板倾斜角度与水管孔及定位销孔中心线与炉壳钢板倾斜角度一致，才能使得割枪开孔时水管孔及定位销孔与炉壳钢板倾斜（见图4-1）。
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图4-1 割枪位置示意图
数控切割机控制割枪移动时，控制定位是以割枪转动中心位置为准的，割枪为保证水管孔及定位销孔中心线与钢板倾斜，在开孔时割枪以割枪转动中心进行旋转，导致了数控切割机以2D-CAD开孔图控制开孔时，钢板实际切割线与割枪转动中心存在水平方向间距，需要得出间距，采用CAD对开孔图进行修正，修正方法下面以炉腹段为例。
首先得出数控切割机割枪转动中心至割枪枪头距离、数控切割机割枪转动中心至钢板距离，对数控切割机割枪进行测量（见图4-2数控切割机割枪测量图）。
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图4-2数控切割机割枪测量图
经测量得出数控切割机割枪转动中心至割枪枪头距离为：200.7mm，数控切割机割枪转动中心至钢板距离为：210.1mm。
4.3 CAD对锥段炉壳2D-CAD开孔图进行修正
以炉腹段为例采用CAD得出锥段炉壳与水平角度（见图4-3水管孔及定位销孔中心线与炉壳钢板角度图）。
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图4-3 水管孔及定位销孔中心线与炉壳钢板角度图
以割枪转动中心向水管孔中心线方向旋转，旋转角度7.4度，旋转后炉腹段水管孔及定位销孔2D-CAD开孔图偏移尺寸，采用CAD作图得出，以数控切割机割枪转动中心至割枪枪头距离为200.7mm和数控切割机割枪转动中心至钢板距离为210.1mm作圆，再做7.4度线段与两圆相交，得出相交点与垂线之间间距（见图4-4 相交点与垂线之间间距图）。
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图4-4 相交点与垂线之间间距图
上图26.83mm是炉腹段割枪旋转7.4度后水管孔及定位销孔在2D-CAD图上，向水管孔及定位销孔中心线倾斜方向需要偏移的数据。25.63mm是割枪旋转7.4度枪头需要偏移的数据。
从图7水管孔及定位销孔中心线与炉壳钢板角度图同时可以看出，炉壳钢板中间层展开生成的2D-CAD开孔图，与炉壳钢板外表面展开生成的2D-CAD开孔图定位尺寸是不一样的，以炉腹段为例（见图4-5高炉炉壳炉腹段示意图和图4-6高炉炉腹段外表面与中间层间距图）。
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炉腹段冷却壁水管孔开孔后，炉壳钢板外表面展开生成的2D-CAD开孔图，与钢板中间层展开生成的2D-CAD开孔图，向大口方向偏移2.93mm（见图4-6），由于炉壳开孔与下料一次性完成，开孔、下料必须在一张图上，因此开孔、下料图必须以炉壳钢板中间层展开生成2D-CAD下料开孔图。高炉锥段炉壳采用Solidworks生成炉壳下料开孔图后，就要对2D-CAD开孔图进行修正，炉腹段开孔图向大口方向移动2.93mm。
CAD修正炉腹段水管孔修正步骤：
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图4-7 修正步骤图（1）
水管孔中心线与炉壳钢板不垂直有7.4度角度，开孔图是以钢板中生产，因此水管孔及定位销孔2D-CAD开孔图中水管孔向倾斜方向（大口方向）移动2.93mm，才是水管孔及定位销孔炉壳钢板外表面位置（见图4-7修正步骤图（1））。
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图4-8 修正步骤图（2）
数控切割机割枪旋转7.4度角度，会造成开孔后向孔中心线倾斜的反方向偏移26.83mm，为了补偿因割枪旋转7.4度造成开孔后偏移26.83mm，水管孔及定位销孔2D-CAD开孔图中水管孔及定位销孔向倾斜方向（大口方向）移动26.83mm（见图4-8修正步骤图（2））。
采用StarCAM-CNC CUT套料软件将修正图导入、排版、导出，生成数控切割机设备能使用的G代码，输入数控切割机准备下料开孔。
4.4 数控切割机开孔实施
4.4.1 划线
高炉锥段炉壳冷却壁水管孔及定位销孔与炉壳下料边缘线存在相对位置关系，因此在开孔前需要对炉壳钢板进行划线定位。本次高炉炉壳划线与常规高炉炉壳划线不一样，常规高炉炉壳在钢板上划线，是将切割线划在需要下料的钢板上，如下图（见图4-9常规高炉炉壳划线示意图），下图是小高炉炉壳锥带四分之一下料划线图，图中箭头所指是下料切割线。
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图4-9 常规高炉炉壳划线示意图
本次采用的新工艺开孔方法的划线是划定位线，数控切割设备下料使用的图形，是由Solidworks按照设计图1：1建模形成高炉炉壳2D-CAD下料开孔图，开孔图经过CAD修正后再采用StarCAM-CNC CUT套料软件将2D-CAD导入、排版、导出，生成数控切割设备使用的图形，高炉炉壳材料的尺寸只是比下料图尺寸，在宽度方向宽25mm，长度方向每边留200mm的压头长度，所以在下料前不严格控制下料图X、Y轴线及零点，在下料时会导致切割线跑出钢板的情况发生。以下图（见图4-10高炉炉壳炉腹段的下料开孔图）简介此次划线。
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图4-10 高炉炉壳炉腹段的下料开孔图
高炉炉壳炉腹段共八块，每块下料（包含每边200mm压头时，长度方向至少需要5016mm，宽度方向至少2100mm，锥段卷制时压头板每边长度需要1100mm，如果考虑钢板边缘不直、钢板对角线不等、焊接压头板小口边缘线需要加宽的原因，长度方向需要留10mm余量，宽度需要留90mm错开钢板边缘不直，那么长度方向长度需要5026mm，宽度方向需要2190mm）。炉壳炉腹段下料材料计划是4块钢板，需要下料尺寸是10052×2190mm，实际到货每块钢板尺寸是10050×2200mm，每两块炉壳在一块钢板上下料，两块组合下料后在钢板上的布置如图4-11。
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图4-12 定位线划线方法放大图
4.4.2.切割设备X-Y坐标与钢板X-Y坐标调整一致
钢板上定位线划线完毕后就可以降钢板吊至数控切割设备切割大床上，下料前必须根据定位线建立X-Y坐标，坐标建立如图4-13，4-14。
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钢板建立X-Y坐标后，调整钢板在切割大床上的位置，使得钢板上的Y-Y轴与切割大床轨道平行。调整平行后调整切割设备X-Y坐标与钢板上X-Y坐标尽量一致（偏差可以在1mm内），调整时采用一把角尺、一把短直尺及手机进行调整，方法如图4-15。
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图4-15开孔前手机拍照定位调整钢板在切割大床上的位置
调整切割设备Y-Y坐标与钢板Y-Y坐标一致，角尺与切割设备割枪垂直，用短直尺靠紧角尺，手机拍下短直尺与定位线重合位置时直尺的读数；使得割枪X坐标不变运行至另一端定位线处，角尺与切割设备割枪垂直，用短直尺靠紧角尺，手机拍下短直尺与定位线重合位置时直尺的读数，两个读数一致偏差在1mm内时，Y-Y轴线调整就可以了，然后采用同样方法调整切割设备X-X坐标与钢板X-X坐标一致。
4.4.3 割枪旋转
切割设备X-X坐标与钢板X-X坐标一致后，对数控切割机割枪进行旋转7.4度，枪头旋转方向以数控切割机大床炉腹段炉壳钢板为参照，炉腹段炉壳小口方向旋转，向小口方向旋转距离为25.63mm。
4.4.4 开孔
数控切割机割枪旋转后，就可以采用切割设备按照开孔图进行开孔（见图4-16），切割线割缝补偿设置为1mm。
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图4-16 数控切割机高炉锥段炉壳水管孔及定位销孔开孔照片
4.4.5 开孔过程中检查
在开孔过程中必须对切割开孔进行检查。
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5、实施效果
5.1利用该大型高炉锥段炉壳斜孔开孔技术完成的仙福1350m3高炉锥段炉壳斜孔开孔，实施后从开孔精度、尺寸、人工、安全等各方面，都比常规高炉锥段炉壳斜孔开孔质量好，技术更先进、更安全、更高效。
5.2利用该大型高炉锥段炉壳斜孔开孔技术完成的仙福1350m3高炉锥段炉壳斜孔开孔，现场通过了监理、业主的验收，得到了好评。
6、结论
在我公司承建的某项目1350m3高炉锥段炉壳斜孔开孔施工中，采用此项大型高炉锥段炉壳斜孔开孔技术，圆满完成了大型高炉锥段炉壳斜孔开孔要求精度高及开孔难题，这项大型高炉锥段炉壳斜孔开孔技术，安全、高质量、高效、实用，完全能满足各种高炉炉壳的斜孔加工，具有较好的推广价值。这项技术也为公司开拓类似项目市场开拓提供了强大的技术支持。