CN102019516A

CN102019516A - 一种x100管线钢埋弧焊用焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN102019516A
Application number: CN 201010526958
Authority: CN
Inventors: 张敏; 吕金波; 李继红; 王超
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2011-04-20

Abstract

本发明公开了一种X100管线钢埋弧焊用焊丝，按重量百分比由以下组分组成：0.03%~0.06%的C，0.1%~0.3%的Si，1.0%~2.0%的Mn，0.7%~1.0%的Ni，0.3%~0.6%的Mo，0.3%~0.6%的Cr，0.01%~0.04%的Nb，0.1%~0.3%的Ti，0.0015%~0.005%的B，0.1%~0.3%的Cu，0.1%~0.3%的Ce，0.01%~0.05%的Al，S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。本发明的焊丝具有焊缝强度高、冲击性能好等优点。本发明还公开了上述焊丝的制备方法，将Fe、Nb等在真空感应电炉内冶炼，温度达到1540℃后，保持温度并在钢液平静后，冷却排气，再精炼，降温后进行Ti含量的微调，出钢前充保护气体Ar，同时加入Mn-Fe等组分，搅拌后出钢，浇注得到钢锭；再将钢锭进行后续的锻造、轧制和拉拔，最终得到焊丝。本发明焊丝的制备方法冶炼工艺稳定，易于实现，产品性能较好。

Description

一种X100管线钢埋弧焊用焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于焊丝材料技术领域，具体涉及一种石油天然气输送管道用X100管线钢埋弧焊用焊丝，本发明还涉及该种焊丝的制备方法。

背景技术

石油、天然气输送管道通常位于环境比较恶劣的地区，如极寒冷区、地震带或海洋地区等，这就对输送管道的高强度和低温韧性要求较高，也促使了高等级管线钢的研制开发，随着X80管线钢在西气东输二线工程中大量投入使用，X100管线钢的相关研究也取得了很大进展。X100超高强度管线钢将会显著地节省长距离天然气输送管线的总成本，这些节约由材料、建设、压缩站和集成项目运行等多领域的成本下降而获得。

X100管线钢是晶粒尺寸在微米级的超级钢，它通过化学成分设计以及采取控轧、控冷的工艺(TMCP)，得到由粒状贝氏体、针状铁素体和马氏体组成的显微组织。粒状贝氏体的晶粒度为2~3mm。在针状铁素体的晶界，具有细小的M-A组元。这种细晶组织具有高强度的同时，还具有优良的韧性指标。它良好的力学性能指标的实现是通过对金属组织的轧制细化，并在控制轧制之后加速冷却，从而实现了微观轧制的细化，并且阻碍了铁素体的形成。

X100管线钢是以低碳的Mn-Nb-Ti合金系为主，通过添加一定量的Mo元素，采用TMCP工艺和加速冷却工艺轧制出的厚度小于等于20mm的钢板。它通过提高Mn的含量来弥补减少C引起的屈服强度下降，而且Mn能阻碍珠光体的形成，促进贝氏体的形成；Nb元素不仅在轧制过程中使金属组织细化，而且还可以提高强度；另外，添加微合金元素V、Ti等强碳、氮化物(M(CN))形成元素，以阻止控轧过程中奥氏体晶粒长大，并延迟轧制过程中奥氏体的再结晶。另外，进一步适量添加Ni、Mo、Cu强化基体，结合制造工艺过程中采用超低S、夹杂物形态控制的纯净钢冶炼技术和控轧控冷的热轧工艺。通过成分和工艺的最佳配合，获得高强度、高韧性、低包申格效应以及良好的焊接性能。

由此可以看出，以提高焊接接头强度和韧性为目标，以金属固态相变原理为基础，开发原料来源丰富且廉价、易工业化生产的、以多相显微组织为特征的X100管线钢埋弧焊用焊丝，以适应冻土带、地震区以及水土流失区域的管道建设，同时节省管线工程的建设投资，降低运输费用，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种X100管线钢埋弧焊用焊丝，以满足X100管线钢对焊接接头的强韧性和低温韧性的要求。

本发明的另一目的是提供上述X100管线钢埋弧焊用焊丝，该方法工艺稳定且易于实现。

本发明所采用的技术方案是，一种X100管线钢埋弧焊用焊丝，按重量百分比由以下组分组成：0.03%~0.06%的C，0.1%~0.3%的Si，1.0%~2.0%的Mn，0.7%~1.0%的Ni，0.3%~0.6%的Mo，0.3%~0.6%的Cr，0.01%~0.04%的Nb，0.1%~0.3%的Ti，0.0015%~0.005%的B，0.1%~0.3%的Cu，0.1%~0.3%的Ce，0.01%~0.05%的Al，S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。

本发明所采用的另一技术方案是，制备上述X100管线钢埋弧焊用焊丝的方法，该方法按照以下步骤实施：

步骤1：焊丝钢的冶炼

首先按重量百分比称量以下组分：0.03%~0.06%的C，0.1%~0.3%的Si，1.0%~2.0%的Mn，0.7%~1.0%的Ni，0.3%~0.6%的Mo，0.3%~0.6%的Cr，0.01%~0.04%的Nb，0.1%~0.3%的Ti，0.0015%~0.005%的B，0.1%~0.3%的Cu，0.1%~0.3%的Ce，0.01%~0.05%的Al，S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%；

然后在真空感应电炉中进行钢锭的冶炼，将Fe、Nb、Si、Ni、Ti-Fe、Cr、Mo、C组分装在真空感应电炉的坩埚内，其中，Ni、Ti-Fe、Cr、Mo、C组分位于坩埚的中部，真空感应电炉通电进行冶炼，当钢液温度达到1540℃后，保持温度并待钢液平静后，将电炉断电冷却并排气15min，再将真空感应电炉通电进行精炼，精炼20min，降温至1430℃~1470℃后，加入适量Ti-Fe组分进行Ti含量的微调，出钢前5min充保护气体Ar至250~350mmHg，同时加入Mn-Fe、B-Fe、Cu、Ce、Al组分，机械搅拌2min后出钢，出钢温度为1500℃±10℃，浇注后得到钢锭；

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

对步骤1得到的钢锭扒皮，再采用双臂式自由蒸汽锤将其锻造成方坯，冷至室温后，采用砂轮修磨去除表面黑皮以及裂纹等表面缺陷，再用带锯切去冒头，采用横列三辊式轧机将方坯轧制成盘条，最后进行拉拔，即得。

其中，步骤2中的拉拔具体步骤为：盘条—机械剥壳—酸洗去锈—烘干—干法拉丝—卷取—热处理—干法拉丝—卷取—化学镀铜—抛光—卷取—缠绕成丝。

本发明X100管线钢埋弧焊用焊丝的有益效果是：

1、C是焊缝金属中最重要的合金元素，是使钢材获得高强度性能的最经济的化学元素。但由于C对钢的淬硬性的强烈影响，为了防止氢致裂纹和焊缝发生脆性断裂，焊缝中C含量通常保持很低的水平。焊缝金属的硬度、屈服强度、抗拉强度均随C含量的增加而提高，但焊缝的冲击韧性则随C含量的增加而减小，同时，随着C含量的升高，焊接性变差，因此本发明焊丝C含量控制在0.03%~0.06%之间。

2、Mn是保证强度的主要合金元素之一，该元素能有效地降低γ→α的转变温度。由于Mn在焊接过程中极易烧损，因此本发明焊丝中较高的Mn含量可以保证其向焊缝中的过渡。

3、Mn、Si同时存在时，可作为脱氧剂，且随着Si元素含量增加，可使连续冷却时的相变温度逐渐降低、组织细化，但过高的Si含量容易产生粗大的碳化物对焊缝韧性不利，所以本发明焊丝中Si含量控制在0.1%~0.3%之间。

4、由于Ni可提高铁素体基体的韧性和促进针状铁素体形成，所以Ni能改善焊丝的抗冷裂性能，并提高低温冲击韧性。

5、含Mn焊缝中添加Mo，先共析铁素体数量逐渐减少，针状铁素体比例开始增加，随后减少；粗晶区和细晶区普遍晶粒细化，不完全相变区形成铁素体与碳化物束团，焊缝的硬度、屈服点和抗拉强度均得到提高。

6、Cr是扩大γ相区的元素，降低γ→α相变临界温度，使奥氏体转变在较低的温度下进行，便于生成针状铁素体。

7、焊缝金属中加入Ti，使强度略有提高，含钛的氧化性夹杂物促进了在奥氏体晶粒内形核，有利于晶内针状铁素体的生成，而钛的氮化物有很高的高温稳定性，有效地抑制在高热输入下的奥氏体晶界迁移和晶粒相互吞并的长大过程，可保证焊缝金属具有优良的夏比冲击功和COD值。

8、Cu是抵抗大气腐蚀性最有效的元素之一。

9、B可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，使铁素体转变曲线明显右移。随着焊缝中B含量的增加，先共析铁素体量减少，侧板条铁素体消失，AF量增加，从而得到细小的焊缝显微组织。B和Ti之间存在强烈的交互作用，对焊缝组织和性能的共同影响主要是由于Ti通过形成钛的氮化物而保护残余的B不被氧化，因而有一定的自由B向奥氏体晶界偏析，在晶界上析出大量的B的碳化物Fe₂₃(BC)₆，它先于铁素体生成，由此可见焊缝金属中Ti、B元素含量都不能太高。

10、Ce稀土元素加入焊缝之后，会富集在硅酸盐夹杂物中，使夹杂物球化，净化晶界并以弥散状态分布。

为了保证焊接接头有较高的韧性和抗H₂S应力腐蚀性能，控制材料中的杂质S低于0.010％，P低于0.010%。

综上，本发明的X100管线钢埋弧焊用焊丝能够完全满足X100管线钢对焊缝金属强度和冲击性能要求，焊缝具有较好的抗H₂S应力腐蚀性能，焊缝强度及韧性完全能与X100管线钢的基材匹配。

本发明X100管线钢埋弧焊用焊丝的制备方法，其制得的焊丝成分均匀，性能好，且简单容易实施，工艺稳定。

附图说明

图1是本发明X100管线钢埋弧焊用焊丝的熔敷金属金相照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的X100管线钢埋弧焊用焊丝，按重量百分比由以下组分组成：0.03%~0.06%的C，0.1%~0.3%的Si，1.0%~2.0%的Mn，0.7%~1.0%的Ni，0.3%~0.6%的Mo，0.3%~0.6%的Cr，0.01%~0.04%的Nb，0.1%~0.3%的Ti，0.0015%~0.005%的B，0.1%~0.3%的Cu，0.1%~0.3%的Ce，0.01%~0.05%的Al，S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。

本发明的X100管线钢埋弧焊用焊丝的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1：焊丝钢的冶炼

然后在真空感应电炉中进行钢锭的冶炼，将Fe、Nb、Si、Ni、Ti-Fe、Cr、Mo、C组分装在真空感应电炉的镁砂坩埚内，其中，由于Ni、Ti-Fe、Cr、Mo很容易被氧化，且为了使其在冶炼过程中混合充分，将Ni、Ti-Fe、Cr、Mo装在坩埚的中部；C是作为脱氧剂使用，也装在坩埚的中部；Fe、Nb、Si装在坩埚的四周及上部。由于Cu、Ce、Mn-Fe、B-Fe、Al熔点低，在冶炼过程中过早加入钢液的话容易被氧化烧损，所以将这五种组分先放入料盘中，在出钢前加入。

真空感应电炉通电进行冶炼，当钢液温度达到1540℃后，保持温度并待钢液平静后，将真空感应电炉断电冷却并排气15min，真空感应电炉通电进行精炼，精炼20min，降温至1430℃~1470℃后，加入适量Ti-Fe组分进行Ti含量的微调，出钢前5min充保护气体Ar至250~350mmHg，同时加入Mn-Fe、B-Fe、Cu、Ce、Al组分，机械搅拌2min后出钢，出钢温度为1500℃±10℃，浇注后得到钢锭，浇注时要求钢液表面平静，浇注均匀。

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

对步骤1得到的钢锭扒皮，再采用双臂式自由蒸汽锤将其锻造成方坯，冷至室温后，采用砂轮修磨去除表面黑皮以及裂纹等表面缺陷，再用带锯切去冒头，采用横列三辊式轧机将方坯轧制成盘条，最后进行拉拔，得到合适的直径尺寸的焊丝。在实际施工中，经常采用五架横列三辊式轧机将方坯轧制成Φ6.5mm盘条。

以下各实施例中，与该实施例中X100管线钢埋弧焊焊丝配合使用的是，SJ101-G焊剂以及鞍钢生产的X100管线钢，该X100管线钢厚度为14.9mm，化学成分见表1，该钢板采用双面焊接，正面焊完后反面清根埋弧焊接。焊接工艺参数为：焊接电流600A，电弧电压36V，焊接速度：26m/h，热输入2.4KJ/mm。

X100管线钢埋弧焊焊丝熔敷金属应满足44版API 5L要求的强度级别，即其力学性能指标为：Rel≥690MPa，Rm≥760MPa，A≥11.85％，A_kv≥80J(0℃)。在H₂S环境中使用的X100管线钢最大允许硬度(248HV₁₀)。

实施例1

按照以下步骤及参数备制X100管线钢埋弧焊用焊丝：

步骤1：焊丝钢的冶炼

首先按重量百分比称取0.030％的C，0.3%的Si，2.0%的Mn，1.0%的Ni，0.3%的Mo，0.3%的Cr，0.04%的Nb，0.3%的Ti，0.0015%的B，0.1%的Cu，0.1%的Ce，0.01%的Al，其中，S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。焊丝钢的冶炼采用纯铁为原料，纯铁表面经处理去除铁锈。

然后在真空感应电炉中进行钢锭的冶炼，将Fe、Nb、Si、Ni、Ti-Fe、Cr、Mo、C组分装在真空感应电炉的坩埚内，其中，Ni、Ti-Fe、Cr、Mo、C组分位于坩埚的中部，Fe、Nb、Si装在坩埚的四周及上部；将Cu、Ce、Mn-Fe、B-Fe、Al放入料盘中，备用。

真空感应电炉通电进行冶炼，当钢液温度达到1540℃后，保持温度并待钢液平静后，将真空感应电炉断电冷却并排气15min，真空感应电炉通电进行精炼，精炼20min，降温至1430℃~1470℃后，加入适量Ti-Fe组分进行Ti含量的微调，出钢前5min充保护气体Ar至250~350mmHg，同时加入料盘中的Mn-Fe、B-Fe、Cu、Ce、Al组分，机械搅拌2min后出钢，出钢温度为1500℃±10℃，浇注后得到钢锭。浇注时要求钢液表面平静，浇注均匀。

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

对步骤1得到的钢锭扒皮，再采用双臂式自由蒸汽锤（750kg）将钢锭锻造成方坯，冷至室温后，采用砂轮修磨去除表面黑皮以及裂纹等表面缺陷，再用带锯切去冒头，采用五架横列三辊式轧机将方坯轧制成Φ6.5mm盘条，最后进行拉拔，得到合适的直径尺寸的焊丝。

拉拔的具体步骤为：盘条—机械剥壳—酸洗去锈—烘干—干法拉丝—卷取—热处理—干法拉丝—卷取—化学镀铜—抛光—卷取—缠绕成丝。

本实施例的X100管线钢埋弧焊用焊丝的力学性能数据见表2、表3。

实施例2

按照以下步骤及参数制备X100管线钢埋弧焊用焊丝：

步骤1：焊丝钢的冶炼

首先按重量百分比称取0.06％的C，0.1%的Si，1.0%的Mn，0.7%的Ni，0.6%的Mo，0.6%的Cr，0.04%的Nb，0.3%的Ti，0.005%的B，0.3%的Cu，0.3%的Ce，0.05%的Al，其中，S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。焊丝钢的冶炼采用纯铁为原料，纯铁表面经处理去除铁锈。

然后在真空感应电炉中进行钢锭的冶炼，具体工艺和参数同实施例1。

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

步骤2的具体工艺和参数同实施例1。

实施例2的X100管线钢埋弧焊用焊丝的力学性能数据见表4、表5。

实施例3

按照以下步骤及参数制备X100管线钢埋弧焊用焊丝：

步骤1：焊丝钢的冶炼

首先，按重量百分比称取0.04％的C，0.25%的Si，1.4%的Mn，0.98%的Ni，0.32%的Mo，0.56%的Cr，0.01%的Nb，0.21%的Ti，0.0035%的B，0.3%的Cu，0.15%的Ce，0.037%的Al，S、P的含量为S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。焊丝钢的冶炼采用纯铁为原料，纯铁表面经处理去除铁锈。

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

步骤2的具体工艺和参数同实施例1。

实施例3的X100管线钢埋弧焊用焊丝的力学性能数据见表6、表7。

实施例4

按照以下步骤及参数制备X100管线钢埋弧焊用焊丝：

步骤1：焊丝钢的冶炼

首先，按重量百分比称取0.045％的C，0.1%的Si，1.1%的Mn，0.97%的Ni，0.34%的Mo，0.36%的Cr，0.034%的Nb，0.15%的Ti，0.005%的B，0.18%的Cu，0.3%的Ce，0.03%的Al，S、P的含量为S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。焊丝钢的冶炼采用纯铁为原料，纯铁表面经处理去除铁锈。

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

步骤2的具体工艺和参数同实施例1。

实施例4的X100管线钢埋弧焊用焊丝的力学性能数据见表8、表9。

实施例5

按照以下步骤及参数制备X100管线钢埋弧焊用焊丝：

步骤1：焊丝钢的冶炼

首先，按重量百分比称取0.050％的C，0.15%的Si，1.6%的Mn，0.8%的Ni，0.58%的Mo，0.34%的Cr，0.036%的Nb，0.20%的Ti，0.003%的B，0.1%的Cu，0.25%的Ce，0.024%的Al，S、P的含量为S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。焊丝钢的冶炼采用纯铁为原料，纯铁表面经处理去除铁锈。

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

步骤2的具体工艺和参数同实施例1。

实施例5的X100管线钢埋弧焊用焊丝的力学性能数据见表10、表11。

实施例6

按照以下步骤及参数制备X100管线钢埋弧焊用焊丝：

步骤1：焊丝钢的冶炼

首先，按重量百分比称取0.056％的C，0.23%的Si，1.27%的Mn，0.9%的Ni，0.6%的Mo，0.48%的Cr，0.022%的Nb，0.1%的Ti，0.004%的B，0.21%的Cu，0.17%的Ce，0.015%的Al，S、P的含量为S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。焊丝钢的冶炼采用纯铁为原料，纯铁表面经处理去除铁锈。

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

步骤2的具体工艺和参数同实施例1。

实施例6的X100管线钢埋弧焊用焊丝的力学性能数据见表12、表13。

实施例7

按照以下步骤及参数制备X100管线钢埋弧焊用焊丝：

步骤1：焊丝钢的冶炼

首先，按重量百分比称取0.034％的C，0.17%的Si，1.73%的Mn，0.98%的Ni，0.3%的Mo，0.42%的Cr，0.028%的Nb，0.26%的Ti，0.0025%的B，0.2%的Cu，0.23%的Ce，0.045%的Al，S、P的含量为S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。焊丝钢的冶炼采用纯铁为原料，纯铁表面经处理去除铁锈。

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

步骤2的具体工艺和参数同实施例1。

实施例7的X100管线钢埋弧焊用焊丝的力学性能数据见表14、表15。

实施例8

按照以下步骤及参数制备X100管线钢埋弧焊用焊丝：

步骤1：焊丝钢的冶炼

首先，按重量百分比称取0.046％的C，0.1%的Si，1.78%的Mn，0.79%的Ni，0.34%的Mo，0.36%的Cr，0.034%的Nb，0.15%的Ti，0.0047%的B，0.18%的Cu，0.3%的Ce，0.029%的Al，S、P的含量为S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。焊丝钢的冶炼采用纯铁为原料，纯铁表面经处理去除铁锈。

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

步骤2的具体工艺和参数同实施例1。

实施例8的X100管线钢埋弧焊用焊丝的力学性能数据见表16、表17。

本发明的焊丝具有以下特点：

第一、如图1所示，本发明焊丝焊缝熔敷金属组织主要由针状铁素体，沿奥氏体晶界结晶的板条状贝氏体，以及少量的粒状贝氏体组成，其中的针状铁素体呈篮筐编结形态，晶态大小不等，相互之间的位向关系不定，为混杂分布形式，板条贝氏体的排列较为规则，但被不规则分布的针状铁素体和粒状贝氏体挤压分割，其板条束均较为细小，这也是焊缝具有较高强度的同时也具有较好韧性的原因；

第二、本发明的焊丝能够完全满足X100管线钢对焊缝金属的强韧性要求，该发明焊丝熔敷金属强度、冲击性能均高于44版API 5L标准。焊缝具有较好抗H₂S应力腐蚀等性能，本发明的焊丝还可用于Rel≥690MPa，Rm≥760MPa，A≥11.85%及以上强度级别管线钢和其它结构钢焊接。

第三、本发明焊丝的制备方法冶炼工艺稳定，易于实现，钢坯的轧制及焊丝的拉拔、镀铜等性能较好。

Claims

1.一种X100管线钢埋弧焊用焊丝，其特征在于，按重量百分比由以下组分组成：0.03%~0.06%的C，0.1%~0.3%的Si，1.0%~2.0%的Mn，0.7%~1.0%的Ni，0.3%~0.6%的Mo，0.3%~0.6%的Cr，0.01%~0.04%的Nb，0.1%~0.3%的Ti，0.0015%~0.005%的B，0.1%~0.3%的Cu，0.1%~0.3%的Ce，0.01%~0.05%的Al，S<0.01%，P<0.01%，余量为Fe，各组分的重量之和为100%。

2.一种制备权利要求1所述X100管线钢埋弧焊用焊丝的方法，其特征在于，该方法按照以下步骤实施：

步骤1：焊丝钢的冶炼

步骤2：焊丝的锻造、轧制和拉拔

3.按照权利要求2所述的X100管线钢埋弧焊用焊丝的制备方法，其特征在于，步骤2中的拉拔具体步骤为：盘条—机械剥壳—酸洗去锈—烘干—干法拉丝—卷取—热处理—干法拉丝—卷取—化学镀铜—抛光—卷取—缠绕成丝。