CN103071946A - 超临界铁素体耐热钢配套焊条及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界铁素体耐热钢配套焊条，由焊芯和药皮组成，所述药皮组分及其质量含量为：大理石28～40%；萤石18～28%；电解锰1.5～4%；硅铁2～5%；硅微粉4～10%；金属铬20～26%；镍粉1～1.8%；钼铁4～5%；铌铁0.4～0.8%；无定形石墨0.2～0.6%；钛铁3～8%；纯碱0.4～0.8%；CMC0.4～0.8%；钒铁1～1.8%；氮化铬铁0.6～1.5%。本发明焊条配套用于焊接超临界汽轮机ZG1Cr10MoVNbN及T91／P91管道用耐热钢，焊接时能满足焊接后焊缝具有与本体相近的较高强度、较高韧性、较好的10万小时持久强度等优良性能。

Description

超临界铁素体耐热钢配套焊条及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种焊条，特别涉及一种超临界铁素体耐热钢配套焊条及其生产方法。

背景技术

为了提高热效率，减少CO2排放量，适应环境保护和节约能源的要求，世界各国都在大力发展超临界锅炉、循环流化床等各种节能、环保产品，我国也不例外。在发达国家，电站机组基本上向大容量和高参数方向发展，以降低能耗、提高热效率为目的，大容量高效率的超临界机组相继生产并投入运行；经过不断地完善发展，超临界机组的可用性、灵活性和运行可靠性都已经达到了相当高的水平。

超临界技术也是我国火电实现低碳电力的必然途径。从2003年起，我国发电设备制造企业与国外制造商合作，引进大型超临界火电机组技术。上海、哈尔滨和东方三大动力集团分别从西门子、三菱以及日立公司等引进了超临界技术。截至2010年底，在运行的1000MW超超临界机组已达33台，中国已经成为世界上拥有超临界机组最多的国家，也是超临界焊材消耗大国。

现有市场上超临界汽轮机ZG1Cr10MoVNbN及T91／P91管道用耐热钢配套焊条，从国外引进一方面成本高、周期长，另一方面焊条施焊时不同程度存在电弧稳定性差，电弧吹力小，焊接飞溅大，焊道窄，焊缝成形较差，脱渣性能不好等弊病。且很难使焊接工艺性能和机械性能同时达到最佳。本发明焊条解决了以上难点，不仅具有良好的工艺性能，且具有良好的10万小时持久强度及高温蠕变性能

发明内容

针对上述不足之处，本发明的目的之一就在于提供一种超临界铁素体耐热钢配套焊条，该超临界铁素体耐热钢配套焊条配套用于焊接超临界汽轮机ZG1Cr10MoVNbN及T91／P91管道用耐热钢，焊接时能满足焊接后焊缝具有与本体相近的较高强度、较高韧性、较好的10万小时持久强度等优良性能。

技术方案是：一种超临界铁素体耐热钢配套焊条，由硫磷砷锡等含量低的碳钢丝焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，所述药皮组分及其质量含量为：

大理石28～40%；

萤石18～28%；

电解锰1.5～4%；

硅铁2～5%；

硅微粉4～10%；

金属铬20～26%；

镍粉1～1.8%；

钼铁4～5%；

铌铁0.4～0.8%；

无定形石墨0.2～0.6%；

钛铁3～8%；

纯碱0.4～0.8%；

CMC0.4～0.8%；

钒铁1～1.8%；

氮化铬铁0.6～1.5%。

作为优选，所述碳钢丝焊芯化学成分质量百分比为：

C:0.08；

Mn:0.43；

Si:0.04；

S:0.004；

P:0.005；

Cr:0.03；

Ni:0.04；

Al:0.005；

Cu:0.09；

As:0.005；

余量为Fe。

作为优选，所述药皮成分重量组成为：

大理石30%、萤石25%、电解锰2.2%、硅铁2.2%、硅微粉5%、金属铬24%、镍粉1.4%、钼铁4.4%、铌铁0.5%、无定形石墨0.4%、钛铁5%、纯碱0.8%、CMC 0.6%、钒铁1.3%、氮化铬铁1.2%。

作为优选，所述药皮成分重量组成为：

大理石33%、萤石22%、电解锰2.1%、硅铁2.2%、硅微粉6%、金属铬23.8%、镍粉1.5%、钼铁4.4%、铌铁0.5%、无定形石墨0.4%、钛铁5%、纯碱0.8%、CMC0.6%、钒铁1.2%、氮化铬铁1.1%。

作为优选，所述药皮成分重量组成为：

大理石32%、萤石25%、电解锰2.0%、硅铁2.2%、硅微粉5.5%、金属铬22.8%、镍粉1.5%、钼铁4.3%、铌铁0.45%、无定形石墨0.4%、钛铁5%、纯碱0.8%、CMC0.6%、钒铁1.2%、氮化铬铁1.0%。

本发明的目的之二在于提供一种上述超临界铁素体耐热钢配套焊条的生产方法。

技术方案是：一种制造上述超临界铁素体耐热钢配套焊条的生产方法，所采用的步骤为：将所述药皮各成份混合均匀后，再加入药皮重量18-25%的粘结剂搅拌均匀，经焊条液压机生产，再经80-100℃低温烘培和350-380℃高温烘培。

作为优选，所述粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃。

本发明发明原理：

 粘结剂为钠水玻璃或钾水玻璃、或钾钠水玻璃。

CaCO₃是大理石的主要组成成分，焊条中使用的大理石在电弧热的作用下，分解成CaO和CO₂气体，起到造渣和造气的作用，CaO是碱性氧化物，能提高熔渣碱度，稳定电弧，增大熔渣与金属表面的界面张力和表面张力，改善脱渣性能，并有较好的脱S能力，CO₂能降低电弧气氛中的氢分压，减少焊缝氢含量。但是CaCO₃太多会粗化熔滴，所以本发明中将大理石控制在28～40%。

CaF₂是一种多成因的矿物质，是萤石的主要成分，属于碱性氟化物，在焊条中是一种造渣剂、稀释剂并能起到去氢作用，CaF₂在焊接电弧作用下电离出F-，能降低电弧气氛中氢的分压，具有与碳酸盐相同的效果。CaF₂的分解能降低熔敷金属中氧的含量，有利于提高焊缝金属的低温冲击韧度，CaF₂熔点较低，能有效降低熔渣高温粘度，改善熔渣流动性，并提高导电性，改善焊缝成形，对改善焊接工艺，提高熔敷金属机械性能有很大的作用，合理的CaF₂含量能起到稳定电弧的作用，如果CaF₂过高则电弧稳定性变差，熔渣变硬。在本次发明中，试验证明CaF2在18-28%时有较好效果。

Cr一方面使钢中含Cr量较高，易形成Cr₂O₃氧化膜，使得材料具有优良的抗常温、高温氧化性能，提高耐腐蚀性能；另一方面可以形成M₂₃C₆型碳化物，在基体内起到较好的碳化物强化效果，起固溶强化作用，增加Cr含量可使蠕变断裂时间加长，但δ铁素体易于残留，适当控制Cr的含量，使Creq≤10（Creq=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+9Ti+12Al-40C-30N-4Ni-2Mn-1Cu），则不会出现δ－Fe，有利于得到单一的马氏体组织。为了与T/P91母材相匹配及得到良好的机械性能，本发明中将Cr控制在20～26%。

Ni的加入有利于提高焊缝的冲击韧性，主要是Ni能降低材料的Ac1温度，提高组织对回火的反应程度，同时降低δ铁素体形成的敏感性。据资料介绍：在Fe－Cr－Nb－Ni系中有一个γ－α转变，因含Ni合金的基体是由γ－α转变而成的块状铁素体，在温度升高直到600℃时，合金的强度强烈依赖于铁素体基体的亚晶结构，在Nb含量相同的情况下，含Ni合金比不含Ni呈现出较高的强度。然而镍元素和锰元素含量超过了母材规定的上限会显著地提高它的韧性，由于它们对Ac1温度的影响，又必须考虑限制其含量。本发明中将Ni控制在1～1.8%。

N的作用体现在两方面：一方面起固溶强化作用，但常温下氮在钢中的溶解度很小；另一方面，热处理过程中，将先后出现V(C,N)析出起到弥散强化，大大提高了持久强度值，但会降低其塑性和韧性。本发明中将氮化铬铁控制在0.6～1.5%。

Mo主要为固溶强化，也参与形成析出强化，能显著提高钢的蠕变极限和持久强度极限，Mo还能使再结晶温度显著升高，并使得在变形后的回复温度显著提高；并且在450℃-650℃的温度范围，能有效地抑制渗碳体的聚集，并促进弥散的特殊碳化物析出，但加入Mo过多，会加大钢的脆断。本发明中将Mo-Fe控制在4～5%。

Nb是强碳化物形成元素，能形成稳定的碳化物NbC,这种碳化物极为稳定，它能够提高钢的蠕变极限和持久强度，特别是V和Nb复合加入时效果更明显，另外Nb能提高钢的耐热性是由于形成稳定的碳化物NbC和Laves(NbFe₂)，弥散强化较好。但是随着Nb含量的增加会导致延伸率的降低，这是由于NbFe₂的体积比增加而造成，过高的Nb含量显著降低焊缝金属的韧性。兼顾蠕变断裂强度和冲击韧性，本发明中将Nb-Fe控制在0.4～0.8%。

V在耐热钢中形成的碳化物即使在较高的工作温度下，也比较难于聚集，这就提高了钢的耐热性，V的加入可以明显降低蠕变速度。复合加入V、Nb易形成纤细弥散稳定的MX碳化物而产生沉淀强化（以0.25％V－0.05％Nb组合最有效），对蠕变断裂强度影响很大，且对焊接性能（热裂纹）和韧性有不利影响，因此它们的含量必须控制在规范允许的较低范围内。本发明中将V-Fe控制在1～1.8%。

Mn、Si作为脱氧剂加入，为避免在最高的焊后热处理温度下重新形成奥氏体，焊缝金属中Mn＋Si应控制在上限为1.5％的范围。Si与Cr同时存在时，可以提高合金的高温抗氧化性能，但是Si过高不利于焊缝金属的韧性。本发明中将Si-Fe控制在2～5% ，将电解锰控制在1.5～4%。

C是一种可以有效控制δ铁素体形成元素，在钢中加入C会使钢的强度提高，塑性降低。为保证焊接加工性，碳含量保持在一个较低的水平。本发明中将无定形石墨控制在0.2～0.6%。

此外，为了满足焊缝的脱渣性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，我们选择了Si、Mn联合脱氧，而且锰的加入可以提高强度和韧性，也是一种很好的脱硫剂，Ca的加入对脱磷也有很好的作用，焊条中各成份合理匹配，对焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用。

本发明有益效果为：

采用本发明保护的焊条焊接焊接T/P91耐热钢时，通过使用合理的焊接工艺和热处理工艺，能够使焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，具有合理的拉伸强度、冲击值、10万小时持久强度等机械性能指标。焊接时电弧稳定、飞溅少、脱渣性好、全位置操作性好、焊缝成形美观，焊缝浸润性适中。焊接后焊缝气孔、夹渣、裂纹、扩散氢以及外观边缘等均完全满足超临界耐热钢对焊缝性能的要求。

本发明所提供的焊条还可以适用于对10万小时持久强度及高温蠕变性能有要求的超临界耐热钢的焊接。

本发明对化学成分的严格控制和平衡使焊缝熔敷金属淬火后获得全马氏体组织（几乎不含δ铁素体），经淬-回火处理，显微组织为Mo固溶强化的回火索氏体，基体含有回火析出的M23C6类金属碳化物（Fe，Cr或Mo的碳化物）以及MX形式存在的V和Nb的碳/氮化物，M2X和Laves相，焊条中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用，得到优良的高温蠕变性能和10万小时持久强度的焊缝金属。用于生产的耐热钢其焊缝性能为：焊接接头抗拉强度650～730Mpa，屈服强度550～630Mpa，延伸率19～25%， 20℃冲击功Akv≥47J，且焊接后焊缝气孔、夹渣、裂纹、扩散氢以及外观边缘等均完全满足超临界耐热钢对焊缝性能的要求。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

取药皮，药皮各组分及其质量份数如下：大理石：30%、萤石：25%、电解锰：2.2%、硅铁：2.2%、硅微粉：5%、金属铬：24%、镍粉：1.4%、钼铁：4.4%、铌铁：0.5%、无定形石墨：0.4%、钛铁：5%、纯碱：0.8%、CMC：0.6%、钒铁：1.3%、氮化铬铁：1.2%。

取焊芯，焊芯选用硫磷砷锡等含量低的碳钢丝，焊芯化学成分质量百分比为：C:0.08，Mn:0.43，Si:0.04，S:0.004，P:0.005，Cr:0.03，Ni:0.04,Al:0.005,Cu:0.09,As:0.005,其余为Fe。

将药皮各组分混合均匀，加入占固体组分质量含量18～25%的42～44°Be＂d 钾钠水玻璃，制备出药皮用膏体，与焊芯一起，用常规工艺在焊条生产设备上进行焊条制备。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中，熔敷金属力学性能为：Rm=750 MPa ,Rp0.2=640 MPa,A4=21%,（20℃）KV2=80～106J，强度、塑性适中。

实施例2

取药皮，药皮各组分及其质量份数如下：大理石：33%、萤石：22%、电解锰：2.1%、硅铁：2.2%、硅微粉：6%、金属铬：23.8%、镍粉：1.5%、钼铁：4.4%、铌铁：0.5%、无定形石墨：0.4%、钛铁：5%、纯碱：0.8%、CMC：0.6%、钒铁：1.2%、氮化铬铁：1.1%。

取焊芯，焊芯选用硫磷砷锡等含量低的碳钢丝，焊芯化学成分质量百分比为：C:0.08，Mn:0.43，Si:0.04，S:0.004，P:0.005，Cr:0.03，Ni:0.04,Al:0.005,Cu:0.09,As:0.005,其余为Fe。

将药皮各组分混合均匀后，加入占固体组分质量含量18～25%的42～44°Be＂d 钾钠水玻璃，制备出药皮用膏体，与上述选择的焊芯一起，用常规工艺在焊条生产设备上进行焊条制备。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中，熔敷金属力学性能为：Rm=735 MPa ,Rp0.2=628 MPa,A4=20%,（20℃）KV2=78～95J，强度、塑性适中。

实施例3

取药皮，药皮各组分及其质量份数如下：大理石：32%、萤石：25%、电解锰：2.0%、硅铁：2.2%、硅微粉：5.5%、金属铬：22.8%、镍粉：1.5%、钼铁：4.3%、铌铁：0.45%、无定形石墨：0.4%、钛铁：5%、纯碱：0.8%、CMC：0.6%、钒铁：1.2%、氮化铬铁：1.0%。

取焊芯，焊芯选用硫磷砷锡等含量低的碳钢丝，焊芯化学成分质量百分比为：C:0.08，Mn:0.43，Si:0.04，S:0.004，P:0.005，Cr:0.03，Ni:0.04,Al:0.005,Cu:0.09,As:0.005,其余为Fe。

将药皮各组分混合均匀后，加入占固体组分质量含量18～25%的42～44°Be＂d 钾钠水玻璃，制备出药皮用膏体，与上述选择的焊芯一起，用常规工艺在焊条生产设备上进行焊条制备。

按照上述工艺生产的焊条，表面光滑、成品率高、偏心稳定，焊接时电弧稳定、脱渣性良好，焊条操作性能优异，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊缝浸润性适中，熔敷金属力学性能为：Rm=728 MPa ,Rp0.2=616 MPa,A4=23%,（20℃）KV2=92～115J，强度、塑性适中。

实施例1-3实验其性能均满足超临界耐热钢T/P91对焊缝的技术要求。

Claims (10)

1.一种超临界铁素体耐热钢配套焊条，由硫磷砷锡等含量低的碳钢丝焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，其特征在于所述药皮组分及其质量含量为：

大理石28～40%；

萤石18～28%；

电解锰1.5～4%；

硅铁2～5%；

硅微粉4～10%；

金属铬20～26%；

镍粉1～1.8%；

钼铁4～5%；

铌铁0.4～0.8%；

无定形石墨0.2～0.6%；

钛铁3～8%；

纯碱0.4～0.8%；

CMC0.4～0.8%；

钒铁1～1.8%；

氮化铬铁0.6～1.5%。

2.根据权利要求1所述的超临界铁素体耐热钢配套焊条，其特征在于所述碳钢丝焊芯化学成分质量百分比为：

C:≤0.10%；

Mn:0.30～0.55%；

Si:≤0.08%；

S:≤0.005%；

P:≤0.006%；

Cr:≤0.10%；

Ni:≤0.30%；

Al:≤0.030%；

Cu:≤0.20%；

As:≤0.007%；

余量为Fe。

3.根据权利要求1或2所述的超临界铁素体耐热钢配套焊条，其特征在于所述药皮成分重量组成为：

大理石30%、萤石25%、电解锰2.2%、硅铁2.2%、硅微粉5%、金属铬24%、镍粉1.4%、钼铁4.4%、铌铁0.5%、无定形石墨0.4%、钛铁5%、纯碱0.8%、CMC 0.6%、钒铁1.3%、氮化铬铁1.2%。

4.根据权利要求1或2所述的超临界铁素体耐热钢配套焊条，其特征在于所述药皮成分重量组成为：

大理石33%、萤石22%、电解锰2.1%、硅铁2.2%、硅微粉6%、金属铬23.8%、镍粉1.5%、钼铁4.4%、铌铁0.5%、无定形石墨0.4%、钛铁5%、纯碱0.8%、CMC0.6%、钒铁1.2%、氮化铬铁1.1%。

5.根据权利要求1或2所述的超临界铁素体耐热钢配套焊条，其特征在于所述药皮成分重量组成为：

大理石32%、萤石25%、电解锰2.0%、硅铁2.2%、硅微粉5.5%、金属铬22.8%、镍粉1.5%、钼铁4.3%、铌铁0.45%、无定形石墨0.4%、钛铁5%、纯碱0.8%、CMC0.6%、钒铁1.2%、氮化铬铁1.0%。

6.一种制造上述权利要求1或2所述的超临界铁素体耐热钢配套焊条的生产方法，其特征在于所采用的步骤为：将所述药皮各成份混合均匀后，再加入药皮重量18-25%的粘结剂搅拌均匀，经焊条液压机生产，再经80-100℃低温烘培和350-380℃高温烘培。

7.一种制造上述权利要求3所述的超临界铁素体耐热钢配套焊条的生产方法，其特征在于所采用的步骤为：将所述药皮各成份混合均匀后，再加入药皮重量18-25%的粘结剂搅拌均匀，经焊条液压机生产，再经80-100℃低温烘培和350-380℃高温烘培。

8.一种制造上述权利要求4所述的超临界铁素体耐热钢配套焊条的生产方法，其特征在于所采用的步骤为：将所述药皮各成份混合均匀后，再加入药皮重量18-25%的粘结剂搅拌均匀，经焊条液压机生产，再经80-100℃低温烘培和350-380℃高温烘培。

9.一种制造上述权利要求5所述的超临界铁素体耐热钢配套焊条的生产方法，其特征在于所采用的步骤为：将所述药皮各成份混合均匀后，再加入药皮重量18-25%的粘结剂搅拌均匀，经焊条液压机生产，再经80-100℃低温烘培和350-380℃高温烘培。

10.根据权利要求6-9所述的超临界铁素体耐热钢配套焊条的生产方法，其特征在于所述粘结剂为钠水玻璃、钾水玻璃或钾钠水玻璃。