CN103962745B - 酸性渣系不锈钢焊条及其药皮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种酸性渣系不锈钢焊条，由焊芯和涂覆焊芯上的药皮制成，所述药皮由固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的20～25%；所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：CaCO3：3‑7份、CaF2：9‑14份、KAlSi3O8：20‑35份、Mn粉：4‑8份、Mo粉：1‑5份、Cr粉：30‑40份、Ni粉：4‑8份、TiO2：20‑30份和A粉：0.5‑1份；所述A粉由Bi2O3和CeO2制备而成，其中Bi2O3和CeO2的质量比为2:1；所述液体组份为水玻璃。采用酸度较高的钛酸型药皮，这是因为该类型药皮的焊接工艺性能好，熔池清晰，并且脱渣好。

Description

酸性渣系不锈钢焊条及其药皮
技术领域
本发明涉及一种酸性渣系不锈钢焊条的焊芯、药皮及其焊条和制备方法，应用于超低碳不锈钢材料(如尿素合成塔衬里)及异种钢焊接的焊接领域。
背景技术
农业是人类生存所依托的基础，在农作物的生长过程中，氮是所必备的第一大要素，因而氮肥也是化肥工业中产量最大的肥料品种。氮肥品种主要有尿素、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵等，其中尿素为最主要的氮肥。尿素是一种中性速效肥料，含氮量在46份(质量)以上，综合肥效高，易贮藏，运输，正因为尿素作为肥率具有诸多优点，目前全世界尿素产量占氮肥总产量的1/3以上，为首位，且具有继续上升的趋势。我国尿素工业的发展史始于1958年，目前，国内已能自行生产和建造各种规模的尿素生产装置。
在尿素生产的过程中，尿素合成塔是最为关键的部分。在上世纪早期，曾使用过铝、银、铝青铜作尿素合成塔的内筒，代价昂贵，而使用寿命都不很长。直到上世纪五十年代，荷兰斯太米卡邦研究出在尿素合成反应器中加入氧气的办法，使不锈钢得到连续钝化，才使尿素合成塔内筒采用比较廉价的CrNiMo不锈钢。目前，尿素合成塔主要还是以使用316L型不锈钢为主。在此钢材的焊接过程中，常常会存在工艺性能不佳，脱渣不好等问题，故针对这些问题，我们开发了新的产品。
本发明研究的一种具有优异脱渣性能的酸性渣系不锈钢焊条即为尿素合成塔建造维护过程中焊接所使用的配套焊材。此焊条不仅要有良好的焊接工艺性能，更要具有优异的脱渣性能(本发明中的粉料配比更合理，另有一种A粉能够格外地改善本产品的性能)，焊条熔敷金属的化学成分、力学性能等要符合GB/T983-2012设计标准中的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于为了解决上述技术问题而提供一种酸性渣系不锈钢焊条的焊芯；
一种酸性渣系不锈钢焊条的焊芯，所述焊芯采用不锈钢焊丝，焊芯所含元素的质量百分数如下：C：≤0.015％、Si：≤0.25％、Mn：0.5～1.5％、S：≤0.015％、P：≤0.020％、Cr：18％～20％、Ni：10.0～12.0％、Mo：2.0～2.5％、Fe：62.0～70.0％，且其它微量元素总量≤0.5％，所述微量元素为Zr、N、H、O、Cu、Pb。
本发明所要解决的技术问题之二在于为了解决上述技术问题而提供一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮；
一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮，由固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的20～25％；
所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：CaCO3：3-7份、CaF2：9-14份、KAlSi3O8：20-35份、Mn粉：4-8份、Mo粉：1-5份、Cr粉：30-40份、Ni粉：4-8份、TiO2：20-30份和A粉：0.5-1份；所述A粉由Bi2O3和CeO2制备而成，其中Bi2O3和CeO2的质量比为2:1；
所述液体组份为水玻璃。
在本发明的一个优选实施例中，所述水玻璃为20℃下密度为45-47°Be’，模数为2.85-2.95M的水玻璃。
在本发明的一个优选实施例中，所述水玻璃由纯钠水玻璃和纯钾水玻璃按照质量比1:3配制而成。
本发明所要解决的技术问题之三在于提供上述药皮的制备方法；
一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮的制备方法，包括以下步骤：将固体组份各原料过筛后，然后按比例混合均匀后制成固体组份，按照固体组份质量的20～25％加入水玻璃，再搅拌均匀后，即制得药皮。
本发明所要解决的技术问题之四在于为了解决上述技术问题而提供一种酸性渣系不锈钢焊条；
一种酸性渣系不锈钢焊条，由焊芯和涂覆焊芯上的药皮制成，
所述焊芯所含元素的质量百分数如下：C：≤0.015％、Si：≤0.25％、Mn：0.5～1.5％、S：≤0.015％、P：≤0.020％、Cr：18％～20％、Ni：10.0～12.0％、Mo： 2.0～2.5％、Fe：62.0～70.0％、且其它微量元素总量≤0.5％；
所述药皮由固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的20～25％；
所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：CaCO3：3-7份、CaF2：9-14份、KAlSi3O8：20-35份、Mn粉：4-8份、Mo粉：1-5份、Cr粉：30-40份、Ni粉：4-8份、TiO2：20-30份和A粉：0.5-1份；所述A粉由Bi2O3和CeO2制备而成，其中Bi2O3和CeO2的质量比为2:1；
所述液体组份为水玻璃。
本发明所要解决的技术问题之五在于提供上述焊条的制备方法；
一种酸性渣系不锈钢焊条的制备方法，包括以下步骤，将固体组份各原料首先过筛后，然后按比例混合均匀后制成固体组份，按照固体组份质量的20～25％加入水玻璃，再搅拌均匀后，通过常规焊条生产设备将其压涂在焊芯上制备出焊条。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
采用酸度较高的钛酸型药皮，这是因为该类型药皮的焊接工艺性能好，熔池清晰，并且脱渣好；
焊条应用于超低碳不锈钢材料，尤其对于尿素合成塔内衬的焊接，能很好地满足尿素合成塔关于内衬熔敷金属的力学性能等要求，该焊条使得在焊接过程中有良好的焊接工艺性能以及极其优异的脱渣性能，且焊缝有良好的强度等性能。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，进一步阐述本发明。
一种酸性渣系不锈钢焊条的焊芯，所述焊芯采用不锈钢焊丝，焊芯所含元素的质量百分数如下：C：≤0.015％、Si：≤0.25％、Mn：0.5～1.5％、S：≤0.015％、P：≤0.020％、Cr：18％～20％、Ni：10.0～12.0％、Mo：2.0～2.5％、Fe：62.0～70.0％、且其它微量元素(Zr、N、H、O、Cu、Pb)总量≤0.5％。
该焊芯的设计依据如下：
1)C：由于316L不锈钢属于超低碳材料，焊缝中碳含量的要求是≤0.030％。因为药皮中的大理石、金属粉中或多或少的含量有一定量的碳，虽然碳与氧的亲和力很大，在焊接冶金过程中极易反应生成CO或CO2气体，但经多方实验证实熔敷金属的含碳量会较焊芯的含碳量会高出一些。故焊芯中的碳含量宜≤0.015％。
2)S和P：硫在不锈钢熔敷金属中易增加其冷脆性。而制作焊条所用到的矿物粉和合金粉也会含有微量的硫，并且酸性渣系焊条的药皮基本不能脱硫，故在焊芯中的硫含量需要严格的控制，宜≤0.015％。与硫一样，磷在不锈钢熔敷金属中易增加其热脆性。同时，制作焊条所用到的矿物粉和合金粉也会含有微量的磷，并且酸性渣系焊条的药皮脱磷作用比脱硫差，故磷在焊芯中含量宜≤0.020％。
3)Cr：铬是本发明的不锈钢焊条熔敷金属的最主要的元素之一。其铬含量在22.0～25.0％左右，不过由于铬元素在焊条药皮中的过渡系数较高，故考虑选用铬含量较低的焊芯，从药皮中进行过度，更有利于解决焊条发红的现象。故焊芯中的铬含量宜控制在18.0～20.0％之间。
4)Ni：镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构，形成了奥氏体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性。综合考虑过渡及价格因素，故焊芯中的镍含量宜控制在10.0～12.0％
5)Mo：钼是碳化物形成元素，所形成的碳化物极为稳定，能阻止加热时的晶粒长大，减小钢的过热敏感性，另外钼元素能使钝化膜更致密牢固，从而有效提高不锈钢的耐蚀性，考虑到钼粉的价格偏高，故焊芯中的钼含量应控制在2.0～2.5％。
6)Mn：锰能有效地稳定不锈钢合金焊缝组织，也是焊条药皮中主要的脱氧剂，对焊条的焊接工艺性能有益。而且焊芯中含锰量高会增大焊芯的强度，降低其韧性，不利于焊芯熔炼后的拉拔和剪切，也会增加焊芯的电阻率，增大在焊接时焊条药皮发红几率。故焊芯中的锰含量不易过高，应控制在0.5～1.5％。
7)Si：硅虽可改善焊条的焊接性能，但是在酸性渣系的焊条中，渗硅现象比较严重，而药皮中也加入了很多含Si的材料，故为了不使Si含量超过标准，焊芯中硅含量宜≤0.25％。
其他微量元素对本发明的A042焊条焊缝的成分和性能影响较小，按照焊芯应减少合金元素含量的设计原则，故应最大限度地降低其他微量元素在焊芯中的含量，从而减少这些元素对焊芯的导电性和可加工特性的影响。
一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮，由固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的20～25％；
所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：CaCO3：3-7份、CaF2：9-14份、KAlSi3O8：20-35份、Mn粉：4-8份、Mo粉：1-5份、Cr粉：30-40份、Ni粉：4-8份、TiO2：20-30份和A粉：0.5-1份。
本焊条药皮中各组分的主要作用简述如下：
CaCO3：主要作用是造渣和造气，能够调节熔渣的碱度、熔点、黏度、表面张力和界面张力。当药皮中CaCO3含量过高时，容易导致熔渣碱度太高，出现黏渣现象，但在酸性渣系中加入碱性氧化物可使熔渣流动性变好。故将药皮中CaCO3含量宜控制在3～7份。
CaF2：主要作用是造渣和除氢，也可以降低液态金属的表面张力，提高其流动性，降低熔渣的熔点，使得焊缝成型美观。当药皮中CaF2含量过低时，熔渣的流动性差，熔渣覆盖和焊缝成型差，当药皮中CaF2含量过高时，熔渣的流动性过于活泼，药皮熔化速度快，出现覆盖不完全、流动性不佳的现象。故药皮中的CaF2含量应控制在9～14份。
TiO2：主要作用是稳弧、造渣，引起短渣效应，能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成型，减少飞溅。故药皮中的TiO2的含量控制在30～45份；
KAlSi3O8：主要作用是造渣、调节熔渣的物理性能，增加焊接过程中熔渣的流动性，同时具有强烈的稳弧和细化熔滴的作用。故药皮中的KAlSi3O8的含量控制在25～35份；
Mn粉：主要是用于脱氧、造渣和渗Mn元素，提高焊缝的强度。根据熔敷金属的要求和焊芯中Mn的含量，药皮中的Mn含量应控制在4～8份。
Cr粉：主要是用于渗Cr元素补足焊芯中Cr的损耗，使其含量满足焊缝熔敷金属的要求；其次具有一定的脱氧能力。故药皮中的Cr含量应控制在30～40份。
Ni粉：主要是用于渗Ni元素补足焊芯中Ni的损耗，使其含量满足焊缝熔敷金属的要求。故药皮中的Ni含量应控制在4～8份。
Mo粉：主要是用于渗Mo元素补足焊芯中Mo的损耗，使其含量满足焊缝熔敷金属的要求。故药皮中的Mo含量应控制在1～5份。
A粉：主要作用是改善焊条工艺性能及改善脱渣性能。其是由比值为2:1的Bi2O3和CeO2组成的。当其比值小于1时，加入适量的该粉后容易出现熔渣流动性过于活泼，致使熔渣覆盖和焊缝成型不佳；当其比值大于3时，加入一定量的该粉后力学性能容易受到影响。而当药皮中加入的A粉过高时，会导致熔渣熔点过低，使得熔渣流动性过于活泼，出现覆盖不完全的现象。故药皮中A粉含量宜为0.5～1份。
液体组份为水玻璃，水玻璃为20℃下密度为45-47°Be’，模数为2.85-2.95M的水玻璃，优选密度为46°Be’，模数为2.9M；
且上述水玻璃由纯钠水玻璃和纯钾水玻璃按照质量比1:3配制而成。
一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮的制备方法，包括以下步骤：将固体组份各原料过筛后，然后按比例混合均匀后制成固体组份，按照固体组份质量的20～25％加入水玻璃，再搅拌均匀后，即制得药皮。
一种酸性渣系不锈钢焊条，由焊芯和涂覆焊芯上的药皮制成，所述焊芯所含元素的质量百分数如下：C：≤0.015％、Si：≤0.25％、Mn：0.5～1.5％、S：≤0.015％、P：≤0.020％、Cr：18％～20％、Ni：10.0～12.0％、Mo：2.0～2.5％、Fe：62.0～70.0％、且其它微量元素总量≤0.5％；
所述药皮由固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的20～25％；所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：大理石20-30份，萤石15-25份，CaCO3：3-7份、CaF2：9-14份、KAlSi3O8：20-35份、Mn粉：4-8份、Mo粉：1-5份、Cr粉：30-40份、Ni粉：4-8份、TiO2：20-30份和A粉：0.5-1份；所述A粉由Bi2O3和CeO2制备而成，其中Bi2O3和CeO2的质量比为2:1；所述液体组份为水玻璃。
本发明所要解决的技术问题之五在于提供上述焊条的制备方法；
将固体组份各原料首先过筛后，然后按比例混合均匀后制成固体组份，按照固体组份质量的20～25％加入水玻璃，再搅拌均匀后，通过常规焊条生产设 备将其压涂在焊芯上制备出焊条。
实施例1
本实施例的一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮，所述药皮由固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的20％；
所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：CaCO3：4份、CaF2：10份、KAlSi3O8：22份、Mn粉：5份、Mo粉：3份、Cr粉：30份、Ni粉：5份、TiO2：20份和A粉：1份。
该实施例的焊条的焊芯经熔炼后，经化学分析方法测焊芯化学成分质量百分数为C：0.018％、Si：0.15％、Mn：1.60％、S：0.008％、P：0.012％、Cr：18.4％、Ni：12.5％、Mo：2.84％、Fe：余量；
该液体组份为20℃下46Be的钾纳3:1水玻璃,。
将上述药皮原材料混合均匀后，用40目的筛子过筛到40目以下，干粉搅拌均匀后加入占固体组分质量含量20～25％的20℃下46Be的钾纳3:1水玻璃,再搅拌均匀后，通过常规焊条生产设备将其压涂在上述焊芯上制备出焊条。
生产出的焊条表面光滑、成品率高、无偏心。对焊条的化学成分检测得：C：0.031％、Si：0.74％、Mn：1.08％、S：0.010％、P：0.018％、Cr：22.55％、Ni：12.81％、Mo：2.33％、Fe为余量。
实施例2
本实施例的一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮，所述药皮由固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的23％；
所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：CaCO3：3份、CaF2：9份、KAlSi3O8：20份、Mn粉：4份、Mo粉：1份、Cr粉：30份、Ni粉：4份、TiO2：28份和A粉：1份。
其它条件与实施例1相同。
实施例3
本实施例的一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮，所述药皮由固体组份 和液体组份混合而成，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的25％；
所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：CaCO3：5份、CaF2：11份、KAlSi3O8：20份、Mn粉：4份、Mo粉：1份、Cr粉：32份、Ni粉：4份、TiO2：24份和A粉：1份。
其它条件与实施例1相同。
实施例1-3的焊条直流反接焊接时电弧稳定、熔池清晰、基本无飞溅、脱渣性良好，操作性能良好，熔渣覆盖和焊缝成型美观，焊道高度适中。熔敷金属的力学性能如下表1所示；
表1焊条熔敷金属的力学性能
试验结果表明：本发明的酸性不锈钢焊条不仅工艺性能良好，弧坑脱渣能力也非常优异，且熔敷金属也有良好的力学性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮，由固体组份和液体组份混合而成，其特征在于，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的20～25％；所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：CaCO3：3-7份、CaF2：9-14份、KAlSi3O8：20-35份、Mn粉：4-8份、Mo粉：1-5份、Cr粉：30-40份、Ni粉：4-8份、TiO2粉：20-30份和A粉：0.5-1份；所述A粉由Bi2O3和CeO2制备而成，其中Bi2O3和CeO2的质量比为2:1；所述液体组份为水玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮，其特征在于，所述水玻璃为20℃下密度为45-47°Be’，模数为2.85-2.95M的水玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种酸性渣系不锈钢焊条所使用的药皮，其特征在于，所述水玻璃由纯钠水玻璃和纯钾水玻璃按照质量比1:3配制而成。
4.一种酸性渣系不锈钢焊条，由焊芯和涂覆焊芯上的药皮制成，其特征在于，所述焊芯所含元素的质量百分数如下：C：≤0.015％、Si：≤0.25％、Mn：0.5～1.5％、S：≤0.015％、P：≤0.020％、Cr：18％～20％、Ni：10.0～12.0％、Mo：2.0～2.5％、Fe：62.0～70.0％、且其它微量元素总量≤0.5％；所述微量元素为Zr、N、H、O、Cu、Pb；
所述药皮由固体组份和液体组份混合而成，所述液体组份的加入质量为固体组份质量的20～25％；
所述固体组份按照质量份计，包括以下组份：CaCO3：3-7份、CaF2：9-14份、KAlSi3O8：20-35份、Mn粉：4-8份、Mo粉：1-5份、Cr粉：30-40份、Ni粉：4-8份、TiO2粉：20-30份和A粉：0.5-1份；所述A粉由Bi2O3和CeO2制备而成，其中Bi2O3和CeO2的质量比为2:1；所述液体组份为水玻璃。
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