CN104907729B

CN104907729B - Lng结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条

Info

Publication number: CN104907729B
Application number: CN201510270437.1A
Authority: CN
Inventors: 何国; 王皇
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2035-05-25
Also published as: CN104907729A

Abstract

一种LNG结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条，包括焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，焊芯的化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.02％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni≥99.0％，其余元素含量≤0.50％，各成分总量为100％；药皮中粉料的成分及其重量百分比含量为：大理石5～10％、萤石20～30％、碳酸锶5～11％、金属铬24～30％、金属锰4～10％、钼8～13％、钨铁1～5％、铌铁3～8％、有机物0.5～1.5％、纯碱0.5～1.5％、硅铁2～4％、钛铁1～3％，各成分总量为100％；将各成分的粉料按照比例与占药皮总质量16％～35％的水玻璃均匀混合，送入压涂机内将其裹覆于焊芯上，经过低温烘焙以及高温烘焙后即成。本发明在‑196℃时仍具有良好的综合力学性能，并且具有优良的焊接工艺性能，可进行全位置焊接。

Description

LNG结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条

技术领域

本发明涉及一种镍基焊接材料，特别是一种反比例配方新型高碱度渣系的LNG结构及船用9镍钢(亦称9％Ni钢)焊接用ENiCrFe-9镍基焊条。

背景技术

随着全球工业化、信息化进程的加快，世界各国对能源需求急剧增长，同时严重制约着经济可持续发展的能源短缺、燃煤污染等问题也日渐暴露。天然气作为优质清洁燃料和重要的化工原材料，已成为当今世界三大支柱能源之一。近10年来，天然气在社会发展中的地位和作用日益突出，全球天然气生产及消费都呈稳步增长态势，预计到2020年全球天然气贸易量的40％将是液化天然气LNG(Liquefied Natural gas)。LNG的发展带动了LNG产业的发展，LNG产业包括生产、运输、储存、接收及应用五个阶段。在LNG运输中LNG船是整个运输环节的重要部分。由于LNG是将天然气冷却至-163℃，即LNG船是在-162℃低温下运输液化气的专用船舶，是一种“海上超级冷冻车”，即工作环境要求制造LNG船的材料具有较好的低温韧性以及在低温环境中具有较好的强度。

9Ni钢是1944年美国国际镍公司开发的W_(Ni)-9％的中合金钢，它是一种低碳调质钢。这种钢材在极低温度下具有良好的韧性和高强度，使用温度最低可达-196℃，而且与奥氏体不锈钢和铝合金相比具有热胀系数小、经济性好的优点，自1960年研究证明不进行焊后消除应力热处理亦可安全使用以来，9Ni钢就成为用于制造大型LNG储罐的主要材料之一。9Ni钢的主要特点是高镍含量、高纯净度、较高强度、高的低温冲击韧性、焊接性好，其化学成分为：Ni：8.5～9.5％、C：0.0005～0.012％、Si：0.05～0.4％、Mn：0.30～0.80％、S≤0.005％、P≤0.008％、Mo：0.05～0.013％、V≤0.01％。9Ni钢的力学性能为：抗拉强度Rm：680～820MPa、屈服强度ReH≥570MPa、伸长率A≥20％、-196℃KV≥100J。

随着我国能源战略的调整，LNG产业在我国一直保持迅猛发展的势头，LNG产业的发展极大的提高了对9Ni钢以及9Ni钢焊接材料的需求，但是目前9Ni钢焊接电焊条对品种和性能还远远满足不了9Ni钢焊接技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种LNG结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条，与LNG结构及船用9Ni钢焊接要求相匹配，以达到使熔敷金属在-196℃下具有与母材相匹配的低温冲击韧性、较高的抗拉强度和屈服强度的效果，使得9Ni钢在LNG船上应用时能够充分发挥母材本身的优良性能，同时焊条在焊接时具有良好的工艺性能。

本发明的技术方案是：

一种LNG结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条，包括焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，其特征在于：所述焊芯的化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.02％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni≥99.0％，其余元素含量≤0.50％，各成分总量为100％。

作为进一步改进，所述的药皮中粉料的成分及其重量百分比含量为：大理石5～10％、萤石20～30％、碳酸锶5～11％、金属铬24～30％、金属锰4～10％、钼8～13％、钨铁1～5％、铌铁3～8％、有机物0.5～1.5％、纯碱0.5～1.5％、硅铁2～4％、钛铁1～3％，各成分总量为100％；将各成分的粉料按照比例均匀混合，再加入占所述药皮中粉料的质量16％～35％的水玻璃均匀混合，然后送入压涂机内按照常规方法将其裹覆于所述焊芯上，最后经过低温烘焙以及高温烘焙后即成为所述反比例配方高碱度渣系镍基焊条。

作为进一步改进，所述的萤石在所述药皮中的重量百分比与所述大理石和碳酸锶在所述药皮中的重量百分比的总和之比在5/4～15/7之间，即萤石在药皮中的重量百分比/大理石和碳酸锶在药皮中的重量百分比的总和＝5/4～15/7。

作为进一步改进，所述的药皮中各粉料的主要成分的质量百分比含量如下：大理石中CaCO₃含量≥96％，萤石中CaF₂含量≥96％，铌铁中Nb含量为50～65％，钨铁中W含量为70～80％，金属铬中Cr含量≥99％，金属锰中Mn含量≥99％，金属钼中含Mo量≥99％，钛铁中Ti含量为25～35％，硅铁中Si含量为40～45％，碳酸锶中SrCO₃含量≥98％，纯碱中Na₂CO₃≥98％。

作为进一步改进，所述的水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃或者钾钠水玻璃，其波美浓度为41°～43°之间。

作为进一步改进，所述的低温烘焙的温度为100～150℃；高温烘焙的温度为300～350℃。

本发明的药皮原材料中各成分的主要作用如下：

大理石：属于造渣、造气材料，大理石能增大熔渣碱度，增加了冶金去硫能力，降低了硅的渗入，增大了该渣系气保护的比例，有利于渣的物化性质的改善，有利于脱渣和渣的保护效果。

钾水玻璃：水玻璃只要是作为粘结剂，由于含有K所以还有稳弧作用，但是过多过浓会造成焊速慢、飞溅大，渣的粘度提高，影响机械性能，其次，模数过高促使药皮快干性加强，使焊条药皮易偏心，用时经高温烘干后药皮强度亦会降低。

有机物：少量有机物可以改善压涂性能，但是有机物过多易使焊缝产生气孔。

纯碱：主要起润滑作用，使焊条易于加工成形。另外，提高水玻璃的稳定性,阻止水玻璃水解反应的进行。

各种合金：渗入合金，补充焊接过程中合金元素的烧损，补充焊缝中该合金成分，改善焊缝凝固组织，提高焊缝的力学性能。

萤石：萤石能有效的去除H，可以降低液态金属的表面张力，提高熔渣的流动性，但是在焊接过程中萤石分解会产生有害气体氟化氢、会造成电弧的不稳定，因此必须严格控制其用量

钛铁：可以有效的脱氧，其Ti与氧生成的TiO2还有利于脱渣。

硅铁：可以有效的脱氧，但是必须控制硅铁的含量，否则易造成熔敷金属渗硅严重。

碳酸锶：造气造渣，增加熔渣的活性，可以使渣均匀覆盖在焊缝表面，同时，相同质量的碳酸锶与碳酸钙相比，碳酸钡可以较少的生成二氧化碳。但碳酸锶价格较高，所以为控制成本必须控制用量。

与现有的镍基电焊条相比，本发明具有以下优点：

具有优良的焊接工艺性能，可进行全位置焊接；具有良好的屈服强度、抗拉强度以及冲击韧性，尤其是在-196℃时仍具有良好的综合力学性能。

本发明所述反比例配方高碱度渣系镍基焊条的熔敷金属力学性能达到：屈服强度：468MPa，抗拉强度：711MPa，伸长率43％，-196℃时冲击值为85J，完全满足9Ni钢LNG船储罐的焊接要求；本发明焊后形成熔敷金属的组份及重量百分比为：C：≤0.05％，Mn：1.2～4.0％，Si：≤0.5％，Cr：12.0～15.0％，Mo：2.0～4.0％，Nb：0.5～2.0％，W：≤1.2％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，Ni：≥60％，完全符合镍及镍合金焊条的GB/T 13814ENi6620标准和AWS A5.11ENiCrFe-9标准。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，以下实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供了一种LNG结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条，其包括焊芯以及裹覆于该焊芯表面的药皮。所述焊芯使用纯镍焊芯，这是因为纯镍焊芯来源广，易于加工，价格便宜；所述焊芯的化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.02％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni≥99.0％，其余元素含量≤0.50％，各成分总量为100％。

所述的药皮中粉料的成分及其重量百分比含量为：大理石5～10％、萤石20～30％、碳酸锶5～11％、金属铬24～30％、金属锰4～10％、钼8～13％、钨铁1～5％、铌铁3～8％、有机物0.5～1.5％、纯碱0.5～1.5％、硅铁2～4％、钛铁1～3％，各成分总量为100％。

所述的药皮中各粉料的主要成分的质量百分比含量达到如下要求：大理石中CaCO₃含量≥96％，萤石中CaF₂含量≥96％，铌铁中Nb含量为50～65％，钨铁中W含量为70～80％，金属铬中Cr含量≥99％，金属锰中Mn含量≥99％，金属钼中含Mo量≥99％，钛铁中Ti含量为25～35％，硅铁中Si含量为40～45％，碳酸锶中SrCO₃含量≥98％，纯碱中Na₂CO₃≥98％。

所述的萤石在所述药皮中的重量百分比与所述大理石和碳酸锶在所述药皮中的重量百分比的总和之比在5/4～15/7之间，即萤石在药皮中的重量百分比/大理石和碳酸锶在药皮中的重量百分比的总和＝5/4～15/7。

将各成分的粉料按照比例均匀混合，再加入占所述药皮中粉料的质量16％～35％的水玻璃均匀混合，然后送入压涂机内按照常规方法将其裹覆于所述焊芯上，最后经过低温烘焙以及高温烘焙后即成为所述反比例配方高碱度渣系镍基焊条；所述的水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃或者钾钠水玻璃，其波美浓度为41°～43°之间；所述的低温烘焙的温度为100～150℃；高温烘焙的温度为300～350℃。

以下为本发明中粉料不同重量百分比含量的三个实施例。

以下1#、2#和3#实施例中，焊芯直径为3.2mm，除了药皮粉料的重量百分比含量不同外，其余技术特征均相同。

表1三实施例焊条药皮粉料的成分配比(重量％)

表2三实施例电焊条的熔敷金属化学成分(重量％)

表3三实施例电焊条的熔敷金属力学性能

Claims

1.一种LNG结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条，包括焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，其特征在于：所述焊芯的化学成分及其重量百分比含量为：C≤0.02％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni≥99.0％，其余元素含量≤0.50％，各成分总量为100％；

所述的药皮中粉料的成分及其重量百分比含量为：大理石5～10％、萤石20～30％、碳酸锶5～11％、金属铬24～30％、金属锰4～10％、钼8～13％、钨铁1～5％、铌铁3～8％、有机物0.5～1.5％、纯碱0.5～1.5％、硅铁2～4％、钛铁1～3％，各成分总量为100％；将各成分的粉料按照比例均匀混合，再加入占所述药皮中粉料的质量16％～35％的水玻璃均匀混合，然后送入压涂机内按照常规方法将其裹覆于所述焊芯上，最后经过低温烘焙以及高温烘焙后即成为所述反比例配方高碱度渣系镍基焊条；

2.根据权利要求1所述的LNG结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条，其特征在于：所述的药皮中各粉料的主要成分的质量百分比含量如下：大理石中CaCO₃含量≥96％，萤石中CaF₂含量≥96％，铌铁中Nb含量为50～65％，钨铁中W含量为70～80％，金属铬中Cr含量≥99％，金属锰中Mn含量≥99％，金属钼中含Mo量≥99％，钛铁中Ti含量为25～35％，硅铁中Si含量为40～45％，碳酸锶中SrCO₃含量≥98％，纯碱中Na₂CO₃≥98％。

3.根据权利要求1所述的LNG结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条，其特征在于：所述的水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃或者钾钠水玻璃，其波美浓度为41°～43°之间。

4.根据权利要求1所述的LNG结构及船用9镍钢焊接用反比例配方高碱度渣系镍基焊条，其特征在于：所述的低温烘焙的温度为100～150℃；高温烘焙的温度为300～350℃。