CN107052618A

CN107052618A - 制备lng贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝

Info

Publication number: CN107052618A
Application number: CN201710194206.6A
Authority: CN
Inventors: 王红鸿; 李军辉; 李丽; 汪晶洁; 覃展鹏; 万响亮; 尹雨群; 吴开明
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Science and Technology WHUST; Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-08-18
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: CN107052618B

Abstract

本发明涉及一种制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝，其技术方案是：所述全自动埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.25~0.45wt%，Mn为23~26wt%，Ni为6~8wt%，W为3~5wt%，N为0.02~0.04%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明采用的合金元素价格低、合金成分体系简单；制备的所述全自动埋弧焊实芯焊丝形成的焊缝金属低温韧性优良，强度与制备LNG贮罐的超低温高锰钢相匹配，满足了对所焊接的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。

Description

制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝

技术领域

本发明属于全自动埋弧焊实芯焊丝技术领域。具体涉及一种制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝。

背景技术

随着我国大力开发和应用液化石油气（LPG）和液化天然气（LNG），液化石油气（LPG）和液化天然气（LNG）贮存和运输容器用钢的需求量将会越来越大。目前用于LNG贮罐的低温钢为9Ni钢，工作温度为-196℃，镍含量高达9%，钢板价格昂贵。为节省Ni资源、降低钢铁材料的成本、降低能源贮存和降低运输成本，世界各国科研人员正在积极研制高锰低温钢。

我国十三五计划将超低温高锰钢列在研发规划中，一些高校与钢铁企业已联合开展了一些理论和实验研究，研发出适于实用的超低温高锰钢。超低温高锰钢在应用过程中，主要用焊接工艺制造结构和设备。

超低温高锰钢埋弧焊时，焊丝是采用与9Ni钢相同的焊丝。9Ni钢工程应用最多的是镍基焊丝，当采用镍基焊丝时，存在两个问题：一是焊丝中镍元素含量为50~60%，价格昂贵；二是母材与焊丝的成分含有不同的Mn和Ni含量，浓度梯度会引起焊接接头熔合线处元素扩散，组织与性能发生变化。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种成本低和合金成分体系简单的制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝；所述全自动埋弧焊实芯焊丝形成的焊缝金属低温韧性优良，强度与制备LNG贮罐的超低温高锰钢相匹配，能满足对所焊接的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.25~0.45wt%，Mn为23~26wt%，Ni为6~8wt%，W为3~5wt%，N为0.02~0.04%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明采用的主要合金元素Mn的含量为23~26wt%，与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系，在形成焊接接头时，由于不存在锰元素浓度梯度，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。

本发明中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，一直保持到室温，形成奥氏体组织的焊缝金属，故本发明中碳元素含量为0.25~0.45wt%，镍元素含量为6~8wt%。

本发明在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时，为降低凝固裂纹倾向，添加3~5wt%的钨元素，以减小凝固温度区间，从而有效减少和避免了凝固裂纹的出现。同时通过添加0.02~0.04%的氮元素，在焊接过程中起到固溶强化作用，提高焊缝金属的强度。此外，杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本发明严格控制硫、磷元素的含量：P≤0.002wt%，S≤0.001wt%。通过净化钢水，将所述全自动埋弧焊实芯焊丝的P和S含量降到最低，避免因P和S偏聚而产生热裂纹倾向。

本发明采用的化学成分体系使焊缝金属组织为全奥氏体，不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和足够的强度；且降低了凝固温度范围，避免凝固裂纹的出现，同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生。

本发明所制备的全自动埋弧焊实芯焊丝用于制备LNG贮罐的焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，保证了焊缝金属优良的超低温韧性，-196℃时冲击功A_kv为60~92J；亦保证了焊缝金属的机械性能：屈服强度为425~504MPa，抗拉强度为587~715MPa，延伸率A为31~35%，满足了用超低温高锰钢制造的LNG贮罐的力学性能要求和超低温韧性的要求。

因此，本发明采用的合金元素价格低、合金成分体系简单；制备的所述全自动埋弧焊实芯焊丝形成的焊缝金属低温韧性优良，强度与制备LNG贮罐的超低温高锰钢相匹配，满足了对所焊接的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制。

实施例1

一种制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝（以下简称全自动埋弧焊实芯焊丝）。所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.20~0.30wt%，Mn为23~24wt%，Ni为7.2~8.0wt%，W为3.0~3.8wt%，N为0.02~0.03 wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述全自动埋弧焊焊丝的直径为Φ2.4mm，采用全自动埋弧焊焊接方法，焊接LNG贮罐；所述LNG贮罐用钢为20mm厚的25Mn超低温钢。

所述25Mn超低温钢的化学组分是：C为≤0.40~0.50wt%，Si为0.10~0.20wt%，Mn为20~28wt%，N为0.01~0.08wt%，P为≤0.005wt%，S为≤0.003wt%。该25Mn超低温钢的力学性能是：抗拉强度为≥400MPa，屈服强度为≥560MPa，延伸率A=40%；-196℃时冲击功A_kv≥54J。

本实施例所述25Mn超低温钢的试板坡口型式为V型，单侧坡口角度为30°。

本实施例采用匹配焊剂型号为INCOFLUX9(SMC)。具体焊接工艺参数如下：焊接电流为420~430A，电弧电压为28~30V，焊接速度为35~36cm/min，焊接热输入为19~21kJ/cm。

对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为425~442MPa，抗拉强度为587~625MPa，伸长率A=34~35%，-196℃时冲击功平均值A_kv=77~92J。

实验结果表明：采用本实施例的制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝，经全自动埋弧焊焊接后，其焊缝金属的力学性能完全满足25Mn超低温钢的技术要求，其焊接接头满足LNG贮罐的技术要求。

实施例2

一种制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝。除下述外，其余同实施例1：

所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.30~0.35wt%，Mn为24~25wt%，Ni为6.8~7.2wt%，W为3.8~4.4wt%，N为0.03~0.04wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为442~488MPa，抗拉强度为652~662MPa，伸长率A=32~34%，-196℃时冲击功平均值A_kv=68~77J。

实施例3

所述全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.35~0.45wt%，Mn为25~26wt%，Ni为6.0~6.8wt%，W为4.4~5.0wt%，N为0.03~0.04wt%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织；没有凝固裂纹及再热裂纹产生；焊缝金属的屈服强度为488~504MPa，抗拉强度为662~715MPa，伸长率A=31~32%，-196℃时冲击功平均值A_kv=60~68J。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本具体实施方式采用的主要合金元素Mn的含量为23~26wt%，与母材的锰含量相当，保证了与母材基本相同的成分体系，在形成焊接接头时，由于不存在锰元素浓度梯度，避免了锰元素扩散所形成的熔合线附近组织与性能的变化。

本具体实施方式中的锰元素与碳元素、镍元素同为奥氏体形成元素，共同作用在焊缝金属熔池凝固时，以奥氏体相为凝固初始相，一直保持到室温，形成奥氏体组织的焊缝金属，故本具体实施方式中碳元素含量为0.25~0.45wt%，镍元素含量为6~8wt%。

本具体实施方式在以奥氏体相为主的焊缝金属凝固时，为降低凝固裂纹倾向，添加3~5wt%的钨元素，以减小凝固温度区间，从而有效减少和避免了凝固裂纹的出现。同时通过添加0.02~0.04%的氮元素，在焊接过程中起到固溶强化作用，提高焊缝金属的强度。此外，杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故本具体实施方式严格控制硫、磷元素的含量：P≤0.002wt%，S≤0.001wt%。通过净化钢水，将所述全自动埋弧焊实芯焊丝的P和S含量降到最低，避免因P和S偏聚而产生热裂纹倾向。

本具体实施方式采用的化学成分体系使焊缝金属组织为全奥氏体，不仅保证了焊缝金属有优良的超低温韧性和足够的强度；且降低了凝固温度范围，避免凝固裂纹的出现，同时减少或防止液化裂纹及再热裂纹的产生。

本具体实施方式所制备的全自动埋弧焊实芯焊丝用于制备LNG贮罐的焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，保证了焊缝金属优良的超低温韧性，-196℃时冲击功A_kv为60~92J；亦保证了焊缝金属的机械性能：屈服强度为425~504MPa，抗拉强度为587~715MPa，延伸率A为31~35%，满足了用超低温高锰钢制造的LNG贮罐的力学性能要求和超低温韧性的要求。

因此，本具体实施方式采用的合金元素价格低、合金成分体系简单；制备的所述全自动埋弧焊实芯焊丝形成的焊缝金属低温韧性优良，强度与制备LNG贮罐的超低温高锰钢相匹配，满足了对所焊接的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。

Claims

1.一种制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝，其特征在于所述制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝的化学组分是：C为0.25~0.45wt%，Mn为23~26wt%，Ni为6~8wt%，W为3~5wt%，N为0.02~0.04%，P≤0.002wt%，S≤0.001wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。