CN108188614A - 一种650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条 - Google Patents

一种650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，采用CaO‑CaF2‑SiO2渣系配方，添加微量合金元素，熔敷金属主要成分为9％Cr‑3％W‑3％Co，焊接工艺性能良好，在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下熔敷金属抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J，其焊接接头抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J，适合用于650℃蒸汽温度超超临界火电机组用低合金钢电焊条。

Description

一种650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条
技术领域
本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条。
背景技术
随着电力工业的发展和全球对环境问题的日益关注，节约一次能源，加强环境保护，减少有害气体排放，降低地球温室效应已引起国内外高度重视。而提高火电机组的热效率采用超超临界机组是防止环境污染的有效途径之一。对火电机组来讲，700℃超超临界压力锅炉发电机组比600℃超超临界锅炉发电机组的效率高6％左右，可节煤2亿吨/年，减排5亿吨/年CO2。因此提高超超临界电站的温度对实现我国节能减排战略目标具有决定性作用。2008-2015年间，钢铁研究总院和宝钢等研制出650℃蒸汽温度超超临界火电机组用钢G115并完成不同口径钢管工业试制。对于这种新型马氏体耐热钢G115，国内暂无相匹配的焊接材料。因此，研制与G115钢相匹配的焊条，具有广泛的应用前景。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种650℃蒸汽温度超超临界火电机组用低合金钢电焊条，采用CaO-CaF2-SiO2渣系配方，主要成分为9％Cr-3％W-3％Co，又添加了微量合金元素，焊接工艺性能良好，在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下熔敷金属抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J，其焊接接头抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J，特别适合用于650℃蒸汽温度超超临界火电机组用钢，尤其是马氏体耐热钢G115的焊接。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：一种650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，所述焊芯采用碳钢芯线，所述药皮采用CaO-CaF2-SiO2渣系，合金元素采用药皮过渡；按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属主要化学成分为：C 0.06-0.10，Mn0.30-0.90，Si≤0.50，P≤0.008，S≤0.008，Cr 8.5-9.5，Co 2.5-3.5，W 2.5-3.5，Nb 0.02-0.09，V 0.15-0.24，Cu 0.50-1.10，B 0.010-0.024，N 0.005-0.025，余量为Fe和杂质。
优选的，按重量百分比，所述焊芯的成分含量为：C 0.060-0.065，Si 0.20-0.24，Mn 0.443-0.452，P 0.004-0.005，S 0.003，余量为Fe。
优选的，按照重量百分比，所述药皮的成分含量为：碳酸钙27-30，氟化钙17-20，金红石3-5，二氧化硅5-5.5，硅铁1-1.5，锰铁1.5-2，钛铁6-6.5，钒铁0.5，钴粉6，铬粉17，铜粉1.5，钨粉5.5-6，硼铁1.5，铁粉余量。
优选的，按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属的化学成分为：C 0.078，Mn 0.69，Si 0.29，P 0.005，S 0.004，Cr 8.62，Co3.35，W 2.79，Nb 0.026，V 0.17，Cu 0.85，B 0.013，N 0.019，余量为Fe和杂质。
优选的，按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属的化学成分为：C 0.080，Mn 0.73，Si 0.32，P 0.006，S 0.004，Cr 8.65，Co3.32，W 2.80，Nb 0.026，V 0.16，Cu 0.82，B 0.014，N 0.021，余量为Fe和杂质。
优选的，按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属的化学成分为：C 0.076，Mn 0.71，Si 0.31，P 0.005，S 0.004，Cr 8.63，Co3.34，W 2.79，Nb 0.025，V 0.17，Cu 0.85，B 0.013，N 0.022，余量为Fe和杂质。
本发明经过成分配比及渣量配比，得到优良的物理性能，以及良好的全位置焊接操作性。本发明对熔敷金属中各化学元素的限定理由分别叙述如下：
本发明焊条的成分中，C有提高熔敷金属强度的效果，同时C含量过高会降低材料韧性和抗裂性。在焊接过程中，焊芯、药皮中的铁合金和碳酸盐等物质都有可能向熔敷金属中过渡碳，所以，C含量应限制在0.06-0.10％。
Mn元素具有良好的脱氧和脱硫效果，能有效地提高熔敷金属的强度，但Mn含量太高会降低组织的高温铁素体的稳定性，故其含量控制在0.30-0.90％为宜。
本发明焊条中加入的Si是焊接过程中有效的脱氧元素，故一般控制在0.5％以内。
P、S对钢的持久强度影响较大，应尽可能偏低，故控制在P≤0.008％，S≤0.008％。
Cr可以提高耐热钢的抗氧化性能和腐蚀性能；提高钢的高温持久强度和蠕变强度，固溶于基体起固溶强化作用；但Cr含量过高会降低持久强度，所以Cr含量控制在8.5-9.5％为宜。
研究发现，在650℃条件下钢中加入3％左右的Co元素对钢的持久强度具有最有利的影响，因此其含量控制在2.5-3.5％为宜。
W能显著提高耐热钢的持久强度和蠕变极限，W的最佳量控制在2.5-3.5％。
Nb含量控制在0.02-0.09％，从而保证焊缝金属具有优良的高温蠕变性能和理想的常温韧性。
V是强烈的碳化物形成元素，钢中加入V可以细化晶粒显著提高焊缝强度，但易形成晶界裂纹，V最佳控制在0.15-0.24％。
Cu能提高钢的强度和韧性，特别是大气腐蚀性能，但含量过高会降低钢的高温塑性，故Cu的含量控制在0.50-1.10％。
B可以细化晶粒，在熔池金属凝固过程中与N易结合为BN，降低固溶N的含量；但是含有较高含量的B元素时，若N含量过高，可能会形成较大的BN颗粒，在本身严重弱化钢的强韧性的同时，还将消耗用于晶界强化的B元素，从而严重影响钢的高温持久强度，其含量控制在0.010-0.024％。
N是强烈的奥氏体形成元素，它对奥氏体的稳定性作用比Ni强20倍，过高的N会降低材料韧性，其含量控制在0.005-0.025％。
其余为Fe和稀有元素。
本发明的有益效果在于：
(1)焊条采用CaO-CaF2-SiO2渣系，工艺性优良，电弧燃烧稳定，挺度和吹力较好，飞溅小，铁水流动性良好，焊缝成型美观，焊后脱渣容易；
(2)焊条能适用于全位置焊接；
(3)焊条药皮含水率＜0.15％，熔敷金属扩散氢含量＜4ml/100g(水银法)；
(4)焊条熔敷金属在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J，其焊接接头在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J；
(5)该焊条焊缝金属具有优良的长期高温蠕变强度。
本发明为配套G115钢专用而设计，与母材有相当的力学性能(抗拉强度、冲击韧性)，采用CaO-CaF2-SiO2渣系配方，添加微量合金元素，熔敷金属主要成分为9％Cr-3％W-3％Co，焊接工艺性能良好，在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下熔敷金属抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J，其焊接接头抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J，特别适合用于650℃蒸汽温度超超临界火电机组用钢，尤其是马氏体耐热钢G115的焊接。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
一种650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，所述焊芯采用碳钢芯线，所述药皮采用CaO-CaF2-SiO2渣系，合金元素采用药皮过渡；按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属主要化学成分为：C 0.06-0.10，Mn 0.30-0.90，Si≤0.50，P≤0.008，S≤0.008，Cr8.5-9.5，Co 2.5-3.5，W2.5-3.5，Nb 0.02-0.09，V 0.15-0.24，Cu 0.50-1.10，B 0.010-0.024，N 0.005-0.025，余量为Fe和杂质。
优选的，按重量百分比，所述焊芯的成分含量为：C 0.060-0.065，Si 0.20-0.24，Mn 0.443-0.452，P 0.004-0.005，S 0.003，余量为Fe。
优选的，按照重量百分比，所述药皮的成分含量为：碳酸钙27-30，氟化钙17-20，金红石3-5，二氧化硅5-5.5，硅铁1-1.5，锰铁1.5-2，钛铁6-6.5，钒铁0.5，钴粉6，铬粉17，铜粉1.5，钨粉5.5-6，硼铁1.5，铁粉余量。
优选的，按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属的化学成分为：C 0.078，Mn 0.69，Si 0.29，P 0.005，S 0.004，Cr 8.62，Co3.35，W 2.79，Nb 0.026，V 0.17，Cu 0.85，B 0.013，N 0.019，余量为Fe和杂质。
优选的，按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属的化学成分为：C 0.080，Mn 0.73，Si 0.32，P0.006，S 0.004，Cr 8.65，Co3.32，W 2.80，Nb 0.026，V 0.16，Cu 0.82，B 0.014，N 0.021，余量为Fe和杂质。
优选的，按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属的化学成分为：C 0.076，Mn 0.71，Si 0.31，P 0.005，S 0.004，Cr 8.63，Co3.34，W 2.79，Nb 0.025，V 0.17，Cu 0.85，B 0.013，N 0.022，余量为Fe和杂质。
本发明的一种实施方式中，采用焊条生产行业内通用的制造工艺，按焊芯成分要求来选择焊芯，将药皮原料按比例进行配制并通过干混湿混制备出焊条涂料，把焊条涂料涂敷到焊芯上，使之成型：
表1-1焊芯成分(单位：％)
C Si Mn P S Fe
0.060 0.020 0.443 0.004 0.003 余量
表1-2药皮成分配比(单位：％)
碳酸钙 氟化钙 金红石 二氧化硅 硅铁 锰铁 钛铁
28 18 4 5 1 2 6
钒铁 钴粉 铬粉 铜粉 钨粉 硼铁 铁粉
0.5 6 17 1.5 6 1.5 余量
其熔敷金属化学成分见表1-3，熔敷金属力学性能见表1-4，扩散氢含量见表1-5，其中扩散氢的测定采用水银法，测试三片取平均值：
表1-3熔敷金属的化学成分(单位：％)
表1-4熔敷金属的力学性能
表1-5熔敷金属扩散氢含量
试件 焊条焊前烘干条件 扩散氢含量(ml/100g)
实施例1 380℃*1h 2.99(2.82/3.05/3.10)
本发明的一种实施方式中，采用焊条生产行业内通用的制造工艺，按焊芯成分要求来选择焊芯，将药皮原料按比例进行配制并通过干混湿混制备出焊条涂料，把焊条涂料涂敷到焊芯上，使之成型：
表2-1焊芯成分(单位：％)
C Si Mn P S Fe
0.065 0.024 0.452 0.005 0.003 余量
表2-2药皮配方(单位：％)
其熔敷金属化学成分见表2-3，熔敷金属力学性能见表2-4，扩散氢含量见表2-5，其中扩散氢的测定采用水银法，测试三片取平均值：
表2-3熔敷金属的化学成分(单位：％)
C Mn Si P S Cr Co
0.080 0.73 0.32 0.006 0.004 8.65 3.32
W Nb V Cu B N Fe和杂质
2.80 0.026 0.16 0.82 0.014 0.021 余量
表2-4熔敷金属的力学性能
表2-5熔敷金属扩散氢含量
试件 焊条焊前烘干条件 扩散氢含量(ml/100g)
实施例2 380℃*1h 3.11(2.98/3.16/3.19)
本发明的一种实施方式中，采用焊条生产行业内通用的制造工艺，按焊芯成分要求来选择焊芯，将药皮原料按比例进行配制并通过干混湿混制备出焊条涂料，把焊条涂料涂敷到焊芯上，使之成型：
表3-1焊芯成分(单位：％)
C Si Mn P S Fe
0.062 0.021 0.448 0.004 0.003 余量
表3-2药皮配方(单位：％)
碳酸钙 氟化钙 金红石 二氧化硅 硅铁 锰铁 钛铁
27 17 5 5.5 1.5 1.5 6
钒铁 钴粉 铬粉 铜粉 钨粉 硼铁 铁粉
0.5 6 17 1.5 5.5 1.5 余量
其熔敷金属化学成分见表3-3，熔敷金属力学性能见表3-4，扩散氢含量见表3-5，其中扩散氢的测定采用水银法，测试三片取平均值：
表3-3熔敷金属的化学成分(单位：％)
C Mn Si P S Cr Co
0.076 0.71 0.31 0.005 0.004 8.63 3.34
W Nb V Cu B N Fe和杂质
2.79 0.025 0.17 0.85 0.013 0.022 余量
表3-4熔敷金属的力学性能
表3-5熔敷金属扩散氢含量
试件 焊条焊前烘干条件 扩散氢含量(ml/100g)
实施例3 380℃*1h 3.04(2.91/3.06/3.15)
本发明的650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，采用CaO-CaF2-SiO2渣系配方，添加微量合金元素，熔敷金属主要成分为9％Cr-3％W-3％Co，焊接工艺性能良好，在100℃×1h+780℃×3h的热处理条件下熔敷金属抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J，其焊接接头抗拉强度Rm≥680MPa，常温KV2≥50J，适合用于650℃蒸汽温度超超临界火电机组用低合金钢电焊条。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，由焊芯和药皮构成，药皮涂敷于焊芯外壁，其特征在于，所述焊芯采用碳钢芯线，药皮采用CaO-CaF2-SiO2渣系，合金元素采用药皮过渡；按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属主要化学成分为：C 0.06-0.10，Mn 0.30-0.90，Si≤0.50，P≤0.008，S≤0.008，Cr 8.5-9.5，Co 2.5-3.5，W 2.5-3.5，Nb 0.02-0.09，V 0.15-0.24，Cu 0.50-1.10，B0.010-0.024，N 0.005-0.025，余量为Fe和杂质。
2.如权利要求1所述的650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，其特征在于，按重量百分比，所述焊芯的成分含量为：C 0.060-0.065，Si 0.20-0.24，Mn 0.443-0.452，P 0.004-0.005，S 0.003，余量为Fe。
3.如权利要求1所述的650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，其特征在于，按照重量百分比，所述药皮的成分含量为：碳酸钙27-30，氟化钙17-20，金红石3-5，二氧化硅5-5.5，硅铁1-1.5，锰铁1.5-2，钛铁6-6.5，钒铁0.5，钴粉6，铬粉17，铜粉1.5，钨粉5.5-6，硼铁1.5，铁粉余量。
4.如权利要求1所述的650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，其特征在于，按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属的化学成分为：C 0.078，Mn 0.69，Si 0.29，P 0.005，S 0.004，Cr 8.62，Co 3.35，W 2.79，Nb0.026，V 0.17，Cu 0.85，B 0.013，N 0.019，余量为Fe和杂质。
5.如权利要求1所述的650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，其特征在于，按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属的化学成分为：C 0.080，Mn 0.73，Si 0.32，P 0.006，S 0.004，Cr 8.65，Co 3.32，W 2.80，Nb0.026，V 0.16，Cu 0.82，B 0.014，N 0.021，余量为Fe和杂质。
6.如权利要求1所述的650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条，其特征在于，按重量百分比计，所述650℃超超临界火电机组用药皮过渡型耐热钢焊条的熔敷金属的化学成分为：C 0.076，Mn 0.71，Si 0.31，P 0.005，S 0.004，Cr 8.63，Co 3.34，W 2.79，Nb0.025，V 0.17，Cu 0.85，B 0.013，N 0.022，余量为Fe和杂质。
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