CN108356442A

CN108356442A - 一种埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN108356442A
Application number: CN201810144347.1A
Authority: CN
Inventors: 谢先娇; 李勇; 贾友禄
Original assignee: Yongzhou Commodity Quality Supervision And Inspection Institute
Current assignee: Yongzhou Commodity Quality Supervision And Inspection Institute
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2018-08-03

Abstract

本发明涉及一种埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂及其制备方法和应用，埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂由以下有效组成成分及其质量百分数组成：SiO₂ 40～44％、MnO 30～32％、Al₂O₃ 8～12％、CaF₂ 6～8％、MgO 5～8％、CaO 1～3％、FeO 1.5～2.0％、S≤0.02％、P≤0.02％。与现有技术相比，本发明的优点在于：根据本发明的配方和制备方法得到的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂有效节约了高品位锰矿资源，降低了成品焊剂中的有毒有害元素，且其各种质量技术指标优秀，其中低温冲击韧性表现尤为突出，能够有效应用于低碳钢及低合金结构钢中的焊接。

Description

一种埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂及其制备方法和应用。

背景技术

焊剂是埋弧焊自动焊接用的一种的填料，埋弧焊作为20世纪40年代发展起来的一种自动焊方法，目前已广泛地用在锅炉、压力容器、造船、石油化工、重型机械、桥梁、建筑等行业。埋弧焊用焊剂是埋弧焊主要消耗材料之一，它的焊接工艺性能和化学冶金性能是决定焊接质量的重要因素。焊剂按制备方法可分为熔炼焊剂、烧结焊剂和陶质焊剂。陶质焊剂除烧结温度较低外，其他与烧结焊剂类似。熔炼焊剂是用各种矿石经电弧炉熔炼后粉碎而成，具有可连续生产、无污染、碱度可调控的特点。由于熔炼焊剂尚有不可替代的使用优点，近年来，随着我国钢材的大量消费，焊接材料的生产和消费也急剧增加，整个焊剂行业年生产能力15万吨左右，其中熔炼焊剂11～12万吨。因此，我国目前以生产和使用熔炼型焊剂为主。我国用量最大一种熔炼型高锰高硅低氟焊剂为典型HJ431焊剂，是一种红棕色至浅黄色的玻璃状颗粒，粒度为2.5～0.45mm(8～40目)其有效组成成分SiO₂ 40-44％、MnO 32-38％、Al₂O₃ 8-12％、CaF₂ 3-7％、MgO 5-8％、CaO≤8％、FeO≤1.8％、S≤0.06％、P≤0.08％，这种焊剂在国民经济建设中发挥了重要的作用。

传统的锰硅型熔炼焊剂需要MnO含量在35％以上的高品位锰矿石为原料，但我国的锰矿资源较缺乏，而且生产过程中排放出大量的有毒有害气体、对环境造成一定的危害。另外随着科学工业技术的发展需要，对低合金高强度结构钢类容器制造技术和工艺提出了更高的要求，不仅需要焊缝金属具有更好的强度匹配，对韧性(特别是低温韧性)的要求更高，同时要求焊剂有良好的脱渣性能，极优良的抗裂性能、光滑的焊道表面形状及射线检测无射线检测无缺陷。综上所述，国内熔炼焊剂制造存在资源耗费严重、成本高、污染严重、产品的工艺性能和机械性能相对不稳定等问题，并且无法满足市场日益提高的需求。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术而提供一种利用节约资源、生产成本低、环境友好且性能优良的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂的制备方法。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种上述埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂在焊接低碳钢及低合金结构钢中的应用。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂，其特征在于，由以下有效组成成分及其质量百分数组成：SiO₂ 40～44％、MnO 30～32％、Al₂O₃ 8～12％、CaF₂ 6～8％、MgO 5～8％、CaO 1～3％、FeO 1.5～2.0％、S≤0.02％、P≤0.02％。

作为优选，所述埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂各成分的质量百分数组成为：SiO₂ 42％、MnO 31％、Al₂O₃ 10％、CaF₂ 7％、MgO 6.7％、CaO 1.5％、FeO 1.8％、S≤0.02％、P≤0.02％。

在本发明提供的焊剂中：

SiO₂是提高焊接工艺性能的主要成分，也是主要的造渣成分，SiO₂是一种酸性物质，降低焊剂碱度，焊剂中与CaF₂搭配，能影响焊剂的抗气孔能力。SiO₂能调整渣的凝固点、表面张力及熔渣高温粘度，对焊道外观和形状起到重要的作用。SiO₂对脱渣性影响比较大，随着SiO₂量的增加，脱渣变得容易，抗氧化性能也增强，表面压坑减少，但是随着SiO₂量的进一步增加，焊剂的焊接综合工艺性能却逐步地降低。为此，确定SiO₂含量在40～44％。

MnO在焊接过程中与SiO₂结合成复合的硅酸盐，形成良好的焊渣，保护熔敷金属，使熔敷金属不受空气中N和O的影响，而且被还原的锰元素是焊缝中主要合金成分，能提高焊缝强度和冲击韧性，同时，被还原的锰与焊缝中的S化合，形成MnS起到了脱S的作用。为此，确定MnO含量在30～32％。

CaF₂具有促进熔敷金属精炼反应的同时降低熔敷金属的氧含量，提高抗气孔能力。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，且对金属脱硫有良好影响，但是，随着CaF₂在焊剂中的含量的增加，焊剂的综合工艺性能下降。在本焊剂发明中，试验证明CaF₂在6～8％时有较好效果。

MgO是良好的造渣材料，它能增加熔渣的透气性，抑制表面氧化，降低酸性渣的粘度，同时降低扩散氢的含量，并具有增大熔渣表面张力的作用。随着MgO含量的增加，熔渣的膨胀系数也随之增加，并且焊接综合工艺性能也在逐步的提高，但是MgO熔点较高，增大熔渣粘度，提高熔渣凝固温度，抑制渣的流动性使焊缝成形变差，熔渣变硬，脱渣困难，因而MgO含量不能过多，在本次发明中，为了保证焊缝性能，通过研究和调整，MgO加入量控制在5～8％。

Al₂O₃是影响脱渣性的主要成分，在低碱度情况下，会使熔渣的表面张力降低，加之熔点较高，高温的膨胀系数与铁的差异较大，随着其加入量的增加，焊缝波纹变细，焊缝成型变好而有利于脱渣，焊接综合工艺性能也相应的提高。但是，随着Al₂O₃量的进一步增加，脱渣变得越来越困难，同时焊接综合工艺性能也在逐步降低。所以含量应控制在8～12％。

CaO是碱性氧化物，在焊剂中起造渣和提高焊剂碱度作用。CaO是较强的碱性氧化物，与S、P的结合能力较强，可以降低焊缝金属中的S、P含量，它能有效提高焊剂抗大电流能力，改善焊缝力学性能。本焊剂发明中加入量控制在1～3％。

FeO是高电离度氧化物，能提高抗锈能力，适量的含量对降低焊缝中的按扩散氢有益，本焊剂发明中加入量控制在1.5～2.0％。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：上述埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂的制备方法包括以下步骤：

(1)根据配方设计要求，按比例称取原料、进行混合并搅拌均匀后得到均匀混合粉末；

(2)将步骤(1)得到的均匀混合粉末焊剂固体炉料在还原性气氛的电弧炉中进行熔炼，并保温；

(3)将步骤(2)得到的产物进行水淬，形成水式粒化得到棕红色至深红色的玻璃态颗粒的半成品；

(4)将步骤(3)所得棕红色至深红色的玻璃态颗粒的半成品置于干燥箱内保温，将水式粒化的焊剂烘干以除去水分，将干燥后的棕红色至深红色的玻璃态半成品破碎到粒度为2.5～0.45mm范围内，即得所需的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂。

作为优选，步骤(2)所述熔炼温度为1400～1600℃，所述保温时间为30min。

进一步，步骤(2)所述熔炼温度为1500℃。

由于熔炼温度较高，可使得焊剂充分熔化，所得焊剂化学成分均匀。

作为优选，步骤(4)所述干燥温度为200～300℃，所述保温时间为2h。

本发明解决第三个技术问题所采用的技术方案为：上述埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂的应用，其特征在于：所述埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂在焊接低碳钢及低合金结构钢中的应用。如锅炉、船舶、压力容器及电渣焊及铜的焊接。

作为优选，所述低合金结构钢为16Mn或15MnV。

与现有技术相比，本发明的优点在于：根据本发明的配方和制备方法得到的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂有效节约了高品位锰矿资源，降低了成品焊剂中的有毒有害元素，且其各种质量技术指标优秀，其中低温冲击韧性尤为突出，能够有效应用于低碳钢及低合金结构钢中的焊接。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

一种埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂，其特征在于，由以下有效组成成分及其质量百分数组成：SiO₂ 40～44％、MnO 30～32％、Al₂O₃ 8～12％、CaF₂ 6～8％、MgO 5～8％、CaO 1～3％、FeO 1.5～2.0％、S≤0.02％、P≤0.02％。

上述埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂的制备方法包括以下步骤：

(2)将步骤(1)得到的均匀混合粉末焊剂固体炉料在还原性气氛的电弧炉中进行熔炼，熔炼温度为1400～1600℃，并保温30min；

(4)将步骤(3)所得棕红色至深红色的玻璃态颗粒的半成品置于200～300℃干燥箱内保温2h，将水式粒化的焊剂烘干以除去水分，将干燥后的棕红色至深红色的玻璃态半成品破碎到粒度为2.5～0.45mm范围内，即得所需的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂。

性能测试时，将所得焊剂配合H08A焊丝对12MnNiVR结构钢进行焊接。

实施例1～6和比较例1中的所添加各组分的物质种类、用量等参数以及焊剂性能测试结果如表1和表2所示。

表2中，焊剂各项性能的测试按国家相关标准GB/T5293-1999中F4A2-HO8A方法进行。

由表1和表2可以看出：

(1)HJ431Y耗用的锰矿原料比HJ431降低20％以上，较大节约了高品位的锰矿资源；而且将焊剂生产入炉制备焊剂的入炉锰矿品位从30度以上降到24度，品位降低了6个百分点，这样就可以利用一些劣质锰矿作材料，节约了一定量的高品位锰矿石原料；

(2)降低了成品焊剂中的有毒有害元素：其中焊剂中的有效组成成分CaO从6％降至1.5％，S从≤0.06降至≤0.02％，P从≤0.08降至≤0.02％，S和P属杂质元素，一部分来源属原材料，另一方面来源于熔炼生产过程分解反应聚排放所致，由于本发明焊剂中的CaO含量低，对硫和磷的控制起到了有效控制，制备过程中有效降低了有毒有害气体排放；

(3)本发明的焊剂射线检测无缺陷，焊缝金属强度高，通过配方各组分之间的配合，使得本发明焊剂各种质量技术指标均能达到GB/T5293-1999中F4A2-HO8A的有关规定，通过对比HJ431Y和HJ431的力学性能检测可以看出本发明焊剂低温韧性指标尤为突出，主要原因是MnO与SiO₂结合形成良好的焊缝并有助于提高强度与低温冲击韧性。

除此之外，本发明焊剂兼具脱渣性能良好，焊缝表面光滑，成型美观，不吸潮等优点，总体解决了传统产品中存在的成本高、能耗大、污染重、性能不稳定、储存不方便等问题，采用该焊剂配合H08A、H10MnSi等焊丝，能够有效应用于低碳钢及低合金结构钢中的焊接，如锅炉、船舶、压力容器及电渣压力焊及铜的焊接。

本发明不局限于上述具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

表1 比较例和实施例中焊剂的配方

表2 比较例和实施例中焊剂的测试结果

Claims

1.一种埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂，其特征在于，由以下有效组成成分及其质量百分数组成：SiO₂ 40～44％、MnO 30～32％、Al₂O₃ 8～12％、CaF₂ 6～8％、MgO 5～8％、CaO1～3％、FeO 1.5～2.0％、S≤0.02％、P≤0.02％。

2.如权利要求1所述的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂，其特征在于：所述埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂各成分的质量百分数组成为：SiO₂ 42％、MnO 31％、Al₂O₃ 10％、CaF₂7％、MgO 6.7％、CaO 1.5％、FeO≤1.8％、S≤0.02％、P≤0.02％。

3.一种如权利要求1～2中任一权利要求所述的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述熔炼温度为1400～1600℃，所述保温时间为30min。

5.如权利要求3所述的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述干燥温度为200～300℃，所述保温时间为2h。

6.一种如权利要求1～2中任一权利要求所述的埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂的应用，其特征在于：所述埋弧焊高锰高硅低氟熔炼型焊剂在焊接低碳钢及低合金结构钢中的应用。