CN109570824A

CN109570824A - 高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条及制备方法

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Publication number: CN109570824A
Application number: CN201811317895.6A
Authority: CN
Inventors: 徐晓龙; 刘奇望; 袁宁; 李欣雨; 明廷泽; 蒋勇; 范银东; 张洁
Original assignee: SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Current assignee: SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: CN109570824B

Abstract

本发明公开了一种高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，由镍铬钼铜铁合金焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，该药皮组成和含量为：金红石粉7～13重量份、大理石粉4～8重量份、萤石粉1.0～4.0重量份、云母粉1.5‑4.0重量份、钾长石粉1.5‑3.0重量份、电解锰2～3重量份、铌粉0.25～0.6重量份、金属铬粉1.0‑2.0重量份、钼铁粉0.2‑0.6重量份、纯碱0.1‑0.5重量份和海藻酸钠0.1～0.5重量份。与现有的相比，本发明焊条熔敷金属力学性能优异，抗热裂纹能力强，耐晶间腐蚀性能优良。

Description

高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条及制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条及其生产方法。

背景技术

炼油厂催化裂化装置产生的再生烟气包含大量的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)及催化剂粉尘，减少烟气SO2、NOx及催化剂粉尘排放的有效方法是采用烟气脱硫脱硝工艺技术，烟气洗涤塔是该技术的关键设备。烟气洗涤塔的入口温度约200℃，高温烟气与急冷雾化水结合形成硫酸、硝酸，在洗涤塔的入口段与烟气分配器挡板最容易出现酸腐蚀的干湿界面，腐蚀和磨损情况十分严重。Alloy20合金性能满足以上腐蚀环境且价格相对低廉，是合理的选择。此外，由于该材料对氧化性和中等还原性酸有优异的抗应力腐蚀开裂能力和耐局部腐蚀能力，尤其是耐热硫酸腐蚀性能非常优良，而且比镍基材料成本低，还在化工、食品、医药以及塑料工业等领域有广泛应用。

Alloy20合金组织为纯奥氏体，Ni元素质量分数为32％-38％，Cu元素质量分数为3％-4％，焊接热裂纹敏感性高，熔合区的显微偏析以及碳化铬在热影响区的析出敏化严重，在焊接过程中易出现焊接热裂纹、晶间腐蚀。目前Alloy20合金焊接多采用ENiCrMo-3焊条，焊材Ni元素含量高于50％，价格昂贵，而且母材与熔敷金属Ni、Cu、Mo元素含量差别较大，浓度梯度会引起熔合线处元素扩散，组织与性能发生变化，为此专门研制了一种与Alloy20合金成分匹配的同质焊材,研制的焊条熔敷金属力学性能优异，抗热裂纹能力强，耐晶间腐蚀性能优良。

发明内容

本发明的目的之一就在于提供一种与Alloy20合金成分、性能匹配的同质焊条及其生产方法，可用于烟气洗涤塔设备以及输送硫酸的管道等工程领域。焊条熔敷金属理化性能指标达到设计要求，抗热裂纹能力强，耐晶间腐蚀性能优良，实现国产化独立研究开发。本发明焊条全位置焊接时工艺性能优良，熔敷金属在焊态下的化学成分、微观组织、射线检测、拉伸性能(室温Rm≥550Mpa、A≥28％)、晶间腐蚀试验均满足石油化工行业的特殊要求，且具有优良的-196℃低温冲击韧性、较高的抗热裂纹能力。

技术方案是：一种高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，由镍铬钼铜铁合金焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，该药皮组成和含量为：金红石粉7～13重量份、大理石粉4～8重量份、萤石粉1.0～4.0重量份、云母粉1.5-4.0重量份、钾长石粉1.5-3.0重量份、电解锰2～3重量份、铌粉0.25～0.6重量份、金属铬粉1.0-2.0重量份、钼铁粉0.2-0.6重量份、纯碱0.1-0.5重量份和海藻酸钠0.1～0.5重量份。

作为优选，所述金红石粉8～12重量份、大理石粉5～7重量份、萤石粉1.5～3.0重量份、云母粉2-3.6重量份、钾长石粉2.2-2.8重量份、电解锰2.4～2.8重量份、铌粉0.3～0.5重量份、金属铬粉1.3-1.8重量份、钼铁粉0.35-0.55重量份、纯碱0.3-0.4重量份和海藻酸钠0.2～0.3重量份。

作为优选，所述药皮重量为镍铬钼铜铁合金焊芯重量的25-35％。

作为优选，所述金红石中TiO₂含量≥93％，大理石中CaCO₃含量≥98％，萤石粉中CaF₂含量≥95％，云母粉中SiO₂含量≥50％，Al₂O₃含量≥30％，钾长石中SiO₂含量≥55％，Al₂O₃含量≥12％，K₂O+Na₂O含量≥16％，电解锰中Mn含量≥99.5％，铌粉中Nb含量≥99.5％，金属铬中Cr含量≥96％，钼铁中Mo含量≥50％，纯碱中Na₂CO₃含量≥98.5％，海藻酸钠中灰份20～30％，Na₂O含量：9.5～13.0％。

作为优选，所述金红石中TiO₂含量94wt％，大理石中CaCO₃含量98.50wt％，萤石粉中CaF₂含量97.3wt％，云母粉中SiO₂含量55wt％，Al₂O₃含量32.5wt％，钾长石中SiO₂含量60.8wt％，Al₂O₃含量15.2wt％，K₂O+Na₂O含量19.6wt％，电解锰中Mn含量99.5wt％，铌粉中Nb含量99.75wt％，金属铬中Cr含量98wt％，钼铁中Mo含量55wt％，纯碱中Na₂CO₃含量98.5wt％，海藻酸钠中Na₂O含量11.5wt％。

作为优选，所述焊芯成分为：C≤0.04wt％、Mn 1.0-3.0wt％、Si≤0.50wt％、Cr18.5-22.0wt％、Ni 32.0-38.0wt％、Nb与Ta之和0.10-0.40wt％、Cu 3.0-4.0wt％、Mo 2.0-3.0wt％、S≤0.008wt％、P≤0.010wt％、Sn≤0.008wt％、Sb≤0.008wt％、As≤0.008wt％，余量为Fe及必不可少的杂质。

作为优选，所述C 0.03％、Mn 2.35％、Si 0.25％、Cr 20.55％、Ni 34.02％、Nb与Ta之和0.28％、Cu 3.58％、Mo 2.81％、S 0.002％、P 0.002％、Sn 0.007％、Sb 0.004％、As0.006％，余量为Fe及必不可少的杂质。

作为优选，所述金红石粉12重量份、大理石粉5.0重量份、萤石粉1.5重量份、云母粉3.6重量份、钾长石粉2.8重量份、电解锰2.8重量份、铌粉0.5重量份、金属铬粉1.3重量份、钼铁粉0.35重量份、纯碱0.3重量份和海藻酸钠0.2重量份；或

所述金红石粉8重量份、大理石粉6.5重量份、萤石粉3重量份、云母粉3.6重量份、钾长石粉2.5重量份、电解锰2.4重量份、铌粉0.3重量份、金属铬粉1.8重量份、钼铁粉0.45重量份、纯碱0.3重量份和海藻酸钠0.2重量份；或

所述金红石粉8重量份、大理石粉7重量份、萤石粉3重量份、云母粉2.0重量份、钾长石粉2.2重量份、电解锰2.8重量份、铌粉0.3重量份、金属铬粉1.8重量份、钼铁粉0.55重量份、纯碱0.3重量份和海藻酸钠0.2重量份。

本发明的目的之二在于提供一种高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条的制备方法。

技术方案是：一种高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条的制备方法，包括以下步骤：

①将药皮粉料经双S拌粉机搅拌混合均匀；

②加入药皮粉料总成分质量18-25％的粘结剂搅拌混合均匀，继续搅拌15-30分钟，送入压条机内将其裹覆于焊芯上，所述粘结剂浓度为43°～44°钾钠水玻璃；

③再经低温和高温烘焙，所述低温烘焙的温度为80-100℃；高温烘焙的温度为250-300℃。

本发明的目的之三在于提供一种高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢的焊接方法。

技术方案是：一种高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢的焊接方法，该焊接方法采用上述焊条焊接所述高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢。

为便于理解发明内容，特将本发明中药皮原料各成分的主要作用说明如下：

金红石粉：造渣，调节熔渣的熔点、粘度、表面张力等物理参数，改善焊缝成形，减小飞溅，稳定电弧。在本发明中加入金红石粉，对电弧稳定性起关键作用。

大理石粉：焊条制造中常用的造渣、造气剂，在电弧热的作用下分解成CaO和CO₂，能够提高熔渣的碱度，增大熔渣与金属表面的表面张力和界面张力，具有较好的脱硫能力；同时分解的CO₂能降低电弧气氛中的氢分压，减少焊缝金属中氢含量，防止空气中的氮侵入电弧中。

萤石粉：主要作用是调整熔渣的熔点和粘度，增加熔渣流动性，活化熔池，改善熔渣的物理性能，对脱渣和焊缝成形起关键作用，同时也是降低焊缝扩散氢的主要原材料。

云母粉：主要作用是造渣、调整熔渣的物理性能、改善焊条压涂性能、提高药皮透气性，利于焊条水分排出，防止药皮开裂。由于云母中含有一定量的K元素，也有利于改善焊接电弧的稳定性。

钾长石：造渣剂、稳弧剂，可显著提高焊条的再引弧性能。由于含有较高的SiO₂,还具有细化熔滴、提高焊条熔化速度的作用。

电解锰：加入电解锰，不仅可以向焊缝金属中过渡锰元素，促进奥氏体形成，稳定奥氏体组织，还可与硫结合形成稳定的硫化锰(MnS)起到脱硫作用，降低焊缝金属的热裂纹敏感性，另外它也是常用的脱氧剂。

铌粉：合金剂，可向焊缝金属过渡铌元素，铌与碳形成稳定的碳化铌(NbC),提高材料的耐晶间腐蚀能力，为了使碳原子和铌完全结合，铌的含量在化学量上至少是碳含量的8倍。

金属铬：合金剂，可向焊缝金属过渡铬元素，是一种很强的碳化物生成元素，同时可提高焊缝金属的强度。

钼铁：合金剂，可向焊缝金属过渡钼元素，其主要作用是改进焊缝金属的耐腐蚀性能，尤其是耐点蚀和缝隙腐蚀能力，另外还可提高焊缝金属的强度和抗热裂纹能力。

纯碱：在焊条压涂过程中作为润滑剂。

海藻酸钠：加入海藻酸钠是为了增加焊条的压涂性，同时还可起到稳弧的作用。

发明原理及有益效果：

本发明保护的电焊条通过上述镍铬钼铜铁合金焊芯与药皮的焊接冶金反应，焊接时药皮不易发红开裂、脱渣性能好、焊接电弧稳定、熔池粘度适中，全位置焊接工艺性能优良；熔敷金属化学成分、微观组织、射线检测、拉伸性能、冲击性能(室温、-196℃)、晶间腐蚀试验均满足石油化工行业的特殊要求，且具有较高的抗热裂纹能力。熔敷金属在焊态下为纯奥氏体组织，室温抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp_0.2)、延伸率(A)优良，化学成分亦满足ASME标准E320熔敷金属化学成分要求。

该铁镍基纯奥氏体不锈钢焊条特别适用于焊接烟气洗涤塔以及输送硫酸的管道等工程设备部件，匹配化工、食品、医药以及塑料工业等领域使用的Alloy20、Carpenter20Cb合金对接及其与不锈钢类异种材料的焊接。

定义及解释

％-如无特别说明，该符号为质量百分比。

如无特别说明，本发明中采用的物品均为市售产品。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

取镍铬钼铜铁合金焊芯100kg，镍铬钼铜铁合金焊芯成分为(wt％)：C 0.03％、Mn2.35％、Si 0.25％、Cr 20.55％、Ni 34.02％、Nb与Ta之和0.28％、Cu 3.58％、Mo 2.81％、S0.002％、P 0.002％、Sn 0.007％、Sb 0.004％、As 0.006％，余量为Fe及必不可少的杂质。

取药皮，药皮中各成分重量如下：含TiO₂94wt％的金红石粉12kg；含CaCO₃98.50wt％的大理石粉5.0kg；含CaF₂97.3wt％的萤石粉1.5kg；含SiO₂55wt％、Al₂O₃32.5wt％的云母粉3.6kg；含SiO₂60.8wt％、Al₂O₃15.2wt％、K₂O+Na₂O 19.6wt％的钾长石粉2.8kg；含Mn 99.5wt％的电解锰2.8kg；含Nb 99.75wt％的铌粉0.5kg；含Cr 98wt％的金属铬粉1.3kg；含Mo 55wt％的钼铁粉0.35kg；含Na₂CO₃98.5wt％的纯碱0.3kg；含Na₂O11.5wt％的海藻酸钠0.2kg。

上述粉料经双S拌粉机搅拌、混合均匀后，加入浓度为43°～44°的钾钠水玻璃7.28kg继续搅拌25分钟，待混合均匀后，将药粉送入压条机内，将其包裹于焊芯上，再经90℃低温烘焙6小时、300℃高温烘焙2小时，获得高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条1。

将所得的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条1进行焊接实验(焊接母材为Alloy20合金)，脱渣良好、焊道高度适中、焊缝成形美观、电弧稳定、飞溅小，全位置焊接性能优良；其熔敷金属成分为：C：0.049％、Mn：2.09％、Si：0.50％、S：0.008％、P：0.005％、Cr：20.02％、Ni：33.50％、Mo：2.47％、Cu：3.40％、Nb+Ta：0.41％、余量为Fe；X射线检测合格；熔敷金属室温力学性能：Rm＝568Mpa、Rp_0.2＝372Mpa、A＝36％，室温冲击平均值112J、-196℃冲击平均值达90J；在硫酸-硫酸铜溶液中煮沸16小时后，试样弯曲180°，未发现晶间腐蚀裂纹；采用压板对接焊接裂纹试验方法，裂纹率C_F＝0.6。

实施例2

本实施例焊条除药皮中各成分重量不同外，其余与实施例1均相同。

本实施例中药皮中各成分重量如下：含TiO₂94wt％的金红石粉8kg；含CaCO₃98.50wt％的大理石粉6.5kg；含CaF₂97.3wt％的萤石粉3kg；含SiO₂55wt％、Al₂O₃ 32.5wt％的云母粉3.6kg；含SiO₂60.8wt％、Al₂O₃15.2wt％、K₂O+Na₂O 19.6wt％的钾长石粉2.5kg；含Mn 99.5wt％的电解锰2.4kg；含Nb 99.75wt％的铌粉0.3kg；含Cr 98wt％的金属铬粉1.8kg；含Mo 55wt％的钼铁粉0.45kg；含Na₂CO₃98.5wt％的纯碱0.3kg；含Na₂O 11.5wt％的海藻酸钠0.2kg；

将所得的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条2进行焊接实验(焊接母材为烟气洗涤塔设备)，脱渣良好、焊道高度适中、焊缝成形美观、电弧稳定、飞溅小，全位置焊接性能优良；其熔敷金属成分：C：0.040％、Mn：1.88％、Si：0.39％、S：0.006％、P：0.005％、Cr：20.26％、Ni：33.46％、Mo：2.58％、Cu：3.38％、Nb+Ta：0.43％、余量为Fe；X射线检测合格；熔敷金属室温力学性能：Rm＝580Mpa、Rp_0.2＝385Mpa、A＝40％，室温冲击平均值120J、-196℃冲击平均值达98J；在硫酸-硫酸铜溶液中煮沸16小时后，试样弯曲180°，未发现晶间腐蚀裂纹；采用压板对接焊接裂纹试验方法，裂纹率C_F＝0.38。

实施例3

本实施例中药皮中各成分重量如下：含TiO₂94wt％的金红石粉8kg；含CaCO₃98.50wt％的大理石粉7kg；含CaF₂97.3wt％的萤石粉3kg；含SiO₂55wt％、Al₂O₃ 32.5wt％的云母粉2.0kg；含SiO₂60.8wt％、Al₂O₃15.2wt％、K₂O+Na₂O 19.6wt％的钾长石粉2.2kg；含Mn99.5wt％的电解锰2.8kg；含Nb 99.75wt％的铌粉0.3kg；含Cr 98wt％的金属铬粉1.8kg；含Mo 55wt％的钼铁粉0.55kg；含Na₂CO₃98.5wt％的纯碱0.3kg；含Na₂O 11.5wt％的海藻酸钠0.2kg；

将所得的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条3进行焊接实验(焊接母材为输送硫酸的管道)，脱渣良好、焊道高度适中、焊缝成形美观、电弧稳定、飞溅小，全位置焊接性能优良；其熔敷金属成分为：C：0.052％、Mn：2.22％、Si：0.30％、S：0.006％、P：0.004％、Cr：20.52％、Ni：33.40％、Mo：2.76％、Cu：3.35％、Nb+Ta：0.45％、余量为Fe；X射线检测合格；熔敷金属室温力学性能：Rm＝590Mpa、Rp_0.2＝396Mpa、A＝38％，室温冲击平均值126J、-196℃冲击平均值达105J；在硫酸-硫酸铜溶液中煮沸16小时后，试样弯曲180°，未发现晶间腐蚀裂纹；采用压板对接焊接裂纹试验方法，裂纹率C_F＝0。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，由镍铬钼铜铁合金焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮组成，其特征在于该药皮组成和含量为：金红石粉7～13重量份、大理石粉4～8重量份、萤石粉1.0～4.0重量份、云母粉1.5-4.0重量份、钾长石粉1.5-3.0重量份、电解锰2～3重量份、铌粉0.25～0.6重量份、金属铬粉1.0-2.0重量份、钼铁粉0.2-0.6重量份、纯碱0.1-0.5重量份和海藻酸钠0.1～0.5重量份。

2.根据权利要求1所述的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，其特征在于：所述金红石粉8～12重量份、大理石粉5～7重量份、萤石粉1.5～3.0重量份、云母粉2-3.6重量份、钾长石粉2.2-2.8重量份、电解锰2.4～2.8重量份、铌粉0.3～0.5重量份、金属铬粉1.3-1.8重量份、钼铁粉0.35-0.55重量份、纯碱0.3-0.4重量份和海藻酸钠0.2～0.3重量份。

3.根据权利要求2所述的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，其特征在于：所述药皮重量为镍铬钼铜铁合金焊芯重量的25-35％。

4.根据权利要求1-3任一所述的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，其特征在于：所述金红石中TiO₂含量≥93％，大理石中CaCO₃含量≥98％，萤石粉中CaF₂含量≥95％，云母粉中SiO₂含量≥50％，Al₂O₃含量≥30％，钾长石中SiO₂含量≥55％，Al₂O₃含量≥12％，K₂O+Na₂O含量≥16％，电解锰中Mn含量≥99.5％，铌粉中Nb含量≥99.5％，金属铬中Cr含量≥96％，钼铁中Mo含量≥50％，纯碱中Na₂CO₃含量≥98.5％，海藻酸钠中灰份20～30％，Na₂O含量：9.5～13.0％。

5.根据权利要求4所述的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，其特征在于：所述金红石中TiO₂含量94wt％，大理石中CaCO₃含量98.50wt％，萤石粉中CaF₂含量97.3wt％，云母粉中SiO₂含量55wt％，Al₂O₃含量32.5wt％，钾长石中SiO₂含量60.8wt％，Al₂O₃含量15.2wt％，K₂O+Na₂O含量19.6wt％，电解锰中Mn含量99.5wt％，铌粉中Nb含量99.75wt％，金属铬中Cr含量98wt％，钼铁中Mo含量55wt％，纯碱中Na₂CO₃含量98.5wt％，海藻酸钠中Na₂O含量11.5wt％。

6.根据权利要求1-5任一所述的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，其特征在于所述镍铬钼铜铁合金焊芯成分为：C≤0.04wt％、Mn 1.0-3.0wt％、Si≤0.50wt％、Cr 18.5-22.0wt％、Ni 32.0-38.0wt％、Nb与Ta之和0.10-0.40wt％、Cu 3.0-4.0wt％、Mo 2.0-3.0wt％、S≤0.008wt％、P≤0.010wt％、Sn≤0.008wt％、Sb≤0.008wt％、As≤0.008wt％，余量为Fe及必不可少的杂质。

7.根据权利要求6所述的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，其特征在于：所述C 0.03％、Mn 2.35％、Si 0.25％、Cr 20.55％、Ni 34.02％、Nb与Ta之和0.28％、Cu 3.58％、Mo 2.81％、S 0.002％、P 0.002％、Sn 0.007％、Sb 0.004％、As0.006％，余量为Fe及必不可少的杂质。

8.根据权利要求1-7任一所述的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条，其特征在于：

所述金红石粉12重量份、大理石粉5.0重量份、萤石粉1.5重量份、云母粉3.6重量份、钾长石粉2.8重量份、电解锰2.8重量份、铌粉0.5重量份、金属铬粉1.3重量份、钼铁粉0.35重量份、纯碱0.3重量份和海藻酸钠0.2重量份；或

9.一种权利要求1至8任一权利要求所述的高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢焊条的制备方法，包括以下步骤：

①将药皮粉料经双S拌粉机搅拌混合均匀；

10.一种高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢的焊接方法，该焊接方法采用权利要求1-8任一所述的焊条焊接所述高镍铜含量低热裂纹敏感性的耐硫酸腐蚀纯奥氏体不锈钢。