CN112475665A - 一种用于e911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条及其制备方法。本发明属于焊接材料技术领域。本发明的目的是为保证E911钢高压蒸汽管道焊接焊缝中合金元素分布均匀，保证长期运行力学性能的稳定性。本发明的焊条由焊芯和药皮制备而成，所述药皮由药皮粉料和钾钠水玻璃混合而成，所述药皮粉料按质量份数由方解石20～40份、碳酸钡2～10份、萤石17～28份、石英1～8份、金红石1～7份、纯碱0.5～2份、硅铁1～6份、电解锰1～5份、金属铬粉0.5～5份、中碳铬铁0.5～4份、金属钼粉0.5～4份、铁粉2～15份、铝镁合金0.5～2份、金属钨2～5份和钛硼铁0.5～3份混合而成。方法：将药皮粉料与钾钠水玻璃混合均匀，然后压涂于焊芯上，再依次经过室温晾干、低温烘干和高温烘干，得到焊条。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条及其制备方法。
背景技术
我国国民经济迅猛发展，对能源的需求越来越多，对电力的需求逐年增加，火电行业为了减少有害、温室气体的排放，其发展趋势是采用超超临界燃煤发电技术，以提高高温蒸汽的设计参数，提高火电机组的热效率，其中火电机组的高压蒸汽管道常年在高温高压的条件下工作是机组最为关键的设备之一。E911钢是在9Cr1MoVNb钢的基础上添加1％W，其高温蠕变断裂强度超过TP300系奥氏体不锈钢，具有优良的断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性、可焊性。其耐腐蚀性和抗氧化性与P91钢相当，但高温强度和蠕变性能却优于P91钢。与TP347相比，价格低，热膨胀系数小，热导率高，抗疲劳性能强，焊接性和加工性好，其蒸汽使用温度可达625℃，E911钢具有十分广阔的应用前景，经济效益明显。
随着超超临界机组以及垃圾发电和生物质发电机组的不断建设，E911钢必将因其综合力学性能优良成为高压蒸汽管道的首选材料，目前E911钢母材的力学性能，高温蠕变持久性能及组织稳定性等方面均能满足设计使用要求。为保证高压蒸汽管道焊接焊缝中合金元素分布均匀，保证长期运行力学性能的稳定性，急需开发一种主要合金元素由焊芯过渡的焊条。
发明内容
本发明的目的是为保证E911钢高压蒸汽管道焊接焊缝中合金元素分布均匀，保证长期运行力学性能的稳定性，而提供了一种主要合金元素由焊芯过渡的用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条及其制备方法。
本发明的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条由焊芯和药皮制备而成，所述药皮由药皮粉料和钾钠水玻璃混合而成，所述药皮粉料按质量份数由方解石20～40份、碳酸钡2～10份、萤石17～28份、石英1～8份、金红石1～7份、纯碱0.5～2份、硅铁1～6份、电解锰1～5份、金属铬粉0.5～5份、中碳铬铁0.5～4份、金属钼粉0.5～4份、铁粉2～15份、铝镁合金0.5～2份、金属钨2～5份和钛硼铁0.5～3份混合而成。
进一步限定，所述焊芯的化学成分及质量百分含量为C：0.05％～0.10％、Si≤0.15％、Mn：0.30％～0.60％、S≤0.005％、P≤0.005％、Cr：7.0％～9.0％、Ni≤0.4％、Mo：0.80％～1.0％、Nb：0.02％～0.08％、V：0.15％～0.25％、Cu≤0.10％、Ti≤0.01％、Al≤0.03％～0.06％、O≤0.005％、N：0.025％～0.05％和余量为Fe。
进一步限定，所述药皮与焊芯的质量比为1：(2.0～5.0)。
进一步限定，所述药皮粉料按质量份数由方解石36份、碳酸钡5份、萤石22份、石英2份、金红石7份、纯碱0.5份、硅铁3份、电解锰4份、金属铬粉1.5份、中碳铬铁3份、金属钼粉1.3份、铁粉13份、铝镁合金2份、金属钨4.4份和钛硼铁2份混合而成。
进一步限定，所述药皮粉料与钾钠水玻璃的质量比为100：(15～25)。
进一步限定，所述钾钠水玻璃的钾钠比为3:1，模数为2.9～3.1，浓度为44°Be＇～45°Be＇。
本发明的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条的制备方法按以下步骤进行：
一、按药皮粉料的成分配比称取方解石、碳酸钡、萤石、石英、金红石、纯碱、硅铁、电解锰、金属铬粉、中碳铬铁、金属钼粉、铁粉、铝镁合金、金属钨和钛硼铁，过40目筛后混匀，得到药皮粉料；
二、将药皮粉料与钾钠水玻璃混合均匀，然后压涂于焊芯上，再依次经过室温晾干、低温烘干和高温烘干，得到用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条。
进一步限定，步骤二中所述室温晾干的时间为4h～6h。
进一步限定，步骤二中所述低温烘干温度为140～160℃，时间为8h～12h。
进一步限定，步骤二中所述低温烘干温度为150℃，时间为10h。
进一步限定，步骤二中所述高温烘干温度为350～400℃，时间为1h～3h。
进一步限定，步骤二中所述高温烘干温度为380℃，时间为2h。
本发明相比现有技术的有益效果：
1)本发明的目之一是提供一种主要合金成分由焊芯过渡的碱性超低氢渣系，可实现全位置焊接，用于焊接E911钢的耐热钢焊条，该焊条可操作好，焊接过程稳定，飞溅小，容易脱渣，成型美观，可以实现焊缝金属扩散氢含量达到超低水平，满足使用要求。
2)方解石：主要作用是造渣、造气，能够调节熔渣的熔点、粘度、增大熔渣表面张力和界面张力。
碳酸钡：主要作用是造渣、造气，有利于改善焊缝脱渣。
萤石：主要作用是造渣，适量萤石可以降低液态金属的表面张力、提高其流动性，使得焊缝成型美观，降低焊缝气孔敏感性，能够降低熔敷金属的扩散氢含量。
石英：主要作用是造渣，适量锆石英能够改善脱渣，提高熔点，改善焊条立焊及仰焊性能。
金红石:主要作用是造渣，细化熔滴过渡，使焊缝成型美观，熔渣覆盖好，过量使用会降低焊缝的力学性能。
硅铁：主要作用是脱氧，提高焊缝金属的低温冲击韧性，同时向焊缝过渡必要的Si元素，但是过高会损坏冲击韧性，因此，必须保证在一个适当的范围内。
金属锰：主要作用是脱氧，同时向焊缝过渡必要的Mn元素。
金属铬：主要作用是控制焊缝中主合金元素，以固溶态或者与C元素等形成金属间化合物M23C6等，提高室温、高温强度以及高温抗氧化能力等。
中碳铬铁：主要作用是控制焊缝中铬元素含量和补偿C元素的烧损，使C元素控制在合理区间内，同时具备一定的脱氧作用。
铁粉：主要作用是提高焊条的熔敷效率，同时增强导电性和改善药皮熔化效果。
钼粉：主要作用是控制焊缝中主合金元素含量，以固溶态为主存在于焊缝中，少量与C元素等形成金属间化合物，提高焊缝的室温强度和高温强度等。
碱：用于改善焊条压涂性能。
铝镁合金：主要作用是降低焊缝含氧量，改善焊缝金属的结晶条件，细化晶粒，改善夹杂物的形态、大小和分布，提高焊缝的冲击韧性，氧化放热加速焊条熔化等。
金属钨:主要作用向焊缝过渡合金元素W，增加淬透性，提高焊缝强度。
钛硼铁:主要作用是脱氧，像焊缝中过渡B，增加焊缝的淬透性。
3)本发明的焊条具有优良的焊接操作性能，可实现全位置焊接，焊接过程稳定，药皮熔化均匀，脱渣容易，立焊和仰焊时熔渣托铁水能力强，焊缝成型良好。
4)本发明的焊条熔敷金属纯净度极高，S、P及其他杂质元素含量极低，焊缝金属扩散氢含量小于等于2.5ml/100g(水银法)。
5)本发明的焊条具有良好的综合力学性能，抗拉强度超过700MPa，冲击韧性优良，室温的KV2可以保证稳定大于60J。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，该焊条由焊芯和药皮制备而成，所述药皮由药皮粉料和钾钠水玻璃混合而成，所述药皮粉料按质量份数由方解石20～40份、碳酸钡2～10份、萤石17～28份、石英1～8份、金红石1～7份、纯碱0.5～2份、硅铁1～6份、电解锰1～5份、金属铬粉0.5～5份、中碳铬铁0.5～4份、金属钼粉0.5～4份、铁粉2～15份、铝镁合金0.5～2份、金属钨2～5份和钛硼铁0.5～3份混合而成；所述药皮与焊芯的质量比为1：(2.0～5.0)，所述药皮粉料与钾钠水玻璃的质量比为100：(15～25)，所述钾钠水玻璃的钾钠比为3:1，模数为2.9～3.1，浓度为44°Be＇～45°Be＇，所述药皮粉料指标如表1所示；
所述焊芯的化学成分及质量百分含量为C：0.05％～0.10％、Si≤0.15％、Mn：0.30％～0.60％、S≤0.005％、P≤0.005％、Cr：7.0％～9.0％、Ni≤0.4％、Mo：0.80％～1.0％、Nb：0.02％～0.08％、V：0.15％～0.25％、Cu≤0.10％、Ti≤0.01％、Al≤0.03％～0.06％、O≤0.005％、N：0.025％～0.05％和余量为Fe。
表1药皮粉料指标
| 药粉名称 | 技术要求(％) | 粒度 |
| 方解石 | CaCO3≥97.00，S≤0.030，P≤0.030 | 100目 |
| 碳酸钡 | BaCO<sub>3</sub>≥99％，S≤0.030，P≤0.030 | 120目 |
| 萤石 | CaF<sub>2</sub>≥97.00，SiO<sub>2</sub>≤2.00，S≤0.030，P≤0.030 | 100目 |
| 金红石 | TiO<sub>2</sub>≥99.00，C≤0.05，S≤0.030，P≤0.040 | 200目 |
| 石英 | SiO<sub>2</sub>≥95.00，Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>≤5.00，C≤0.10，S≤0.030，P≤0.030 | 60目 |
| 纯碱 | Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>≥99.3，NaCl≤0.70 | 100目 |
| 45#硅铁 | Si≥40.00，C≤0.05，S≤0.030，P≤0.050 | 50目 |
| 电解锰 | Mn≥99.5，C≤0.04，S≤0.050，P≤0.010 | 50目 |
| 钼粉 | C≤0.051，Mo≥99.5，S+P≤0.025 | 120目 |
| 金属铬粉 | Cr≥99，C≤0.06，S≤0.02，P≤0.01 | 60目 |
| 中碳铬铁 | Cr≥52，C≤10％，S≤0.030，P≤0.030，Si≤5.0 | 50目 |
| 铁粉 | Fe≥98％，C≤0.05，S≤0.020，P≤0.020，Si≤0.15 | 50目 |
| 铝镁合金 | 47≤Al≤53，Mg≥47，Al+Mg≥97.5，Fe≤0.5，Si≤0.2，Cr≤0.02，H<sub>2</sub>O≤0.10 | 120目 |
| 金属钨 | W≥99.9 | 120目 |
| 钛硼铁 | 20.0≤Ti≤30.0，2.0≤B≤4.0，Al≤2.0，Si≤3.0，C≤0.15，S≤0.03，P≤0.03 | 120目 |
实施例1、本实施例的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，该焊条由焊芯和药皮制备而成，所述药皮由药皮粉料和钾钠水玻璃混合而成，所述药皮粉料按质量份数由方解石36份、碳酸钡7份、萤石22份、石英3份、金红石7份、纯碱0.5份、45#硅铁3份、电解锰4份、金属铬粉1.5份、中碳铬铁3份、金属钼粉1.3份、铁粉13份、铝镁合金2份、金属钨4.4份和钛硼铁2份混合而成；
所述焊芯的化学成分及质量百分含量为C：0.07％、Si:0.1％、Mn：0.35％、S：0.002％、P：0.003％、Cr：8.0％、Ni：0.3％、Mo：0.85％、Nb：0.06％、V：0.2％、Cu：0.03％、Ti：0.005％、Al：0.04％、O≤0.002％、N：0.03％和余量为Fe；
所述药皮与焊芯的质量比为1：2.5；
所述药皮粉料与钾钠水玻璃的质量比为100：20，所述钾钠水玻璃的钾钠比为3:1，模数为3.0，浓度为44°Be＇。
本实施例的焊条熔敷金属化学成分如表2所示。
表2焊条熔敷金属化学成分(Wt％)
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo | Cu | W | V | Nb | N | Al | B |
| 0.09 | 0.20 | 0.78 | 0.002 | 0.004 | 8.89 | 0.28 | 1.02 | 0.03 | 1.01 | 0.19 | 0.04 | 0.032 | 0.005 | 0.002 |
制备实施例1所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条的方法按以下步骤进行：
一、按药皮粉料的成分配比称取方解石、碳酸钡、萤石、石英、金红石、纯碱、硅铁、电解锰、金属铬粉、中碳铬铁、金属钼粉、铁粉、铝镁合金、金属钨和钛硼铁，过40目筛后混匀，得到药皮粉料；
二、将药皮粉料与钾钠水玻璃混合均匀，然后压涂于焊芯上，室温晾干5h、150℃下低温烘干10h、380℃下高温烘干2h，得到用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条。
本实施例的焊条熔敷金属力学性能如表3所示，焊缝金属采用水银法测量扩散氢含量结果如表4所示。
表3焊条熔敷金属力学性能
| 焊后热处理状态 | 试验状态 | Rm(MPa) | Rp0.2(MPa) | A5(％) | KV<sub>2</sub>(J)(室温) |
| 740℃×6h | 室温 | 770 | 685 | 19 | 71 |
| 750℃×4h | 室温 | 750 | 660 | 20 | 77 |
| 760℃×4h | 室温 | 715 | 630 | 22 | 92 |
表4焊缝金属采用水银法测量扩散氢含量
实施例2、本实施例的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，该焊条由焊芯和药皮制备而成，所述药皮由药皮粉料和钾钠水玻璃混合而成，所述药皮粉料按质量份数由方解石38份、碳酸钡5份、萤石24份、石英4份、金红石6份、纯碱1份、45#硅铁3.2份、电解锰3.5份、金属铬粉1.8份、中碳铬铁2.8份、金属钼粉1份、铁粉10份、铝镁合金1.5份、金属钨4.8份和钛硼铁1份混合而成；
所述焊芯的化学成分及质量百分含量为C：0.07％、Si:0.1％、Mn：0.35％、S：0.002％、P：0.003％、Cr：8.0％、Ni：0.3％、Mo：0.85％、Nb：0.06％、V：0.2％、Cu：0.03％、Ti：0.005％、Al：0.04％、O≤0.002％、N：0.03％和余量为Fe；
所述药皮与焊芯的质量比为1：3；
所述药皮粉料与钾钠水玻璃的质量比为100：20，所述钾钠水玻璃的钾钠比为3:1，模数为3.0，浓度为44°Be＇。
本实施例的焊条熔敷金属化学成分如表5所示。
表5焊条熔敷金属化学成分(Wt％)
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo | Cu | W | V | Nb | N | Al | B |
| 0.08 | 0.24 | 0.70 | 0.003 | 0.004 | 9.02 | 0.29 | 0.97 | 0.03 | 1.08 | 0.18 | 0.04 | 0.034 | 0.004 | 0.001 |
制备实施例2所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条的方法按以下步骤进行：
一、按药皮粉料的成分配比称取方解石、碳酸钡、萤石、石英、金红石、纯碱、硅铁、电解锰、金属铬粉、中碳铬铁、金属钼粉、铁粉、铝镁合金、金属钨和钛硼铁，过40目筛后混匀，得到药皮粉料；
二、将药皮粉料与钾钠水玻璃混合均匀，然后压涂于焊芯上，室温晾干5h、150℃下低温烘干10h、380℃下高温烘干2h，得到用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条。
本实施例的焊条熔敷金属力学性能如表6所示，焊缝金属采用水银法测量扩散氢含量结果如表7所示。
表6焊条熔敷金属力学性能
| 焊后热处理状态 | 试验状态 | Rm(MPa) | Rp0.2(MPa) | A5(％) | KV<sub>2</sub>(J)(室温) |
| 740℃×6h | 室温 | 760 | 685 | 20 | 72 |
| 750℃×4h | 室温 | 745 | 665 | 21 | 84 |
| 760℃×4h | 室温 | 725 | 635 | 22 | 96 |
表7焊缝金属采用水银法测量扩散氢含量
实施例3、本实施例的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，该焊条由焊芯和药皮制备而成，所述药皮由药皮粉料和钾钠水玻璃混合而成，所述药皮粉料按质量份数由方解石34份、碳酸钡8份、萤石26份、石英5份、金红石4份、纯碱1份、45#硅铁3.5份、电解锰3.0份、金属铬粉1.6份、中碳铬铁3份、金属钼粉1.2份、铁粉15份、铝镁合金2份、金属钨4.0份和钛硼铁1.5份混合而成；
所述焊芯的化学成分及质量百分含量为C：0.07％、Si:0.1％、Mn：0.35％、S：0.002％、P：0.003％、Cr：8.0％、Ni：0.3％、Mo：0.85％、Nb：0.06％、V：0.2％、Cu：0.03％、Ti：0.005％、Al：0.04％、O≤0.002％、N：0.03％和余量为Fe；
所述药皮与焊芯的质量比为1：4.5；
所述药皮粉料与钾钠水玻璃的质量比为100：20，所述钾钠水玻璃的钾钠比为3:1，模数为3.0，浓度为44°Be＇。
本实施例的焊条熔敷金属化学成分如表8所示。
表8焊条熔敷金属化学成分(Wt％)
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo | Cu | W | V | Nb | N | Al | B |
| 0.09 | 0.26 | 0.68 | 0.003 | 0.005 | 8.98 | 0.29 | 1.01 | 0.03 | 0.95 | 0.19 | 0.04 | 0.035 | 0.005 | 0.002 |
制备实施例3所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条的方法按以下步骤进行：
一、按药皮粉料的成分配比称取方解石、碳酸钡、萤石、石英、金红石、纯碱、硅铁、电解锰、金属铬粉、中碳铬铁、金属钼粉、铁粉、铝镁合金、金属钨和钛硼铁，过40目筛后混匀，得到药皮粉料；
二、将药皮粉料与钾钠水玻璃混合均匀，然后压涂于焊芯上，室温晾干5h、150℃下低温烘干10h、380℃下高温烘干2h，得到用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条。
本实施例的焊条熔敷金属力学性能如表9所示，焊缝金属采用水银法测量扩散氢含量结果如表10所示。
表9焊条熔敷金属力学性能
| 焊后热处理状态 | 试验状态 | Rm(MPa) | Rp0.2(MPa) | A5(％) | KV<sub>2</sub>(J)(室温) |
| 740℃×6h | 室温 | 780 | 690 | 18 | 70 |
| 750℃×4h | 室温 | 755 | 660 | 19 | 78 |
| 760℃×4h | 室温 | 730 | 645 | 20 | 87 |
表10焊缝金属采用水银法测量扩散氢含量
Claims (10)
1.一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，该焊条由焊芯和药皮制备而成，所述药皮由药皮粉料和钾钠水玻璃混合而成，所述药皮粉料按质量份数由方解石20～40份、碳酸钡2～10份、萤石17～28份、石英1～8份、金红石1～7份、纯碱0.5～2份、硅铁1～6份、电解锰1～5份、金属铬粉0.5～5份、中碳铬铁0.5～4份、金属钼粉0.5～4份、铁粉2～15份、铝镁合金0.5～2份、金属钨2～5份和钛硼铁0.5～3份混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，所述焊芯的化学成分及质量百分含量为C：0.05％～0.10％、Si≤0.15％、Mn：0.30％～0.60％、S≤0.005％、P≤0.005％、Cr：7.0％～9.0％、Ni≤0.4％、Mo：0.80％～1.0％、Nb：0.02％～0.08％、V：0.15％～0.25％、Cu≤0.10％、Ti≤0.01％、Al≤0.03％～0.06％、O≤0.005％、N：0.025％～0.05％和余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，所述药皮与焊芯的质量比为1：(2.0～5.0)。
4.根据权利要求1所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，所述药皮粉料按质量份数由方解石36份、碳酸钡5份、萤石22份、石英2份、金红石7份、纯碱0.5份、硅铁3份、电解锰4份、金属铬粉1.5份、中碳铬铁3份、金属钼粉1.3份、铁粉13份、铝镁合金2份、金属钨4.4份和钛硼铁2份混合而成。
5.根据权利要求1所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，所述药皮粉料与钾钠水玻璃的质量比为100：(15～25)。
6.根据权利要求1所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条，其特征在于，所述钾钠水玻璃的钾钠比为3:1，模数为2.9～3.1，浓度为44°Be＇～45°Be＇。
7.如权利要求1～6任意一项权利要求所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：
一、按药皮粉料的成分配比称取方解石、碳酸钡、萤石、石英、金红石、纯碱、硅铁、电解锰、金属铬粉、中碳铬铁、金属钼粉、铁粉、铝镁合金、金属钨和钛硼铁，过40目筛后混匀，得到药皮粉料；
二、将药皮粉料与钾钠水玻璃混合均匀，然后压涂于焊芯上，再依次经过室温晾干、低温烘干和高温烘干，得到用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条。
8.根据权利要求1所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条的制备方法，其特征在于，步骤二中所述室温晾干的时间为4h～6h。
9.根据权利要求1所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条的制备方法，其特征在于，步骤二中所述低温烘干温度为140～160℃，时间为8h～12h。
10.根据权利要求1所述的一种用于E911钢制高压蒸汽管道焊接的专用超低氢焊条的制备方法，其特征在于，步骤二中所述高温烘干温度为350～400℃，时间为1h～3h。
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