CN115351462B

CN115351462B - 耐腐蚀压力容器用烧结焊剂及其制备方法

Info

Publication number: CN115351462B
Application number: CN202210810946.9A
Authority: CN
Inventors: 孟钰竣; 杜文利
Original assignee: Baoji Yusheng Welding Material Co ltd
Current assignee: Baoji Yusheng Welding Material Co ltd
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2024-04-12
Anticipated expiration: 2042-07-11
Also published as: CN115351462A

Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂及其制备方法，烧结焊剂的渣系由MgO、α‑Al₂O₃、CaO组成，MgO、CaO通过MgCO₃+Ca(OH)₂加热分解得到，原料按照质量份数包括以下组分：MgCO₃ 10～18份，α‑Al₂O₃ 30～40份，Ca(OH)₂ 10～20份，CaF₂ 20～27份，SiO₂ 2～5份，MgCl₂ 10～13份，K₂O 3～6份，TiO₂ 5～8份，ZrO₂ 10～15份，MnO 3～7份，Cr₂O₃ 1～5份，冶金反应催化剂1～4份，合金剂5～10份。本发明焊剂在大线能量热输入情况下，能够提供良好造渣，有效保护焊丝熔化，保护焊缝脱氧，保证焊缝良好工艺性能。

Description

耐腐蚀压力容器用烧结焊剂及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂及其制备方法。

背景技术

埋弧烧结焊剂在焊接领域的用途越来越广泛，最主要的优点是：(1)提高了焊接效率。埋弧焊接比手工焊接和气体保护焊接的效率高了至少百分之三十。(2)埋弧焊接用埋弧焊剂在电弧作用下造渣，同时进行脱氧反应，保护焊缝组织不氧化。(3)烧结焊剂在埋弧焊接中不仅埋弧保护焊丝熔滴，同时向焊缝中过渡焊缝金属，从而提高焊缝的机械性能和抗腐蚀性能。

埋弧焊接在进行压力容器焊接时，焊接母材厚度一般都是20mm以上，需要大的热输入才能保证足够的熔深，但是大的热输入会造成烧结焊剂反应剧烈，造成埋弧失效，焊缝表面氧化、恶化。埋弧焊接在进行压力容器焊接，焊缝组织也需要耐腐蚀，耐腐蚀焊缝必须保证焊缝组织严格的各种金属元素的含量。而在大的线输入下，很容易造成焊缝组织中金属元素的缺少或者超标。既要保证埋弧焊接过程中焊缝良好的工艺性能，确保焊接效率，同时也要保证焊缝组织的抗裂性能、抗拉性能、耐高温蠕变、焊缝组织高温下耐腐蚀性能；亟需提出一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂及其制备方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂，在大线能量热输入的情况下，能够提供良好的造渣，有效的保护焊丝熔化，保护焊缝脱氧，保证焊缝良好的工艺性能，同时保证了焊缝中合金元素的含量，满足耐腐蚀要求，焊缝内部组织更加纯净，具有低温冲击韧性和高温下的抗拉性能，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂的制备方法，操作简单，生产工艺符合环保要求，适合大批量生产。

本发明所采用的技术方案是，一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂，所述烧结焊剂的渣系由MgO、α-Al₂O₃、CaO组成的镁铝型渣系，其中，MgO、CaO通过原料MgCO₃+Ca(OH)₂加热分解得到，原料按照质量份数包括以下组分：MgCO₃ 10～18份，α-Al₂O₃ 30～40份，Ca(OH)₂ 10～20份，CaF₂ 20～27份，SiO₂ 2～5份，MgCl₂ 10～13份，K₂O 3～6份，TiO₂ 5～8份，ZrO₂ 10～15份，MnO 3～7份，Cr₂O₃ 1～5份，冶金反应催化剂1～4份，合金剂5～10份。

进一步的，所述冶金反应催化剂按照质量份数包括以下组分：K₃AlF₆10～20份、C11A7.CaF₂ 25～35份、Na₂SiF₆ 20～30份、Na₆AlF₆15～25份、CaSi+MgSi 1～3份。

进一步的，所述冶金反应催化剂占烧结焊剂总质量的2％。

进一步的，所述合金剂包括铬铁粉、镍铁粉，铬铁粉占烧结焊剂总质量的2％～4％，镍铁粉占烧结焊剂总质量的3％～6％。

一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂的制备方法，具体按照以下步骤进行：

S1，按照比例称取MgCO₃、α-Al₂O₃、Ca(OH)₂、CaF₂、SiO₂、MgCl₂、K₂O、TiO₂、ZrO₂、MnO、Cr₂O₃、冶金反应催化剂、合金剂，混合搅拌8～12min，然后加入钾水

玻璃水继续搅拌4～7min；

S2，将搅拌好的物料进行圆盘制粒，制粒机旋转速度15～21转/min；

S3，将制好的粒子进行烘干，烘干温度为300～350℃，烘干时间为40～50min；

S4，将烘干完毕的物料进行烧结，烧结温度880～920℃，烧结时间为65～75min；

S5，将烧结完毕的物料自然风冷；

S6，将经过冷却后的物料进行筛分，即得。

进一步的，所述步骤S5中，自然风冷的时间为60～80min。

进一步的，所述步骤S6中，筛分为10目和50目，大于10目的物料小于2％，小于50目的物料小于4％。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的耐高温耐腐蚀压力容器的烧结焊剂配合JM500HR和JM460焊丝进行埋弧焊接，要求抗腐蚀且承压，抗腐蚀焊缝需要有色金属的良好过渡，焊道表面光亮、平滑，电弧稳定波动小，焊道表面鱼鳞纹很小。

2、本发明的烧结焊剂配合JM500HR和JM460焊丝，焊剂良好的造渣功能，提高焊接工作效率，焊缝中金属过渡优良，能够保证焊缝和母材同等或者高于的抗腐蚀性能。按照部标规定，焊缝中的相关金属元素含量为：Cr 19-21.5,Ni 9-11,Mn 1-2。本发明所进行的熔敷金属焊缝最后的元素含量为：Cr 20.5，Ni,10.3,Mn 1.85，Cr金属通过和C以及Si的结合，生成耐磨金属碳化铬和硅铬合金，提高了焊缝金属的耐磨性，但是耐磨性的提高同时也提高了金属表面硬度，而Ni金属的加入，提高了焊缝金属的抗裂纹性能，同时提高了焊缝金属低温冲击性能。合适的Mn金属含量，提高了焊剂的脱氧性，保证焊缝良好工艺性能。

3、与同类型其它焊接材料相比，本发明的适应面广泛，焊剂制作成本低，烧结温度低，节能环保。

4、在焊接过程中，本发明主体烧结焊剂给焊缝中过渡合金元素，保证焊缝的耐腐蚀性能。本发明主体烧结焊剂在焊接过程中，通过焊剂中相关金属化合物反应机理，有效过渡有益元素，氧化过多元素，从而保证焊缝良好的抗拉强度和冲击韧性以及屈强比，具有低温冲击韧性和高温下的抗拉性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例3制得烧结焊剂的工艺效果图。

图2是本发明实施例4制得烧结焊剂的工艺效果图。

图3是本发明实施例5制得烧结焊剂的工艺效果图。

图4是本发明实施例6制得烧结焊剂在北京钢研现场堆焊工艺效果图。

图5是本发明实施例中D3焊剂对应的焊缝照片。

图6是本发明实施例中D4焊剂对应的焊缝照片。

图7是本发明实施例中D3焊剂对应的焊缝内部组织情况。

图8是本发明实施例中D4焊剂对应的焊缝内部组织情况。

图9是本发明实施例3制得焊剂对应的焊缝照片。

图10是本发明实施例4制得焊剂对应的焊缝照片。

图11是本发明实施例5制得焊剂对应的焊缝照片。

图12是本发明实施例6制得焊剂对应的焊缝照片。

图13是本发明实施例7制得焊剂对应的焊缝照片。

图14是本发明实施例中D1焊剂对应的焊缝照片。

图15是本发明实施例中D2焊剂对应的焊缝照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，

一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂，原料按照质量份数包括以下组分：MgCO₃ 10～18份，α-Al₂O₃ 30～40份，Ca(OH)₂ 10～20份，CaF₂ 20～27份，SiO₂ 2～5份，MgCl₂ 10～13份，K₂O 3～6份，TiO₂ 5～8份，ZrO₂ 10～15份，MnO 3～7份，Cr₂O₃ 1～5份，冶金反应催化剂1～4份，合金剂5～10份。

冶金反应催化剂按照质量份数包括以下组分：K₃AlF₆10～20份，C11A7.CaF₂ 25～35份，Na₂SiF₆ 20～30份，Na₆AlF₆15～25份，CaSi+MgSi 1～3份，这些材料的组合，可以降低熔渣粘度，同起到了很好的浮渣作用，使得焊缝熔池更加纯净，大幅降低了夹渣和气孔。

MgCO₃参加冶金反应化学式为：MgCO₃+Ca(OH)₂→MgO+CaO+CO₂↑+OH^-，渣系属于MgO-Al₂O₃，反应生成CO₂气体以及OH^-，更利于完成造气和焊缝脱氢、脱氧。MgCO₃、α-Al₂O₃、Ca(OH)₂是造渣原材料，恰好的配比，可以满足焊剂造渣的粘度，如果超量，可能造成熔渣粘度高，表面张力过大，熔池内气体难以排除，造成焊缝内部缺陷，量如果太少，难以完成造渣，会导致焊缝难以成形。焊剂熔渣粘度60～80dpa.s，熔池表面张力400×10^-5N/cm。

本发明实施例通过MgO、α-Al₂O₃、氧化钙进行造渣，不仅能够增加熔渣的透气性，而且能够提高渣系的抗锈能力，增强熔池的脱硫能力；α-Al₂O₃能够在熔池液晶反应中产生玻璃体造渣，提高焊缝表面光洁度；渣系熔点比较高，满足耐热钢材料在高温熔池的保温持久。

本发明实施例通过CaF₂和MgCl₂在熔池和其他化合物以及空气中水汽进行反应，产生脱氧造气，CaF₂熔点1360℃，稀释渣系粘度，提高焊剂渣系的合金过渡系数。将CaF₂、MgCl₂用量控制适当，减少了合金元素的氧化，提高了过渡系数，从而保证了焊缝中合金元素的含量，提高了焊缝耐腐蚀的性能。CaF₂过量会造成了焊缝产生麻点，过少了熔渣弧腔气体太小，焊缝表面不好；MgCl₂造渣的同时可以在焊接中起到防焊剂飞溅作用，过多了导致焊缝组织恶化，严重影响性能。

在良好的造渣和碱性渣系中，铬铁粉和镍铁粉的元素有效过渡到焊缝中，焊缝组织细化，焊缝中合金元素满足耐腐蚀要求，通过冶金反应催化剂的作用，焊缝内部组织铁素体量增加，晶粒细化，从而提高了焊缝的抗拉强度和常温韧性，能够满足高温反应条件下的耐压焊缝要求。铬铁粉、镍铁粉是合金、脱氧剂，在焊接反应中起到了组织合金化和焊缝脱氧的作用，过量的加入，会导致焊缝表面工艺性能变差以及焊缝表面硬度超标，加入量过少，会使得焊缝组织脱氧不够，表面产生麻点，焊缝组织机械性能变差。

K₂O、TiO₂、ZrO₂、MnO、Cr₂O₃起辅助造渣作用，同时细化焊缝组织，过量了会导致焊缝氧化，焊缝性能恶化；过少造成焊缝性能低下。

本发明实施例冶金反应催化剂：K₃AlF₆10～20份，C11A7.CaF₂ 25～35份，Na₂SiF₆20～30份，Na₆AlF₆15～25份，CaSi+MgSi 1～3份。冶金反应催化剂的作用降低了焊剂熔点，降低熔渣粘度，使得焊缝内部组织更加纯净，但是过量的加入可导致焊剂渣系粘度过低，合金过渡变差。

实施例2，

玻璃水继续搅拌4～7min；

S5，将烧结完毕的物料自然风冷，冷却时间60～80min；

S6，将经过冷却后的物料进行筛分，筛分为10目和50目，大于10目的物料小于2％，小于50目的物料小于4％，即得。

实施例3，

S1，按照比例称取MgCO₃ 10份、α-Al₂O₃ 40份、Ca(OH)₂ 10份、CaF₂ 20份、SiO₂ 2份、MgCl₂ 10份、K₂O 3份、TiO₂ 5份、ZrO₂ 10份、MnO 3份、Cr₂O₃ 1份、冶金反应催化剂4份、铬铁粉2份、镍铁粉3份，混合搅拌8min，然后加入钾水玻璃水

继续搅拌4min；

S2，将搅拌好的物料进行圆盘制粒，制粒机旋转速度15转/min；

S3，将制好的粒子进行烘干，烘干温度为300℃，烘干时间为50min；

S4，将烘干完毕的物料进行烧结，烧结温度920℃，烧结时间为65min；

S5，将烧结完毕的物料自然风冷，冷却时间60min；

实施例4，

S1，按照比例称取MgCO₃ 18份、α-Al₂O₃ 30份、Ca(OH)₂ 20份、CaF₂ 27份、SiO₂ 5份、MgCl₂ 13份、K₂O 6份、TiO₂ 8份、ZrO₂ 15份、MnO 7份、Cr₂O₃ 5份、冶金反应催化剂1份、铬铁粉4份、镍铁粉6份，混合搅拌12min，然后加入钾水玻璃

水继续搅拌7min；

S2，将搅拌好的物料进行圆盘制粒，制粒机旋转速度21转/min；

S3，将制好的粒子进行烘干，烘干温度为350℃，烘干时间为40min；

S4，将烘干完毕的物料进行烧结，烧结温度880℃，烧结时间为75min；

S5，将烧结完毕的物料自然风冷，冷却时间80min；

实施例5，

S1，按照比例称取MgCO₃ 14份、α-Al₂O₃ 35份、Ca(OH)₂ 15份、CaF₂ 25份、SiO₂ 3份、MgCl₂ 12份、K₂O 5份、TiO₂ 7份、ZrO₂ 12份、MnO 5份、Cr₂O₃ 3份、冶金反应催化剂2份、铬铁粉3份、镍铁粉5份，混合搅拌10min，然后加入钾水玻璃

水继续搅拌5min；

S2，将搅拌好的物料进行圆盘制粒，制粒机旋转速度18转/min；

S3，将制好的粒子进行烘干，烘干温度为330℃，烘干时间为45min；

S4，将烘干完毕的物料进行烧结，烧结温度900℃，烧结时间为70min；

S5，将烧结完毕的物料自然风冷，冷却时间70min；

焊剂最终的检验规定：

1、本发明耐腐蚀压力容器用烧结焊剂的最终检验，通过配合ER318L焊丝使用。

2、焊剂和焊丝熔敷金属焊接，线输入25±3KJ/cm。

3、焊剂焊丝熔敷金属的机械性能应该满足表1所示规范。

表1焊剂检验规范

不同含量的烧结焊剂的化学组成如表2所示，制备步骤与实施例2相同。

表2不同含量的烧结焊剂的化学组成(质量份数)

表2中冲击功(室温)的单位是J，每个实施例中的三个数值为三个取样的冲击功测定结果。

本发明实施例3～7，焊剂配合ER318焊丝进行焊接试验，焊剂表面光滑，脱渣良好，焊缝边缘干净无粘渣，焊剂脱渣为3～5cm长渣，渣壳反面无气孔，工艺性能优良。其中实施例3～5制得的耐腐蚀压力容器用烧结焊剂的工艺效果如图1～3所示，实施例6制得的耐腐蚀压力容器用烧结焊剂在北京钢研所现场堆焊工艺效果如图4所示。实施例3～7的焊缝照片如图9～13所示。

对比例1，

采用实施例3的方法制得焊剂D1；通过普通的Al₂O₃代替α-Al₂O₃，其他组分、制备方法与实施例3相同，制得焊剂D2；试验数据见表3。

表3普通的Al₂O₃与α-Al₂O₃制得焊剂的效果对比

本发明实施例通过α-Al₂O₃代替了普通的Al₂O₃，能够保证焊剂的含硅量比例不能升高，同时α-Al₂O₃的纯度很高，硫磷含量低，保证了有害元素的最低含量。

对比例2，

在原料组分中未加冶金反应催化剂，其他组分、制备方法与实施例5相同，制得焊剂D3；在原料组分中加冶金反应催化剂的质量分数为2％，其他组分、制备方法与实施例5相同，制得焊剂D4；试验数据见表4。

表4是否加入冶金反应催化剂的焊剂效果对比

焊剂编号	配合焊丝	焊接线输入	焊缝工艺情况
				D3	ER318	16KJ/cm	焊缝表面有小麻点，波纹较大，照片如图5所示。
D4	ER318	16KJ/cm	焊缝表面光滑，有细小的波纹，照片如图6所示。

相同放大比例下，D3、D4焊剂焊缝内部组织情况如图7、8所示，从图7、图8能够看出，D3焊剂焊缝内有缺陷，有微裂纹；D3焊剂焊缝内部组织细腻，无缺陷。

表5不同焊剂渣系比较

本发明实施例的焊剂渣系为镁铝型焊剂，通过表5可知，在1300℃的时候，镁铝型焊剂只有部分熔化，而氟碱型和硅锰型焊剂全部熔化或者汽化，说明本发明镁铝型焊剂熔点相对比较高，有益于焊剂熔池搅拌更充分，焊剂中合金成分过渡更完全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂，其特征在于，所述烧结焊剂的渣系由MgO、α-Al₂O₃、CaO组成，其中，MgO、CaO通过原料MgCO₃+Ca(OH)₂加热分解得到，原料按照质量份数包括以下组分：MgCO₃ 10～18份，α-Al₂O₃ 30～40份，Ca(OH)₂ 10～20份，CaF₂ 20～27份，SiO₂ 2～5份，MgCl₂ 10～13份，K₂O 3～6份，TiO₂ 5～8份，ZrO₂ 10～15份，MnO 3～7份，Cr₂O₃ 1～5份，冶金反应催化剂1～4份，合金剂5～10份。

2.根据权利要求1所述一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂，其特征在于，所述冶金反应催化剂按照质量份数包括以下组分：K₃AlF₆10～20份、C11A7.CaF₂ 25～35份、Na₂SiF₆ 20～30份、Na₆AlF₆15～25份、CaSi+MgSi 1～3份。

3.根据权利要求1所述一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂，其特征在于，所述冶金反应催化剂占烧结焊剂总质量的2％。

4.根据权利要求1所述一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂，其特征在于，所述合金剂包括铬铁粉、镍铁粉，铬铁粉占烧结焊剂总质量的2％～4％，镍铁粉占烧结焊剂总质量的3％～6％。

5.如权利要求1～4任一项所述一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

S1，按照比例称取MgCO₃、α-Al₂O₃、Ca(OH)₂、CaF₂、SiO₂、MgCl₂、K₂O、TiO₂、ZrO₂、MnO、Cr₂O₃、冶金反应催化剂、合金剂，混合搅拌8～12min，然后加入钾水玻璃水继续搅拌4～7min；

S5，将烧结完毕的物料自然风冷；

S6，将经过冷却后的物料进行筛分，即得。

6.根据权利要求5所述一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，自然风冷的时间为60～80min。

7.根据权利要求5所述一种耐腐蚀压力容器用烧结焊剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，筛分为10目和50目，大于10目的物料小于2％，小于50目的物料小于4％。