RU2530107C1

RU2530107C1 - Composition of flux for welding and hard facing by wire and austenite steel tape

Info

Publication number: RU2530107C1
Application number: RU2013112989/02A
Authority: RU
Inventors: Георгий Павлович Карзов; Сергей Николаевич Галяткин; Эмма Ивановна Михалева; Ирина Анатольевна Морозовская; Роман Александрович Ворона
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-10-10
Also published as: RU2013112989A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: fused flux contains the components at following ratio, wt. %: SiO₂9-15, CaO 19-31, Al₂O₃ 28-34, CaF₂ 29-33, Fe₂O₃ 0.005-1.000, MgO 0.005-2.000, MnO 0.01-1.000. Note here that the following relationship should be satisfied: (CaO/2+5MgO+30MnO+2.6Fe₂O₃)/SiO₂≥1 and (SiO₂-8)⁴/(31F₂O₃+10MnO)≤1000. Welding flux can be used with austenite welding surfacing materials with decreased content of carbon. Note here that it ensures higher resistance of added metal to blistering by thermal ageing.

EFFECT: longer life of reactor plants.

1 tbl

Description

Изобретение относится к области производства сварочного флюса, используемого для сварки нержавеющих сталей и наплавки антикоррозионного покрытия оборудования атомных энергетических установок, а также других сосудов высокого давления в энергетическом машиностроении и нефтехимии.The invention relates to the field of production of welding flux used for welding stainless steels and deposition of corrosion-resistant coatings for equipment of nuclear power plants, as well as other pressure vessels in power engineering and petrochemicals.

В настоящее время наблюдается общемировая тенденция применения сварочных и наплавочных материалов с низким содержанием углерода для сварки сталей аустенитного класса и выполнения антикоррозионных наплавок. Пониженное содержание углерода в аустенитных сварочных материалах позволяет повысить стойкость металла швов и наплавок к межкристаллитной коррозии, а также значительно уменьшить эффект охрупчивания металла шва и наплавок в результате термического старения. Применение низкоуглеродистых проволок и флюсов из стали аустенитного класса обусловило необходимость создания высокотехнологичных сварочных флюсов, обеспечивающих получение высокого качества металла швов и наплавок.Currently, there is a worldwide trend in the use of welding and surfacing materials with a low carbon content for welding austenitic class steels and corrosion-resistant surfacing. The low carbon content in austenitic welding consumables makes it possible to increase the resistance of weld metal and surfacing to intergranular corrosion, as well as significantly reduce the effect of embrittlement of weld metal and surfacing as a result of thermal aging. The use of low-carbon wires and fluxes of austenitic steel has necessitated the creation of high-tech welding fluxes that provide high quality weld and surfacing metal.

В настоящее время для автоматической сварки нержавеющих сталей широко применяется флюс марки ОФ-6, который содержит в своем составе SiO₂, CaO, Al₂O₃, CaF₂ при следующем соотношении компонентов, масс.%:Currently, for the automatic welding of stainless steels, OF-6 grade flux is widely used, which contains SiO ₂ , CaO, Al ₂ O ₃ , CaF ₂ in its composition in the following ratio of components, wt.%:

SiO₂ SiO ₂ 3,5-6,03,5-6,0 CaOCaO 16,0-20,016.0-20.0 Al₂O₃ Al ₂ O ₃ 20,0-24,020.0-24.0 CaF₂ CaF ₂ 50,0-60,050.0-60.0 MgOMgO не более 2no more than 2 MnOMnO не более 0,3no more than 0.3 Fe₂O₃ Fe ₂ O ₃ не более 1,0no more than 1,0 SS не более 0,025no more than 0,025 РR не более 0,025no more than 0,025

Флюс марки ОФ-6 обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами при сварке проволокой, однако не подходит для наплавки лентой, так как не обеспечивает удовлетворительного формирования наплавленного валика. Для ленточной наплавки антикоррозионного покрытия автоматическим электродуговым способом применяется флюс марки ОФ-10, который содержит в своем составе SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃, CaF₂ при следующем соотношении компонентов, масс.%OF-6 grade flux has good welding and technological properties when welding with wire, however, it is not suitable for surfacing with tape, as it does not provide satisfactory formation of a deposited bead. For tape surfacing of corrosion-resistant coatings by an automatic electric arc method, OF-10 grade flux is used, which contains SiO ₂ , CaO, MgO, Al ₂ O ₃ , CaF ₂ in its composition in the following ratio of components, wt.%

SiO₂ SiO ₂ 9,0-12,09.0-12.0 MgOMgO 11,0-14,011.0-14.0 Al₂O₃ Al ₂ O ₃ 28,0-34,028.0-34.0 CaF₂ CaF ₂ 35,0-46,035.0-46.0 CaOCaO не более 8,0no more than 8,0 MnOMnO не более 0,3no more than 0.3 Fe₂O₃ Fe ₂ O ₃ не более 1,0no more than 1,0 SS не более 0,025no more than 0,025 РR не более 0,025no more than 0,025

Оба эти флюса поставляются по ОСТ 5Р.9206-75 "Флюсы для сварки и наплавки сварочной проволокой и лентой".Both of these fluxes are supplied in accordance with OST 5P.9206-75 "Fluxes for welding and surfacing with welding wire and tape."

Основным недостатком флюса ОФ-10 является плохое отделение шлаковой корки при наплавке ниобийсодержащими лентами, вследствие формирования прочных соединений типа шпинели на границе затвердевающих металла и шлака. Это приводит к образованию трудноудаляемых остатков шлака ("пригара") на поверхности валика, а также к повышенной загрязненности наплавленного металла шлаковыми включениями в виде силикатов различного состава, что оказывает негативное влияние на характеристики его пластичности и ударной вязкости.The main disadvantage of the OF-10 flux is the poor separation of the slag crust during surfacing with niobium-containing tapes, due to the formation of strong compounds such as spinel at the interface between the hardened metal and slag. This leads to the formation of hard-to-remove residues of slag ("burn") on the surface of the roller, as well as to increased contamination of the deposited metal by slag inclusions in the form of silicates of various compositions, which negatively affects the characteristics of its ductility and toughness.

Кроме того, с точки зрения унификации процессов сварки и наплавки оборудования, целесообразно применение флюса одной марки как для сварки проволокой, так и для наплавки лентой, обеспечивающего высокие сварочно-технологические свойства и требуемые показатели качества наплавленного металла (металла шва).In addition, from the point of view of unifying the welding and surfacing processes of equipment, it is advisable to use flux of the same brand for both wire welding and tape surfacing, providing high welding and technological properties and the required quality indicators of the deposited metal (weld metal).

Известен состав универсального сварочного флюса, взятый в качестве прототипа, состав которого опубликован в заявке на изобретение RU 2009138174 А, опубликованной 20.04.2011 г., содержащий в своем составе SiO₂, CaO, Al₂O₃, CaF₂, Fe₂O₃, MgO при следующем соотношении компонентов, масс.%The known composition of the universal welding flux, taken as a prototype, the composition of which is published in the patent application RU 2009138174 A, published on 04/20/2011, containing SiO ₂ , CaO, Al ₂ O ₃ , CaF ₂ , Fe ₂ O ₃ , MgO in the following ratio of components, wt.%

SiO₂ SiO ₂ 9-149-14 CaOCaO 24-3124-31 Al₂O₃ Al ₂ O ₃ 28-3228-32 CaF₂ CaF ₂ 29-3329-33 Fe₂O₃ Fe ₂ O ₃ 0,001-1,00.001-1.0 MgOMgO 0,001-2,00.001-2.0

при этом должно выполняться соотношение:this should be the ratio:

(SiO₂-8)⁴/Fe₂O₃≤3000(SiO ₂ -8) ⁴ / Fe ₂ O ₃ ≤3000

Флюс этого состава широко применяется при изготовлении оборудования атомных энергетических установок как для сварки нержавеющих сталей проволокой марок Св-04Х19Н11МЗ, Св-08Х19Н10Г2Б, так и для наплавки лентами Св-04Х20Н10Г2Б, Св-07Х25Н13, Св-10Х16Н25АМ6 и т.д. Флюс имеет хорошие сварочно-технологические свойства, в частности, наблюдается эффект самоотделения шлаковой корки и отсутствие пригара на поверхности валиков. Флюс так же обеспечивает получение металла швов и наплавок с показателями ударной вязкости KCU не ниже 30 Дж/см² после технологических отпусков.The flux of this composition is widely used in the manufacture of equipment for nuclear power plants both for welding stainless steels with Sv-04Kh19N11MZ, Sv-08Kh19N10G2B grades, and for welding with Sv-04Kh20N10G2B, Sv-07Kh25N13, Sv-10Kh16N25AM6 tapes, etc. The flux has good welding and technological properties, in particular, the effect of self-separation of the slag crust and the absence of a burn on the surface of the rollers are observed. The flux also provides the production of weld metal and surfacing with an impact strength of KCU of at least 30 J / cm ² after technological holidays.

Недостатком указанных выше флюсов является непригодность их применения в сочетании с новыми аустенитными сварочными и наплавочными материалами, содержание углерода в которых составляет менее 0,03%. Низкое содержание углерода в составе сварочных материалов способствует интенсификации протекания окислительно-восстановительных процессов в сварочной ванне и более активному выгоранию марганца, что наряду с низким содержанием азота и неизменным содержанием никеля приводит к существенному увеличению содержания ферритной фазы в наплавленном металле, следствием чего является его повышенная склонность к охрупчиванию при последующих тепловых выдержках, в том числе после проведения технологических отпусков.The disadvantage of the above fluxes is the unsuitability of their use in combination with new austenitic welding and surfacing materials, the carbon content of which is less than 0.03%. The low carbon content in the composition of the welding materials contributes to the intensification of the occurrence of redox processes in the weld pool and more active burnout of manganese, which, along with a low nitrogen content and a constant nickel content, leads to a significant increase in the content of the ferrite phase in the deposited metal, which results in its increased tendency embrittlement at subsequent thermal soaks, including after technological holidays.

Техническим результатом изобретения является создание универсального плавленого сварочного флюса для автоматической сварки проволокой и наплавки лентой из стали аустенитного класса, приводящего к снижению склонности металла шва или наплавки к тепловому охрупчиванию и обеспечивающего показатель ударной вязкости не ниже 30 Дж/см² после проведения технологических отпусков в сочетании как с обычными, так и с низкоуглеродистыми аустенитными сварочными материалами, содержание углерода в которых не превышает 0,03%.The technical result of the invention is the creation of a universal fused welding flux for automatic wire welding and tape surfacing of austenitic steel, reducing the tendency of weld metal or surfacing to heat embrittlement and providing an impact strength of at least 30 J / cm ² after technological holidays in combination both with conventional and low-carbon austenitic welding consumables, the carbon content of which does not exceed 0.03%.

Технический результат достигается тем, что плавленый флюс, содержащий SiO₂, СаО, Al₂O₃, CaF₂, Fe₂O₃, MgO, дополнительно содержит MnO при следующем соотношении компонентов, масс.%:The technical result is achieved in that the fused flux containing SiO ₂ , CaO, Al ₂ O ₃ , CaF ₂ , Fe ₂ O ₃ , MgO, additionally contains MnO in the following ratio of components, wt.%:

SiO₂ SiO ₂ 9-159-15 СаОCaO 19-3119-31 Al₂O₃ Al ₂ O ₃ 28-3428-34 CaF₂ CaF ₂ 29-3329-33 Fe₂O₃ Fe ₂ O ₃ 0,005-1,0000.005-1,000 MgOMgO 0,005-2,0000.005-2,000 MnOMnO 0,01-1,0000.01-1,000

при этом должны выполняться соотношения:in this case, the following relations should be fulfilled:

$(C a O / 2 + 5 M g O + 30 M n O + 2,6 F e_{2} O_{3}) / S i O_{2} \geq 1 (1)$

(C a O / 2 + 5 M g O + thirty M n O + 2.6 F e_{2} O_{3}) / S i O_{2} \geq one (one)

${(S i O_{2} - 8)}^{4} / (31 F_{2} O_{3} + 10 M n O) \leq 1000 (2)$

{(S i O_{2} - 8)}^{four} / (31 F_{2} O_{3} + 10 M n O) \leq 1000 (2)

Достижение заявленного результата осуществляли за счет корректировки химического состава сварочного флюса с целью предотвращения выгорания марганца из наплавленного металла.Achieving the claimed result was carried out by adjusting the chemical composition of the welding flux in order to prevent burnout of manganese from the weld metal.

Известно, что степень окисления (выгорания) марганца обратно пропорциональна количеству оксида марганца во флюсе. Одним из способов предотвратить выгорание марганца из наплавленного металла является введение оксида марганца в состав сварочного флюса в количестве от 0,01 до 1,00%. При содержании оксида марганца менее 0,01% его влияние не проявляется. MnO в количестве более 1% приводит к интенсивному протеканию марганцевосстановительных процессов с образованием железомарганцевых силикатов сравнительно крупного размера (~0,02 мм), и как следствие, к снижению вязких характеристик наплавленного металла.It is known that the degree of oxidation (burnout) of manganese is inversely proportional to the amount of manganese oxide in the flux. One way to prevent burnout of manganese from the weld metal is the introduction of manganese oxide in the composition of the welding flux in an amount of from 0.01 to 1.00%. When the content of manganese oxide is less than 0.01%, its effect is not manifested. MnO in an amount of more than 1% leads to an intensive occurrence of manganese reduction processes with the formation of ferromanganese silicates of a relatively large size (~ 0.02 mm), and as a result, a decrease in the viscous characteristics of the deposited metal.

Ограничение верхнего предела содержания оксида марганца в составе флюса на столь низком уровне делает необходимым введение дополнительных условий, гарантирующих минимальный уровень выгорания марганца при выполнении наплавки. Многолетний опыт применения плавленых флюсов показал, что с повышением основности флюса интенсивность выгорания марганца снижается, а с уменьшением основности соответственно увеличивается. Увеличение содержания в составе флюса основных оксидов CaO, MgO и Fe₂O₃ и снижение содержания кислого оксида SiO₂ приведет к снижению интенсивности выгорания марганца из наплавленного металла, при этом снижение содержания во флюсе SiO₂ ниже установленных пределов недопустимо, так как это может вызвать появление пор в наплавленном металле. Из основных оксидов, кроме MnO, целесообразно увеличить нижний предел содержания Fe₂O₃ и MgO с 0,001 до 0,005%, а увеличение содержания CaO нецелесообразно, так как это приведет резкому повышению температуры кристаллизации флюса-шлака, и как следствие, к ухудшению сварочно-технологических свойств флюса. С учетом изложенного установлено соотношение (1) между суммарным содержанием основных оксидов с учетом степени их влияния и SiO₂, обеспечивающее минимальную степень выгорания марганца из наплавленного металла. Следует отметить, что коэффициент, поставленный перед оксидом марганца, учитывает не только повышение основности флюса, но и снижение интенсивности окисления марганца в металле шва за счет наличия MnO в составе шлака. Невыполнение условий соотношения (1) приведет к выгоранию значительной доли марганца из наплавленного металла, и как следствие к увеличению содержания ферритной фазы в наплавке, что сделает ее более склонной к охрупчиванию в результате технологических отпусков.The limitation of the upper limit of the content of manganese oxide in the composition of the flux at such a low level makes it necessary to introduce additional conditions guaranteeing a minimum level of burnout of manganese during surfacing. Many years of experience in the use of fused fluxes have shown that with an increase in the basicity of the flux, the burnup rate of manganese decreases, and with a decrease in the basicity it increases accordingly. An increase in the content of basic oxides CaO, MgO, and Fe ₂ O ₃ in the flux composition and a decrease in the content of acid oxide SiO ₂ will lead to a decrease in the rate of burning of manganese from the deposited metal, while a decrease in the content of SiO ₂ in the flux below the established limits is unacceptable, since this can cause the appearance of pores in the weld metal. Of the basic oxides, in addition to MnO, it is advisable to increase the lower limit of the content of Fe ₂ O ₃ and MgO from 0.001 to 0.005%, and an increase in the content of CaO is impractical, since this will lead to a sharp increase in the crystallization temperature of flux-slag, and as a result, a decrease in welding technological properties of flux. In view of the foregoing, the relation (1) was established between the total content of basic oxides, taking into account the degree of their influence and SiO ₂ , providing a minimum degree of burnout of manganese from the deposited metal. It should be noted that the coefficient set for manganese oxide takes into account not only an increase in the basicity of the flux, but also a decrease in the rate of oxidation of manganese in the weld metal due to the presence of MnO in the slag composition. Failure to comply with the conditions of relation (1) will lead to the burnout of a significant fraction of manganese from the deposited metal, and as a result to an increase in the content of the ferrite phase in the surfacing, which will make it more prone to embrittlement as a result of technological holidays.

Введение MnO в состав флюса привело к необходимости откорректировать соотношение, приведенное в прототипе. Соотношение (2) обеспечивает исключение образование силикатов в наплавленном металле при сохранении хороших сварочно-технологических свойств флюса: стабильности электродугового процесса, самопроизвольного полного отделения шлаковой корки, формирования валика равномерного сечения. При невыполнении этого соотношения количество F₂O₃будет недостаточным для подавления кремневосстановительного процесса.The introduction of MnO in the composition of the flux led to the need to adjust the ratio given in the prototype. Relation (2) ensures the elimination of the formation of silicates in the weld metal while maintaining good welding and technological properties of the flux: stability of the electric arc process, spontaneous complete separation of the slag crust, and the formation of a roller of uniform cross section. If this ratio is not fulfilled, the amount of F ₂ O ₃ will be insufficient to suppress the silicon reduction process.

Проверку сварочно-технологических свойств флюса осуществляли при наплавке лентой марки Св-02Х18Н10Б сечением 0,7×50 мм на пластины из стали марки 15Х2МФА (ТУ 5.961-11060-2008) толщиной 60 мм на следующих режимах:Checking the welding and technological properties of the flux was carried out when surfacing with Sv-02Kh18N10B tape with a cross section of 0.7 × 50 mm onto plates made of 15Kh2MFA steel (TU 5.961-11060-2008) with a thickness of 60 mm in the following modes:

I_cв=650-700А, U_д=32-36 В, V_св=12 м/ч.I _st = 650-700A, U _d = 32-36 V, V _st = 12 m / h.

При испытаниях оценивали следующие параметры:During the tests, the following parameters were evaluated:

- стабильность электродугового процесса;- stability of the electric arc process;

- формирование наплавленного валика;- formation of a weld bead;

- легкость и полноту отделения шлаковой корки;- ease and completeness of separation of the slag crust;

- отсутствие пор и шлаковых включений в наплавленном металле.- the absence of pores and slag inclusions in the weld metal.

- механические свойства металла наплавки после отпуска по режиму 670°С, 50 ч.- mechanical properties of the surfacing metal after tempering according to the regime of 670 ° С, 50 hours

В таблице приведены результаты сравнительных испытаний опытных плавок флюса и прототипа при наплавке и механических испытаний наплавки.The table shows the results of comparative tests of experimental flux melts and prototype during surfacing and mechanical tests of surfacing.

Результаты испытаний подтверждают преимущество предлагаемого состава флюса по ударной вязкости наплавленного металла после отпусков при сохранении его прочности и пластичности, а также при обеспечении высоких сварочно-технологических свойств флюса.The test results confirm the advantage of the proposed composition of the flux in terms of impact strength of the deposited metal after tempering while maintaining its strength and ductility, as well as ensuring high welding and technological properties of the flux.

Технико-экономический эффект при использовании предлагаемого флюса выразится в продлении срока службы реакторных установок за счет применения сварочных лент с пониженным содержанием углерода, позволяющим обеспечить получение наплавленного металла с более высоким комплексом служебных характеристик.The technical and economic effect when using the proposed flux is expressed in extending the life of the reactor plants by using welding tapes with a low carbon content, which allows to obtain a weld metal with a higher range of service characteristics.

Claims

Flux for welding and surfacing with wire or tape made of austenitic steel, containing SiO ₂ , CaO, Al ₂ O ₃ , CaF ₂ , Fe ₂ O ₃ , MgO, characterized in that it additionally contains MnO in the following ratio of components, wt.% :
SiO ₂ 9-15 CaO 19-31 Al ₂ O ₃ 28-34 CaF ₂ 29-33 Fe ₂ O ₃ 0.005-1,000 MgO 0.005-2,000 MnO 0.01-1,000

wherein
(CaO / 2 + 5MgO + 30MnO + 2.6Fe ₂ O ₃ ) / SiO ₂ ≥1;
(SiO ₂ -8) ⁴ / (31F ₂ O ₃ + 10MnO) ≤1000.