專利名稱：超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條及其生產方法
技術領域：
本發明涉及一種焊條，特別涉及一種超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條及其生產方法。
背景技術：
為了提高熱效率，減少C02排放量，適應環境保護和節約能源的要求，世界各國都在大力發展超臨界鍋爐、循環流化床等各種節能、環保產品，我國也不例外。在發達國家，電站機組基本上向大容量和高參數方向發展，以降低能耗、提高熱效率為目的，大容量高效率的超臨界機組相繼生產并投入運行；經過不斷地完善發展，超臨界機組的可用性、靈活性和運行可靠性都已經達到了相當高的水平。超臨界技術也是我國火電實現低碳電力的必然途徑。從2003年起，我國發電設備制造企業與國外制造商合作，引進大型超臨界火電機組技術。上海、哈爾濱和東方三大動力集團分別從西門子、三菱以及日立公司等引進了超臨界技術。截至2010年底，在運行的1000MW超超臨界機組已達33臺，中國已經成為世界上擁有超臨界機組最多的國家，也是超臨界焊材消耗大國。現有市場上超臨界汽輪機ZGlCrlOMoVNbN及T91 / P91管道用耐熱鋼配套焊條，從國外引進一方面成本高、周期長，另一方面焊條施焊時不同程度存在電弧穩定性差，電弧吹力小，焊接飛濺大，焊道窄，焊縫成形較差，脫渣性能不好等弊病。且很難使焊接工藝性能和機械性能同時達到最佳。本發明焊條解決了以上難點，不僅具有良好的工藝性能，且具有良好的10萬小時持久強度及高溫蠕變性能
發明內容
針對上述不足之處，本發明的目的之一就在于提供一種超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條，該超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條配套用于焊接超臨界汽輪機ZGlCrlOMoVNbN及T91 / P91管道用耐熱鋼，焊接時能滿足焊接后焊縫具有與本體相近的較高強度、較高韌性、較好的10萬小時持久強度等優良性能。技術方案是一種超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條，由硫磷砷錫等含量低的碳鋼絲焊芯和裹覆于焊芯表面的藥皮組成，所述藥皮組分及其質量含量為
大理石28 40% ；
螢石18 28% ；
電解錳1. 5 4% ;
娃鐵2 5% ；
硅微粉4 10% ；
金屬鉻20 26% ；
鎳粉I 1. 8% ;
鑰鐵4 5% ；鈮鐵0.4 0.8% ；
無定形石墨0.2 0.6% ；
鈦鐵3 8% ；
純堿0.4 0.8% ；
CMC0.4 0.8% ；
釩鐵I 1.8% ;
氮化鉻鐵0.6 1.5%。作為優選，所述碳鋼絲焊芯化學成分質量百分比為:
C:0.08 ；
Mn:0.43 ；
S1:0.04 ；
S:0.004 ；
Ρ:0.005 ；
Cr:0.03 ； N1:0.04 ；
Al:0.005 ；
Cu:0.09 ；
As: 0.005 ；
余量為Fe。作為優選,所述藥皮成分重量組成為:
大理石30%、螢石25%、電解錳2.2%、硅鐵2.2%、硅微粉5%、金屬鉻24%、鎳粉1.4%、鑰鐵4.4%、鈮鐵0.5%、無定形石墨0.4%、鈦鐵5%、純堿0.8%、CMC 0.6%、釩鐵1.3%、氮化鉻鐵1.2%。作為優選,所述藥皮成分重量組成為:
大理石33%、螢石22%、電解錳2.1%、硅鐵2.2%、硅微粉6%、金屬鉻23.8%、鎳粉1.5%、鑰鐵4.4%、鈮鐵0.5%、無定形石墨0.4%、鈦鐵5%、純堿0.8%、CMC0.6%、釩鐵1.2%、氮化鉻鐵1.1%。作為優選，所述藥皮成分重量組成為:
大理石32%、螢石25%、電解錳2.0%、硅鐵2.2%、硅微粉5.5%、金屬鉻22.8%、鎳粉1.5%、鑰鐵4.3%、鈮鐵0.45%、無定形石墨0.4%、鈦鐵5%、純堿0.8%,CMC0.6%、釩鐵1.2%、氮化鉻鐵1.0%。本發明的目的之二在于提供一種上述超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條的生產方法。技術方案是:一種制造上述超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條的生產方法，所采用的步驟為:將所述藥皮各成份混合均勻后，再加入藥皮重量18-25%的粘結劑攪拌均勻，經焊條液壓機生產，再經80-100°C低溫烘培和350-380°C高溫烘培。作為優選，所述粘結劑為鈉水玻璃、鉀水玻璃或鉀鈉水玻璃。本發明發明原理:
粘結劑為鈉水玻璃或鉀水玻璃、或鉀鈉水玻璃。CaCO3是大理石的主要組成成分，焊條中使用的大理石在電弧熱的作用下，分解成CaO和CO2氣體，起到造渣和造氣的作用，CaO是堿性氧化物，能提高熔渣堿度，穩定電弧，增大熔渣與金屬表面的界面張力和表面張力，改善脫渣性能，并有較好的脫S能力，CO2能降低電弧氣氛中的氫分壓，減少焊縫氫含量。但是CaCO3太多會粗化熔滴，所以本發明中將大理石控制在28 40%。CaF2是一種多成因的礦物質，是螢石的主要成分，屬于堿性氟化物，在焊條中是一種造渣劑、稀釋劑并能起到去氫作用，CaF2在焊接電弧作用下電離出F-，能降低電弧氣氛中氫的分壓，具有與碳酸鹽相同的效果。CaF2的分解能降低熔敷金屬中氧的含量，有利于提高焊縫金屬的低溫沖擊韌度，CaF2熔點較低，能有效降低熔渣高溫粘度，改善熔渣流動性，并提高導電性，改善焊縫成形，對改善焊接工藝，提高熔敷金屬機械性能有很大的作用，合理的CaF2含量能起到穩定電弧的作用，如果CaF2過高則電弧穩定性變差，熔渣變硬。在本次發明中，試驗證明CaF2在18-28%時有較好效果。Cr 一方面使鋼中含Cr量較高，易形成Cr2O3氧化膜，使得材料具有優良的抗常溫、高溫氧化性能，提高耐腐蝕性能；另一方面可以形成M23C6型碳化物，在基體內起到較好的碳化物強化效果，起固溶強化作用，增加Cr含量可使蠕變斷裂時間加長，但δ鐵素體易于殘留，適當控制 Cr 的含量，使 Creq ( 10(Creq=Cr+6Si+4Mo+l.5W+llV+5Nb+9Ti+12Al_40C-30N-4N1-2Mn-lCu)，則不會出現δ — Fe，有利于得到單一的馬氏體組織。為了與Τ/Ρ91母材相匹配及得到良好的機械性能，本發明中將Cr控制在20 26%。Ni的加入有利于提高焊縫的沖擊韌性，主要是Ni能降低材料的Acl溫度，提高組織對回火的反應程度，同時降低δ鐵素體形成的敏感性。據資料介紹:在Fe — Cr 一 Nb —Ni系中有一個Y — α轉變,因含Ni合金的基體是由Y — α轉變而成的塊狀鐵素體,在溫度升高直到600°C時，合金的強度強烈依賴于鐵素體基體的亞晶結構，在Nb含量相同的情況下，含Ni合金比不含Ni呈現出較高的強度。然而鎳元素和錳元素含量超過了母材規定的上限會顯著地提高它的韌性，由于它們對Acl溫度的影響，又必須考慮限制其含量。本發明中將Ni控制在I 1.8%。N的作用體現在兩方面:一方面起固溶強化作用，但常溫下氮在鋼中的溶解度很小；另一方面，熱處理過程中，將先后出現V(c，N)析出起到彌散強化，大大提高了持久強度值，但會降低其塑性和韌性。本發明中將氮化鉻鐵控制在0.6 1.5%。Mo主要為固溶強化，也參與形成析出強化，能顯著提高鋼的蠕變極限和持久強度極限，Mo還能使再結晶溫度顯著升高，并使得在變形后的回復溫度顯著提高；并且在4500C -6500C的溫度范圍，能有效地抑制滲碳體的聚集，并促進彌散的特殊碳化物析出，但加入Mo過多，會加大鋼的脆斷。本發明中將Mo-Fe控制在4 5%。Nb是強碳化物形成元素，能形成穩定的碳化物NbC，這種碳化物極為穩定，它能夠提高鋼的蠕變極限和持久強度，特別是V和Nb復合加入時效果更明顯，另外Nb能提高鋼的耐熱性是由于形成穩定的碳化物NbC和Laves (NbFe2),彌散強化較好。但是隨著Nb含量的增加會導致延伸率的降低，這是由于NbFe2的體積比增加而造成，過高的Nb含量顯著降低焊縫金屬的韌性。兼顧蠕變斷裂強度和沖擊韌性，本發明中將Nb-Fe控制在0.4 0.8%。V在耐熱鋼中形成的碳化物即使在較高的工作溫度下，也比較難于聚集，這就提高了鋼的耐熱性，V的加入可以明顯降低蠕變速度。復合加入V、Nb易形成纖細彌散穩定的MX碳化物而產生沉淀強化(以0.25% V-0.05% Nb組合最有效)，對蠕變斷裂強度影響很大，且對焊接性能(熱裂紋)和韌性有不利影響，因此它們的含量必須控制在規范允許的較低范圍內。本發明中將V-Fe控制在I 1.8%。Mn、Si作為脫氧劑加入，為避免在最高的焊后熱處理溫度下重新形成奧氏體，焊縫金屬中Mn + Si應控制在上限為1.5%的范圍。Si與Cr同時存在時，可以提高合金的高溫抗氧化性能，但是Si過高不利于焊縫金屬的韌性。本發明中將S1-Fe控制在2 5%，將電解錳控制在1.5 4%。C是一種可以有效控制δ鐵素體形成元素，在鋼中加入C會使鋼的強度提高，塑性降低。為保證焊接加工性，碳含量保持在一個較低的水平。本發明中將無定形石墨控制在
0.2 0.6%ο此外，為了滿足焊縫的脫渣性、脫氧性、焊縫表面成形和良好的機械性能等要求，我們選擇了 S1、Mn聯合脫氧，而且錳的加入可以提高強度和韌性，也是一種很好的脫硫劑，Ca的加入對脫磷也有很好的作用，焊條中各成份合理匹配，對焊接組織和焊縫的機械性能起到了良好的作用。本發明有益效果為:
采用本發明保護的焊條焊接焊接Τ/Ρ91耐熱鋼時，通過使用合理的焊接工藝和熱處理工藝，能夠使焊縫金屬的化學成分和組織達到最佳，具有合理的拉伸強度、沖擊值、10萬小時持久強度等機械性能指標。焊接時電弧穩定、飛濺少、脫渣性好、全位置操作性好、焊縫成形美觀，焊縫浸潤性適中。焊接后焊縫氣孔、夾渣、裂紋、擴散氫以及外觀邊緣等均完全滿足超臨界耐熱鋼對焊縫性能的要求。本發明所提供的焊條還可以適用于對10萬小時持久強度及高溫蠕變性能有要求的超臨界耐熱鋼的焊接。本發明對化學成分的嚴格控制和平衡使焊縫熔敷金屬淬火后獲得全馬氏體組織(幾乎不含δ鐵素體)，經淬-回火處理，顯微組織為Mo固溶強化的回火索氏體，基體含有回火析出的M23C6類金屬碳化物(Fe，Cr或Mo的碳化物)以及MX形式存在的V和Nb的碳/氮化物，Μ2Χ和Laves相,焊條中各成份合理匹配對改善焊接組織和焊縫的機械性能起到了良好作用，得到優良的高溫蠕變性能和10萬小時持久強度的焊縫金屬。用于生產的耐熱鋼其焊縫性能為:焊接接頭抗拉強度650 730Mpa，屈服強度550 630Mpa，延伸率19 25%，20°C沖擊功Akv ^ 47J，且焊接后焊縫氣孔、夾渣、裂紋、擴散氫以及外觀邊緣等均完全滿足超臨界耐熱鋼對焊縫性能的要求。
具體實施例方式下面將結合具體實施例對本發明作進一步說明。實施例1
取藥皮，藥皮各組分及其質量份數如下:大理石:30%、螢石:25%、電解錳:2.2%、硅鐵:2.2%、硅微粉:5%、金屬鉻:24%、鎳粉:1.4%、鑰鐵:4.4%、鈮鐵:0.5%、無定形石墨:0.4%、鈦鐵:5%、純堿:0.8%、CMC:0.6%、釩鐵:1.3%、氮化鉻鐵:1.2%。取焊芯，焊芯選用硫磷砷錫等含量低的碳鋼絲，焊芯化學成分質量百分比為:C:0.08，Mn:0.43，S1:0 .04，S:0.004，Ρ:0.005，Cr:0.03，N1:0.04, Al:0.005，Cu:0.09, As:0
005，其余為Fe。
將藥皮各組分混合均勻，加入占固體組分質量含量18 25%的42 44° Be "d鉀鈉水玻璃，制備出藥皮用膏體，與焊芯一起，用常規工藝在焊條生產設備上進行焊條制備。按照上述工藝生產的焊條，表面光滑、成品率高、偏心穩定，焊接時電弧穩定、脫渣性良好，焊條操作性能優異，焊縫成型美觀，焊道高度適中，焊縫浸潤性適中，熔敷金屬力學性能為:Rm=750 MPa，Rp0.2=640 MPa, A4=21%, (20°C ) KV2=80 106J，強度、塑性適中。實施例2
取藥皮，藥皮各組分及其質量份數如下:大理石:33%、螢石:22%、電解錳:2.1%、硅鐵:2.2%、硅微粉:6%、金屬鉻:23.8%、鎳粉:1.5%、鑰鐵:4.4%、鈮鐵:0.5%、無定形石墨:0.4%、鈦鐵:5%、純堿:0.8%、CMC:0.6%、釩鐵:1.2%、氮化鉻鐵:1.1%。取焊芯，焊芯選用硫磷砷錫等含量低的碳鋼絲，焊芯化學成分質量百分比為:C:0.08，Mn:0.43，S1:0.04，S:0.004，Ρ:0.005，Cr:0.03，N1:0.04, Al:0.005，Cu:0.09, As:0
005，其余為Fe。將藥皮各組分混合均勻后，加入占固體組分質量含量18 25%的42 44° Be "d鉀鈉水玻璃，制備出藥皮用膏體，與上述選擇的焊芯一起，用常規工藝在焊條生產設備上進行焊條制備。按照上述工藝生產的焊條，表面光滑、成品率高、偏心穩定，焊接時電弧穩定、脫渣性良好，焊條操作性能優異，焊縫成型美觀，焊道高度適中，焊縫浸潤性適中，熔敷金屬力學性能為:Rm=735 MPa，Rp0.2=628 MPa, A4=20%, (20°C ) KV2=78 95J,強度、塑性適中。實施例3`
取藥皮，藥皮各組分及其質量份數如下:大理石:32%、螢石:25%、電解錳:2.0%、硅鐵:
2.2%、硅微粉:5.5%、金屬鉻:22.8%、鎳粉:1.5%、鑰鐵:4.3%、鈮鐵:0.45%、無定形石墨:
0.4%、鈦鐵:5%、純堿:0.8%、CMC:0.6%、釩鐵:1.2%、氮化鉻鐵:1.0%。取焊芯，焊芯選用硫磷砷錫等含量低的碳鋼絲，焊芯化學成分質量百分比為:C:0.08，Mn:0.43，S1:0.04，S:0.004，Ρ:0.005，Cr:0.03，N1:0.04, Al:0.005，Cu:0.09, As:0
005，其余為Fe。將藥皮各組分混合均勻后，加入占固體組分質量含量18 25%的42 44° Be "d鉀鈉水玻璃，制備出藥皮用膏體，與上述選擇的焊芯一起，用常規工藝在焊條生產設備上進行焊條制備。按照上述工藝生產的焊條，表面光滑、成品率高、偏心穩定，焊接時電弧穩定、脫渣性良好，焊條操作性能優異，焊縫成型美觀，焊道高度適中，焊縫浸潤性適中，熔敷金屬力學性能為:Rm=728 MPa，Rp0.2=616 MPa, A4=23%, (20°C) KV2=92 115J，強度、塑性適中。實施例1-3實驗其性能均滿足超臨界耐熱鋼T/P91對焊縫的技術要求。
權利要求
1.一種超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條，由硫磷砷錫等含量低的碳鋼絲焊芯和裹覆于焊芯表面的藥皮組成，其特征在于所述藥皮組分及其質量含量為: 大理石28 40% ； 螢石18 28% ； 電解錳1.5 4% ; 娃鐵2 5% ； 硅微粉4 10% ； 金屬鉻20 26% ； 鎳粉I 1.8% `; 鑰鐵4 5% ； 鈮鐵0.4 0.8% ； 無定形石墨0.2 0.6% ； 鈦鐵3 8% ； 純堿0.4 0.8% ；CMC0.4 0.8% ； 釩鐵I 1.8% ; 氮化鉻鐵0.6 1.5%。
2.根據權利要求1所述的超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條，其特征在于所述碳鋼絲焊芯化學成分質量百分比為:C: ^ 0.10% ；Mn:0.30 0.55% ；S1:彡 0.08% ；S:彡 0.005% ；P:彡 0.006% ；Cr:彡 0.10% ；N1:彡 0.30% ；Al: ^ 0.030% ；Cu: ^ 0.20% ；As:彡 0.007% ； 余量為Fe。
3.根據權利要求1或2所述的超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條，其特征在于所述藥皮成分重量組成為: 大理石30%、螢石25%、電解錳2.2%、硅鐵2.2%、硅微粉5%、金屬鉻24%、鎳粉1.4%、鑰鐵4.4%、鈮鐵0.5%、無定形石墨0.4%、鈦鐵5%、純堿0.8%、CMC 0.6%、釩鐵1.3%、氮化鉻鐵1.2%。
4.根據權利要求1或2所述的超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條，其特征在于所述藥皮成分重量組成為: 大理石33%、螢石22%、電解錳2.1%、硅鐵2.2%、硅微粉6%、金屬鉻23.8%、鎳粉1.5%、鑰鐵4.4%、鈮鐵0.5%、無定形石墨0.4%、鈦鐵5%、純堿0.8%、CMC0.6%、釩鐵1.2%、氮化鉻鐵.1.1%。
5.根據權利要求1或2所述的超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條，其特征在于所述藥皮成分重量組成為: 大理石32%、螢石25%、電解錳2.0%、硅鐵2.2%、硅微粉5.5%、金屬鉻22.8%、鎳粉1.5%、鑰鐵4.3%、鈮鐵0.45%、無定形石墨0.4%、鈦鐵5%、純堿0.8%,CMC0.6%、釩鐵1.2%、氮化鉻鐵1.0%。
6.一種制造上述權利要求1或2所述的超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條的生產方法，其特征在于所采用的步驟為:將所述藥皮各成份混合均勻后，再加入藥皮重量18-25%的粘結劑攪拌均勻，經焊條液壓機生產，再經80-100℃低溫烘培和350-380°C高溫烘培。
7.—種制造上述權利要求3所述的超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條的生產方法，其特征在于所采用的步驟為:將所述藥皮各成份混合均勻后，再加入藥皮重量18-25%的粘結劑攪拌均勻，經焊條液壓機生產，再經80-100℃低溫烘培和350-380°C高溫烘培。
8.—種制造上述權利要求4所述的超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條的生產方法，其特征在于所采用的步驟為:將所述藥皮各成份混合均勻后，再加入藥皮重量18-25%的粘結劑攪拌均勻，經焊條液壓機生產，再經80-100℃低溫烘培和350-380°C高溫烘培。
9.一種制造上述權利要求5所述的超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條的生產方法，其特征在于所采用的步驟為:將所述藥皮各成份混合均勻后，再加入藥皮重量18-25%的粘結劑攪拌均勻，經焊條液壓機生產，再經80-100℃低溫烘培和350-380°C高溫烘培。
10.根據權利要求6-9所述的超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條的生產方法，其特征在于所述粘結劑為鈉水玻璃、鉀水玻璃或鉀鈉水玻璃。
全文摘要
本發明公開了一種超臨界鐵素體耐熱鋼配套焊條，由焊芯和藥皮組成，所述藥皮組分及其質量含量為大理石28～40%；螢石18～28%；電解錳1.5～4%；硅鐵2～5%；硅微粉4～10%；金屬鉻20～26%；鎳粉1～1.8%；鉬鐵4～5%；鈮鐵0.4～0.8%；無定形石墨0.2～0.6%；鈦鐵3～8%；純堿0.4～0.8%；CMC0.4～0.8%；釩鐵1～1.8%；氮化鉻鐵0.6～1.5%。本發明焊條配套用于焊接超臨界汽輪機ZG1Cr10MoVNbN及T91／P91管道用耐熱鋼，焊接時能滿足焊接后焊縫具有與本體相近的較高強度、較高韌性、較好的10萬小時持久強度等優良性能。
文檔編號B23K35/365GK103071946SQ201310010769
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月13日 優先權日2013年1月13日
發明者何秀, 曾志超, 王若蒙 申請人:四川大西洋焊接材料股份有限公司