一种07MnNiMoDR钢制球罐用焊条及其制备方法与流程

一种07mnnimodr钢制球罐用焊条及其制备方法
技术领域
1.本发明属于焊接材料领域，特别涉及一种应用于石化乙烯/丙烯储罐的07mnnimodr钢用高强度焊条及其制备方法。


背景技术：

2.‑
50℃低温球罐是乙烯/丙烯装置关键的存储设备，由于设计压力高、温度低、易燃易爆，技术指标要求高，低温乙烯/丙烯球罐的建造水平基本上代表了一个国家或地区球罐建造的最高水平。
3.21世纪初，随着我国钢铁水平的提升，2008年在天津石化大乙烯工程中，
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50℃低温乙烯/丙烯球罐采用国产07mnnimodr钢板取代了进口日本jfe
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hiten610u2l钢板。但07mnnimodr钢制球罐配套用焊条由于受到国内焊接材料厂水平限制，到目前为止仍然依赖进口日本神钢的lb
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65l焊条，进口焊材价格高、周期长，造成了球罐造价高，工期也完全受制于人。因此本技术人率先开展了07mnnimodr钢制
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50℃低温球罐用焊条国产化研究并成功推进了国内07mnnimodr钢制乙烯球罐的国产化进程，且广泛应用于国内各大乙烯/丙烯储罐项目，成功打破了神钢lb
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65l的垄断。
4.在与国产07mnnimodr钢板研究的同时，国内很多著名的焊接材料厂家也进行了配套焊条的研发，但是很多都局限于低温钢小热输入的焊接限制，较大限度的影响了工程进度且长时间热处理后低温冲击韧性恶化，尤其是立焊接头焊缝金属甚至不能满足
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50℃kv2≥47j的要求，且接头弯曲和抗裂性是限制国产07mnnimodr钢配套焊条大规模应用推广的瓶颈。因钢板和焊接材料都具有高强度，焊材与母材07mnnimodr钢板匹配接头的冲击韧性、抗裂性和ctod值，是评定焊材能否成功应用于石化储罐项目的关键技术指标。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种高效率高抗裂性的球罐用高强度焊条及其制备方法，本发明焊条可耐长时间热处理，可超大热输入量焊接，焊缝金属熔敷效率高达120％且熔化系数＞11g/a.h，熔敷金属具有高强度、高韧性和超低扩散氢，抗裂性优异。
6.为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一种07mnnimodr钢制球罐用焊条，由焊芯和药皮构成，焊芯为高品质超低p、s碳钢h08e焊芯，药皮涂敷于焊芯外壁，药皮占焊条总重量系数的0.55～0.65；
7.(a)以焊芯总重量为基准，按重量百分比计，所述焊芯的组分如下：c：≤0.08％；si：≤0.10％；mn：0.40～0.65％；p：≤0.005％；s：≤0.003％；p+s≤0.008％；fe：余量；
8.(b)药皮组成采用高效铁粉低氢型渣系，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：25～30％；碳酸镁：1～3％；萤石：6～14％；氟化铈：3～6％；钛白粉：0.5～2％；石英粉：3～5％；电解锰：3～5％；45
°
硅铁：3～8％；钼铁：≤1％；金属镍：4～6％％；钛铁：2.2～4.8％；硼铁：0.18～0.60；雾化铁粉：30～35％；稀土合金：≤1.5％；藻酸盐：0.5％～1％；粘结剂：0.5～1％。
9.其中，以重量百分比计，所述07mnnimodr钢制球罐用焊条的熔敷金属的组分包括：c：0.05～0.08％，mn：0.6～1.20％，si：0.15～0.30％，p：≤0.008％，s：≤0.003％，p+s≤0.010％，ni：2.00～2.75％，mo：0.10～0.30％，ti：0.012～0.025％，b：0.0013～0.0035％，re≤0.0050％。
10.优选的，所述h08e焊芯的组分如下：0.064％≤c≤0.073％；0.03％≤si≤0.06％；mn：0.42～0.61％；p：≤0.005％；s：≤0.003％；p+s≤0.007％；fe：余量。
11.优选的，以焊药总重量为基准，按重量百分比计，所述药皮的组分如下：碳酸钙：30％；碳酸镁：3％；萤石：6％；氟化铈：5％；钛白粉：0.5％；石英粉：4.6％；电解锰：5％；45
°
硅铁：3.3％；钼铁：0.74％；金属镍：4％；钛铁：2.2％；硼铁：0.52％；雾化铁粉：30％；稀土合金：1.24％；藻酸盐：0.5％；粘结剂：1％。
12.优选的，所述焊条熔敷金属中ti/b比为4～8之间。
13.其中，所述粘结剂采用模数为2.75～3.30、浓度为37～45be的钾钠混合水玻璃，无机聚合高分子粘结剂以0.5～1％比例加入所述钾钠混合水玻璃溶解，并以高速搅拌机分散30分钟后得到。
14.本发明还提供07mnnimodr钢制球罐用焊条的制备方法，包括以下步骤：
15.1)、将硅酸盐矿物先经800℃烘干，去除矿物中的结晶水及杂质；
16.2)、按所述含量比例将药皮各组分混合均匀；
17.3)、加入药皮总成分重量15～30％的粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机以10～15mpa的压力将药粉均匀涂覆于焊芯上；
18.4)、经低温烘焙，烘焙温度为60～100℃*2h，再经高温烘焙，温度为300～400℃*1h，得到07mnnimodr钢制球罐用焊条。
19.优选的，所述粘结剂采用钾钠混合水玻璃(模数为2.75～3.30，浓度为37～45be)+无机聚合高分子粘结剂(以0.5～1％比例加入钾钠混合水玻璃溶解)，并以高速搅拌机分散30分钟，然后再罐装密封备用。该粘结剂较传统水玻璃粘结剂具有更高的粘度和滑度，且焊条经烘干后会在表面具有一层致密光滑的保护膜，因而较普通焊条在焊条外观和耐吸潮性方面明显改善。
20.本发明使用高品质超低p、s碳钢焊芯(c：≤0.08％；p：≤0.005％；s：≤0.003％；p+s≤0.008％)，熔敷金属合金元素主要由药皮过渡，一方面相比于针对性冶炼耐蚀合金焊芯，具有显著的经济效益，且药皮的机动性控制能更精准控制焊条扩散氢含量、熔敷金属杂质含量及微量合金元素含量如ti/b和re等，确保焊条熔敷金属具有高的强度、韧性，另一方面超低p、s成分设计是保障焊缝金属具有优异的抗裂性和高韧性的前提。
21.本发明采用高效铁粉低氢渣系，一方面确保了优异的焊缝质量(低氢渣系焊缝具有低的扩散氢和氧含量，系焊缝金属高抗裂和高韧性的基础保障)，另一方面，高铁粉含量会显著提高熔敷效率和焊条引弧及再引弧性能，还能提高焊接时的电弧稳定性，且本发明中焊条药皮中的硅酸盐采用800℃高温烘干以去除矿物中的结晶水及杂质，氟化物经反复试验以萤石+氟化稀土混合搭配，除了其中的f
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能够除氢外，焊接过程电离出的稀土阳离子也具有很强的脱氧和除氢以及净化焊缝、除杂等作用，奠定了本发明焊条熔敷金属具有极低扩散氢(扩散氢含量h≤2.5ml/100g)的基础。再以无机聚合高分子粘结剂与钾钠水玻璃混合制成本发明使用的粘结剂，一方面显著降低了有机藻酸盐中的h，且该粘结剂能显著改
善焊条表面，在焊条烘干过程中熔融并填充焊条孔隙并在焊条表面形成致密保护膜，进一步确保焊条优异的耐吸湿性，使焊缝金属低氧、低氢并具有高韧性。
22.本发明采用钾钠水玻璃混合无机聚合高分子粘结剂(以0.5～1％比例加入钾钠混合水玻璃溶解，并以高速搅拌机分散30分钟确保其完全混合均匀，然后再罐装密封备用)，该无机聚合高分子粘结剂具有高粘度及快速成膜等特性，不仅对焊条制造极为有利，还能在焊条烘干过程中熔融并在焊条表面形成一层致密光滑的保护膜，使焊条具有优异的耐吸湿性，即使在极端气候下也同样能够保持超低氢含量。
23.本发明中焊条药皮的作用主要是稳弧、造气、造渣、提高焊条再引弧性，脱氧和向焊缝过渡合金等。
24.具体分析本发明中药皮主要组分和合金在焊条中各自发挥的作用如下：
25.焊条中碳酸盐的主要作用为造渣和造气，分解产生的cao、mgo系碱性氧化物，能提高熔渣碱度，细化熔滴，并具有脱s、p的作用，提高焊缝金属的抗裂纹能力，还有调节熔渣熔点、粘度、表面和截面张力的作用。本发明中碳酸盐的含量控制在29～35％；
26.本发明中氟化物主要为萤石(caf2)和氟化铈，可调节渣的熔点，对降低焊缝h气孔，改善熔渣的物理性能，改善焊缝成型、脱渣等起关键作用，由于低氢焊条氧含量较低，液态金属的表面张力较大，流动性差，焊缝中气体不易逸出，从萤石、冰晶石等得到的氟化物可以降低液态金属的表面张力，有调整熔融焊渣的黏性改善焊渣覆盖性的效果，使得焊缝成型美观，降低焊缝形成h气孔的缺陷。另外氟化铈除了向焊缝过渡稀土元素，还有除氢脱氧、净化和除杂的作用，且向焊缝过渡的稀土元素对于焊缝金属组织细化，改善焊缝金属的强韧性起着关键的作用，但因为稀土本身很昂贵，加入过多会显著增加制造成本，故本发明焊条中氟化稀土的含量控制在3～6％；
27.从石英粉、硅酸钾钠水玻璃等得到的硅氧化物能够调整熔融焊渣的黏性使得焊渣覆盖性良好，并且改善焊道外观及焊道形状。但硅氧化物的组分比例过高时，会使焊缝o含量过高，从而降低焊缝的力学性能，尤其是低温冲击韧性。因此焊药中的硅氧化物组分比例控制在较低的水平；
28.铁合金及其它金属粉的主要作用在于脱氧和过渡合金，保证焊缝中合金元素成分，确保焊缝强度并通过合理的元素设计以达到最佳的强韧性匹配，尤其本发明在传统同类型发明专利的基础上，特别控制钛铁和硼铁的比例使熔敷金属ti/b比控制在4～8，以达到理想的晶粒细化、韧性提高和抗裂性增强综合改善效果；
29.粘结剂采用钾钠水玻璃+无机聚合高分子粘结剂搭配减量藻酸盐，粘结剂除了涂装粘结焊条，还有造渣、调整熔渣状态和稳弧的作用。
30.以上为本发明高效率高抗裂性的07mnnimodr钢制球罐用高强度焊条的药皮成分组成限制理由。残余部分为铁及无法避免的杂质，余量30％以上的雾化铁粉，极大限度地提高了焊条的引弧、再引弧性，并对焊条稳弧性大有裨益，且明显提高了熔敷金属效率高达120％，能显著提高现场施工效率。
31.p和s在焊缝中会偏析至晶界导致裂纹敏感性。故因尽可能将其控制在较低的水平来确保焊缝具有高韧性和高抗裂性。因此本发明焊缝金属将p/s优选限定在p：≤0.008％；s：≤0.003％；p+s≤0.010％；
32.本发明焊条能很好地与07mnnimodr钢板性能相匹配，焊材适应性广，可耐长时间
热处理(可承受580
±
20℃*16h热处理)，可超大热输入量(可应用至50甚至55kj/cm)焊接。且本发明焊条具有优异的全位置焊接工艺性能，因铁粉和合金含量较高极易再引弧并具有超高熔敷效率。焊缝金属熔敷效率高达120％且熔化系数＞11g/a.h，能显著提高施工现场焊接效率。熔敷金属除了具有高强度、高韧性和超低扩散氢(h≤2.5ml/100g)，与母材07mnnimodr钢立焊对接，在30～55kj/cm热输入量范围内，经580
±
20℃
×
4～16h热处理后抗拉强度≥630mpa，
‑
60℃冲击≥70j。且接头ctod检测
‑
50℃＞0.6mm，
‑
60℃≥0.4mm，抗裂性优异。
33.本发明打破相应焊条一直以来依赖进口的局面，推进并实现了国内石化乙烯/丙烯储罐07mnnimodr钢制
‑
50℃低温球罐用焊条的国产化。发明人从原有技术的基础上更深一步挖掘研究，且基于以往工地施工的经验，在提升焊材韧性和抗裂性的前提下，为满足项目需求，同步研发提高焊接效率，提供了该高效率高抗裂性的07mnnimodr钢制球罐用高强度焊条及其制备方法。
具体实施方式
34.为更好理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
35.本发明由焊芯和药皮组成，药皮涂覆在焊芯外，采用高品质超低p、s碳钢h08e焊芯，其焊芯组分(重量百分比％)如下：
36.c：≤0.08％；
37.si：≤0.10％；
38.mn：0.40～0.65％；
39.p：≤0.005％；
40.s：≤0.003％；
41.p+s：≤0.008％；
42.fe：余量；
43.以药皮重量为基准，按重量百分比计，所述焊药的组分及纯度如下：
44.碳酸钙(caco3≥98％)：25～30％；
45.碳酸镁(mgco3≥99％)：1～3％；
46.萤石(caf2≥98％)：6～14％；
47.氟化铈(cef2≥98.5％)：3～6％
48.钛白粉(tio2≥99.5％)：0.5～2％；
49.石英粉(sio2≥98)：3～5％；
50.电解mn(mn≥99.8％)：3～5％；
51.45
°
硅铁：3～8％；
52.钼铁：≤1％；
53.金属镍(ni≥99.5％)：4～6％；
54.钛铁(ti：40～50％)：2.2～4.8％；
55.硼铁(b：18～25％)：0.18～0.60％；
56.雾化铁粉(fe≥99.5)：30～35％；
57.稀土合金：≤1.5％；
58.藻酸盐(纯)：0.5％～1.0％；
59.粘结剂：0.5～1％。
60.制备方法：
61.1)、将组分中的硅酸盐矿物先经800℃烘干；
62.2)、按所述含量比例将药皮各组分混合均匀；
63.3)、粘结剂采用模数为2.75～3.30、浓度为37～45be的钾钠混合水玻璃，将无机聚合高分子粘结剂以0.5～1％比例加入所述钾钠混合水玻璃溶解，并以高速搅拌机分散30分钟后得到；
64.4)、加入药皮总成分重量15～30％的粘结剂，搅拌混合均匀后，以油压式涂装机以10～15mpa的压力将药粉均匀涂覆于焊芯上；
65.5)、经低温烘焙，烘焙温度为60～100℃*2h，再经高温烘焙，温度为300～400℃*1h，得到07mnnimodr钢制球罐用焊条。
66.焊芯为高品质超低p、s碳钢h08e焊芯，实施例中具体含量见表1。
67.表1：焊芯成分实施例(重量百分比％)
[0068][0069][0070]
药皮采用高碱度低氢渣系，药皮占焊条全重量比例为0.55～0.65，芯线直径为3.2mm，4.0mm，5.0mm，药皮组分实施例如表2。
[0071]
表2：各实施例药皮组分(重量百分比％)
[0072][0073]
续表2：各实施例药皮组分(重量百分比％)
[0074][0075]
表3：各实施例熔敷金属化学成分含量(重量百分比％)
[0076][0077]
各实施例对应其熔敷金属机械性能、扩散氢及不同热处理条件、不同焊接热输入量焊接性能及接头测试结果如表4：
[0078]
表4：各实施例熔敷金属性能测试结果
[0079][0080]
以上试验数据热处理条件为580
±
20℃
×
4h，热输入量均为35kj/cm；
[0081]
扩散氢为水银法测定；
[0082]
以实施例4作为优选，对其进行不同热输入量和不同热处理条件试验如下：
[0083]
表5：不同热输入量下的立焊接头性能
[0084][0085]
以上试验数据热处理条件为580
±
20℃
×
4h；
[0086]
表6：各实施例在不同热处理条件下的立焊接头性能
[0087][0088]
作为优选，以上试验数据热输入量为35～40kj/cm；
[0089]
表7：各实施例立焊接头性能
[0090][0091]
由上述实验可见，本发明焊条的熔敷金属除了具有高强度、高韧性和超低扩散氢(h≤2.5ml/100g)，与母材07mnnimodr钢立焊对接，在30～55kj/cm热输入量范围内，经580℃
×
4～16h热处理后抗拉强度≥630mpa，
‑
60℃冲击≥70j，且接头ctod检测
‑
50℃＞0.6mm，
‑
60℃≥0.4mm，抗裂性优异。
[0092]
本发明焊条适用于07mnnimodr钢制石化乙烯/丙烯储罐的焊接，焊材适应性广，可耐长时间热处理(可承受580
±
20℃*16h热处理)，可超大热输入量(可应用至50甚至55kj/cm)焊接。本发明焊条具有优异的全位置焊接工艺性能，极易再引弧并具有超高熔敷效率。焊缝金属熔敷效率高达120％且熔化系数＞11g/a.h，能显著提高施工现场焊接效率。熔敷金属在580
±
20℃*4h热处理条件下具有高强度ts≥650mpa、高韧性(
‑
60℃≥120j)和超低扩散氢(h≤2.5ml/100g)。与母材07mnnimodr钢立焊对接，在30～55kj/cm热输入量范围内，经580℃
×
4～16h热处理，在最大热输入和最长热处理极限条件下，抗拉强度≥630mpa，
‑
60℃冲击≥70j。焊接接头具有优异的抗裂性，ctod检测
‑
50℃≥0.6mm，
‑
60℃＞0.4mm，抗裂性优异。本发明焊条适用于07mnnimodr石化乙烯/丙烯储罐的焊接，焊材适应性广，可耐长时间热处理，可超大热输入量焊接。焊缝金属熔敷效率达120％且熔化系数＞11g/a.h，能显著提高施工现场焊接效率。熔敷金属除了具有高强度、高韧性和超低扩散氢(h≤2.5ml/100g)，与母材07mnnimodr钢立焊对接，在30～55kj/cm热输入量范围内，经580℃
×
4～16h热处理后抗拉强度≥630mpa，
‑
60℃冲击≥70j。且接头ctod检测
‑
50℃＞0.6mm，
‑
60℃≥0.4mm，抗裂性优异。
[0093]
以上所述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。