1.本发明涉及埋弧焊材技术领域，特别是涉及一种埋弧焊用焊丝、焊剂及制备方法、埋弧焊材及应用、焊接接头及焊接方法，适用于超低温高锰钢液化天燃气(lng)储运装置。
背景技术：
2.天燃气作为一种重要的绿色能源，在生产和生活中应用越来越广泛，国内天燃气的来源大部分依靠进口或来自深海开采，而天燃气的运输和储存必须在超低温(-166℃及以下)条件下通过液化来实现，为保证长时间安全稳定的超低温工况运行，对储运装置的主体材料性能及制造工艺质量提出严苛的、特殊的技术要求。
3.压力容器运行期间最大的安全隐患或着说最大的危险就是脆性破坏，尤其是低温条件，因为一般情况下，这种失效形式基本无任何先兆，后果也可能是灾难性的。发生脆性破坏的根本原因是材料在低温条件下发生了韧脆转变，随温度降低，材料韧性不断降低，当温度降到一定数值以下，材料完全失去韧性，在远低于额定设计载荷下发生整体断裂，常规铁素体型材料(碳钢、低合金钢等)属于此类。而奥氏体型材料低温脆化敏感性相对很小，因此，类似lng等超低温储运装置，主体材料原则上应选择奥氏体组织系列的材料，但从材料强度设计和建造成本的角度考虑，工程上一直都采用铁素体型的9％镍钢最为主体材料，配套的焊接材料是奥氏体组织系列的镍基合金。
4.液化天燃气(lng)储运装置整体是一大型的焊接结构，就性能和质量而言，焊接接头是整个装置的最薄弱环节，制造过程中焊接材料的选择及焊接工艺的制定成为储运装置整体性能能否满足设计和使用要求的决定因素。以往国内外的lng储运装置建造所采用的主体材料均为9％镍钢，为满足超低温条件下的技术要求，配套的焊材全部是镍基合金，尽管在性能上能满足工程上最基本的设计要求，但同时是也存在着非常明显的不足：
①
焊材与钢材为异质，化学成分与组织组成差别非常大，导致两者的物理性能有明显差异；
②
焊接材料价格昂贵，制造成本大幅提高；
③
焊缝金属力学性能，特别是强度指标只能是刚刚达到或接近技术要求的下限，基本没有余量。近几年，国外在lng储运装置建造用主体材料创新方面做了一些探索性的工作，并取得了一定的进展，其中超低温用全新高锰钢(锰含量在20％以上)在性能及成本方面显示出在lng储运装置上具有很好的应用前景及实用价值，国内个别钢厂已有小批量试制该种钢板，目前，还没有相应配套的焊材。
技术实现要素：
5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种埋弧焊用焊丝、焊剂及制备方法、埋弧焊材及应用、焊接接头及焊接方法，该埋弧焊用焊剂和该埋弧焊用焊丝匹配焊接特别适用于-166℃及以下超低温用高锰钢(锰含量在20wt％以上)。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种埋弧焊用焊丝，在焊丝总质量中，以质量％计含有：
7.c：0.45～0.75％，如0.45～0.48％、0.48～0.59％、0.59～0.71％或0.71～0.75％；
8.mn：22.0～26.0％，如22.0～22.1％、22.1～23.4％、23.4～24.8％、24.8～25.7％或25.7～26％；
9.ni：4.0～6.0％，如4～4.3％、4.3～5.1％、5.1～5.8％或5.8～6％；
10.si：0.10～0.50％，如0.10～0.11％、0.11～0.12％、0.12～0.17％、0.17～0.22％、0.22～0.49％或0.49～0.50％；
11.p≤0.006％，如0～0.004％、0.004～0.005％或0.005～0.006％；
12.s≤0.006％，如0～0.003％、0.003～0.005％或0.005～0.006％；
13.fe和不可避免的杂质：66.738～73.45％，如66.738～66.749％、66.749～67.561％、67.561～69.332％、69.332～71.691％、71.691～73.333％、73.333～73.45％。
14.该埋弧焊用焊丝作为主填充材料，主成分基本与主体材料相近，实现焊缝金属与母材同质的目的，辅加一些其它合金组分调整焊缝金属的组织稳定性和力学性能。该埋弧焊用焊丝主要成分的作用：
15.碳(c)是强奥氏体化元素，而且具有显著的固溶强化能力，加入的目的是提高焊缝组织低温形变稳定及提高焊缝金属的强度。同时，随含碳量的增加也会扩大焊缝金属凝固温度范围，可能导致焊缝出现结晶裂纹的倾向，如含碳量超过一定量，还可能出现碳化物沿晶界析出，造成塑韧性的大幅下降。因此，必须将含碳量控制在一定的范围
16.锰(mn)是奥氏体化元素，其作用强度比c、ni要弱，但当锰含量达到一定量后，辅以其它合金元素，如c、ni等，可以使奥氏体稳定保持到室温及以下，同时，锰也具有固溶强化作用。但锰含量过高会产生晶界偏聚，低温下易发生晶界脆断，韧性下降。
17.镍(ni)重要的奥氏体化元素，镍的加入可进一步增加低温奥氏体组织稳定性，同时，还可整体提高焊缝金属低温韧性水平。
18.本发明第二方面提供该埋弧焊用焊丝的制备方法，包括如下步骤：
19.a1)将该埋弧焊用焊丝的制备原料进行冶炼、锻造开坯并轧制成材；
20.a2)将步骤a1)得到的物料进行拉拔。
21.优选地，所述制备方法还包括如下技术特征中的至少一项：
22.a11)特征a1)中，所述埋弧焊用焊丝的制备原料包括如下质量百分比的各组分：纯铁61.0～69.4％如61.0～62.5％、62.5～65％、65～67.5％或67.5～69％、硅铁1.0～2.0％如1～1.35％、1.35～1.5％、1.5～1.8％或1.8～2％、锰铁25.0～30.0％如25～26％、26～27.5％、27.5～29.2％或29.2～30％、金属镍4.5～6.5％如4.5～4.9％、4.9～5％、5～5.75％、5.75～6.1％或6.1～6.5％和铝0.1～0.5％如0.1～0.15％、0.15～0.25％、0.25～0.4％或0.4～0.5％；
23.a12)特征a1)中，冶炼温度为1600～1650℃；
24.a12)特征a1)中，锻造开坯温度为900～1100℃。
25.本发明第三方面提供一种埋弧焊用焊剂，是与该埋弧焊用焊丝一起用于埋弧焊的焊剂，所述焊剂中，以质量％计含有：
26.al2o3：24～29.6％，如24～25％或25～29.6％；
27.cao：9～12％，如9～10％、10～11％或11～12％；
28.caf2：19～22％，如19～20％、20～21％、21～21.2％或21.2～22％；
29.mgo：24～29.4％，如24～25％或25～29.4％；
30.sio2：4～7％，如4～5％、5～6％或6～7％；
31.mno：6～13％，如6～10％、10～10.8％或10.8～13％；
32.硅铁：0.1～1％，如0.1～0.3％、0.3～0.4％、0.4～0.7％或0.7～1％；
33.锰铁：0.1～1.0％，如0.1～0.3％、0.3～0.4％、0.4～0.7％或0.7～1％。
34.该埋弧焊用焊剂作为辅助填充材料，主要作用是保证焊接过程的工艺性能，如，得到致密(或少、小到设计允许程度的缺陷)的焊缝、电弧稳定燃烧、焊道成形优良、脱渣容易等，其次通过焊剂过渡一小部分合金元素进一步调整焊缝金属的合金系统，最后，是通过焊剂在焊接过程中的冶金反应净化焊缝金属及改变凝固组织形态。埋弧焊用焊剂主要成分的作用：
35.al2o3：主要造渣剂，属中性氧化物，通过al2o3的含量调整焊剂熔点和粘度，使焊道表面光滑及改善渣壳的脱渣性。
36.cao：主要造渣剂，碱性氧化物，cao的引入可以提高焊剂碱度，有助于焊缝金属的净化，同时，可达到调整熔渣的凝固特点，使熔渣成为"短渣"，进一步改善焊剂的脱渣性能和成形性能。
37.caf2：主要造渣剂，能够提高焊剂的碱度，降低焊剂的熔点，增加焊渣的流动性。
38.mgo：主要是造渣剂，提高焊剂熔点和碱度。
39.sio2：造渣剂，调整焊渣的粘度和碱度，改善脱渣性能。
40.mno：降低焊渣的粘度，降低熔渣表面张力，改善焊缝金属成型及焊道与母材的平滑过渡；焊接时能降低锰合金元素的烧损倾向。
41.硅铁和锰铁：脱氧剂，净化焊缝金属，降低氧含量。
42.本发明第四方面提供该埋弧焊用焊剂的制备方法，包括如下步骤：将该埋弧焊用焊剂的制备原料与粘结剂混合、造粒、筛分、烘干和烧结，得到所述埋弧焊用焊剂。
43.优选地，所述制备方法还包括如下技术特征中的至少一项：
44.b1)所述埋弧焊用焊剂的制备原料包括如下质量百分比的各组分：铝矾土25～30％如25～26％、26～27.5％、27.5～29％或29～30％、萤石20～25％如20～21％、21～22.5％或22.5～25％、镁砂25～30％如25～26％、26～28％、28～29％或29～30％、锰矿6～15％如6～6.2％、6.2～9％、9～10.6％、10.6～12％或12～15％、硅灰石9～13％如9～10、10～12％或12～13％、锰铁0.1～1.0％如0.1～0.3％、0.3～0.4％、0.4～0.8％或0.8～1％和硅铁0.1～0.8％如0.1～0.2％、0.2～0.6％或0.6～0.8％；
45.b2)所述粘结剂为钾钠水玻璃；
46.b3)所述粘结剂为制备原料总质量的20～30％；
47.b4)筛分目数为12～60目；
48.b5)烘干温度为300～400℃，如300～350℃或350～400℃；
49.b6)烧结温度为650～750℃，如650～700℃或700～750℃。
50.本发明第五方面提供一种埋弧焊材，包括该埋弧焊用焊丝和该埋弧焊用焊剂。
51.本发明第六方面提供该埋弧焊材在焊接领域中的应用。
52.本发明第七方面提供一种焊接接头，是使用该埋弧焊用焊丝和该埋弧焊用焊剂，
利用埋弧焊制作的焊接接头；
53.所述焊接接头的焊接金属中，以质量％计含有：
54.c：0.45～0.75％，如0.45～0.48％、0.48～0.59％、0.59～0.71％或0.71～0.75％；
55.mn：22.0～26.0％，如22.0～22.1％、22.1～23.4％、23.4～24.8％、24.8～25.7％或25.7～26％；
56.ni：4.0～6.0％，如4～4.3％、4.3～5.1％、5.1～5.8％或5.8～6％；
57.si：0.10～0.50％，如0.10～0.11％、0.11～0.12％、0.12～0.17％、0.17～0.22％、0.22～0.49％或0.49～0.50％；
58.p≤0.006％，如0～0.004％、0.004～0.005％或0.005～0.006％；
59.s≤0.006％，如0～0.003％、0.003～0.005％或0.005～0.006％；
60.fe和不可避免的杂质：66.738～73.45％，如66.738～66.749％、66.749～67.561％、67.561～69.332％、69.332～71.691％、71.691～73.333％、73.333～73.45％。
61.优选地，使用含有20wt％以上的mn的钢板作为母材。
62.本发明第八方面提供一种焊接方法，所述焊接方法采用该埋弧焊用焊丝和该埋弧焊用焊剂。
63.优选地，使用含有20wt％以上的mn的钢板作为母材。
64.相对于现有技术，发明具有以下有益效果中的至少一项：
65.1)该埋弧焊用焊剂和该埋弧焊用焊丝匹配焊接特别适用于-166℃及以下超低温用高锰钢(锰含量在20wt％以上)；
66.2)该埋弧焊用焊剂具有较低的氧化性和较高的碱度；
67.3)该埋弧焊用焊剂具有优良的焊接工艺性能，焊接电弧稳定、无气孔、焊道成形良好、脱渣容易；
68.4)该埋弧焊用焊剂和该埋弧焊用焊丝匹配焊接的熔敷金属力学性能如下：抗拉强度大于800mpa，屈服强度大于400mpa，伸长率大于37％；-196℃时冲击吸收功akv平均大于27j。
具体实施方式
69.下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照常规条件或者制造商建议的条件进行或配置。
70.下面实施例中各性能的测试方法如下：
71.屈服强度的测试方法：gb/t 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法。
72.抗拉强度的测试方法：gb/t 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法。
73.伸长率的测试方法：gb/t 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法。
[0074]-196℃平均冲击吸收功的测试方法：gb/t 229-2020金属材料夏比摆锤冲击试验方法。
[0075]
实施例1
[0076]
母材：hm400钢板(mn 24.5wt％)，板厚20mm。
[0077]
埋弧焊用焊丝：在焊丝总质量中，以质量％计含有c为0.48％；mn为23.4％；ni为4.3％；si为0.12％；p为0.006％；s为0.003％；fe和不可避免的杂质：71.691％；直径φ4.0mm。
[0078]
埋弧焊用焊丝的制备方法：将埋弧焊用焊丝的制备原料包括如下质量百分比的各组分：纯铁61.0％、硅铁2.0％、锰铁30.0％、金属镍6.5％、铝0.5％进行冶炼、锻造开坯并轧制成材，其中，冶炼温度为1650℃，锻造开坯温度为1100℃；拉拔。
[0079]
埋弧焊用焊剂：以质量％计含有：al2o3：25％；cao：10％；caf2：20％；mgo：29.4％；sio2：5％；mno：10％；硅铁：0.3％；锰铁：0.3％。
[0080]
埋弧焊用焊剂的制备方法：将埋弧焊用焊剂的制备原料包括如下质量百分比的各组分：铝矾土25％、萤石25％、镁砂25％、锰矿15％、硅灰石9％、锰铁0.8％、硅铁0.2％与粘结剂混合、造粒、筛分、烘干和烧结，其中，粘结剂为钾钠水玻璃，用量为制备原料总质量的20％；筛分目数为12～60目；烘干温度为350℃；烧结温度为700℃。
[0081]
试验条件：采用该埋弧焊用焊丝和该埋弧焊用焊剂，焊接装置为直流埋弧电焊机，焊接电流550a，焊接电压30v，焊接速度40cm/min。
[0082]
熔敷金属实测结果：屈服强度410mpa；抗拉强度805mpa；伸长率35％；-196℃平均冲击吸收功81j。
[0083]
实施例2
[0084]
母材：hm400钢板(mn 24.5wt％)，板厚20mm。
[0085]
埋弧焊用焊丝：在焊丝总质量中，以质量％计含有c为0.71％；mn为25.7％；ni为5.8％；si为0.22％；p为0.006％；s为0.003％；fe和不可避免的杂质：67.561％；直径φ4.0mm。
[0086]
埋弧焊用焊丝的制备方法：将埋弧焊用焊丝的制备原料包括如下质量百分比的各组分：纯铁69.0％、硅铁1.0％、锰铁25.0％、金属镍4.9％、铝0.1％进行冶炼、锻造开坯并轧制成材，其中，冶炼温度为1650℃，锻造开坯温度为1100℃；拉拔。
[0087]
埋弧焊用焊剂：以质量％计含有：al2o3：29.6％；cao：10％；caf2：20％；mgo：24％；sio2：5％；mno：10％；硅铁：0.7％；锰铁：0.7％。
[0088]
埋弧焊用焊剂的制备方法：将埋弧焊用焊剂的制备原料包括如下质量百分比的各组分：铝矾土30％、萤石25％、镁砂28％、锰矿6.2％、硅灰石9％、锰铁1.0％、硅铁0.8％与粘结剂混合、造粒、筛分、烘干和烧结，其中，粘结剂为钾钠水玻璃，用量为制备原料总质量的20％；筛分目数为12-60目；烘干温度为350℃；烧结温度为700℃。
[0089]
试验条件同实施例1。
[0090]
熔敷金属实测结果：屈服强度420mpa；抗拉强度815mpa；伸长率36％；-196℃平均冲击吸收功89j。
[0091]
实施例3
[0092]
母材：hm400钢板(mn 24.5wt％)，板厚20mm。
[0093]
埋弧焊用焊丝：在焊丝总质量中，以质量％计含有c为0.59％；mn为24.8％；ni为5.1％；si为0.17％；p为0.005％；s为0.003％；fe和不可避免的杂质：69.332％；直径φ
4.0mm。
[0094]
埋弧焊用焊丝的制备方法：将埋弧焊用焊丝的制备原料包括如下质量百分比的各组分：纯铁65.0％、硅铁1.5％、锰铁27.5％、金属镍5.75％、铝0.25％进行冶炼、锻造开坯并轧制成材，其中，冶炼温度为1650℃，锻造开坯温度为1100℃；拉拔。
[0095]
埋弧焊用焊剂：以质量％计含有：al2o3：25％；cao：12％；caf2：21.2％；mgo：25％；sio2：6％；mno：10％；硅铁：0.4％；锰铁：0.4％。
[0096]
埋弧焊用焊剂的制备方法：将埋弧焊用焊剂的制备原料包括如下质量百分比的各组分：铝矾土27.5％、萤石20％、镁砂30％、锰矿9％、硅灰石13％、锰铁0.4％、硅铁0.1％与粘结剂混合、造粒、筛分、烘干和烧结，其中，粘结剂为钾钠水玻璃，用量为制备原料总质量的20％；筛分目数为12-60目；烘干温度为350℃；烧结温度为700℃。
[0097]
试验条件同实施例1。
[0098]
熔敷金属实测结果：屈服强度425mpa；抗拉强度830mpa；伸长率36％；-196℃平均冲击吸收功94j。
[0099]
实施例4
[0100]
母材：hm400钢板(mn 24.5wt％)，板厚20mm。
[0101]
埋弧焊用焊丝：在焊丝总质量中，以质量％计含有c为0.45％；mn为22.1％；ni为4.0％；si为0.11％；p为0.004％；s为0.003％；fe和不可避免的杂质：73.333％；直径φ4.0mm。
[0102]
埋弧焊用焊丝的制备方法：将埋弧焊用焊丝的制备原料包括如下质量百分比的各组分：纯铁62.5％、硅铁1.8％、锰铁29.2％、金属镍6.1％、铝0.4％进行冶炼、锻造开坯并轧制成材，其中，冶炼温度为1650℃，锻造开坯温度为1100℃；拉拔。
[0103]
埋弧焊用焊剂：以质量％计含有：al2o3：25％；cao：11％；caf2：21％；mgo：25％；sio2：7％；mno：10.8％；硅铁：0.1％；锰铁：0.1％。
[0104]
埋弧焊用焊剂的制备方法：将埋弧焊用焊剂的制备原料包括如下质量百分比的各组分：铝矾土29％、萤石22.5％、镁砂26％、锰矿12％、硅灰石10％、锰铁0.3％、硅铁0.2％与粘结剂混合、造粒、筛分、烘干和烧结，其中，粘结剂为钾钠水玻璃，用量为制备原料总质量的20％；筛分目数为12-60目；烘干温度350℃；烧结温度为700℃。
[0105]
试验条件同实施例1。
[0106]
熔敷金属实测结果：屈服强度405mpa；抗拉强度800mpa；伸长率42％；-196℃平均冲击吸收功85j。
[0107]
实施例5
[0108]
母材：hm400钢板(mn 24.5wt％)，板厚20mm。
[0109]
埋弧焊用焊丝：在焊丝总质量中，以质量％计含有c为0.75％；mn为26.0％；ni为6.0％；si为0.49％；p为0.006％；s为0.005％；fe和不可避免的杂质：66.749％；直径φ4.0mm。
[0110]
埋弧焊用焊丝的制备方法：将埋弧焊用焊丝的制备原料包括如下质量百分比的各组分：纯铁67.5％、硅铁1.35％、锰铁26％、金属镍5.0％、铝0.15％进行冶炼、锻造开坯并轧制成材，其中，冶炼温度为1650℃，锻造开坯温度为1100℃；拉拔。
[0111]
埋弧焊用焊剂：以质量％计含有：al2o3：25％；cao：10％；caf2：20％；mgo：25％；
sio2：5％；mno：13％；硅铁：1％；锰铁：1％。
[0112]
埋弧焊用焊剂的制备方法：将埋弧焊用焊剂的制备原料包括如下质量百分比的各组分：铝矾土26％、萤石21％、镁砂29％、锰矿10.6％、硅灰石12％、锰铁0.8％、硅铁0.6％与粘结剂混合、造粒、筛分、烘干和烧结，其中，粘结剂为钾钠水玻璃，用量为制备原料总质量的20％；筛分目数为12-60目；烘干温度为350℃；烧结温度为700℃。
[0113]
试验条件同实施例1。
[0114]
熔敷金属实测结果：屈服强度450mpa；抗拉强度840mpa；伸长率36％；-196℃平均冲击吸收功99j。
[0115]
以上的实施例是为了说明本发明公开的实施方案，并不能理解为对本发明的限制。此外，本文所列出的各种修改以及发明中方法、组合物的变化，在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本领域内的技术人员来说是显而易见的。虽然已结合本发明的多种具体优选实施例对本发明进行了具体的描述，但应当理解，本发明不应仅限于这些具体实施例。事实上，各种如上所述的对本领域内的技术人员来说显而易见的修改来获取发明都应包括在本发明的范围内。