一种超超临界锅炉钢的气体保护焊丝及其制备方法

本发明涉及焊接材料，特别是指一种超超临界锅炉钢的气体保护焊丝及其制备方法。

背景技术：

1、由于超超临界发电技术在节能减排和改善环境等方面具有突出优势，与之配套的相关技术也备受关注。超超临界发电采用的超超临界锅炉是一种主蒸汽压力为25-31mpa、主蒸汽和再热蒸汽温度为580-610℃的超超临界机组。

2、目前，超超临界锅炉的主蒸汽管道及再热蒸汽管道热段的材料主要采用的是p91钢。超超临界锅炉钢p91主要作为高温、高压管道材料，因而需要具有良好的强韧性和抗蠕变性能，并同时具有良好的抗高温氧化和抗腐蚀性能。对于超超临界锅炉钢p91的焊接材料，也需满足上述要求。但是，目前对于超超临界锅炉钢p91的焊接，主要采用全氩弧焊或氩弧焊打底手工电弧焊盖面的方式，焊接使用的焊接材料难以达到韧性、抗蠕变性、抗高温氧化性、抗腐蚀性的要求，造成超超临界锅炉钢p91焊接后的构建稳定性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超超临界锅炉钢的气体保护焊丝及其制备方法，以解决现有技术中的超超临界锅炉钢p91的焊接材料难以达到韧性、抗蠕变性、抗高温氧化性、抗腐蚀性要求的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一种超超临界锅炉钢的气体保护焊丝，其化学成分按重量百分比计包括：c：0.06-0.12％、si：0.10-0.55％、mn：1.25％以下、ni：1.0％以下、cr：7.0-11.0％、mo：0.90-1.10％、p：0.010％以下、s：0.010％以下、v：0.10-0.25％、cu：0.30％以下、al：0.05％以下、nb：0.03-0.09％、n：0.02-0.08％，余量为fe。其中，“以下”是指小于或者等于。

4、优选地，所述mn与所述ni的重量百分比之和小于等于1.5％。

5、优选地，所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝，其化学成分按重量百分比计包括：c：0.06％、si：0.10％、mn：0.65％、ni：0.8％、cr：7.0％、mo：0.95％、p：0.008％、s：0.008％、v：0.10％、cu：0.18％、al：0.03％、nb：0.03％、n：0.03％，余量为fe。

6、优选地，所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝，其化学成分按重量百分比计包括：c：0.09％、si：0.55％、mn：0.5％、ni：1.0％、cr：8.5％、mo：1.10％、p：0.0085％、s：0.010％、v：0.22％、cu：0.16％、al：0.05％、nb：0.05％、n：0.02％，余量为fe。

7、优选地，所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝，其化学成分按重量百分比计包括：c：0.12％、si：0.25％、mn：1.25％、ni：0.25％、cr：11.0％、mo：0.90％、p：0.0075％、s：0.0095％、v：0.25％、cu：0.30％、al：0.025％、nb：0.04％、n：0.08％，余量为fe。

8、优选地，所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝，其化学成分按重量百分比计包括：c：0.09％、si：0.22％、mn：0.90％、ni：0.5％、cr：9.5％、mo：1.00％、p：0.010％、s：0.0075％、v：0.20％、cu：0.17％、al：0.035％、nb：0.09％、n：0.065％，余量为fe。

9、优选地，所述气体保护焊丝的直径为0.8mm-1.6mm。

10、优选地，所述气体保护焊丝的外表面上还设有耐蚀层。

11、本发明还提供一种所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝的制备方法，包括如下步骤：

12、(1)按照化学成分重量百分比进行配料，得到脱硫铁水；将所述脱硫铁水进行冶炼、精炼、浇铸、加热、轧制，得到盘条；

13、(2)将步骤(1)中得到的盘条进行拉拔，得到超超临界锅炉钢的气体保护焊丝。

14、优选地，步骤(1)中，所述精炼采用顶底复吹、气氛微正压的方式得到精炼后的钢液；

15、任选地，所述浇铸采用小方坯连铸机；优选地，所述浇注采用氩封形式保护。氩封形式保护可以保证焊丝成分的纯净度，最大程度降低影响焊丝性能的杂质元素含量。

16、任选地，所述加热采用步进梁式加热炉；

17、任选地，所述轧制采用高速线材轧机。

18、优选地，步骤(2)具体包括：将步骤(1)中得到的盘条经酸洗、粗拉、退火、精拉、定径和表面防护处理，得到超超临界锅炉钢的气体保护焊丝。

19、优选地，所述表面防护处理为在所述气体保护焊丝的表面设置耐蚀层，以此来改善焊丝的送丝性、抗锈性以及导电性。所述耐蚀层可以为铜镀层，也可以是其他功能性涂层。

20、优选地，所述退火采用再结晶球化退火，即中间退火。

21、本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝，各化学成分的作用如下：

22、c是能够扩大和稳定奥氏体相区、保证焊丝强度的重要元素，但在高温状态下，碳化物容易堆积成长，碳含量高会促进碳化物分解成游离石墨，进而导致显微组织软化，对材料的抗裂性能产生影响。因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，c的重量百分比控制在0.06-0.12％的范围内，既保证了焊接接头的高温强度，又避免了影响焊接接头的抗裂性能。

23、si是焊丝生产中重要的脱氧剂，但si含量过高会增长焊接接头的脆性，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，si的重量百分比必须低于0.55％，以保证焊接接头的塑韧性，同时，加入cr，si与cr共同作用可以提高焊接接头的抗氧化性。

24、mn一方面是作为脱氧剂，以确保焊缝金属质量，另一方面提高了针状铁素体的含量，细化了焊接接头焊缝的粗晶区的组织，提高了焊缝的冲击韧性，但是mn含量过高会导致加热时珠光体向奥氏体转变的温度(ac1)下降过多，进而导致焊缝金属在焊后热处理温度下易于重新形成奥氏体，因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，mn的重量百分比必须低于1.25％。

25、ni能降低焊缝中δ铁素体形成的敏感性，避免δ铁素体对焊缝韧性的危害，而且ni能降低加热时珠光体向奥氏体转变的温度(ac1)，使得焊缝的ac1与焊后热处理温度相近，改善回火性能。但是，当ni含量过高会导致ac1过分下降，使其低于焊后热处理温度，这将形成未回火马氏体组织。因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，ni的重量百分比必须低于1.0％。同时，当mn和ni总含量的重量百分比低于1.5％时，ac1较为适宜。

26、cr含量足够时，能在钢表面形成附着性强、结构致密稳定的cr2o3氧化膜，能够有效阻止腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻止金属离子向外扩散，而且随着使用温度的增加，焊丝中所需要的cr也增加。cr能固溶强化，增强微观粒子相互引力，提高焊接接头的蠕变极限和持久强度。因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，cr的重量百分比控制在7.0-11.0％的范围内。

27、mo溶于铁素体，能够有效提高铁素体的再结晶温度，进而提高蠕变强度，同时，能析出稳定增强相，提高了热强性。但mo含量过高会缩小γ相区，缩短相变温度区间，产生置换固溶强化，引起晶格畸变，使得韧性恶化，因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，mo的重量百分比控制在0.90-1.10％的范围内，既保证了焊接接头的强度，又避免了影响焊接接头的塑韧性。

28、s、p是有害元素，降低焊接接头的抗拉强度、韧性、抗氧化性能、耐腐蚀性能和表面疲劳强度，因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，s、p含量应严格控制在最小范围内，s、p的重量百分比必须均低于0.010％。

29、v、nb元素熔点很高，它们主要以稳定的碳化物、氮化物的形式在马氏体板条上析出，提高焊缝的高温蠕变强度，也有提高焊缝韧性的作用。nb能提高奥氏体的再结晶温度，从而细化晶粒，但是含量过高的nb对强度和韧性的改变程度变小。因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，v的重量百分比控制在0.10-0.25％的范围内，nb的重量百分比控制在0.03-0.09％的范围内。

30、n是奥氏体形成元素，当n含量过饱和时，将会损伤焊缝的性能。因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，n的重量百分比控制在0.02-0.08％的范围内。

31、cu能提高焊接接头耐腐蚀性，同时，cu主要以微细弥散富铜相析出，可以有效提高焊缝的高温蠕变强度，但是cu含量过高时，焊接接头的持久强度和塑性均降低，而且可能增大焊缝的热裂纹敏感性，因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，cu的重量百分比必须低于0.30％。

32、al具有很好的脱氧性能，提高抗氧化性，还能减少焊缝中的氮含量，有效降低焊缝气孔敏感性。但是al含量过高会导致焊缝夹杂物尺寸增大，以al2o3为主的夹杂物会诱导针状铁素体形核，导致焊缝组织粗大，降低焊缝的韧性，因此，本发明所述的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝中，al的重量百分比必须均低于0.05％。

33、本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

34、(1)本发明的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝，其化学成分按重量百分比计包括：c：0.06-0.12％、si：0.10-0.55％、mn：1.25％以下、ni：1.0％以下、cr：7.0-11.0％、mo：0.90-1.10％、p：0.010％以下、s：0.010％以下、v：0.10-0.25％、cu：0.30％以下、al：0.05％以下、nb：0.03-0.09％、n：0.02-0.08％，余量为fe。本发明通过mn、ni、cr和mo的优化配比，辅以al、v、si、cu元素，并引入微量的nb等元素，可以有效的保证焊丝的抗蠕变性、抗腐蚀、抗高温氧化性，同时严格控制s和p的含量，以降低焊丝中的杂质，保证焊丝的纯净度，使超超临界锅炉钢焊后的韧性提高，可以有效满足焊丝在焊接超超临界锅炉钢p91的焊后构件的高温运行强度及性能稳定性要求。

35、(2)本发明的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝，可用于超超临界锅炉钢p91等耐热钢的气体保护焊的焊接，其焊接工艺性能和理化性能良好，电弧稳定、飞溅小、焊缝成型美观且能够进行全位置焊接，焊接后的焊后构件具有良好的力学性能。

36、(3)本发明的超超临界锅炉钢的气体保护焊丝的制备方法，所述精炼采用顶底复吹、气氛微正压的方式得到精炼后的钢液；所述浇注采用氩封形式保护。氩封形式保护可以保证焊丝成分的纯净度，最大程度降低影响焊丝性能的杂质元素含量，降低影响焊丝塑韧性的杂质元素s、p含量。