阅读说明：本技术 一种lng储罐高锰低温钢用无缝药芯焊丝及制备方法 (Seamless flux-cored wire for high-manganese low-temperature steel of LNG storage tank and preparation method ) 是由 王亚彬 亢天佑 叶凡 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种LNG储罐高锰低温钢用无缝药芯焊丝,包括质量百分数为60-70%的低碳钢带外皮和质量百分数为30-40%药芯；按照质量百分比计,所述药芯包括电解金属锰65%-75%、镍粉8%-14%、硅粉1.0%以下、纯碱1.0%以下、高碳铬铁2%-8%、烧结粉体4%-8%,其余为铁粉；所述烧结粉体包括新型钛酸钾25%-30%、氧化铝20%-25%、石墨10%-15%、镁砂25%-30%,其余为粘结剂。该焊丝可用于LNG储罐的建造,在超低温下具有良好的冲击韧性及与母材匹配的强度；且该焊丝具有良好的焊接工艺性,可适用于多种位置焊接,同时具有与母材相匹配的化学成分,与母材之间平滑过渡、无裂纹。(The invention relates to a seamless flux-cored wire for high-manganese low-temperature steel of an LNG storage tank, which comprises a low-carbon steel belt sheath and a flux core, wherein the low-carbon steel belt sheath is 60-70% by mass, and the flux core is 30-40% by mass; according to the mass percentage, the flux core comprises 65-75% of electrolytic manganese metal, 8-14% of nickel powder, less than 1.0% of silicon powder, less than 1.0% of soda ash, 2-8% of high-carbon ferrochrome, 4-8% of sintered powder and the balance of iron powder; the sintering powder comprises 25-30% of novel potassium titanate, 20-25% of alumina, 10-15% of graphite, 25-30% of magnesia and the balance of a binder. The welding wire can be used for building an LNG storage tank, and has good impact toughness and strength matched with a base metal at ultralow temperature; the welding wire has good welding manufacturability, is suitable for welding at various positions, has chemical components matched with the base metal, and is in smooth transition with the base metal without cracks.)

一种LNG储罐高锰低温钢用无缝药芯焊丝及制备方法

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体地，涉及无缝药芯焊丝。

背景技术

随着全球经济的快速发展和各国对环保的重视，LNG（液化天然气）的需求量与日俱增。我国作为一个能源消耗大国，且LNG主要全靠海运进口，对LNG储备的设施需求巨大。建造LNG运输船及LNG接收站迫在眉睫。

LNG通常在零下163℃的条件下储存运输，此前主要采用铝合金、镍合金钢(9%Ni)、不锈钢等作为LNG储罐的主要材料。不过，这些材料的强度普遍较低，而且加工性不高，因而在应用方面受到了制约。此外，产品中价格昂贵的Ni含量较高，产品成本将会大幅提高。极低温用高锰钢是在钢中添加了一定量的Mn元素，经过适当的热处理之后制成。金属锰在国际原材料市场的价格波动较小，而且高锰钢即使在极低温条件下也可以保持理想的性能，作为第二代LNG储罐用新材料备受瞩目。

作为高锰钢的配套焊材，药芯焊丝具有自动化程度高，焊接速度快，可进行全位置焊接，焊缝成型美观等特点。目前市场上应用较多的药芯焊丝为有缝药芯焊丝。相对于传统的有缝药芯焊丝，无缝药芯焊丝具有：有效降低焊缝金属的裂纹发生率，耐气孔性能高；抗吸潮性极强，长时间储存于潮湿环境中也不需要再次烘干；焊丝表面可以实施镀铜处理，焊丝耐锈性能提高；外皮钢带没有间隙，送丝性能和焊丝对准性优异，电弧更加稳定。

发明内容

为了解决高填充率条件下无缝药芯焊丝拉拔减径过程中的断丝问题，本发明的目的一在于提供一种LNG储罐高锰低温钢用无缝药芯焊丝，目的而在于提供制备所述无缝药芯焊丝的方法。该焊丝可用于LNG储罐的建造，在超低温下（-196℃）具有良好的冲击韧性及与母材匹配的强度；且该焊丝具有良好的焊接工艺性，可适用于多种位置焊接，同时具有与母材相匹配的化学成分，与母材之间平滑过渡、无裂纹。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

一种LNG储罐高锰低温钢用无缝药芯焊丝，包括质量百分数为60-70%的低碳钢带外皮和质量百分数为30-40%药芯；

按照质量百分比计，所述药芯包括电解金属锰65%-75%、镍粉8%-14%、硅粉1.0%以下、纯碱1.0%以下、高碳铬铁2%-8%、烧结粉体4%-8%，其余为铁粉；

按照质量百分比计，所述烧结粉体包括新型钛酸钾25%-30%、氧化铝20%-25%、石墨10%-15%、镁砂25%-30%，其余为粘结剂。

作为对上述方案的进一步优化，所述电解金属锰、镍粉和高碳铬铁的颗粒度控制在80-120目。

作为对上述方案的进一步优化，所述低碳钢带外皮选用SPHC钢带。

本发明还提供制备所述无缝药芯焊丝的方法，包括以下步骤：

步骤一：按照质量百分比，分别称取各原料，备用；

步骤二、配制烧结粉体粉料，经过V型混料机混合均匀，加入粘结剂，得到湿粉；将所述湿粉放置于坩埚中进行烧结处理；将烧结后的粉体破碎，粉体粒度控制在100-320目，得烧结粉体；

步骤三、利用步骤二所得烧结粉体与其他原料按照比例混合均匀得到药芯粉，钢带在线同步添加药芯粉，添加药芯粉后的外皮钢带，经轧辊成型和焊合后，再经退火、减径成直径1.2mm的无缝药芯焊丝。

作为对上述方案的进一步优化，步骤二所述粘结剂包括占烧结粉体粉料重量4%-12%的水玻璃和2%-8%的水。

作为对上述方案的进一步优化，所述药芯粉的填充率为32-37%。

该无缝药芯焊丝药粉成分种类及每种组分要求范围的原因如下：

本发明中所述的LNG储罐高锰钢用无缝药芯焊丝为金属粉芯型药芯焊丝。金属粉芯型药芯焊丝在抗裂性及熔敷效率方面优于造渣型药芯焊丝，在焊接工艺性方面优于实心焊丝。

本发明的药芯粉中含有电解金属锰65-75%，这一方面是由高锰钢钢板的成分所决定的。高锰钢钢板中锰含量在20-28%，焊缝成分要与钢板成分相匹配，且根据该合金系中锰的过渡系数，锰的最佳加入量在65-75%。另一方面，从组织上来讲，当锰含量低于20%，焊缝中的马氏体含量增加，塑性显著下降；当锰含量过高，高于28%，容易引起焊缝组织偏析。焊缝中S、P等杂质在晶界附近富集或偏聚在晶界处形成夹杂物，会危害到焊缝的低温韧性。由于电解金属锰中S、P等杂质含量较低，本发明中Mn的加入形式为电解金属锰。

镍是奥氏体形成元素，可提高焊缝的冲击韧性，同时少量的镍可作为固溶强化元素，提高焊缝的屈服与抗拉强度。本发明中镍元素以镍粉的形式加入，最佳加入量为8%-14%。

少量的Si在焊缝作为强化合金元素，可以提高焊缝的强度，过量的Si会引起焊缝冲击韧性的下降。为保证焊缝纯净，本发明中Si的加入形式为硅粉。

Cr在高锰奥氏体钢中主要为了提高焊缝的耐蚀性。其次，焊缝中加入少量的Cr即可显著增加焊缝的低温冲击功，Cr含量继续增加，低温冲击功无明显改善。本发明中Cr的加入形式为高碳铬铁，最佳加入量2%-8%。

在高锰奥氏体中，Al具有显著的稳定奥氏体和抑制马氏体转变的作用，加入少量的Al还可以提高耐蚀性，并与N结合形成小的质点起到细化晶粒的作用。本发明中Al的加入形式为氧化铝。

钛酸钾中的钾可以稳定电弧，减小飞溅，优化焊接工艺性。药芯粉中加入钛酸钾含量较少，焊丝不能够得到优异的焊接工艺性；但钛酸钾极易吸潮，药芯粉中加入较多的钛酸钾导致焊丝的气孔倾向增大，本发明中采用烧结处理部分药芯粉，降低钛酸钾的含水量，然后采用无缝药芯焊丝生产工艺，避免了药芯焊丝后续的吸潮问题。钛酸钾本发明中要求钛酸钾中的K₂O含量占30%以上。

镁砂作为碱性氧化物，可以净化焊缝，减少焊缝中S、P等杂质的含量，降低裂纹风险，同时降低氧含量，提高焊缝金属的冲击功；镁砂加入量过多，与酸性氧化物结合降低焊渣的熔点，增加焊渣的流动性，导致焊缝覆盖不全及立焊焊道下坠。

C是奥氏体形成元素，可以稳定奥氏体相，在较大范围内改善冲击韧性，C含量过高高于1%时，焊缝强度增加而韧性急剧下降，且C在焊接过程中形成CO及CO2等气体，C含量过高导致焊接飞溅增大。本发明中C的加入形式有高碳铬铁、石墨。

为保证药芯粉在填充过程中下粉均匀以及焊丝在拉拔减径过程中药芯粉具有良好的流动性：（1）本发明对药芯粉的颗粒度有明确的要求。电解金属锰、镍粉、高碳铬铁颗粒度控制在80-120目，烧结粉颗粒度控制在-60目（即全部通过60目），其中-300目的比例不高于10%。（2）引入纯碱。纯碱具有润滑的作用，分布在金属粉周围，在拉丝过程中减少粉料之间的摩擦，增加粉料间的流动性，优化焊丝拉丝工艺。

有益效果：

（1）本发明所述LNG储罐高锰钢用无缝药芯焊丝，在低温下具有较高的冲击韧性及与母材匹配的强度，良好的屈强比，-196℃低温环境下焊丝熔敷金属冲击功可达到80J；且该焊丝具有良好的焊接工艺性，可适用于多种位置焊接，同时具有与母材相匹配的化学成分，与母材之间平滑过渡、无裂纹，可以应用于LNG储罐高锰钢的焊接。

（2）该药芯焊丝药芯粉的主要成分为电解金属锰，大大降低了以往在-196℃低温环境下使用镍基焊材的成本。

（3）本发明采用无缝药芯焊丝制造方法，降低了焊丝的气孔敏感性，且杜绝了焊丝长期放置在使用环境中再次吸潮的问题。

（4）本发明所述烧结粉体中的几种粉体颗粒度较细小，使得流动性差，且松装比过低，影响了焊丝制造过程的工艺。且该类粉体易吸潮，直接加入会导致焊丝的气孔敏感性较大。为此本发明中将此类药粉在混合均匀后集中烧结处理，通过在加入粘结剂后进行烧结，得到合适颗粒度的原材料，改善粉体的流动性，提高药芯粉的松装比。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

一种LNG储罐高锰低温钢用无缝药芯焊丝，其含有的原料及其配比如下：电解金属锰67%、镍粉12%、硅粉0.9%、纯碱0.6%、高碳铬铁7%、烧结粉体8%（其中各组分比例新型钛酸钾28%、氧化铝22%、石墨15%、镁砂27%，其余为粘结剂），其余为铁粉；由以上原料混合组成，填充率37%，焊丝直径1.2mm。

实施例2

一种LNG储罐高锰低温钢用无缝药芯焊丝，其含有的原料及其配比如下：电解金属锰72%、镍粉10%、硅粉0.7%、纯碱0.5%、高碳铬铁4%、烧结粉体6%（其中各组分比例新型钛酸钾28%、氧化铝22%、石墨15%、镁砂27%，其余为粘结剂），其余为铁粉；由以上原料混合组成，填充率35%，焊丝直径1.2mm。

实施例3

一种LNG储罐高锰低温钢用无缝药芯焊丝，其含有的原料及其配比如下：电解金属锰74%、镍粉13%、硅粉0.5%、纯碱0.8%、高碳铬铁5%、烧结粉体5%（其中各组分比例新型钛酸钾28%、氧化铝22%、石墨15%、镁砂27%，其余为粘结剂），其余为铁粉；由以上原料混合组成，填充率32%，焊丝直径1.2mm。

本发明LNG储罐高锰钢用无缝药芯焊丝的制备方法如下：外皮选用SPHC钢带，成分及性能见表1、2所示。焊丝熔敷金属化学成分和力学性能见表3和表4。

表1本发明实施例的LNG储罐高锰钢用无缝药芯焊丝选用钢带的化学成分（重量%）

表2本发明实施例的LNG储罐高锰钢用无缝药芯焊丝选用钢带的性能

表3本发明实施例的LNG储罐高锰钢用无缝药芯焊丝熔敷金属的化学成分（重量%）

表4本发明实施例的LNG储罐高锰钢用无缝药芯焊丝熔敷金属的力学性能

需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。