CN102950392A

CN102950392A - 一种生产管线埋弧焊丝用的盘条及其制造方法

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Publication number: CN102950392A
Application number: CN2011102420371A
Authority: CN
Inventors: 薛军; 郭大勇; 任玉辉; 王长顺; 王秉喜; 高航; 白喜峰
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: CN102950392B

Abstract

本发明公开一种生产管线埋弧焊丝用的盘条及其制造方法，盘条的化学成分按重量百分比为：C0.04％～0.11％，Si0.10％～0.40％，Mn1.40％～1.90％，Ni0.40％～0.60％，Mo0.20％～0.40％，Ti0.03％～0.10％，B0.004％～0.007％，Al0.010％～0.030％，S≤0.003％，P≤0.008％，O≤0.0015％，N≤0.0040％，余量为Fe及不可避免杂质。制造方法为：转炉冶炼采用双联法，LF精炼采用渣系成分按重量百分比为：CaO42.0％～58.0％，Al₂O₃ 15.2％～27.5％，SiO₂3.5％～6.0％，VD精炼采用弱吹，连铸采用全程保护浇注，结晶器未端电磁搅拌，线材轧制吐丝温度830～850℃，风冷辊道速度4～6m/min，获得抗拉强度≤700Mpa的盘条。此盘条在拉拔成Ф4mm或Ф3.2mm的成品焊丝时，省去退火工序。本发明提高了焊缝金属的强韧性，解决了钢质洁净度低和盘条强度高的问题。

Description

一种生产管线埋弧焊丝用的盘条及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种生产焊丝用盘条，尤其是一种X80级管线埋弧焊丝用的盘条及其制造方法。

背景技术

管线钢由于级别和成分的差异其配套焊丝也不尽相同。进口的X80级管线钢用埋弧焊丝，一般含有较高的Ni、Mo等贵重金属，价格昂贵，而国内开发的一些品种，为了降低成本在合金系设计时对Ni、Mo进行了全部及部分替代，同时采用添加Ti、B、Zr等微合金化元素来细化和改善焊缝的组织以提高强韧性，但这些微合金化元素在冶炼时易氧化，成分控制难度大，其次在焊接时形成的氧化物夹杂对焊缝性能的影响时好时坏，稳定性差。相关的专利包括申请号为200810005040.X、申请号为200610124514.3、申请号为200610145593.6和申请号为200510029245.8的中国专利。上述冶炼工艺主要采用电炉或转炉，有的后面配有LF精炼炉，钢水的洁净度水平不高，一些杂质元素尤其S、P、O对焊缝的强韧性产生不利影响。生产盘条时主要采用高速无扭轧机轧制，有的焊丝用的盘条在拉拔前或拉拔过程中，进行退火热处理，这无异增加了劳动强度和成本，如申请号为200510029245.8的中国专利。随着管线钢材品质的不断升级和管线工程对焊管焊缝性能要求的日异提高，尤其在激烈的市场竞争下，对焊管预期达到的高强、高韧、耐蚀、耐磨等综合特性要求，现有焊丝的成分或制造方法上便存在上述不足。

①申请号200810005040.X的中国专利，提供了一种高等级管线钢用高强度高韧性高焊速埋弧焊丝，由下述成分组成按重量百分比为：C0.03％-0.09％，Si0.1％-0.3％，Mn1.70％-2.3％，P＜0.010％，S＜0.008％，Mo0.2％-0.7％，Ti0.04％-0.10％，B0.003％-0.009％，Zr0.001％-0.003％，余量为Fe及不可避免杂质。达到了焊接X80钢级焊缝所需的高焊速、高强度、高韧性的需要。冶炼工艺采用铁水脱硫，控制入炉铁水硫含量，选用S、P含量低的原材料，采用转炉炼钢和顶底复合吹炼工艺，将冶炼终点的C、S、P控制在较低水平，经脱氧合金化后，采用LF炉等炉外精炼工艺，添加Mn、Si、Mo、Ti、B、Zr等微量元素，钢水经铸机全保护浇注成连铸坯，连铸坯经高速无扭轧机轧制成Ф5.5mm的盘条。

②申请号200610124514.3的中国专利，提供一种低合金超高强度钢用高韧性埋弧焊丝，其化学成分按重量百分比：C0.06％-0.12％；Si0.03％-0.20％；Mn1.50％-2.00％；Cr0.20％-0.60％；Ni1.40％-2.60％；Cu0.10％-0.60％；Ti0.06％-0.20％；Mo0.10％-0.50％；B0.002％-0.010％；余量为Fe及不可避免杂质。焊缝金属的抗拉强度达到800MPa，-40℃冲击功Akv≥47J，焊丝钢用电炉冶炼。

③申请号200610145593.6的中国专利，提供一种管线钢用埋弧焊丝，其化学成分按重量百分比：C0.02％-0.07％；Si0.10％-0.30％；Mn1.80％-2.50％；P＜0.010％；S＜0.010％；Cr0.10％-0.50％；Ti0.05％-0.08％；Mo0.20％-0.50％；B0.003％-0.004％；余量为Fe及不可避免杂质。焊缝金属的抗拉强度≥700MPa，-20℃冲击功Akv≥150J，适合于X80高级管线钢板的埋弧焊接，焊丝冶炼工艺采用(铁水脱硫)-转炉冶炼-LF炉精炼-160mm²方坯连铸机保护浇注。生产盘条时采用高速无扭轧机轧制。

④申请号200510029245.8的中国专利，提供一种高性能埋弧焊丝及盘条及其制造方法，其化学成分含有：C0.06％-0.13％；Si0.1％-0.5％；Mn1.3％-1.7％；Mo0.3％-0.6％；Ti0.010％-0.015％；B0.001％-0.009％；余量为Fe及不可避免杂质。可用于抗拉强度级别在580-680MPa高强度钢的埋弧焊。盘条的制造方法包括如下步骤：上述成分的焊丝用盘条在拉拔前或拉拔过程中，退火热处理工艺为：680～800℃加热炉中加热，保温2～10h随炉冷却。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产管线埋弧焊丝用的盘条及其制造方法，通过填加一定量的Al与Ti、B协同作用，提高焊缝金属的强韧性。采用洁净钢生产方法和缓冷轧制工艺解决钢质洁净度低和盘条强度高等问题。

一、本发明涉及盘条成分按重量百分比：C0.04％～0.11％，Si0.10％～0.40％，Mn1.40％～1.90％，Ni0.40％～0.60％，Mo0.20％～0.40％，Ti0.03％～0.10％，B0.004％～0.007％，Al0.010％～0.030％，S≤0.003％，P≤0.008％，O≤0.0015％，N≤0.0040％，，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明从成分设计上第一通过增加Mn、Ti、B等元素来提高焊接金属强韧性，适当添加Ni、Mo元素，在保证韧性的前提下尽量节约使用这些贵重元素来降低成本；第二通过添加适量的Al与Ti、B等微合金化元素的协同作用来显著地改善低碳钢的焊接性，主要是凝固过程中碳化物、氮化物、氧化物等形成，这些化合物的微粒作为结晶晶核从而细化焊缝金属的铸态组织和晶粒，提高钢的强度、韧性、耐磨性、同时抵制时效作用，并对抗氢也起到有益的作用；第三对钢中的P、S及气体等有害杂质元素O、N含量提出要求，提高钢质洁净度，达到替代进口钢质水平的要求，进一步提高钢种的应用性能。

本发明生产管线埋弧焊丝用的盘条成分各元素的说明：

(1)C：C是微合金焊缝金属中最重要的合金元素，是扩大γ相区的元素。G.M.Evans的研究结果认为C可促使形成针状铁素体，减少晶界多边形铁素体，并且细化再热区晶粒，提高熔敷金属的强度，但同时硬度增加、夏比冲击能随着C碳含量的增加而下降，最好的冲击性能的含碳量为0.05％～0.10％。综合考虑，盘条成分中碳含量应为0.04％～0.011％。

(2)Mn：Mn作为微合金钢焊缝金属中的主要合金元素，显著影响奥氏体扩散，Mn是奥氏体稳定元素，使奥氏体相变移向较低的温度。Mn一方面可作为脱氧剂，另一方面具有细化晶粒和固溶强的作用。G.M.Evans认为Mn含量0.6％～1.8％的增加会增加针状铁素体的含量，减少了先共析铁素体的含量，并且细化焊态针状铁素体组织，还细化焊缝热影响区粗晶区的组织。Mn含量的增加，减少了焊接热影响区等轴细晶的晶粒尺寸。Mn含量每增加0.1％，焊态焊缝金属屈服强度和拉伸强度大约增加10MPa。Mn含量的增加一方面增加了屈服强度，另一方面增加了针状铁素体的体积分数和细化了再热区的晶粒尺寸，这两种因素的影响使得Mn含量在一定的范围内，过量的易产生Mn和P的化合物偏析降低韧性，并且对抗H₂S腐蚀不利。综合考虑，盘条成分中Mn含量应为1.40％～1.90％。

(3)Si：Si的加入一般会降低焊缝韧性，但G.M.Evans认为，Si会促使针状铁素体的形成。综合考虑，盘条成分中Si含量应为0.10％～0.40％。

(4)Ni：Ni是提高焊缝低温冲击韧性的有益元素，无限固溶于γ-Fe，是扩大γ相区的元素，还可使CCT曲线右移，因而可促使针状铁素体的形成，使焊缝韧性提高。但Ni含量增加成本便随之提高，综合考虑，盘条成分中Ni含量应为0.40％～0.60％。

(5)Mo：Mo是缩小γ相区的元素，是中强碳化物形成元素，其主要作用是推迟先共析铁素体的转变而有利于形成贝氏体结构，并强烈抑制珠光体转变。研究表明，Mo含量在0～1.1％之间变化时，焊缝组织主要为先共析铁素体、侧板条铁素体和针状铁素体，同时增加韧性、强度和硬度，但是也促进了M-A组元和贝氏体的形成，同时屈强比和延伸率下降。Mo含量一般不宜超过0.50％。综合考虑，盘条成分中Mo含量在0.20％～0.40％。

(6)B、Ti：添加B、Ti提高强韧性，有研究认为，在Ti的保护下，有效B在奥氏体边界上偏析，在晶界上析出大量含B的碳化物Fe₂₃(BC)₆，它先于铁素体生成，可阻碍先共析铁素体形成，从而促进晶内针状铁素体的形成，提高强韧性。同时焊缝中Ti的夹杂物成为针状铁素体的形核质点，促进针状铁素体的形成从而提高焊缝的强韧性。综合考虑，盘条成分中Ti含量0.03％～0.10％，B含量0.004％～0.007％。

(7)Al：主要用于炼钢时的脱氧定氮剂，并且细化晶粒，适当的铝可提高钢在低温下的韧性。综合考虑，盘条成分中Al含量0.010％～0.030％。

(8)S、P：S易于导致焊缝的热裂，并显著降低冲击韧性。同时在焊接过程中，硫易于氧化，生成二氧化硫气体而逸出，以致在焊接金属中产生很多气孔和疏松，P增加焊裂的敏感性，综合考虑，盘条成分中S含量≤0.003％，P含量≤0.008％。

(9)O、N：降低钢中的O、N含量，可提高钢质的纯净度，保证成分中合金化、微合金化元素的有益作用、减少脆性组织的产生，进一步提高焊接金属的强韧性。综合考虑，盘条成分中O含量≤0.0015％，N含量≤0.0040％。

二、本发明生产管线埋弧焊丝用的盘条的制造方法包括铁水脱硫-转炉冶炼-LF炉精炼-VD精炼-连铸-线材轧制成盘条，其特点是所述转炉冶炼采用双联法，前半钢水的出钢温度在1420～1440℃，后半钢水的出钢温度在1680～1700℃，能够使钢中P≤0.008％，提高了钢质的洁净度；所述LF精炼所采用的渣系成分按重量百分比为：CaO42.0％～58.0％，Al₂O₃15.2％～27.5％，SiO₂3.5％～6.0％，能够使钢中S≤0.003％，提高了钢质的洁净度；所述的VD精炼，真空度为67～100Pa，保压5～15min，破空后弱吹氩5～10min达到去气、去夹杂的目的，提高了钢质的洁净度；所述的连铸采用保护浇注，在钢包长水口及结晶器浸入式水口用氩气保护，结晶器未端电磁搅拌，电流强度350～500A，拉坯速度0.7～0.8m/min；在线材轧制时采用缓冷工艺措施，即在所述线材轧制时吐丝温度控制在830～850℃，风冷辊道速度为4～6m/min，并采用扣罩和关闭风机的措施，以降低冷速，获得抗拉强度≤700Mpa的Ф5～6mm盘条。此盘条在拉拔成Ф4mm或Ф3.2mm的成品焊丝时，省去退火工序。

本发明的技术方案主要包括成分、炼钢工艺和线材缓冷工艺方案。

技术特征：①从成分设计上，应用新的强韧化机制，填加一定量的Al(0.01％～0.03％)与Ti、B协同作用，即晶粒细化机制和微合金化理论来达到增加强度和提高韧性的目的，又节约了贵重金属Ni、Mo的用量，降低成本，而对比专利均未涉及Al，充分发挥B对提高钢力学性能的优越性，相对对比专利提高了B的下限值(0.004％)，同时严格控制B上限值(0.007％)，因B含量高时，在钢液凝固时，由于偏聚析出的硼化物会弱化晶界的强度，在连铸生产过程中易产生漏钢造成安全事故，精确了Ni(0.40％～0.60％)，Mo(0.20％～0.40％)含量范围，实现成分的可控制性为产品性能的稳定提供了保障；对影响钢低温韧性极其重要的有害元素P(≤0.008％)的上限做了具体要求，与对比专利，降低了上限，改善低温韧性，同时对其它S及气体O、N有害钢性能的杂质元素提出要求，进一步实现强韧性②在制造方法上，炼钢方面，转炉采用先进的双联法，有效脱P实现P≤0.008％的要求，对比专利无此法；LF炉采用渣系按重量百分比为CaO42.0％～58.0％，Al₂O₃ 15.2％～27.5％，SiO₂3.5％～6.0％，实现O≤0.0015％、S≤0.003％的要求，对比专利无此法，VD采用高真空脱气及弱吹净化新技术可实现N≤0.0040％；连铸采用结晶器电磁搅及二冷水强冷，低拉速，可保证铸坯的质量，保证连铸顺行防止漏钢，对比专利无此法。③在制造方法的线材轧制工艺上，采用了新开发的缓冷工艺，降低了盘条的加工强度，使盘条在拉拔前或拉拔过程中不用退火，达到实现节能、环保、降成本的目的。

本发明具有的优点和效果：

1、用此盘条生产的焊丝质量稳定，匹配碱性烧结焊剂SJ101，得到的熔敷金属强度达到≥682MPa，冲击功AKV(-20℃)≥130J，焊接接头强度达到≥700MPa，冲击功AKV(-20℃)≥136J，适宜X80级管线钢板的焊接。

2、盘条及焊丝的成分设计中减少了贵重合金的加入量，价格成本低。

3、盘条易于拉拔加工，盘条的抗拉强度≤700Mpa，用此盘条生产焊丝，拉拔前或拉拔过程中不用退火，降低了用户的生产成本。

4、用此盘条生产的成品焊丝强度适中，易于缠绕送丝。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1：首先将脱硫后的钢水送转炉冶炼，采用双联法，前半钢水的出钢温度为1422℃，后半钢水的出钢温度为1682℃，钢水中P0.006％，出钢过程进行脱氧合金化。在LF炉精炼过程中渣系成分：CaO50.0％，Al₂O₃20.0％，SiO₂5.0％，钢水中的S为0.002％，合金元素调整至钢种成分要求；在VD精炼，真空度为67Pa，保压10min，破空后弱吹氩5min；再送到280×380mm²矩形坯的连铸机台上进行浇注，在钢包长水口及结晶器浸入式水口用氩气保护，结晶器未端电磁搅拌，电流强度400A，拉坯速度0.75m/min；之后经连轧轧成120×120mm²规格方坯到线材轧制，采用高速无扭轧机轧制生产出Ф5.5mm盘条。其中线材轧制时吐丝温度控制在830℃，风冷辊道速度为5m/min，采用扣罩和关闭风机的措施。按上述条件所生产的盘条的化学成分按重量百分比为：C0.06％，Si 0.20％，Mn1.75％，Ni0.50％，Mo0.30％，Ti0.05％，B0.005％，Al 0.02％，S0.001％，P0.007％，O0.0010％，N0.0030％，余量为Fe及不可避免的杂质，Ф5.5mm盘条的抗拉强度为650Mpa。

用此盘条生产的焊丝与SJ101-G焊剂匹配进行熔敷金属焊接，试板为X80管线，厚度为24mm，坡口角度30°，根部间隙为12mm。焊接规范为：焊接电流475～575A，焊接电压为27～30V，焊接速度23.5～26.5m/h，焊接线能量23KJ/cm，层间温度≤150℃。用本实施例生产的焊丝的熔敷金属的力学性能见表1。

用此盘条生产的焊丝与SJ101-G焊剂匹配进行X80级管线钢焊接，母板为鞍钢X80级管线钢板，其化学成分：C0.05％，Si0.2％，Mn1.84％，P0.009％，S0.002％，Ni0.2％，Al0.033％。厚度为18.4mm，坡口角度为60°的V型坡口。焊接规范为：焊接电流475～575A，焊接电压为27～30V，焊接速度23.5～26.5m/h，焊接线能量23KJ/cm，层间温度≤150℃。用本实施例生产的焊丝的焊缝金属的性能见表2。

实施例2：首先将脱硫后的钢水送转炉冶炼，采用双联法去磷，前半钢水的出钢温度为1425℃，后半钢水的出钢温度在1690℃，钢中P0.006％，碳为0.07％，出钢过程进行脱氧合金化。在LF炉精炼过程中渣系成分：CaO45％，Al₂O₃ 23.0％，SiO₂5.0％，钢水中的S为0.002％，合金元素调整至钢种成分要求；在VD精炼，真空度为67Pa，保压10min，破空后弱吹氩5min；再送到280×380mm²矩形坯的连铸机台上进行浇注，在钢包长水口及结晶器浸入式水口用氩气保护，结晶器未端电磁搅拌，电流强度400A；拉坯速度0.7m/min；之后经连轧轧成120×120mm²规格方坯到线材轧制，采用高速无扭轧机轧制生产出Ф5.5mm盘条。其中线材轧制时吐丝温度控制在830℃，风冷辊道速度5m/min，采用扣罩和关闭风机的措施。按上述条件所生产的盘条的化学成分按重量百分比为：C0.07％，Si 0.20％，Mn1.77％，Ni0.45％，Mo0.30％，Ti0.05％，B0.006％，Al0.01％，S0.001％，P0.006％，O0.0012％，N0.0025％，余量为Fe及不可避免的杂质，Ф5.5mm盘条的抗拉强度为680Mpa的盘条。

焊接工艺及母板材质与实施例1相同，用本实施例盘条生产的焊丝的熔敷金属的力学性能见表1，焊缝金属的性能见表2。

实施例3：首先将脱硫后的钢水送转炉冶炼，采用双联法去磷，前半钢水的出钢温度在1430℃，后半钢水的出钢温度在1700℃，钢中P0.005％，碳为0.07％，出钢过程进行脱氧合金化。在LF炉精炼过程中渣系成分：CaO.55％，Al₂O₃ 24.0％，SiO₂6.0％，钢水中的S为0.001％，合金元素调整至钢种成分要求；在VD精炼，真空度为67Pa，保压10min，破空后弱吹氩5min；再送到280×380mm²矩形坯的连铸机台上进行浇注，在钢包长水口及结晶器浸入式水口用氩气保护，结晶器未端电磁搅拌，电流强度400A；拉坯速度0.8m/min；之后经连轧轧成120×120mm²规格方坯到线材轧制，采用高速无扭轧机轧制生产出Ф5.5mm盘条，之后将盘条剥壳、酸洗、镀铜，制成(拉拔)Ф4mm焊丝。其中线材轧制时吐丝温度控制在830℃，风冷辊道速度为5m/min，采用扣罩和关闭风机的措施。按上述条件所生产的盘条的化学成分按重量百分比为：C0.07％，Si 0.18％，Mn1.80％，Ni0.46％，Mo0.35％，Ti0.04％，B0.005％，Al0.03％，S0.001％，P0.006％，O0.0011％，N0.0028％，余量为Fe及不可避免的杂质，Ф5.5mm盘条的抗拉强度为690Mpa的盘条。

焊接工艺及母板材质与实施例1相同，本实施例盘条生产的焊丝熔敷金属的力学性能见表1，焊缝金属的性能见表2。

表1本发明实施例盘条生产的焊丝的熔敷金属的性能

表2本发明实施例盘条生产的焊丝的焊接接头的性能

Claims

1.一种生产管线埋弧焊丝用的盘条，其特征在于盘条化学成分按重量百分比为：C0.04％～0.11％，Si0.10％～0.40％，Mn1.40％～1.90％，Ni0.40％～0.60％，Mo0.20％～0.40％，Ti0.03％～0.10％，B0.004％～0.007％，Al0.010％～0.030％，S≤0.003％，P≤0.008％，O≤0.0015％，N≤0.0040％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.一种用于权利要求1所述的管线埋弧焊丝用的盘条制造方法，包括铁水脱硫-转炉冶炼-LF炉精炼-VD精炼-连铸-线材轧制；所述转炉冶炼采用双联法，前半钢水的出钢温度在1420～1440℃，后半钢水的出钢温度在1680～1700℃；所述LF精炼所采用的渣系成分按重量百分比为：CaO42.0％～58.0％，Al₂O₃ 15.2％～27.5％，SiO₂3.5％～6.0％；所述的VD精炼，真空度为67～100Pa，保压5～15min，破空后弱吹氩5～10min；所述的连铸采用保护浇注，在钢包长水口及结晶器浸入式水口用氩气保护，结晶器未端电磁搅拌，电流强度350～500A，拉坯速度0.7～0.8m/min；所述线材轧制时吐丝温度控制在830～850℃，风冷辊道速度为4～6m/min。