本發(fā)明屬于焊接材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種核廢料再處理用不銹鋼焊條，適用于25cr-20ni-nb耐氧化性酸奧氏體不銹鋼的焊接。
背景技術(shù)：
：核能已經(jīng)成為人類的重要能源之一，在國(guó)際社會(huì)對(duì)溫室氣體排放、氣候變暖等問(wèn)題的關(guān)注越來(lái)越重視形勢(shì)下，積極推進(jìn)核電建設(shè)是我國(guó)能源建設(shè)的一項(xiàng)重要政策。截止2015年7月，全球共有391座核反應(yīng)堆用于發(fā)電，中國(guó)共27座核反應(yīng)堆用于并網(wǎng)發(fā)電，反應(yīng)堆的平均年齡約為7年。在中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，核電比例僅為2％，遠(yuǎn)低于世界平均水平，與法國(guó)等核電強(qiáng)國(guó)相比，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的空間巨大。2007年10月，國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)了《國(guó)家核電發(fā)展專題規(guī)劃(2005-2020)》.根據(jù)規(guī)劃，到2020年，我國(guó)將新投產(chǎn)核電裝機(jī)容量2300萬(wàn)千瓦，相當(dāng)于有23個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組投入運(yùn)營(yíng)并聯(lián)網(wǎng)發(fā)電，在今后的幾年中，每年都將有幾臺(tái)新的核電機(jī)組開(kāi)工建設(shè)。我國(guó)核電的蓬勃發(fā)展也對(duì)核廢料再處理提出了更高的要求。核電站使用后的核廢料通常通過(guò)濕式再處理技術(shù)進(jìn)行后處理，即采用高溫、高濃度的硝酸對(duì)使用完的核燃料加以溶解，在溶液中產(chǎn)生了比硝酸的氧化還原電位更高的金屬離子，形成了氧化性極強(qiáng)的腐蝕環(huán)境。因此，在上述溶液中，既存在由高溫高濃度硝酸引起的晶間腐蝕等問(wèn)題，也存在由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)向過(guò)鈍化狀態(tài)的全面腐蝕。在這一處理過(guò)程中由于涉及到具有腐蝕性的硝酸，因此大量使用不銹鋼材料。在硝酸成套設(shè)備或者核燃料后處理領(lǐng)域，對(duì)于高氧化環(huán)境下的過(guò)鈍化腐蝕問(wèn)題和晶間腐蝕問(wèn)題，目前存在兩種研究思路：第一種是采用低碳、高鉻、添加nb以及降低p、s和si等高純凈化措施；第二種思路是采用高硅化思路，即將不銹鋼中的si含量提升至3％以上。由于采用第二種研發(fā)思路及高硅化思路會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的焊接裂紋問(wèn)題，而第一種研發(fā)思路采用高鉻化提高抗腐蝕能力，同時(shí)采用低碳、添加nb以及降低雜質(zhì)元素s、p等措施，既提高了材料的耐全面腐蝕能力，又提高了在強(qiáng)氧化性酸中的耐晶間腐蝕能力。核廢料再處理技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家如法國(guó)、日本等開(kāi)發(fā)出了添加nb的25cr-20ni-0.25nb奧氏體不銹鋼，用于制作核廢料溶解槽、硝酸回收蒸發(fā)鍋爐等關(guān)鍵設(shè)備。目前，我國(guó)核廢料再處理用25cr-20ni-0.25nb奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)的國(guó)產(chǎn)焊接材料為310nb，目前市場(chǎng)上成熟的310nb焊材存在以下幾個(gè)問(wèn)題：首先，焊縫金屬中的c元素偏高，雖然添加了nb元素來(lái)穩(wěn)定c元素，但是當(dāng)焊材中c元素偏高時(shí)，c元素將不可避免地與cr形成cr23c6型碳化物而消耗cr元素，增加了發(fā)生晶間腐蝕的傾向。其次，焊材熔敷金屬中si元素和雜質(zhì)元素p元素含量較高，降低了在硝酸中的耐腐蝕性能，難以將焊縫金屬的腐蝕速率控制在0.1mm/a以下。由于上述不足之處限制了國(guó)產(chǎn)不銹鋼焊材在核廢料再處理中的應(yīng)用，不能滿足我國(guó)核電發(fā)展對(duì)相應(yīng)焊接材料提出的越來(lái)越高的技術(shù)要求。目前，有關(guān)耐硝酸腐蝕不銹鋼及不銹鋼焊材的專利如下：(1)不銹鋼焊接用超低碳奧氏體焊絲材料(申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)：cn102319965a)此專利公開(kāi)了一種不銹鋼焊接用實(shí)心焊絲，其設(shè)計(jì)方案采用了cr-ni-mo合金體系。其中，cr含量為18.59-19.32％，ni含量為13.57-14.87％，mo含量小于0.33％，此外添加了少量mo和n元素。而本專利涉及的屬于高cr-ni體系奧氏體耐酸不銹鋼焊條，采用了25cr-20ni-0.25nb-0.1zr合金體系，二者在技術(shù)方案和合金體系上完全不同。(2)耐濃、稀硝酸腐蝕的高硅奧氏體不銹鋼(公開(kāi)號(hào)：cn1307141a)。此專利公開(kāi)了一種高硅奧氏體不銹鋼的鋼材設(shè)計(jì)制造方法，采用了高硅cr-ni系設(shè)計(jì)思路；而本專利涉及的是針對(duì)cr-ni-nb體系的奧氏體耐酸不銹鋼設(shè)計(jì)的一種焊條，采用的是cr-ni-nb-zr合金體系以及低硅、低p設(shè)計(jì)思路，二者涉及的領(lǐng)域以及設(shè)計(jì)思路均不相同。(3)奧氏體系不銹鋼以及奧氏體系不銹鋼材的制造方法(申請(qǐng)公布號(hào)：cn103620076a)。此專利涉及了一種耐硝酸腐蝕的奧氏體不銹鋼材料及其制造方法，采用了cr-ni-mo-n合金體系，通過(guò)添加mo和n可以改善材料的耐點(diǎn)蝕性能，但在高溫高濃度硝酸溶液中的耐過(guò)鈍化全面腐蝕以及晶間腐蝕能力不足。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對(duì)核廢料再處理用25cr-20ni-0.25nb奧氏體不銹鋼提供一種核廢料再處理用不銹鋼焊條，解決現(xiàn)有焊材對(duì)高濃度硝酸耐腐蝕能力不足的問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種核廢料再處理用不銹鋼焊條，包括焊芯和裹覆在焊芯表面的藥皮，所述藥皮由干粉和粘接劑混合而成，所述藥皮中干粉的成分及各成分占干粉總質(zhì)量的百分比如下：天然金紅石30～45％；云母6～10％；方解石5～8％；螢石7～10％；鈦白粉3～5％；鋯英砂2～5％；金屬鉻15～18％；金屬鎳2～5％；電解錳6～8％；纖維素0.5～0.7％；鈮鐵1.0～2.0％；鋯鐵0.5～1.5％；氮化鉻鐵1.0～2.0％；碳酸鍶0.30～0.50％。進(jìn)一步的，所述焊芯的質(zhì)量占焊條總質(zhì)量的百分比為55～60％，藥皮的質(zhì)量占焊條總質(zhì)量的百分比為40～45％。進(jìn)一步的，所述焊芯為cr-ni-nb-zr系不銹鋼專用焊芯，焊芯中所含合金化學(xué)元素的種類及各元素的質(zhì)量百分比為：c：0.010～0.020％，si≤0.10％，mn：1.50～1.80％，cr：24.0～26.0％，ni：19.0～21.0％，nb：0.15～0.30％，zr：0.05～0.10％，s≤0.0050％，p≤0.012％，余量為fe。進(jìn)一步的，所述鈮鐵中的化學(xué)元素及其質(zhì)量百分比如下：nb：50％，al≤2.0％，si≤0.50％，c≤0.05％，s≤0.01％，p≤0.015％。進(jìn)一步的，所述鋯鐵中所含的化學(xué)元素及其質(zhì)量百分比為：zr：30％，c≤0.05％，si≤0.20％，mn≤0.1％，s≤0.01％，p≤0.012％。進(jìn)一步的，所述氮化鉻鐵中所含的化學(xué)元素及其質(zhì)量百分比為：cr≥60％，n≥5％，c≤0.03％，s≤0.005％，p≤0.010％。進(jìn)一步的，所述干粉中(nb+zr)/cr的質(zhì)量比大于20。進(jìn)一步的，所述藥皮中粘接劑的質(zhì)量為干粉總質(zhì)量的18～22％。進(jìn)一步的，所述粘接劑采用k:na為1:1的低模鉀鈉混合水玻璃，所述低模鉀鈉混合水玻璃的模數(shù)為2.4～2.6；采用此低模鉀鈉混合水玻璃所制備的焊條藥皮高溫強(qiáng)度高，可有效防止焊條藥皮開(kāi)裂。另外，本發(fā)明提供的這種核廢料再處理用不銹鋼焊條，用于25cr-20ni-nb耐氧化性酸奧氏體不銹鋼的焊接。本發(fā)明核廢料再處理用不銹鋼焊條中藥皮配方設(shè)計(jì)原理如下：天然金紅石：主要作用是造渣、穩(wěn)弧、調(diào)節(jié)熔渣的物理性能，改善焊縫成形；金紅石加入量小于30％時(shí)，電弧穩(wěn)定性差、立焊困難；其加入量大于45％時(shí)，焊縫金屬中氧化物夾雜增加，降低焊縫金屬的力學(xué)性能，特別是低溫沖擊韌性。云母：主要作用是造渣，穩(wěn)定電弧，細(xì)化熔滴，增加藥皮的透氣性能和改善壓涂性能；當(dāng)云母的含量低于6％時(shí)作用不明顯，其含量偏高時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊縫金屬增si，因此在本發(fā)明中不宜超過(guò)10％。方解石：其主要成分為caco3，在藥皮中的作用與大理石相似，主要起造渣、造氣、脫硫等作用，在不銹鋼焊條中不宜多用，不然會(huì)導(dǎo)致焊縫增碳，降低焊接接頭的耐腐蝕性能，本發(fā)明中將方解石的含量限定在5～8％之間。碳酸鍶：主要作用是穩(wěn)弧，在本發(fā)明中為了控制焊縫金屬增si，將藥皮中的硅鋁酸鹽如云母的含量控制在較低水平，因此焊條的電弧穩(wěn)定性相對(duì)較差，而鍶為易電離物質(zhì)，其電離能較k元素還低，因此在藥皮中添加一定量的含sr物質(zhì)可以起到穩(wěn)定電弧的作用。當(dāng)碳酸鍶加入量低于0.3％時(shí)，電弧穩(wěn)定作用不明顯，而其加入量大于0.5％時(shí)，對(duì)焊條的抗吸潮性能以及熔敷金屬擴(kuò)散氫含量有害，因此本發(fā)明中碳酸鍶的含量范圍為0.3～0.5％。螢石：主要作用是稀釋劑，能活化焊渣，增加焊渣的流動(dòng)性能，使焊縫中的氣體易于逸出；螢石雖然能起到去氫作用，但含量過(guò)高時(shí)會(huì)破壞電弧的穩(wěn)定性，因此其含量限定在7～10％之間。鈦白粉：主要作用是穩(wěn)弧，改善焊條的壓涂性能，本發(fā)明將鈦白粉的含量控制在3～5％之間。鋯英砂：主要作用是造渣劑，提高焊條藥皮熔點(diǎn)，改善脫渣性能，鋯英砂含量過(guò)高則導(dǎo)致焊條藥皮熔點(diǎn)過(guò)高、導(dǎo)致套筒太長(zhǎng)破壞電弧穩(wěn)定性，本發(fā)明將鋯英砂的含量控制在2～5％之間。金屬鉻、鎳粉主要向焊縫中過(guò)渡cr和ni這兩種主合金元素，穩(wěn)定焊縫金屬的化學(xué)成分，當(dāng)金屬鉻以及鎳粉的添加量過(guò)低或者太高都將導(dǎo)致焊條熔敷金屬化學(xué)成分的偏離，本發(fā)明中，金屬鉻的添加量為15～18％；金屬鎳為2～5％。電解錳：主要作用是脫氧劑，對(duì)焊縫金屬起到脫氧的作用，凈化焊縫金屬，提高焊縫金屬力學(xué)性能；電解錳添加量小于6％時(shí)，焊縫金屬脫氧不足，焊條熔敷金屬?zèng)_擊韌性較低，而其添加量高于8％時(shí)，焊條熔敷金屬?gòu)?qiáng)度增加，塑性降低，因此本發(fā)明中電解錳的添加量控制在6～8％之間。鈮鐵主要向焊縫金屬中過(guò)渡nb元素，起到穩(wěn)定c元素的作用，減小焊縫金屬發(fā)生晶間腐蝕的傾向。鋯鐵則主要過(guò)渡zr元素，zr元素與nb元素相似，為強(qiáng)碳化物形成元素，能與c形成zrc，既可以作為形核質(zhì)點(diǎn)細(xì)化晶粒，又能穩(wěn)定c元素，避免c元素與cr形成cr23c6化合物而消耗cr，而且zr元素在濃硝酸中形成的氧化產(chǎn)物非常穩(wěn)定，在焊縫金屬中增加zr可提高其耐腐蝕性能。將w(nb+zr)/w(cr)的比值控制在20以上，進(jìn)一步提高焊縫金屬的抗晶間腐蝕能力；而nb與zr的添加量過(guò)高時(shí)將導(dǎo)致焊縫金屬?gòu)?qiáng)度增加，塑性降低，不利于提高焊條熔敷金屬的綜合性能，因此，本發(fā)明中鈮鐵的添加范圍為1.0～2.0％；鋯鐵為0.5～1.5％。氮化鉻鐵則向焊縫金屬中過(guò)渡一定量的n元素，n為強(qiáng)奧氏體化元素，能穩(wěn)定奧氏體，同時(shí)形成氮化物顆粒能起到細(xì)化晶粒的作用，提高焊縫金屬的力學(xué)性能特別是低溫沖擊韌性，當(dāng)?shù)t鐵的添加量低于1.0％時(shí)，n元素的作用不明顯，而氮化鉻鐵的添加量高于2.0％時(shí)，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度急劇增加，塑性嚴(yán)重降低，因此本發(fā)明中氮化鉻鐵的含量為1.0～2.0％。纖維素：改善焊條的壓涂性能，纖維素添加量低于0.5％時(shí)作用不明顯，而其添加量高于0.7％時(shí)，粉料攪拌時(shí)間增加，焊條低溫烘干時(shí)間增加，因此，纖維素的含量控制在0.5～0.7％之間。本發(fā)明的有益效果：(1)本發(fā)明提供的這種核廢料再處理用不銹鋼焊條采用cr-ni-nb-zr系不銹鋼焊芯，通過(guò)焊芯過(guò)渡的方式向焊縫過(guò)渡主要合金元素cr、ni、nb、zr，并通過(guò)藥皮補(bǔ)充合金元素的燒損，穩(wěn)定了焊縫金屬的化學(xué)成分與力學(xué)性能，特別是抗腐蝕性能。(2)本發(fā)明提供的這種核廢料再處理用不銹鋼焊條熔敷金屬在濃度為65％的沸騰硝酸溶液中的耐腐蝕性能優(yōu)異，腐蝕速率遠(yuǎn)小于0.1mm/a，滿足核廢料再處理工業(yè)的耐酸性技術(shù)要求。(3)本發(fā)明提供的這種核廢料再處理用不銹鋼焊條通過(guò)控制合金含量及其比例、降低藥皮中硅酸鹽的含量控制焊縫金屬中si元素和雜質(zhì)p元素，提高焊縫金屬在硝酸中的耐腐蝕性能，有效解決了現(xiàn)有310nb焊材耐濃硝酸腐蝕能力不足的問(wèn)題。具體實(shí)施方式下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。實(shí)施例中的核廢料再處理用不銹鋼焊條采用焊芯的質(zhì)量占焊條總質(zhì)量的百分比為55～60％，藥皮的質(zhì)量占焊條總質(zhì)量的百分比為40～45％；所述焊芯為cr-ni-nb-zr系不銹鋼專用焊芯，焊芯中所含合金化學(xué)元素的種類及各元素的質(zhì)量百分比為：c：0.010～0.020％，si≤0.10％，mn：1.50～1.80％，cr：24.0～26.0％，ni：19.0～21.0％，nb：0.15～0.30％，zr：0.05～0.10％，s≤0.0050％，p≤0.012％，余量為fe。而對(duì)應(yīng)實(shí)施例中藥皮所采用的干粉組分配比如表1所示，所采用的粘結(jié)劑如表2所示，所述粘接劑采用k:na為1:1的低模鉀鈉混合水玻璃，其模數(shù)為2.4～2.6。表1：藥皮中干粉成分配比(wt.％)表2：粘接劑添加比例(wt.％)及藥皮系數(shù)(％)實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3低模鉀鈉混合水玻璃181520藥皮質(zhì)量百分比424045采用上述實(shí)施例1～3制備的核廢料再處理用不銹鋼焊條經(jīng)過(guò)焊接后，對(duì)焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3和表4所示。表3：不銹鋼焊條熔敷金屬化學(xué)成分(wt.％)表4：不銹鋼焊條熔敷金屬力學(xué)性能另外，為了測(cè)試本發(fā)明的核廢料再處理用不銹鋼焊條熔敷金屬對(duì)高溫高濃度硝酸的耐腐蝕性能，選擇濃度為65％的沸騰硝酸對(duì)上述實(shí)施例1～3焊縫金屬進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，腐蝕試驗(yàn)采用恒溫油浴鍋加熱保溫，溫差控制在±1℃；試驗(yàn)前后試樣采用高精度電子天平進(jìn)行稱重，其精度為0.1mg；試樣的腐蝕速率采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：其中，v為腐蝕速率，單位為mm/a(毫米每年)；m0和mt分別為腐蝕前后試樣的重量，單位為g；ρ為試樣的密度，單位為g/cm3；s為試樣受腐蝕的面積，單位為cm2；t為腐蝕時(shí)間，單位為小時(shí)h。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。表5：不銹鋼焊條焊縫金屬耐腐蝕性能由表5可知，本發(fā)明的cr-ni-nb-zr系不銹鋼焊條熔敷金屬在濃度為65％的沸騰硝酸溶液中的耐腐蝕性能優(yōu)異，腐蝕速率遠(yuǎn)小于0.1mm/a，完全滿足核廢料再處理工業(yè)的耐酸性技術(shù)要求。綜上所述，本發(fā)明提供的這種核廢料再處理用不銹鋼焊條采用cr-ni-nb-zr系專用焊芯，并采用低c、低si、低p含量，nb與zr二元穩(wěn)定以及添加n元素等技術(shù)措施，提高了焊條熔敷金屬對(duì)高濃度硝酸的耐腐蝕性能和焊材熔敷金屬的力學(xué)性能，解決了現(xiàn)有焊接材料對(duì)高濃度硝酸溶液耐腐蝕性能不足、無(wú)法兼顧耐蝕性、韌性與抗裂性的問(wèn)題，完全滿足我國(guó)核廢料再處理工業(yè)的使用要求。以上例舉僅僅是對(duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設(shè)計(jì)均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12