本發(fā)明屬于焊接材料
技術(shù)領域：
，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，在國際社會對溫室氣體排放、氣候變暖等問題的關注越來越重視形勢下，積極推進核電建設是我國能源建設的一項重要政策。截止2015年7月，全球共有391座核反應堆用于發(fā)電，中國共27座核反應堆用于并網(wǎng)發(fā)電，反應堆的平均年齡約為7年。在中國的能源結(jié)構(gòu)中，核電比例僅為2％，遠低于世界平均水平，與法國等核電強國相比，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的空間巨大。2007年10月，國務院正式批準了《國家核電發(fā)展專題規(guī)劃(2005-2020)》.根據(jù)規(guī)劃，到2020年，我國將新投產(chǎn)核電裝機容量2300萬千瓦，相當于有23個百萬千瓦級核電機組投入運營并聯(lián)網(wǎng)發(fā)電，在今后的幾年中，每年都將有幾臺新的核電機組開工建設。我國核電的蓬勃發(fā)展也對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濕式再處理技術(shù)進行后處理，即采用高溫、高濃度的硝酸對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題，也存在由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)向過鈍化狀態(tài)的全面腐蝕。在這一處理過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。在硝酸成套設備或者核燃料后處理領域，對于高氧化環(huán)境下的過鈍化腐蝕問題和晶間腐蝕問題，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導致嚴重的焊接裂紋問題，而第一種研發(fā)思路采用高鉻化提高抗腐蝕能力，同時采用低碳、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，又提高了在強氧化性酸中的耐晶間腐蝕能力。核廢料再處理技術(shù)先進的國家如法國、日本等開發(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)鍋爐等關鍵設備。目前，我國核廢料再處理用25cr-20ni-0.25nb奧氏體不銹鋼對應的國產(chǎn)焊接材料為310nb，目前市場上成熟的310nb焊材存在以下幾個問題：首先，焊縫金屬中的c元素偏高，雖然添加了nb元素來穩(wěn)定c元素，但是當焊材中c元素偏高時，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產(chǎn)不銹鋼焊材在核廢料再處理中的應用，不能滿足我國核電發(fā)展對相應焊接材料提出的越來越高的技術(shù)要求。目前，有關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(申請公開號：cn102319965a)此專利公開了一種不銹鋼焊接用實心焊絲，其設計方案采用了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(公開號：cn1307141a)。此專利公開了一種高硅奧氏體不銹鋼的鋼材設計制造方法，采用了高硅cr-ni系設計思路；而本專利涉及的是針對cr-ni-nb體系的奧氏體耐酸不銹鋼設計的一種焊條，采用的是cr-ni-nb-zr合金體系以及低硅、低p設計思路，二者涉及的領域以及設計思路均不相同。(3)奧氏體系不銹鋼以及奧氏體系不銹鋼材的制造方法(申請公布號：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，通過添加mo和n可以改善材料的耐點蝕性能，但在高溫高濃度硝酸溶液中的耐過鈍化全面腐蝕以及晶間腐蝕能力不足。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對核廢料再處理用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)有焊材對高濃度硝酸耐腐蝕能力不足的問題。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。進一步的，所述鈮鐵中的化學元素及其質(zhì)量百分比如下：nb：50％，al≤2.0％，si≤0.50％，c≤0.05％，s≤0.01％，p≤0.015％。進一步的，所述鋯鐵中所含的化學元素及其質(zhì)量百分比為：zr：30％，c≤0.05％，si≤0.20％，mn≤0.1％，s≤0.01％，p≤0.012％。進一步的，所述氮化鉻鐵中所含的化學元素及其質(zhì)量百分比為：cr≥60％，n≥5％，c≤0.03％，s≤0.005％，p≤0.010％。進一步的，所述干粉中(nb+zr)/cr的質(zhì)量比大于20。進一步的，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度高，可有效防止焊條藥皮開裂。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計原理如下：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，電弧穩(wěn)定性差、立焊困難；其加入量大于45％時，焊縫金屬中氧化物夾雜增加，降低焊縫金屬的力學性能，特別是低溫沖擊韌性。云母：主要作用是造渣，穩(wěn)定電弧，細化熔滴，增加藥皮的透氣性能和改善壓涂性能；當云母的含量低于6％時作用不明顯，其含量偏高時會導致焊縫金屬增si，因此在本發(fā)明中不宜超過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，不然會導致焊縫增碳，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。當碳酸鍶加入量低于0.3％時，電弧穩(wěn)定作用不明顯，而其加入量大于0.5％時，對焊條的抗吸潮性能以及熔敷金屬擴散氫含量有害，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，但含量過高時會破壞電弧的穩(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，改善脫渣性能，鋯英砂含量過高則導致焊條藥皮熔點過高、導致套筒太長破壞電弧穩(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渡cr和ni這兩種主合金元素，穩(wěn)定焊縫金屬的化學成分，當金屬鉻以及鎳粉的添加量過低或者太高都將導致焊條熔敷金屬化學成分的偏離，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，提高焊縫金屬力學性能；電解錳添加量小于6％時，焊縫金屬脫氧不足，焊條熔敷金屬沖擊韌性較低，而其添加量高于8％時，焊條熔敷金屬強度增加，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。鋯鐵則主要過渡zr元素，zr元素與nb元素相似，為強碳化物形成元素，能與c形成zrc，既可以作為形核質(zhì)點細化晶粒，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的添加量過高時將導致焊縫金屬強度增加，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渡一定量的n元素，n為強奧氏體化元素，能穩(wěn)定奧氏體，同時形成氮化物顆粒能起到細化晶粒的作用，提高焊縫金屬的力學性能特別是低溫沖擊韌性，當?shù)t鐵的添加量低于1.0％時，n元素的作用不明顯，而氮化鉻鐵的添加量高于2.0％時，焊縫金屬強度急劇增加，塑性嚴重降低，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％時作用不明顯，而其添加量高于0.7％時，粉料攪拌時間增加，焊條低溫烘干時間增加，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，通過焊芯過渡的方式向焊縫過渡主要合金元素cr、ni、nb、zr，并通過藥皮補充合金元素的燒損，穩(wěn)定了焊縫金屬的化學成分與力學性能，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題。具體實施方式下面對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。實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。而對應實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)(％)實施例1實施例2實施例3低模鉀鈉混合水玻璃181520藥皮質(zhì)量百分比424045采用上述實施例1～3制備的核廢料再處理用不銹鋼焊條經(jīng)過焊接后，對焊縫金屬進行化學成分、力學性能進行檢測，結(jié)果如表3和表4所示。表3：不銹鋼焊條熔敷金屬化學成分(wt.％)表4：不銹鋼焊條熔敷金屬力學性能另外，為了測試本發(fā)明的核廢料再處理用不銹鋼焊條熔敷金屬對高溫高濃度硝酸的耐腐蝕性能，選擇濃度為65％的沸騰硝酸對上述實施例1～3焊縫金屬進行腐蝕試驗，腐蝕試驗采用恒溫油浴鍋加熱保溫，溫差控制在±1℃；試驗前后試樣采用高精度電子天平進行稱重，其精度為0.1mg；試樣的腐蝕速率采用如下公式進行計算：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為腐蝕時間，單位為小時h。試驗結(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高濃度硝酸的耐腐蝕性能和焊材熔敷金屬的力學性能，解決了現(xiàn)有焊接材料對高濃度硝酸溶液耐腐蝕性能不足、無法兼顧耐蝕性、韌性與抗裂性的問題，完全滿足我國核廢料再處理工業(yè)的使用要求。以上例舉僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的保護范圍的限制，凡是與本發(fā)明相同或相似的設計均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁12