ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Калін Микола Андрійович

УДК 621.791. 01: 621. 791: 669

ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ МЕТАЛУ ШВА ПРИ ЗВАРЮВАННІ ЕЛЕКТРОДАМИ З КИСЛИМ ПОКРИТТЯМ ШЛЯХОМ ЗАСТОСУВАННЯ ЧАВУННОГО ПОРОШКУ

Спеціальність: 05.03.06 – Зварювання та споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Єфіменко Микола Григорович

Українська інженерно-педагогічна академія, (м. Харків)

завідувач кафедри “Зварювального

виробництва”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович,

Приазовський державний технічний університет, (м. Маріуполь)

завідувач кафедри “Металургія і технологія зварювального

виробництва”

кандидат технічних наук,

Зареченський Анатолій Васильович,

ВАТ “ДСКТІ” концерну “Азовмаш” (м. Маріуполь),

старший науковий співробітник

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський

політехнічний інститут” (м. Київ).

Захист відбудеться “ 19 “ грудня 2003 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, ПДТУ, вул. Університетська 7, м. Маріуполь Донецької області, Україна.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою: 87500, ПДТУ, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий “ 08 “ листопада 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор В. А. Маслов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Використання електродів загального призначення з кислим покриттям для зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей у теперішній час не забезпечує по ряду показників необхідної якості зварних швів і їх зварювально-технологічних властивостей на рівні рутилових електродів. Основною причиною, що гальмує використання ільменітових електродів є наявність великої кількості неметалічних включень і високий вміст кисню у наплавленому металі, що призводить до зниження його механічних властивостей. Крім того, наявність ільменітового концентрату у складі покриття підвищує його окислювальний потенціал, що погіршує зварювально-технологічні властивості електродів. Підвищення якості металу шва шляхом використання традиційної системи розкислення зварювальної ванни феромарганцем і частково феросиліцієм вичерпало свої можливості.

Спроби використання в якості розкислювача вуглецю у вигляді графіту, деревинного вугілля чи сажі не дали бажаних результатів. Тому пошук нових рішень у системі розкислення і створенні зварювальних електродів із кислим покриттям, при забезпеченні покращення якості металу шва, зварювально-технологічних властивостей електродів і санітарно-гігієнічних умов зварювання – завдання актуальне, що має важливе народногосподарське значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії на кафедрі зварювального виробництва при особистій участі автора в період з 1996 по 2002 р. Направлення роботи відповідає державній бюджетній темі № 6118 “Дослідження і розробка ресурсозберігаючих технологій, матеріалів і обладнання для зварювання, наплавки і лиття.”

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення якості металу шва і зварювально-технологічних властивостей електродів з кислим покриттям шляхом удосконалення системи розкислення за рахунок використання вуглецю у складі чавунного порошку, як розкислювача при зварюванні плавленням.

Поставлена мета досягалась вирішенням наступних задач:

-

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження – якість металу шва і зварювально-технологічні властивості електродів.

Предмет дослідження – процес розкислення металу шва шляхом використання чавунного порошку у покритті ільменітових електродів.

Методи досліджень. В роботі використано метод термодинамічного аналізу окислювально-відновлювальних процесів, що протікають з участю вуглецю одночасно в трьох фазах – металевій, шлаковій і газовій, а також при дослідженні впливу чавунного порошку на відновлення кремнію, титану і алюмінію із їх оксидів.

Розроблена методика дослідження процесу окислення вуглецю на стадії краплі. Критерієм кількісної оцінки достатності розкислення вуглецем являється залишковий вміст вуглецю в металі шва. Проведені дослідження показали хорошу чутливість, відтворюваність і надійність запропонованої методики.

В роботі використовувались стандартні методи досліджень неметалевих включень, структури і механічних властивостей наплавленого металу. Склад металу шва і електродних крапель визначався хімічним аналізом. Дослідження зварювально-технологічних властивостей і санітарно-гігієнічних характеристик електродів проводилося по відомим методикам.

Наукова новизна одержаних результатів. На підставі термодинамічного аналізу окислювально-відновлювальних реакцій при зварюванні плавленням встановлено, що для розкислення металу шва доцільнішим є використання вуглецю у зв’язаному стані, у вигляді чавунного порошку.

В результаті досліджень окислювально-відновлювальних процесів при зварюванні ільменітовими електродами, що вміщують чавунний порошок, показано, що TiO2 може слугувати додатковим окислювачем вуглецю, поряд з FeO.

Встановлена залежність вмісту вуглецю у наплавленому металі від окислювальної здатності покриття, що визначається вмістом ільменіту і FeMn в покритті, або ільменіту в покритті і Mn у наплавленому металі.

Досліджений механізм і запропонована схема процесу окислення зв’язаного вуглецю при плавленні ільменітових електродів.

Встановлено, що процес окислення вуглецю чавунного порошку протікає в шлаковій фазі під нижньою частиною краплі. Окислювачем вуглецю у розплаві є кисень, що розчинений в металі і надходить із шлаку.

Показана ефективність впливу розкислення металу зв’язаним вуглецем на зменшення кількості неметалічних включень, вміст кисню і підвищення механічних властивостей наплавленого металу.

Розроблено новий склад покриття електродів ільменітового виду з використанням в якості розкислювача чавунного порошку.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених досліджень розроблені зварювальні електроди ільменітового виду, що містять нову мінеральну сировину, а в якості додаткового розкислювача – чавунний порошок. Це дозволило підвищити якість наплавленого металу і зварювально-технологічні властивості ільменітових електродів до рівня рутилових, що зазначено в актах промислових випробовувань на ВАТ “ХТЗ” і ВАТ “Турбоатом” м. Харків.

Технологія виготовлення розроблених електродів запроваджена на ДП “Завод ім. Малишева” (м.Харків). Використання нових електродів зменшує ціну кілограму наплавленого металу у порівнянні з електродами МР-3 на 25 % і дає економічний ефект в сумі 91,5 тис. грн. на рік.

Особистий внесок здобувача. Дисертанту належать: розрахунки констант рівноваги реакцій утворення оксидів і реакцій відновлення елементів із оксидів вуглецем у трьох фазах, побудова рядів вірогідного протікання окислювально-відновлювальних реакцій з участю вуглецю для характерних температур зони плавлення при дуговому зварюванні; отримання розрахункових формул для встановлення кількості відновлених елементів в залежності від вмісту вуглецю в наплавленому металі, доказ, що TiO2 може слугувати додатковим окислювачем вуглецю; встановлення можливості і доцільності використання чавунного порошку в якості розкислювача і розробка методики розрахунку максимально допустимої кількості вуглецю, у вигляді чавунного порошку, в електродному покритті: встановлення механізму і розробка схеми процесу окислення вуглецю чавунного порошку, доказ, що швидкість окислення вуглецю у складі чавунного порошку на стадії краплі в два рази вища ніж графіту.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові та практичні результати роботи доповідались та обговорювались на наукових семінарах кафедри зварювального виробництва у 1998 - 2002 р, на І Міжнародній конференції по зварювальним матеріалам країн СНД м. Краснодар, 1998 р., на Міжнародній конференції “Сварка и родственные технологии 2002”, м. Київ, 2002 р., на науково-методичній конференції “Безпека життєдіяльності”, Харків, 2002 р., на другій Міжнародній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки”, м. Харків, 2003 р. У повному обсязі дисертація доповідалась на наукових семінарах кафедри “Зварювального виробництва“ Української інженерно-педагогічної академії м. Харків, “Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету м. Маріуполь і відділів № 37, 10, 15, 18, 39 ІЕЗ ім. Є.О. Патона м. Київ в 2003 р.

Публікації. По матеріалам дисертації опубліковано 5 статей у фахових виданнях за переліком ВАК, 5 доповідей на науково-технічних конференціях та отримано 2 патенти України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (118 найменувань) та трьох додатків. Повний обсяг дисертації 190 сторінок, основна частина викладена на 124 стор. і містить 21 малюнок та 39 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета і завдання дослідження, викладена її наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі аналізується широка номенклатура зварювальних електродів загального призначення з кислим покриттям. Відмічається, що ріст випуску електродів з рутиловим покриттям обмежений дефіцитом рутилового концентрату як в Україні, так і на світовому ринку. У зв’зку з цим у багатьох країнах світу ведуться роботи по створенню електродів на базі ільменітового концентрату. Але, ільменітовий концентрат (FeOTiO2) містить до 40 % оксидів заліза, що підвищує вміст кисню і неметалічних включень у металі шва, знижує механічні властивості і ударну в’язкість наплавленого металу, а також погіршує зварювально-технологічні властивості електродів у порівнянні з рутиловими. Для підвищення якості наплавленого металу необхідне додаткове розкислення наплавленого металу елементом, який би зменшував кількість розчиненого кисню і неметалічних включень. Традиційна система розкислення з використанням феромарганцю і частково феросиліцію себе вичерпала і не може дати задовільного результату. Ще у працях М.Г. Слов’янова вказувалось на можливість використання чавуну в якості розкислювача зварювальної ванни, що частково може заміняти феромарганець. Але надалі ця ідея не знайшла розвитку при розробці зварювальних електродів. У працях А.А. Єрохіна, А.Г Мазеля, А.А. Алова, І.К. Походні та інших авторів наведені результати досліджень по використанню в якості розкислювача вуглецю у вільному стані, наприклад у вигляді графіту, сажі, деревинного вугілля. Але ці роботи не привели до створення якісних зварювальних електродів з кислим покриттям у зв’язку з недостатнім окисленням вільного вуглецю в дуговому проміжку і переходом його у наплавлений метал, що призводить до утворення пор і тріщин у металі шва. На основі вивченого матеріалу сформульована ціль і задачі досліджень, що полягають у підвищенні якості металу шва і зварювально-технологічних властивостей електродів з кислим покриттям шляхом удосконалення системи розкислення за рахунок використання в якості розкислювача вуглецю у складі чавунного порошку.

У другому розділі наведені методики теоретичних та експериментальних досліджень, використані матеріали і обладнання, застосована технологія зварювання. В якості розкислювача металу шва використовувався феромарганець марки ФМн 1,0 по ГОСТ 4755. Використовували порошок з чавуну марки СЧ 18 по ГОСТ 1412, який містить 3,5 % вуглецю. Вільний вуглець використовували у вигляді графіту кристалічного марки ГСМ-2 по ГОСТ 18191. Дослідні варіанти електродів (табл. 1, 2) виготовляли методом опресовки з коефіцієнтом маси покриття 0,45…0,47. Вони містили однакову еквівалентну кількість вуглецю по відношенню до маси електродного дроту, що становила 0,12; 0,16; 0,20; 0,24; 0,28; 0,32; 0,36 %. В якості джерел живлення для зварювання використовували трансформатор ТД-502.У3 і випрямляч ВДУ-504. У3.

Таблиця 1

Склад покриття дослідних електродів з чавунним порошком

Компоненти покриття | Варіанти складу покриття, в мас. %

0 | 1ч | 2ч | 3ч | 4ч | 5ч | 6ч | 7ч

Ильменіт

Мергель

Феромарганець

Чавунний порошок

Тальк

Глина вогнетривка

Цеоліт

Деревинне борошно | 54

12

16

-

9

5

2

2 | 51,5

12

16

2,5

9

5

2

2 | 49

12

16

5

9

5

2

2 | 46,5

12

16

7,5

9

5

2

2 | 44

12

16

10

9

5

2

2 | 41,5

12

16

12,5

9

5

2

2 | 39

12

16

15

9

5

2

2 | 36,5

12

16

17,5

9

5

2

2

Таблиця 2

Склад покриття дослідних електродів з графітом

Компоненти покриття | Варіанти складу покриття, в мас. %

1г | 2г | 3г | 4г | 5г | 6г | 7г

Ильменіт

Мергель

Феромарганець

Графіт

Тальк

Глина вогнетривка

Цеоліт

Древинне борошно | 53,88

12

16

0,12

9

5

2

2 | 53,84

12

16

0,16

9

5

2

2 | 53,80

12

16

0,20

9

5

2

2 | 53,76

12

16

0,24

9

5

2

2 | 53,72

12

16

0,28

9

5

2

2 | 53,68

12

16

0,32

9

5

2

2 | 53,64

12

16

0,36

9

5

2

2

У третьому розділі представлені результати теоретичних і практичних досліджень. Термодинамічний аналіз окислювально-відновлювальних процесів з участю вуглецю при зварюванні плавленням проводився з метою виявлення черговості (переважності) протікання реакцій утворення оксидів (табл.3) і відновлення вуглецем елементів із оксидів у трьох фазах (металевій, шлаковій і газовій) при однакових температурах (табл.4). Встановлено, що температура початку відновлення оксидів вуглецем у металевій фазі, крім CeO2 і FeO, нижча, ніж у шлаковій. Це ініціює процес розкислення при більш низьких температурах і дає можливість використовувати вуглець у зв’язаному стані в якості розкислювача у зварювальних матеріалах.

Таблиця 3

Реакції утворення оксидів при температурах у зоні плавлення

Т, К | Ряди вірогідної черговості утворення оксидів у трьох фазах

1420

1810

2500

3000 | (Y2O3), (Al2O3), (CeO2), (TiO2), (SiO2), (MnO), {Al2O}, [Y2O3], {CO}, [CeO2], [Al2O3], {YO}, {CеO}, {TiO2}, (FeO), [TiO2], [SiO2], [MnO], {FeO}, {MnO}, [CO], [FeO]

(Y2O3), (Al2O3), (CeO2), (TiO2), {Al2O}, (SiO2), {CO}, (MnO), {YO}, [Y2O3], {CeO}, {TiO2}, [CeO2], [Al2O3], {SiO2}, (FeO), [TiO2], [CO], [SiO2], {MnO}, [MnO], {FeO}, [FeO]

(Y2O3), {Al2O}, {CО}, (Al2O3), (CeO2), {YO}, (TiO2), (SiO2), {CeO}, (MnO), {TiO2}, [CO], [Y2O3], {SiO2}, (FeO), [Al2O3], [CeO2], [TiO2], {MnO}, {FeO}, [SiO2]

{CO}, {Al2O}, (Y2O3), (Al2O3), {YO}, {CeO}, (TiO2), (CeO2), (SiO2), (MnO), {TiO2}, {SiO2), (FeO}, {MnO}

Таблиця 4

Результати розрахунку температури початку відновлення оксидів

Реакція | Тп.в.

FeO + C = Fe + CO

MnO + C = Mn + CO

1/2SiO2 + C = 1/2Si + CO

1/2TiO2 + C = 1/2Ti + CO

1/3Al2O3 + C = 2/3Al + CO

Al2O + C = 2Al + CO | [1082] (1060) {668}

[1587] (1682) {277}

[1802] (1941) {586}

[2006] (2040) {700}

[2236] (2300) -

- - {2773}

Примітка: [ ] – металічна фаза; ( ) – шлакова; { } – газова.

Дослідження впливу чавунного порошку в покритті ільменітових електродів на відновлювальні процеси, що протікають по реакції (МеО) + [C] = [Me] + {CO} дозволило отримати формули для розрахунку кількості відновлених кремнію, титану і алюмінію в залежності від вмісту вуглецю в наплавленому металі (табл.5).

Показано, що в електродах ільменітового виду TiO2 може слугувати додатковим окислювачем вуглецю, поряд з FeO. Використання чавунного порошку в якості розкислювача, при умові, що вміст вуглецю в наплавленому металі не перевищує 0,12 %, не призводить до підвищення вмісту кремнію і алюмінію вище допустимого рівня. Експериментально отримані дані підтверджують правильність розрахункового методу.

Таблиця 5

Формули для розрахунку кількості відновлених елементів

Реакція взаємодії |

Константа рівноваги реакції | Формула розрахунку вмісту відновленого елементу в наплавленому металі.

(SiO2) + 2[C] = [Si] + 2{CO}

(TiO2) + 2[C] = [Ti] + 2{CO}

(TiO) + [C] = [Ti] + {CO}

1/3(Ti3O5) + 5/3[C] = [Ti] + 5/3{CO}

1/2(Ti2O3) + 3/2[C] = [Ti] + 3/2{CO}

(FeOTiO2) + 3[C] = [Ti] + Fe + 3{CO}

1/2(Al2O3) = 3/2[C] = [Al] + 3/2{CO} | lg KSi-C = -29024/T + 16,1

lg KTi-C = -32014/T + 15,95

lg KTi-C = -16815/T + 8,70

lg KTi-C = -27587/T + 13,22

lg KTi-C = -25572/T + 12,19

lg KTi-C = -35895/T + 19,43

lg KAl-C = -30106/T + 13,46 | [Si] = KSi-C [C]2 = 1,176[C]2

[Ti] = KTi-C [C]2 = 0,0184[C]2

[Ti] = KTi-C [C] = 0,25[C]

[Ti] = KTi-C [C]5/3 = 0,0095[C]5/3

[Ti] = KTi-C [C]3/2 = 0,0115[C]3/2

[Ti] = KTi-C [C]3 = 0,392[C]3

[Al] = KAl-C [C]3/2 = 0,00068[C]3/2

Розрахунок оптимального вмісту вуглецю і марганцю в електродних покриттях ільменітового виду. Для порівняння розкислювальної здатності вуглецю і марганцю необхідно розрахувати їх рівноважну концентрацію в наплавленому металі, яка визначається однаковою залишковою масовою долею кисню в рідкому металі, розкисленому цими елементами в момент кристалізації - [%О]pc = [%O]pMn.

В результаті розрахунків виведені формули для визначення максимального вмісту чавунного порошку в покритті ільменітових електродів, в залежності від вмісту феромарганцю і ільменіту в електродному покритті, при умові що вміст вуглецю в наплавленому металі не перевищує 0,12 %

(%ЧП) мах = ,

де (%FeMn) і (%Ільм) – масові долі феромарганцю і ільменіту в електродному покритті;

Кспер. – коефіцієнт переходу вуглецю;

Км.п. – коефіцієнт маси покриття електродів;

[C]ч.п. – вміст вуглецю в чавунному порошку,

а також від вмісту марганцю в наплавленому металі при заданій його концентрації

де [Mn] – вміст марганцю в наплавленому металі, %;

КMnпер. – коефіцієнт переходу марганцю.

Експериментальні дані показують, що при однакових масових долях феромарганцю і чавунного порошку в покритті вміст вуглецю і марганцю в наплавленому металі змінюється в залежності від окислювальної здатності покриття, яка визначається кількістю ільменітового концентрату, що підтверджує правильність розрахункового методу.

Дослідження особливостей окислення вуглецю при зварюванні ільменітовими електродами. Припускається, що процес окислення вуглецю чавунного порошку, на стадії краплі протікає по по наступній схемі (рис. 1): в процесі плавлення електродного стрижня 1 і нагріву електродного покриття 2 до температури вище 1450 К у ньому розплавляються частки чавунного порошку 3 . Вуглецевий розплав, проходячи через шар рідкого шлаку 6, накопичується у вигляді прошарку вуглецевого розплаву 5 під краплею, що росте 4. Цей прошарок є ефективним відновлювачем. В результаті вміст вуглецю в краплі буде визначатися протіканням окислювально-відновлювальних реакцій між газовою фазою дуги 7 і рідкими фазами на кінці електрода – шлаком 6, вуглецевим розплавом 5 і металом краплі 4. Окислювачем вуглецю в розплаві є кисень, який розчинений в металі і надходить із шлаку [C] + [O] = CO. Для здійснення цієї реакції необхідне надходження кисню із шлаку 6 в розплав 5. Цей процес є багатостадійним і містить наступні стадії: дифузія молекулярного кисню до поверхні розплавленого шлаку із газової фази дуги; адсорбціонно-хімічна взаємодія кисню з іонами двохвалентного заліза вуглецевого розплаву в прилягаючому шарі шлаку ? О2 + 2Fe2+ + 3O2- = 2FeO2-; перенесення іонів кисню О2- через шар шлаку; зустрічна дифузія іонів Fe3+ і Fe2+ у шлаку; розряд іонів кисню на поверхні рідкого розплаву і розчинення атомарного кисню (О2-) = [O] + 2е; відновлення іонів трьохвалентного заліза (Fe3+) + е = (Fe2+); дифузія кисню і вуглецю у металі вуглецевого прошарку до місця реакції; хімічна реакція [C] +[O] = CO у вуглецевому прошарку; утворення і видалення СО.

СО у вигляді бульбашок переходить через кордон вуглецевий прошарок - крапля і потрапляє у метал останньої. При цьому, у процесі барботажу газові бульбашки переносять з собою в краплю невеликі об’єми вуглецевого розплаву, внаслідок чого вона пронизується великою кількістю бульбашок СО і включень чавуну, що піднімаються догори. У нижній, найбільш нагрітій частині краплі, що росте, протікає реакція доокислення вуглецю з виділенням СО в зону дуги, яка не завершилась у вуглецевому розплаві 9. При цьому залишковий вміст вуглецю у краплі, яка сформувалась 8 і проходить через стовп дуги 7, наближається до рівноважного з розчиненим киснем.

Рис. 1. Схема процесу окислення вуглецю чавунного порошку на стадії краплі:1 – електродний стержень; 2 – електродне покриття; 3 – чавунний порошок; 4 – капля що росте; 5 – вуглецевий розплав; 6 – рідкий шлак; 7 – газова фаза дуги; 8 – сформована крапля

Визначені втрати вуглецю із чавунного порошку і графіту в електродному покритті ільменітового виду при зварюванні. Встановлено, що втрати вуглецю у складі чавуну вищі, ніж у графіту приблизно в 1,5 рази. Встановлено, що швидкість окислення зв’язаного у Fe-C сплав вуглецю на стадії краплі в 2 рази вища, ніж у графіту.

Розрахунок складу і основності шлаку проводили з метою оцінки окислювальної здатності електродних покриттів з чавунним порошком. Розрахункова основність дослідних електродів близька до 1 і незначно підвищується по мірі збільшення вмісту чавунного порошку, що пояснюється одночасним зменшенням вмісту ільменітового концентрату. Фактична основність близька до розрахункової, але має тенденцію до невеликого зниження при збільшенні вмісту чавунного порошку в покритті, що пояснюються зменшенням вмісту основного оксиду FeO у шлаку, внаслідок розкислення його вуглецем.

Дослідження впливу вмісту вуглецю в електродних покриттях на утворення пор у швах. Встановлено, що утворення пор у швах ільменітових електродів залежить від кількості і виду вуглецю, що вводиться в електродне покриття, а причини утворення пор мають деяку відмінність. При використанні графіту, за рахунок реакцій розкислення вуглецем в газовій і шлаковій фазах, знижується окислювальний потенціал покриття, що призводить до розвитку кремнієвідновлювального процесу, зменшенню швидкості виділення газів із металу шва і утворенню пор. При цьому поряд з провідною роллю водню в утворенні пор проявляється і підвищене виділення СО, що збільшується з ростом вмісту графіту в покритті. Виділення СО призводить до кипіння зварювальної ванни і утворенню пор і свищів при швидкому охолодженні шва.

Розкислення електродного металу чавунним порошком проходить, в основному, на стадії краплі і в зварювальну ванну переходить метал з низьким вмістом вуглецю, кисню і кремнію, тому кремнієвідновлювальний процес у ванні незначний. Відсутність надлишкового вуглецю (понад 0,08 %) не призводить до виділення СО, а причиною пор, як і у рутилових електродів, є водень. При введенні надлишкового чавунного порошку, для даної шлакової системи, можливе збільшення вмісту вуглецю у наплавленому металі і утворення пор по схемі, аналогічній графіту.

Дослідження впливу процесу розкислення вуглецем на вміст неметалічних включень у наплавленому металі. Вуглець вигідно відрізняється від інших розкислювачів тим, що газоподібний продукт реакції СО не залишається у вигляді включень, що погіршують якість металу шва. Розкислення вуглецем також дозволяє суттєво зменшити кількість неметалічних включень, що вже знаходяться в сталі за рахунок часткового відновлення оксидів заліза, марганцю, кремнію, титану та алюмінію за рахунок зміщення вправо , при підвищенні температури, рівноваги реакції (MexOy) + y[C] = x[Me] + y{CO}.

Експериментально встановлено, що розкислення чавунним порошком забезпечує перехід у зварювальну ванну більш чистого по неметалічним включенням металу в 1,3…1,4 рази у порівнянні з ільменітовими електродами. Це наближає їх до рівня рутилових, а графіт, що окислюється в основному в газовій і шлаковій фазі дуги, участі в розкисленні металу краплі практично не приймає. Частина графіту, що перейшла у зварювальну ванну може її розкислювати, ненабагато зменшуючи кількість неметалічних включень.

Вміст SiO2, FeO, і Al2O3 у наплавленому металі плавно зменшується із збільшенням вводу вуглецю, як у вигляді графіту (Г), так і у складі чавунного порошку (ЧП), але в останньому випадку зниження вмісту включень більш суттєве (рис. 2).

Вміст MnO у наплавленому металі суттєво відрізняється для двох видів використаного вуглецю. Так із збільшенням введеного чавунного порошку вміст MnO зменшується, а у випадку графіту зростає.

Результати хімічного аналізу і випробувань механічних властивостей наплавленого металу показують, що при використанні чавунного порошку у кількості, що не перебільшує розрахункову не відбувається збільшення вмісту вуглецю у наплавленому металі понад 0,12 %, а механічні властивості знаходяться на рівні вимог до типу Э46 по ГОСТ 9467.

Рис. 2. Залежність вмісту оксидних включень у наплавленому металі від еквівалентного вмісту вуглецю в електродах.

Дослідження впливу гранулометричного складу чавунного порошку на вміст вуглецю у наплавленому металі показало, що він має суттєвий вплив на кінцевий вміст вуглецю, деякий вплив має товщина покриття електродів, а провідна роль належить вмісту вуглецю у чавунному порошку. Математична обробка результатів повного факторного експерименту типу 23, де змінними були гранулометричний склад чавунного порошку (Х1), товщина покриття електродів (Х2) і вміст вуглецю в чавунному порошку (Х3) дозволила отримати рівняння регресії:

У = 0,0815 + 0,0065Х1 – 0,0016Х2 + 0,0194Х3,

яке дає можливість оцінити значимість впливу окремих факторів на вміст вуглецю в наплавленому металі. При розробці ільменітових електродів необхідно використовувати чавунний порошок мілкої та середньї фракції, що просівається через сито № 028 по ГОСТ 6313. Товщину покриття електродів треба вибирати по верхньому рівню допуску.

У четвертому розділі наведені результати розробки шлакової і легуючої системи електродів ільменітового виду. Використання нової мінеральної сировини України – цеоліту, що має типову оксидну формулу (Na2K2Ca)OAl2O310SiO28H2O і мергелю, що являє собою глинисто-карбонатну породу, яка містить 50-70 % карбонатних мінералів (кальциту, доломіту) і 25-50 % глинистих мінералів, дозволило замінити дефіцитні в Україні слюду і магнезит відповідно. При цьому значно покращилися зварювально-технологічні властивості електродів.

Розробка нової газошлакової і легуючої системи покриття полягала у використанні поряд з відомими компонентами ільменітом, феромарганцем, тальком і глиною нових – цеоліту, мергелю, деревинного борошна, а в якості додаткового розкислювача і наповнювача – чавунного порошку. В результаті оптимізації зварювально-технологічних властивостей і механічних характеристик наплавленого металу 5-ти варіантів електродів встановлено, що найкращі властивості мають електроди, які містять: ільменітовий концентрат 44 %; мергель 10 %; феромарганець 18 %, чавунний порошок 10 %, цеоліт 2 %; тальк 9 %, глину 5 % деревинне борошно 2 %. Розробленим електродам присвоєна марка ІНСО –6 і вони пройшли подальші комплексні випробування у порівнянні з ільменітовими і рутиловими електродами.

Дослідження зварювально-технологічних властивостей і показників плавлення показало, що ільменітові електроди з чавунним порошком можуть використовуватись як універсальні, переважно у монтажних умовах для зварювання відповідальних конструкцій із вуглецевих сталей. По показникам продуктивності плавлення нові електроди рівноцінні рутиловим марок МР-3 і АНО-4.

У п’ятому розділі наведені результати виробничого випробування виготовлення і використання розроблених електродів. Для порівняння техніко- економічної доцільності впровадження критерієм є ціна кілограму наплавленого металу. Розрахунок показав, що вартість 1 кг наплавленого металу електродів ІНСО-6 на 1,22 грн, або на 25 % нижча ніж у електродів МР-3, що можна пояснити використанням більш дешевої сировини, зменшенням витрат на зачистку зварних швів і збільшенням продуктивності праці.

Електроди ІНСО-6 пройшли випробування на Харківському тракторному заводі, ВАТ “Турбоатом” і впроваджені у виробництво на Д.П. “Завод ім Малишева”, м. Харків. Економічний ефект склав 91,5 тис. грн. на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

В наведених працях автору належить наступне:

[1] Розрахунок і побудова рядів вірогідної черговості реакцій розкислення у зварювальній дузі.

[2] Розрахунок і побудова рядів вірогідної черговості протікання окислювально-відновлювальних реакцій при зварюванні плавленням у трьох фазах з участю вуглецю і встановлення факту переважного розкислення з’язаним вуглецем.

[3] Розрахунок кількості відновлених вуглецем елементів, проведення експериментів і обробка результатів.

[4] Розробка методики і виведення формул для розрахунку рівноважного вмісту вуглецю, проведення експериментів і обробка результатів.

[5] Розробка методики експериментів, схеми розкислення чавунним порошком і дослідження механізму окислення вуглецю у складі Fe-C сплаву.

[6] Запропонування складу покриття ільменітових електродів з використанням мергелю і цеоліту.

[7] Запропонування складу покриття ільменітових електродів із застосуванням в якості додаткового розкислювача чавунного порошку.

[8] Розробка нової шлакової системи ільменітових електродів з використанням мінеральної сировини України – мергелю і цеоліту.

[9] Розробка методики і виконання експериментів по визначенню впливу вуглецю у складі сплаву Fe-C на якість металу шва.

[10], [11], [12] Розробка методики і проведення експериментів по визначенню впливу чавунного порошку в покритті ільменітових електродів на санітарно-гігієнічні і зварювально-технологічні властивості електродів. Оцінка впливу окремих параметрів чавунного порошку і технології виготовлення електродів на якість металу шва.

АНОТАЦІЯ

Калін М.А. Підвищення якості металу шва при зварюванні електродами з кислим покриттям шляхом застосування чавунного порошку. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 “Зварювання та споріднені технології”. – Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2003.

Дисертація присвячена питанням підвищення якості металу шва і зварювально-технологічних властивостей ільменітових електродів до рівня рутилових. В роботі розвивається новий напрямок використання вуглецю в якості дешевого і ефективного розкислювача при зварюванні плавленням. Шляхом термодинамічного аналізу встановлено, що температура початку відновлення оксидів вуглецем у металевій фазі нижча, ніж у шлаковій, що забезпечує розкислення при більш низьких температурах. Це дозволяє використовувати зв’язаний у Fe-C сплав вуглець, наприклад у вигляді чавунного порошку, в якості розкислювача.

Розроблена методика розрахунку рівноважного вмісту С і Mn в наплавленому металі і визначений максимальний вміст чавунного порошку в електродних покриттях ільменітового виду. Встановлено, що TiO2 може слугувати окислювачем вуглецю поряд з FeO. Досліджено механізм і запропонована схема процесу розкислення чавунним порошком. Показано, що процес протікає в основному на стадії краплі в шлаковій фазі дуги, під нижньою частиною краплі. Встановлено, що швидкість окислення вуглецю у складі чавунного порошку в 2 рази вища ніж графіту. Кількість неметалічних включень в наплавленому металі зменшилась в 1,3…1,4 рази. Пори і тріщини відсутні.

Розроблено склад покриття ільменітових електродів з чавунним порошком на базі нової мінеральної сировини України з використанням цеоліту і мергелю в якості замінювачів слюди і магнезиту. Механічні властивості і хімічний склад наплавленого металу відповідають типу Э46 по ГОСТ 9467, при високих зварювально-технологічних властивостях і продуктивності на рівні рутилових електродів.

Ключові слова: вуглець, чавунний порошок, розкислення, стадія краплі, ільменіт, шов, фаза.

АННОТАЦИЯ

Калин Н.А. Повышение качества металла шва при сварке электродами с кислым покрытием путем раскисления чугунным порошком. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 – “Сварка и родственные технологии”. – Приазовский государственній технический университет, Мариуполь, 2003.

Диссертация посвящена вопросам повышения качества металла шва и сварочно-технологических свойств ильменитовых электродов до уровня рутиловых. В работе развивается новое направление использования углерода в качестве дешевого и эффективного раскислителя при сварке плавлением. Путем термодинамического анализа окислительно-восстановительных процессов при сварке плавлением установлено, что температура начала восстановления оксидов углеродом в металлической фазе дуги ниже, чем в шлаковой, что обеспечивает процесс раскисления при более низких температурах. Это позволяет использовать связанный в составе сплава Fe-C углерод, например в виде чугунного порошка, в качестве раскислителя.

Разработана методика расчета равновесного содержания С и Mn в наплавленном металле, позволяющая определить максимально допустимое количество углерода, вводимого через чугунный порошок, в электродных покрытиях в зависимости от содержания ильменита и ферромарганца в покрытии или марганца в наплавленном металле.

Предложены расчетные формулы и определено количество восстанавливаемых Si. Ti и Al из шлака при раскислении чугунным порошком. Показано, что TiO2 может служить окислителем углерода наряду с FeO. Использование чугунного порошка не приводит к существенному повышению содержания Si и Al в металле шва.

Исследован механизм и предложена схема прцесса раскисления металла шва ильменитовых электродов чугунным порошком. Показано, что процесс происходит в основном на стадии капли в шлаковой фазе и нижней части растущей капли. Окислителем связанного углерода является кислород, растворенный в металле и поступающий из шлака. Установлено, что потери углерода на окисление, в составе чугунного порошка в 1,5 раза выше, чем графита, а скорость обезуглероживания на стадии капли больше в 2 раза.

Содержание неметаллических включений в наплавленном металле по мере увеличения ввода углерода как в виде чугунного порошка, так и графита снижается, однако в первом случае оно более существенно и составляет 1,3…1,4 раза. Это приближает показатели к уровню рутиловых электродов.

Результаты анализа химического состава и испытаний механических свойств наплавленного металла показывают, что при использовании чугунного порошка в количествах, не превышающих расчетные, науглероживания металла шва выше 0,12 % не происходит, а механические свойства находятся на уровне требований к типу Э46 по