Приазовський державний технічний університет

Гавриш

Павло Анатолійович

УДК 621.791.793

Удосконалення процесу електрошлакового зварювання середньовуглецевих сталей, який забезпечує зниження концентрації водню

Спеціальність 05.03.06 – Зварювання і споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь, 2004р.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана у Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ)

Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Чигарев Валерій Васильович

ПДТУ, зав. кафедрою „Металургія і технологія зварювального виробництва”

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор

Роянов Вячеслав Александрович

ПДТУ, зав. кафедрою “Обладнання та технологія зварювального виробництва”

кандидат технічних наук

Шевченко Ігор Валерійович

Краматорський завод металоконструкцій, начальник цеху, м. Краматорськ

Провідна установа: Український державний морський технічний університет

ім. адмірала Макарова м. Миколаїв

Захист відбудеться_12.11.2004 р. у___12 годин на засіданні спеціалізованої Вченої ради К.12.052.01. при Приазовському державному технічному університеті за адресою:

87500, Донецька обл., м. Маріуполь, вул. Університетська,7.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою:

87500, Донецька обл., м. Маріуполь, вул. вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий___01.10.2004р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Маслов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сучасне машинобудування, особливо енергетичне машинобудування і важке стрімкими темпами свого розвитку зобов'язано, перш за все, електрошлаковому зварюванні (ЕШЗ). Упровадження цього способу зварювання дозволило корінним чином скоротити технологічний цикл зварювання, підвищити якість виготовлення деталей машин.

Актуальність теми. Одним з недоліків ЕШЗ є можливість підвищення концентрації водню в процесі зварювання до рівня більше 3 см3/100г. Водень при ЕШЗ може служити причиною шпарин, тріщин і флокенів він знижує пластичні і властивості від утоми. В даний час широко застосовуються методи зниження концентрації водню: -зменьшення концентрації водню в зварювальних матеріалах (флюс і зварювальний дріт); -захист зварюваного шва від атмосфери (подавання інертних газів). Проте навіть комплексне поєднання таких заходів, дозволяє в кращому випадку не припустити підвищення концентрації водню в зварному шві понад його вміст в електродних матеріалах. Тому, виникає необхідність в спеціальній (протівофлокеновій, термічній) обробці зварних деталей, ефективність якої різко знижується із збільшенням розмірів зварних деталей. тому є актуальним проведення досліджень по розробці нових і удосконаленню існуючих зварювальних матеріалів, які забезпечують зниження кількості водню в зварному шві.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно тематиці науково – дослідних робіт кафедри „Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету. ”Розроблення економнолегованих матеріалів і дослідження впливу попередніх обробок на підвищення механічних властивостей” № Держ. реєстрації 0100U002578.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є зниження концентрації водню в металі зварного шва в процесі ЕШЗ.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні основні задачі:

- Дослідити технологічні особливості шаруватих з'єднань графіту, які застосовуються у складах порошкових електродів.

- Дослідити вплив шаруватих з'єднань графіту (ШЗГ) на процес примусового массопереносу шихти порошкових стрічок.

- Визначити якісні показники кінетики примусового масопереносу при термодеструкції ШЗГ.

- Розробити технологію виготовлення порошкових стрічок зі ШЗГ.

- Розробити спосіб зниження концентрації водню при ЕШЗ із застосуванням зварювальних матеріалів, які містять ШЗГ.

- Розробити спосіб уведення розкислювачів у жужільну ванну й оптимізувати склад порошкової стрічки.

Об'єкт дослідження. Процес електрошлакового зварювання середньовуглецевих сталей.

Предмет дослідження. Концентрація водню в зварному шві.

Методи дослідження. Основні задачі роботи розв'язувалися розрахунковими і експериментальними методами. В основі математичних моделей були використані елементи теорії теплових процесів, методи математичної статистики. З використанням програмних засобів, проведені теоретичні дослідження параметрів оптимізації складу порошкових стрічок. При експериментальних дослідженнях застосована, спеціально розроблена, методика вивчення розподілу масової швидкості частинок шихти порошкової стрічки. При вивченні властивостей металу шва досліджували: розподіл твердості зварного шва; макроструктуру металу; концентрацію дифузійного водню в металі визначали в евдіометрах під водним розчином гліцерину, залишкового водню методом вакуум – нагріву.

Наукова новизна отриманих результатів. Серед основних положень і розробок, представлених у дисертації, новими для науки є наступні:

1. Вперше розроблено спосіб рафінування метала зварного шва від водню електрошлакового зварювання середньовуглецевих сталей, при цьому на шлакову ванну наводяться розкислювачі - фторид графіту в кількості 8-10г/кг і над шлаковою ванною утворюється „подушка” з терморозширеного графіту. Шар терморозширеного графіту, що утворився, захищає розплавлений шлак від атмосфери повітря, знижує чад легуючих і флюсуючих елементів, знижує енерговитрати в оточуючу атмосферу на 15-20% і створює градієнт окислюваності по висоті шлакової ванни, що дозволяє понизити концентрацію водню в процесі ЕШЗ до 1,8-2,0см3/100г.

2.Розроблені розкислювачі для удосконаленого процесу електрошлакового зварюванні, які містять нетрадиційні зварювальні матеріали-шаруваті з'єднання графіту. Проведено математичне моделювання і оптимізація розкислювача. Оптимізовано склад порошкової стрічки: оксид заліза - 62-71%; фторид графіту – 3-4%; інше оболонка порошкової стрічки, товщина оболонки порошкової стрічки 0,8-0,9мм і фракційний склад таблетірованого розкислювача. Оптимальний зміст складових розкислювача: фторид графіту 40% дрібної фракції з розмірами частинок 100-450мкм і 60% крупної фракції з розмірами частинок 1500-2000мкм, а вермікулярний графіт 5-7%. Сумісне використовування таких розкислювачів при ЕШЗ сталі 35Л забезпечує такі характеристики зварного шва: межа текучості 342-437МПа, межа міцності 559-566МПа, відносне подовження 23,3-25,1% відносне звуження 41,1-43,3%, ударна в'язкість 0,55-0,57МДж/м2.

3. Розроблена методика дослідження шаруватих з'єднань графіту, як компонента шихти порошкових стрічок. Розроблена конструкція устаткування для дослідження шаруватих з'єднань графіту. Вперше встановлено і досліджено характер термокінетики розширення шаруватих з'єднань графіту у порошковому осередді. Визначено покажчики термокінетики:

-імпульс сили термодеструкції, який дорівнює ;

-швидкість вильоту продуктів термодеструкції 58м/с.

Практична цінність отриманих результатів. Проведений автором і з його участю комплекс досліджень і розроблені рекомендації дозволили удосконалити процес електрошлакового зварювання середньовуглецевих сталей. Розроблена технологія зварювання, була застосована, при ЕШЗ сталі 35Л в умовах ВАТ “ ММК ім. Ілліча ” м. Маріуполь. Упровадження розробленого способу зниження концентрації водню і розробленої технології ЕШЗ дозволило одержати економічний ефект у розмірі 32 тис. гривень на рік (у цінах 2003р.).

Особистий внесок здобувача. Конкретна особиста участь автора в одержанні результатів, представлених у дисертаційній роботі, полягає в наступному:

1.Самостійно теоретично й експериментально обґрунтована феноменологічна модель термодеструкції шаруватих з'єднань графіту у складі порошкової стрічки.

2.Проведені дослідження з оптимізації складу порошкової стрічки-розкислювача жужільної ванни при електрошлаковому зварюванні.

3.Теоретично розроблено та експериментально підтверджений спосіб рафінування зварного шва від водню середньовуглецевих сталей.

4.Удосконалений процес електрошлакового зварювання середньовуглецевих сталей.

5.Напрацьовані дослідницькі склади порошкових розкислювачів, сплановані й оброблені результати експериментів, проаналізовані й узагальнені отримані результати, розроблені інженерні рішення. Виробничі досліди розробленого складу порошкової стрічки для розкислення виконувалися автором на ВАТ “ ММК ім. Ільіча ”разом із працівниками кафедри і заводу.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на:

- міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми і перспективи розвитку процесів і машин обробці металів тиском”, м. Краматорськ, ДДМА, квітень 2002р.;

- IV регіональній науково-технічній конференції, м. Маріуполь, ПДТУ, квітень 2002р.;

-міжнародній науково-практичній конференції „Інтегровані технології і енергозбереження” Крим, м. Маяк, ХПУ. травень 2002р.;

-міжнародній науково-методичній конференції, присвяченій 90-річчю з дня народження професора М.Я. Меджібожського, м. Маріуполь, ПДТУ, вересень 2002р.

-міжнародній науково-технічній конференції „Обробка, зварювання і посилення конструкційних матеріалів. Якість і перспективи розвитку. м. Луганськ, СНУ ім. В. Даля, жовтень-листопад 2002р.;

-міжнародній науково-практичній конференції “Важке машинобудування. процеси металообробки, верстати, інструменти” 3-5 червня 2003р., ДДМА, м. Краматорськ;

- IX міжнародній науково-технічній конференції “Нові конструкційні стали і стопи і методи їх обробки для підвищення надійності і довговічності виробів” 23-26 вересня, ЗНТУ м. Запоріжжя 2003р., стор.10.

- Х регіональній науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу ПДТУ квітень 2003р. м. Маріуполь, стор.26.

- міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні засоби автоматизації і комп'ютерно-інтегровані технології” ДДМА, м. Краматорськ 2003р., стор.10.

-міжнародній науково-технічній конференції „Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні „ ІКТМ - 2003, м. Харків, 25 листопада 2003р.

-науково-практичній конференції „Донбас-2020 Наука і техніка - виробництву” 03-04 лютого 2004р.

-науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу наукових і інженерно-технічних співробітників, аспірантів і студентів за підсумками наукової діяльності академії за період 2003-2004 рр. 13-27 квітня 2004 року, ДДМА, м. Краматорськ.

-науковому семінарі у відділі фізико-механічних досліджень зварюваємості конструкційних сталей та чавунів ІЕЗ ім. Є.О. Патона, Київ, 2004р.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано: 6 статей у спеціалізованих виданнях, отримано 2 авторських посвідчення СРСР, чотири патенти України.

Структура дисертації. Дисертація складається з введення, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 188 найменувань, і містить 154 сторінки машинописного тексту, 24 рисунки, 2 таблиці, 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1 Сучасний стан питання. Вплив водню на властивості сталей загальновідомий – це в першу чергу, водневе окрихчування металу. Водневе окрихчування металу – знижує пластичні властивості металу. Водень при ЕШЗ може служити причиною шпарин, тріщин і флокенів, він знижує пластичні властивості і властивості від утоми металів.

У даний час широко застосовуються методи зниження концентрації водню, засновані на обмеженні доступу водню в зону зварювання: зниження концентрації водню в зварювальних матеріалах (флюс і зварювальний дріт); захист металу зварного шва від атмосфери (вживання інертних газів).

Однак навіть комплексне поєднання зазначених заходів, дозволяє в кращому випадку, не допустити підвищення концентрації водню в зварному шві понад його вміст в електродних матеріалах. Унаслідок цього, виникає необхідність у спеціальній (противфлокеновій, термічній) обробці зварних деталей, ефективність якої різко знижується зі збільшенням розмірів зварних деталей. При послідовному ЕШЗ декількох заготовок в одну деталь (наприклад, бандаж випалювальної печі), узагалі неможливо застосувати термообробку після зварювання через значні розміри виробу

Dзовнішн.=8450мм, Dвнутр.=7460мм, H =1350мм.

Тому є актуальним проведення досліджень по розробці нових і удосконаленню існуючих зварювальних матеріалів, що забезпечують зниження кількості водню в зварному шві. Доцільно досліджувати можливість застосування нетрадиційних зварювальних матеріалів, для зниження концентрації водню в зварному шві – шаруватих з'єднань графіту.

Розділ 2 Вибір напрямку і обґрунтування методів дослідження. Для дослідження шаруватих з'єднань графіту застосовані спеціально розроблена методика й устаткування.

Механізм термодеструкції вивчали на модернізованій установці (А.с. 1524986 СРСР МКВ В23 К 37/06, 9/02). Для вивчення параметрів викиду шихти в масивному корпусі установки розміщували ШЗГ, за допомогою нагрівача нагрівали ШЗГ до температури термодеструкції. В масивному корпусі установки є отвір. В той момент, коли розширений графіт досягає цього отвору, продукти термолізу виходять з ШЗГ і починається підйом куполу флюсу. Як шихту використовували прожарений флюс АН-348А ГОСТ9087-81.

Одержані дані використовували для розробки зварювальних матеріалів:

-порошкових електродів для розкислювання розплавленого флюсу при електрошлаковому зварюванні;

-теплоізолюючих матеріалів для захисту розплавленого флюсу від атмосфери.

Для визначення масової швидкості руху шихти і визначення кінетичної енергії розроблена установка рис.1.

Грунтуючись на експериментальних даних і застосовуючи розрахунковий метод інтеграції масової швидкості шихти порошкової стрічки по початковій координаті обчислили кінетичну енергії шихти порошкової стрічки при термодеструкції.

Установка складається з металевого каркаса 1, який заповнювали шихтою 2. На дно каркасу попередньо укладали ШЗГ 5. Датчики 4 розміщували в різних шарах шихти. За допомогою нагрівача 6 доводили ШЗГ до температури термодеструкції. При термодеструкції датчики переміщалися разом із шихтою. За допомогою зовнішнього джерела 3 усередині шихти створювали неоднорідне магнітне поле. Сигнал з датчиків реєструвався на осцилографах ОК-24М, що працювали в режимі механічного розгорнення. При експерименті використовували одночасно 5 датчиків.

Розділ 3 Дослідження поводження шаруватих з'єднань графіту. На характер руйнування (ШЗГ) впливають: умови нагрівання, природа вуглецевого матеріалу, вміст (ШЗГ). Термодеструкція (ШЗГ) завжди супроводжується збитком маси(рис.2).

, (1)

де: - початкове значення маси; - кінцеве значення маси.

Для застосування ШЗГ у зварювальних матеріалах при ЕШЗ, був вивчений процес термодеструкції ШЗГ у порошкових стрічках (рис.3 і рис.4).

Був досліджений вплив шаруватих з'єднань графіту (ШЗГ) на процес примусового масопереносу шихти порошкових стрічок. Визначено якісні показники кінетики примусового масопереносу шихти при термодеструкції ШЗГ. Для розрахунку кінетичної енергії шихти були використані розподіли масової швидкості по початковій координаті. Розрахунок проводився відповідно до формули 2.

(2)

де: - щільність шихти, кг/см3; - масова швидкість, м/с; R0 – початкова координата, мм; Rэ -эйлерова координата, мм; U2 – квадрат швидкості шихти, м2/с2 .

Розділ 4 Розробка способу зниження газонасичення металу при ЕШЗ. Дослідження, проведені різними авторами показали етапом, що лімітує, у багатостадійному переході газів кисню, водню, азоту з газової фази в металеву - є масоперенос їх у товщині жужільного розплаву при ЕШЗ. Це обставина набагато знижує швидкість їхнього надходження в металеву ванну, у порівнянні з взаємодією металевої ванни безпосередньо з атмосферою.

В умовах відкритого процесу зварювання існує безупинний потік кисню в жужільному розплаві з атмосфери до границі шлак-метал. Відповідно до термодинаміки необоротних процесів, цей потік повинний викликати потоки інших компонентів, розчинених у шлаку, при електрошлаковому зварюванні. У роботах В.А. Григоряна, Л.Н. Белянчикова, А.Я. Стомахина й інших показано, що в оксидному розплаві хімічний потенціал і потік розчиненого газу зв'язані з хімічним потенціалом і потоком кисню наступними залежностями:

; (3)

З цих співвідношень випливає, що оскільки = 1, а = -2 потік водню спрямований попутно ініціюючому його потоку кисню, а створюваний при цьому градієнт хімічного потенціалу водню протилежний за знаком із градієнтом хімічного потенціалу кисню. Отже, система працює як насос, створюючи перепад хімічних потенціалів водню. Таким чином, внаслідок існування по товщині жужільного шару градієнта окислюваності, рівноважні концентрації відповідного газу в шлаку і на його границях з атмосферою і рідким металом пропорційні окислюваності шлаку на цих границях і відрізняються одне від одного за величиною. Для водню рівняння розчинності являє собою наступне співвідношення:

(4)

Тобто розчинність водню в шлаку залежить як від парціального тиску водню, так і від парціального тиску кисню в газовій фазі. При підвищенні окислювання жужільної ванни знижується концентрація водню.

Таким чином, розчинність водню в шлаках залежить від рівня їх окислюваності. Між потоком кисню і потоком домішкових газів існує взаємозв'язок, який відкриває можливість розробки методів управління потоком водню шляхом зміни природного градієнта окислюваності по висоті шлакової ванни.

Найкращі результати були отримані при розкисленні жужільної ванни при ЕШЗ фто-ридом графіту рис.5.

Встановлено, що при введенні в розплав шлаку оксидів заліза в кількості 2,5-3 г/кг концентрація вуглецю знижується на 80-100%, що позитивно впливає на підвищення механічних властивостей зварного шва (границя текучості, відносне подовження, відносне звуження), підвищуються пластичні властивості зварного з'єднання.

Розділ 5 Особливості технології виготовлення розкислювачів. При наведенні фторида графіту на жужільну ванну, виникає небезпека виносу його в газовідсос (через його низьку щільність), тому прийняте рішення вводити фторид графіту в таблетованому виді. Показники упакування порошків, зокрема, брикетування розкислювачів, значно змінюються залежно від їх вологості, залежно від добавлення поверхнево-активних, або зв'язуючих речовин. Проте підвищення вологості порошку графіту неприпустимо, оскільки метою дослідження є зниження концентрації водню при ЕШЗ. Вживання спеціальних зв'язуючих, також недоцільно через наявність в їх складі кремнію і органіки. Прийнято рішення ввести до складу розкислювача фторида графіту - вермікулярний графіт, причому терморозширений. Вибір вермікулярного графіту як добавка пов'язаний з двома причинами:

-при терморозширенні відбувається деінтеркаляція вермікулярного графіту і інтеркаліанти віддаляються з його складу і не роблять негативного впливу на процес розкислювання розплаву шлаку;

-терморозширений вермікулярний графіт пластичний матеріал, відмінно пресується.

Вермікулярний графіт використовували для зв'язування порошку розкислювача при пресуванні табле-ток фториду графіта. Результати дослідження впливу вермікулярного графіту, що зв'язує, при пресуванні, лягли в основу розрахунку параметрів пресування. Досліджено зале-жність коефіцієнта ущільнення від концентрації елемента для зв'язування порошку. Максимальний коефіцієнт ущільнення порошку не перевищує 0,97. Причому домогтися такого показника можливо лише при вмісті елемента для зв'язування більш 10% і вмісті дрібної фракції 60-80%.

Розміри таблетірованого фториду графіта вибрані з технологічних міркувань: ширини зварювальної щілини, глибини шлакової ванни, об'єму розплавленого металу в процесі ЕШЗ. Прийняті такі розміри пігулки: діаметр 10мм, товщина 5мм. Таблетірований фторид графіту упаковували у фольгу, для уникнення його розсипу і руйнування у дозаторі.

При виготовленні порошкових стрічок був використаний пристрій для дозованої подачі флюсу (Ав.св.№1593832 СРСР, МКВ В23К 19/18, G 01 F 13/00).

Визначено оптимальний зміст компонентів порошкової стрічки: оксид заліза- 62-71%; фторид графіту – 3-4%; інше оболонка порошкової стрічки, товщина оболонки порошкової стрічки 0,8-0,9мм.

Розділ 6 Технологія ЕШЗ середньовуглецевої сталі. Литі заготовки секторів бандажів зі сталі 35Л ГОСТ1050-74 обробляли перед зварюванням з боку приварювання початкових планок для ЕШЗ.

Збирання під зварювання здійснювалася в наступному порядку:

-одна із зварюваних деталей встановлювалася на прокладки заввишки 100мм (висота прокладки, визначалася розміром строп для строповки деталей);

-прихватували до зварюваного торця заготовки дистанційні прокладки (“сухарі”) для фіксації необхідної величини зварювальної щілини;

-приварювали до другої заготовки дві складально-центруючи планки;

-збирання заготовки велася таким чином, навішували другу заготовку на першу, усували складально-центруючими планками зсув зварюваних кромок до мінімуму, потім приварювали складально-центруючи планки до першої заготовки і додатково складальні скоби, або планки в кількості, вказаній в технологічній карті.

Ізолятори мундштука, якій розплавлювався, виконані з пресованих пігулок, які містять флюс і шаруваті з'єднання графіту. При нагріванні ізоляторів теплом шлакової ванни шаруваті з'єднання графіту зазнають термодеструкцію і розосереджують флюс по об'єму шлакової ванни, таким чином, підвищуючи стабільність хімічного складу металу шва і якість зварного шва.

Зварювання здійснювалося зварювальним дротом Св-10Г2 ГОСТ2246-70 під флюсом АН  ГОСТ9087-81.

Подавання розкислювачів у шлакову ванну здійснювали за допомогою двохсекційного дозатора. В одну секцію дозатора завантажували пігулки з фторидом графіту, в іншу – шматки порошкової стрічки з оксидом заліза у кількості, згідно розроблених номограм.

Режими ЕШЗ секторів бандажів випалювальної печі представлені у табл.1

Таблиця 1

Режими ЕШЗ секторів бандажів випалювальної печі

№

п/п | Напруга

зварюван

ня, В | Швидкість

подавання

електроного

дрота, м/год | Зварювальний

струм, А | Глибина

жужільної

вани. мм | Глибина

металевої

вани. мм | Флюс | Кількість

дротів | Швидкість

зварювання

м/год | Термін

зварювання,

час

1 | 48 | 140 | 2500-

2600 | 45-50 | 10-15 | АН-8 | 6 | 0,37 | 3,22

2 | 48 | 140 | 2500-

2600 | 45-50 | 10-15 | АН-8 | 6 | 0,37 | 3,22

3 | 50 | 120 | 2400-

2500 | 45-50 | 10-15 | АН-8 | 6 | 0.34 | 4,19

4 | 50 | 120 | 2400-

2500 | 45-50 | 10-15 | АН-8 | 6 | 0.34 | 4,19

5 | 53 | 130 | 2400-

2600 | 45-50 | 10-15 | АН-8 | 6 | 0,35 | 3,6

6 | 53 | 130 | 2400-

2600 | 45-50 | 10-15 | АН-8 | 6 | 0,35 | 3,6

Термообробка – нормалізація і відпустка. Результати виміру твердості свідчать про те, що при зварюванні без розкислювачів дещо підвищується твердість зони термічного впливу на 9-12%. При вживанні термообробки твердість зварного шва і зони термічного впливу знижується на 9-10%.

Для визначення кількості розкислювачів розроблена номограма розрахунку розкислювачів для сталі 35Л в залежності від розмірів зварювального шва мал.6.

Для визначення кількості оксиду заліза також розроблена номограма.

Результати хімічного аналізу зварного шва табл.2 свідчать про те, що показники якості зварного шва при ЕШЗ сталі 35Л з використанням розкислювачів високі.

Таблиця 2

Хімічний склад зварної сталі і концентрація водню в металі шва

№

досліду | Вміст елементів, % | Н2

см3/100г

С | Si | Mn | Cr | S | P | Ni | O

1 | 0,32 | 0,19 | 0,68 | 0,15 | 0,019 | 0,014 | 0,15 | 0,0040 | 2,1 | 2 | 0,33 | 0,20 | 0,69 | 0,11 | 0,018 | 0,013 | 0,08 | 0,0031 | 2,0 | 3 | 0,34 | 0,19 | 0,69 | 0,13 | 0,020 | 0,014 | 0,11 | 0,0043 | 1,9 | 4 | 0,35 | 0,21 | 0,70 | 0,10 | 0,018 | 0,015 | 0,13 | 0,0035 | 1,9 | без рокислювача | 0,35 | 0,22 | 0,72 | 0,11 | 0,021 | 0,016 | 0,12 | 0,0042 | 5.2 |

Результати зварювання із застосуванням розкислювачів свідчать про те, що концентрація водню в зварному шві знижується в 2-2,4 рази. Підвищується якість зварного шва, знижується вірогідність утворення тріщин, знижується можливість водневого окрихчування металу.

Макроструктура зварного шва після протравлення має дрібнокристалічну будову, у основному металі спостерігається розтравленність по місцях скупчення лікватів, дефектів в металі шва і по лінії сплаву не знайдено.

Виявлена зона термічного впливу, характерна для вуглецевих сталей. Сірчаний відбиток, знятий з площини шліфа зварного шва, звареного із застосуванням розкислювачів, характеризується дрібноцяточною ліквацією. Основний метал зварного з'єднання відрізняється грубою ліквацією у вигляді смуг великої протяжності.

Вивчення деформацій при електрошлаковому зварюванні секторів бандажів обпалювальної печі, показало, що характер деформацій і їх величини не перевищують допустимих значень. Фактичні розміри бандажа після зварювання не перевищують розмірів, допустимих за технічних умов ТУ22.102.29-77 “Корпуса сварные вращающихся печей и барабанных холодильников”, згідно яким відхилення довжини периметра внутрішньої поверхні від номінального розміру не повинне перевищувати ±10мм.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Приведено теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі зниження концентрації водню в металі шва при електрошлаковому зварюванні середньовуглецевих сталей, завдяки якому має місце підвищення експлуатаційних характеристик зварного з'єднання.

2. Встановлено, що визначальною умовою зниження концентрації водню при електрошлаковому зварюванні є створення градієнта окислюваності по висоті шлакової ванни.

3. Встановлено, що при наведенні на шлакову ванну фторида графіту в кількості 8-10г/кг, він зазнає термодеструкцію, в результаті якої, над шлаковою ванною утворюється „подушка” з терморозширеного графіту. Шар терморозширеного графіту, що утворився, захищає розплавлений шлак від атмосфери повітря, знижує чад легуючих і флюсуючих елементів, знижує енерговтрати в оточуючу атмосферу і створює градієнт окислюваності по висоті шлакової ванни, що дозволяє понизити концентрацію водню в процесі ЕШЗ до 1,8-2,0см3/100г.

4. Показано, що небезпека насичення вуглецем метала запобігається введенням в розплав шлаку оксидів заліза в кількості 2,5-3г/кг, при цьому насичення вуглецем металу складає всього 2-3%.

5. Доведено, що наведення розкислювачів на шлакову ванну, доцільно здійснювати в оболонці з фольги, а введення оксидів заліза в об'єм шлакової ванни – у вигляді шматків порошкової стрічки, причому до складу осердя порошкової стрічки окрім оксиду заліза доцільно вводити шаруваті з'єднання графіту для створення ефекту розосередження оксиду заліза у об'ємі шлакової ванни.

6. Розроблені методики дослідження поведінки шаруватих з'єднань графіту при нагріванні і проведено фізичне моделювання поведінки фториду графіта при термодеструкції.

7. Одержані експериментальні дані, лягли в основу технологічних рекомендацій в плані створення порошкових стрічок, які забезпечують примусовий, строго дозований масоперенос дефіцитних і дорогих легуючих і модифікуючих компонентів:

-швидкість нагріву порошкової стрічки повинна бути не нижчою 10° /хв для примусового розосередження шихти,

-оптимальна кількість фториду графіта у шихті повинна складати 3_6%.

Доведено, що при використовуванні фториду графіта досягається:

- максимальна швидкість викиду продуктів деструкції 58м/с;

- імпульс сили при термодеструкції дорівнює .

Такі покажчики забезпечують викид шихти в розплаві флюсу на відстань 0,05-0,2м.

8. Оптимізовано склад порошкової стрічки: оксид заліза - 62-71%; фториду графіта – 3-4%; інше оболонка порошкової стрічки, товщина оболонки порошкової стрічки 0,8-0,9мм. Оптимізовано фракційний склад таблетірованого розкислювача. Оптимальний вміст складових розкислювача: фториду графіта 40% дрібної фракції з розмірами частинок 100-450мкм і 60% крупної фракції з розмірами частинок 1500-2000мкм, а вермікулярний графіт 5-7%. Сумісне використовування таких розкислювачів при ЕШЗ сталі 35Л забезпечує такі характеристики зварного шва: межа текучості 342-437МПа, межа міцності 559-566МПа, відносне подовження 23,3-25,1% відносне звуження 41,1-43,3%, ударна в'язкість 0,55-0,57МДж/м2.

9. Розроблена технологія електрошлакового зварювання сталі 35Л пройшла промислове випробування в умовах ВАТ “Маріупольській металургійний комбінат ім. Ілліча” і рекомендована до використовування в машинобудуванні для виробництва великих зварнолитих заготівок з середньовуглецевих сталей.

10. Упровадження результатів роботи дозволило одержати річний економічний ефект в сумі 32тыс. гривень (в цінах 2003 року).

\

Основний зміст дисертації викладений у наступних публікаціях:

1. Чигарев В.В., Гавриш П.А., Кассов В.Д., Гавриш Ю.П. Повышение качества валков холодной прокатки // Вісник Східноукраїнського Національного університету ім. В. Даля: Луганськ.-2002.-№7(53).-с.26-30.

Автором розроблено методичне обгрунтування експерименту, зроблені висновки.

2. Кассов В.Д., Гавриш П.А., Чигарев В.В. Повышение стойкости валков холодной прокатки// Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб.науч.трудов.-Кра-маторск.-2002.-с.462-466.

Автором розроблена методика дослідження, експериментальні дослідження, зроблені висновки

3. Кассов В.Д., Гавриш П.А. Исследование механизма принудительного массопереноса шихты, содержащей слоистые соединения графита // Интегрированные технологии и энергосбережение: Харьковский политехнический институт.- 2002.-№2.- с.24-28.

Автором розроблена конструкція устаткування для проведення експерименту, проведені експерименти.

4. Гавриш П.А., Кассов В.Д., Семенов В.М. Условия прессования раскислителей при электрошлаковой сварке//Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. – ДДМА, Краматорськ, 2004.-С88-89.

Автором розроблено теоретичне обгрунтування умов пресування, проведені експерименти.

5. Гавриш П.А., Кассов В.Д. Снижение концентрации водорода при электрошлаковой сварке путем принудительного изменения градиента окисленности шлака// Металл и литье Украины.-2004.-№3-4.-С.52-53.

Автором розроблено теоретичне обгрунтування механізму рафінування метала від водню при електрошлаковому зварюванні, розроблено план експериментального зварювання.

6. Кассов В.Д., Гавриш П.А., Чигарев В.В., Литвинов О.П. Электрошлаковая сварка траверсы пресса//Вісник Приазовського державного технічного університету: Маріуполь, 2004, Вип.№14.-С.54-55.

Автором розроблено розрахунки вмісту та кількості розкислювачів. Проведено експериментальну роботу.

7. А.с. 1524986 СССР, МКИ В23 К 37/06, 9/02. Устройство для формирования обратной стороны шва / П.А.Гавриш, А.В. Грановский, В.Д.Кассов, В.Т.Катренко, (СССР). - №4401081/37-27; Заявлено 01.04.88; Опубл.30.11.89; Бюл.№44.

Автором розроблений принцип дії винаходу. Розроблено конструкцію устаткування.

8. А.с. 1593832 СССР, МКИ В23 К 9/18, G 01 F 13/00. Устройство для дозированной подачи флюса/ А.В.Дубинин, А.В. Грановский, П.А. Гавриш, И.П. Катасонов и Н.А.Антонов (СССР).-№4622995/31-27;Заявлено 09.11.88; Опубл.23.09.90, Бюлл.№35.

Автором розроблено принцип дії винаходу. Розроблено конструкцію устаткування.

9. Патент України 57568А МПК 7Н05 В 7/07 Спосіб модифікування сталі при електрошлаковій переплавці/ Гавриш П.А., Кассов В.Д., Гавриш Ю.П.(Україна).-№2002065006 ;Заявлено 18.06.02; Опубл.16.06.03, Бюлл.№6.

Автором розроблений принцип дії винаходу. Запропоновано введення у склад модифікатора шаруватих з'єднань графіту.

10. Патент України 59666А МПК 7Н05 В 7/07 Електрод для електрошлакової переплавки і для електрошлакового зварювання/ Чигарьов В.В., Гавриш П.А., Кассов В.Д., Гавриш Ю.П.(Україна);Заявл. 12.11.2002, Опубл.15.09.03, Бюлл.№9.

Автором розроблений принцип дії винаходу. Проведені експериментальні роботи.

11. Позитивне рішення Укрпатенту про видачу патенту від 03.02.2004року ( Патент України 67954А МПК Н05 В7/07, С22 В9/18 Спосіб рафінування сталі від водню при електрошлаковому зварюванні/ Гавриш П.А., Кассов В.Д., Гавриш Ю.П.(Україна) ;Заявл. 15.07.2003, Опубл.15.07.2004, Бюлл№7).

Автором зроблено розрахунки рівноважних концентрацій водню, розроблено формулу винаходу.

12. Позитивне рішення Укрпатенту про видачу патенту від 23.04.2004року (Патент України 68076А МПК В23К 25/00 Ізолятор мундштука, який розплавлюється, при електрошлаковому зварюванні/ Гавриш П.А., Семенов В.М., Кассова Л.М.(Україна);Заявлено 26.09.03, Опубл. 15.07.04, Бюл.№7).

Автором розроблено теоретичне обгрунтування механізму розосередження ізолятора мундштука, що плавиться при електрошлаковому зварюванні з допомогою шаруватих з'єднань графіту.

Анотація

Гавриш П.А. Удосконалення процесу електрошлакового зварювання середньовуглецевих сталей, який забезпечує зниження концентрації водню. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю – 05.03.06 – “Зварювання і спорідненні технології” Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Маріуполь, 2004р.

Дисертація присвячена підвищенню якості зварного шва ЕШЗ середньовуглецевих сталей і розробці способу зниження концентрації водню.

Вперше розроблено спосіб рафінування метала зварного шва від водню електрошлакового зварювання середньовуглецевих сталей при цьому знижено чад легуючих і флюсуючих елементів, знижено енерговитрати в оточуючу атмосферу на 15-20% знижено концентрацію водню в процесі ЕШЗ до 1,8-2,0см3/100г.

Розроблені розкислювачі для удосконаленого процесу електрошлакового зварюванні, які містять нетрадиційні зварювальні матеріали-шаруваті з'єднання графіту. Сумісне використовування розкислювачів при ЕШЗ середньовуглецевої сталі забезпечує підвищені механічні характеристики зварного шва.

Проведена апробація розробленої технології електрошлакового зварювання, в умовах ВАТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча”. Отримано річний економічний ефект, який складає 32 тис. гривень (у цінах 2003р.)

Ключові слова: порошкова стрічка, електрошлакове зварювання, шаруваті з'єднання графіту, термодеструкція, розкислювач, концентрація водню.

Аннотация

Гавриш П.А. Совершенствование процесса электрошлаковой сварки среднеуглеродистых сталей, который обеспечивает снижение концентрации водорода.- Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности – 05.03.06 – „Сварка и родственные технологии” Приазовский государственный технический университет Министерства образования и науки Украины, Мариуполь, 2004г.

Диссертация посвящена повышению качества сварного шва ЭШС среднеуглеродистых сталей и разработке способа снижения концентрации водорода.

Приведено теоретическое обобщение и новое решение научно-технической задачи снижения концентрации водорода в металле сварного шва путем повышения окислительного потенциала поверхности расплава шлака и одновременного раскисления объема шлака для снижения содержания углерода в металле.

Проведенные исследования и практические испытания показали целесообразность использования слоистых соединений графита в сварочных материалах, которые применяются при ЭШС. Впервые разработан способ рафинирования метала сварного шва от водорода при электрошлаковой сварке среднеуглеродистых сталей, при этом на шлаковую ванну наводятся раскислители - фторид графита в количестве 8-10г/кг и над шлаковой ванной образуется „подушка” из терморасширенного графита.

Слой терморасширенного графита, защищает расплавленный шлак от атмосферы воздуха, снижает угар легирующих и флюсующих компонентов, снижает энергопотери в окружающую атмосферу на 15-20% и создает градиент окисленности по высоте шлаковой ванны, что позволяет снизить концентрацию водорода в процессе ЭШС до 1,8-2,0см3/100г.

Разработаны раскислители для усовершенствованного процесса электрошлаковой сварки, которые содержат нетрадиционные сварочные материалы - слоистые соединения графита.

Проведено математическое моделирование и оптимизация раскислителя. Оптимизирован состав порошковой ленты: оксид железа - 62-71%; фторид графита – 3-4%; остальное оболочка порошковой ленты, толщина оболочки порошковой ленты 0,8-0,9мм. Оптимизирован и фракционный состав таблетированного раскислителя. Оптимальное содержание составляющих раскислителя: фторид графита 40% мелкой фракции с размерами частиц 100-450мкм и 60% крупной фракции с размерами частиц 1500-2000мкм, а вермикулярний графит 5-7%.

Совместимое использование таких раскислителей при ЭШС среднеуглеродистых сталей обеспечивает такие характеристики сварного шва: предел текучести 342-437МПа, предел прочности 559-566МПа, относительное удлинение 23,3-25,1% относительное сужение 41,1-43,3%, ударная вязкость 0,55-0,57МДж/м2.

Разработана методика исследования слоистых соединений графита, как компонента шихты порошковых лент. Разработана конструкция оборудования для исследования слоистых соединений графита. Впервые установлен и исследован характер термокинетики расширения слоистых соединений графита в порошковом сердечнике. Определены показатели термокинетики:

-импульс силы термодеструкции, который равен ;

-скорость вылета продуктов термодеструкции 58м/с.

Проведена апробация разработанной технологии электрошлаковой сварки, в условиях ОАО “Мариупольской металлургический комбинат им. Ильича”. Полученный годовой экономический эффект составляет 32 тыс. гривен (в ценах 2003р.).

Ключевые слова: порошковая лента, электрошлаковая сварка, слоистые соединения графита, термодеструкция, раскислитель, концентрация водорода.

Summary

Gavrish P.A. Perfection of process of the electro-slag welding of middling carbon steels, which provides the decline of concentration of hydrogen.-Manuskript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of the engineering science on a speciality –„05.03.06 - Welding and related technologies”.- Priazovsky state technical university of the Ministry of science and education of Ukraine, Mariupol, 2004.

Thesis became devoted to upgrading of electro slag welding of middling carbon steels and mining of an expedient of weakening of hydrogen.

Theoretical generalization and new solution scientific - technical problem of weakening of hydrogen in weld metal is reduced by a heightening of an oxidation potential of a surface of a melt dross and simultaneous deoxidation of volume dross for a decrease a carbonizing of metal.

The conducted researches and practical tests showed expedience of the use of the stratified connections of graphite in welding materials which are used ЕSW. The method of affinage is first developed threw the welded stitch from hydrogen at the electro-slag welding of middling carbon steels, here on slag bath deoxidats is pointed is ftoryd of graphite in an amount 8-10g/кg and above slag bath appears „pillow” from a thermolysis graphite.

The layer of thermolysis graphite, protects a molten slag from the atmosphere of air, reduces the carbon-monoxide fumes of alloying, reduces the losses in surrounding an atmosphere on 15-20% and creates the gradient on the height of slag bath, that allows to reduce concentration of hydrogen in the process of ЕSW to 1,8-2,0sм3/100g.

Developed deoxidats for the improved process of the electro-slag welding, which contain untraditional welding materyaly-sloystye connections of graphite. The mathematical design and optimization of deoxidats is conducted. Composition of powder-like ribbon is optimized: oxide of iron - 62-71%; ftoryd of graphite – 3-4%; other the shell of powder-like ribbon, thickness of shell of the powder-like ribbon 0,8-0,9мм. Factious composition of pill deoxidats is optimized. Optimum maintenance of constituents of deoxidat: ftoryd of graphite 40% of shallow faction with the sizes of particles of 100-450мкм and 60% of large faction with the sizes of particles of 1500-2000мкм, and GIC rules 5-7%. The compatible use of such deoxidats at ESW of middling carbon steels provides such descriptions of the welded stitch: limit of fluidity of 342-437МPа, tensile strength of 559-566МPа, relative lengthening a 23,3-25,1% relative narrowing 41,1-43,3%, shock viscidity 0,55-0,57МDg/м2.

Approbation of the developed technology of the electro-slag welding is conducted, in the conditions of “Mariupol metallurgical combine by Illicha”. The got annual economic effect is made by a 32 thousand of hryvnyas (in the prices year 2003).

Key words: a magnetic character ribbon, electro slag welding, graphite intercalation compounds (GIC), thermal degradation, deoxidizer, density of hydrogen.