Підвищення якості металу шва при зварюванні електродами з кислим покриттям шляхом застосування чавунного порошку - Автореферат

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. 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. 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.” Поставлена мета досягалась вирішенням наступних задач: встановленням впливу вуглецю на окислювально-відновлювальні процеси при зварюванні плавленням; 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.Але, ільменітовий концентрат (FEO?TIO2) містить до 40 % оксидів заліза, що підвищує вміст кисню і неметалічних включень у металі шва, знижує механічні властивості і ударну вязкість 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. 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. 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). 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.У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється в удосконаленні системи розкислення металу шва при зварюванні електродами з кислим покриттям шляхом застосування в якості додаткового розкислювача вуглецю у складі чавунного порошку, який вводиться електродне покриття. Це дозволило підвищити механічні властивості металу шва до рівня вимог, що відповідають типу Э46 і значно розширити можливості використання більш дешевих ільменітових електродів для зварювання відповідальних конструкцій із вуглецевих і низьколегованих сталей. Аналіз стану питання показав, що в теперішній час у звязку з дефіцитністю рутилового концентрату актуальним є питання вибору раціональної системи розкислення металу шва ільменітових електродів для забезпечення рівня його міцності і пластичності на рівні електродів з рутиловим покриттям. Вперше, методом термодинамічного аналізу окислювально-відновлювальних реакцій в трьох фазах при однакових температурах встановлено, що при зварюванні плавленням ефективніше використовувати в якості розкислювача вуглець у звязаному стані, у вигляді чавунного порошку. Розроблено розрахунковий метод визначення максимально можливого вмісту чавунного порошку в електродному покритті, при вмісті в наплавленому металі не більше 0,12 % вуглецю.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється в удосконаленні системи розкислення металу шва при зварюванні електродами з кислим покриттям шляхом застосування в якості додаткового розкислювача вуглецю у складі чавунного порошку, який вводиться електродне покриття. Це дозволило підвищити механічні властивості металу шва до рівня вимог, що відповідають типу Э46 і значно розширити можливості використання більш дешевих ільменітових електродів для зварювання відповідальних конструкцій із вуглецевих і низьколегованих сталей.

Аналіз стану питання показав, що в теперішній час у звязку з дефіцитністю рутилового концентрату актуальним є питання вибору раціональної системи розкислення металу шва ільменітових електродів для забезпечення рівня його міцності і пластичності на рівні електродів з рутиловим покриттям.

Вперше, методом термодинамічного аналізу окислювально-відновлювальних реакцій в трьох фазах при однакових температурах встановлено, що при зварюванні плавленням ефективніше використовувати в якості розкислювача вуглець у звязаному стані, у вигляді чавунного порошку.

Теоретично встановлено і експериментально доведено, що TIO2 може слугувати додатковим окислювачем вуглецю в чавуні, поряд з FEO при використанні його в електродних покриттях ільменітового виду.

Розроблено розрахунковий метод визначення максимально можливого вмісту чавунного порошку в електродному покритті, при вмісті в наплавленому металі не більше 0,12 % вуглецю. Встановлена і практично підтверджена залежність вмісту вуглецю в наплавленому металі від окислювальної здатності покриття, що визначається вмістом ільменіту і FEMN, або заданим вмістом Mn у наплавленому металі.

Вперше розроблена схема і експериментально досліджений процес окислення вуглецю, що використовується у складі чавунного порошку в якості розкислювача в електродному покритті ільменітового виду. Встановлено, що швидкість окислення вуглецю в складі чавунного порошку в 2 рази більша ніж графіту і може досягати значень 6,33 %/с.

Експериментально встановлено, що розкислення металу шва чавунним порошком зменшує в ньому загальний вміст кисню в 2 рази і оксидних включень в 1,3…1,4 рази, що наближує його до рівня металу рутилових електродів. При вводі оптимальної кількості чавунного порошку розкислення електродного металу протікає в основному на стадії краплі і пори в металу шва не спостерігаються.

Отримані оптимальні технологічні параметри чавунного порошку і товщини покриття для виготовлення електродів. Порошок треба використовувати після просіву через сито не більше № 028 по ГОСТ 6313, а товщину покриття брати по верхній межі допуску.

Розроблені ільменітові електроди з чавунним порошком і новою мінеральною сировиною України мають підвищену якість металу шва і кращі зварювально-технологічні властивості. Ціна 1 кг наплавленого металу приблизно на 25 % менша, ніж електродів МР-3, що дасть значний економічний ефект при впровадженні їх у народне господарство. Впровадження на Д.П. “Завод ім. Малишева” дає економічний ефект в сумі 91,5 тис. грн. на рік.

Ефименко Н.Г., Калин Н.А. Раскисляющая способность редкоземельных элементов в сравнении с известными раскислителями // Сварочное производство. - 1978. - № 10. - С. 1-2

Ефименко Н.Г., Калин Н.А. Термодинамический анализ окислительно-восстановительных процессов с участием углерода при сварке плавлением //Автоматическая сварка. - 2000. - №7. - С. 18-21

Ефименко Н.Г., Калин Н.А. Влияние сплава Fe-C в покрытии ильменитовых электродов на восстановительные процессы при сварке // Автоматическая сварка. - 2001. - № 3. - С. 52-53.

Ефименко Н.Г., Калин Н.А. Расчет оптимального содержания углерода и марганца в электродних покрытиях ильменитового вида // Автоматическая сварка. - 2001. - №11. - С. 43-46.

Калин Н.А., Ефименко Н.Г. Особенности окисления углерода при сварке электродами с покрытиями ильменитового вида // Автоматическая сварка. - 2002. - №4. - С. 19-22.

Склад електродного покриття: Патент на винахід UA 26651 Україна, МКИ В 23К35/365 / М.Г. Єфіменко, М.А. Калін. - № 93111486; Заявлено 10.01.93; Опубл. 12.11.99, Бюл. №7.

Склад електродного покриття: Патент на винахід UA 50758 Україна, МКИ В 23К35/365 / М.Г. Єфіменко, М.А. Калін. - № 98094955; Заявлено 25.12.98; Опубл. 15.11.02, Бюл. № 11.

Ефименко Н.Г., Калин Н.А. Применение нового минерального сырья Украины для производства сварочных электродов //Труды І Международной конференции по сварочным материалам стран СНГ “Состояние и перспективы развития сварочных материалов в странах СНГ” Москва: - 1998. - С. 221-223.

Калин Н.А., Ефименко Н.Г. Повышение качества металла шва ильменитовых электродов путем раскисления сплавом Fe-C. Сборник докладов Международной конференции “Сварка и родственные технологии 2002” Киев: - 2002 г. - С. 27.

Калин Н.А., Ефименко Н.Г. Улучшение санитарно-гигиенических и сварочно-технологических характеристик электродов путем использования углерода в качестве раскислителя. Сборник тезисов докладов городской научно-методической конференции “Безпека життєдіяльності” Харьков: - 2002 г. - С. 42-47.

Калин Н.А., Ефименко Н.Г. Разработка ильменитовых электродов для сварки и ремонта изделий из малоуглеродистых сталей // Пр. другої Міжнародної конф. “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” - Україна, Харків: НДТІ ХДТУСГ. - 2003 р. - Вип. 14. - С. 305-308.

Калин Н.А. Влияние процесса раскисления углеродом на содержание неметаллических включений в наплавленном металле // Пр. другої Міжнародной наукво-практичної конф. “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” - Україна, Харків: НДТІ ХДТУСГ. - 2003 р. - Вип.15. - С. 203-207.