Покращення високотемпературної віддільності шлакової корки при наплавленні під флюсом на основі металургійних і теплофізичних методів - Автореферат

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наукРобота виконана на кафедрі зварювального виробництва Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України. Жданов Леонід Альбертович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», доцент кафедри зварювального виробництва. Захист відбудеться 17.10. 2011 р. о __15_ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Повязане це з протіканням процесів на міжфазній границі шлак - метал, які визначаються фізико-хімічними властивостями шлаків та хімічним складом металу шва. Тому керування процесом відділення шлакової корки з поверхні металу шва при наплавленні під флюсом визначається оптимізацією співвідношення композицій у системі дріт - флюс. Забезпечення гарантованої високотемпературної віддільності шлакової корки при температурі 500-600 ОС може бути досягнуте шляхом удосконалення традиційних та розроблення нових методів керування процесами відділення шлакової корки з поверхні металу шва. Дослідження виконувались у відповідності з науково-дослідною темою № 2659-ф „Фізико-хімічні процеси утворення газової фази при електродуговому зварюванні під флюсом і теоретичні основи формування складу метала шва” (№ ДР 0103U000241), № 2957-ф „Визначення основних принципів створення зварювальних флюсів з покращеними показниками екологічної безпеки” (№ ДР 0106U004065). Встановлений новий спосіб забезпечення високотемпературної віддільності шлакової корки при температурі 500-600 С шляхом введення оптимальної концентрації оксиду цирконію до складу порошкового дроту 5-6,5% або флюсу 3,5-5,5% в системі дріт - флюс для низько-та середньолегованих сталей при використанні флюсів кислого та нейтрального типів, який дозволить мінімізувати утворення мікро - і, як наслідок, макрошпінелей на міжфазній границі шлак - метал.У ньому наведений огляд сучасних уявлень про механізм і процес відділення шлакової корки, структуризовані та визначені основні фактори, які характеризують процес віддільності шлаку при електродуговому наплавленні під флюсом. Встановлена залежність відділення шлакової корки від трьох основних факторів: різниці коефіцієнтів термічного розширення металу та шлаку, термодеформації металу та наявності макрокомплексних зєднань, які виникають на границі шлак - метал на основі елементів, що входять до складу металу та оксидів шлаку - шпінелі. Регулювання процесу відділення шлакової корки може бути здійснене на основі прогнозування фізико-хімічних властивостей шлакових розплавів, зокрема реакцій на міжфазній границі шлак - метал. Тому можливість керування процесом відділення шлакової корки з поверхні металу шва при наплавленні під флюсом найімовірніше здійснити за допомогою прогнозованої зміни фізико-хімічних властивостей шлакового розплаву, зокрема його температурного інтервалу кристалізації і регульованої зміни активності учасників реакцій на границі шлак - метал. Подальша реалізація алгоритму передбачає врахування мольної долі кожного компонента металу та шлаку, які безпосередньо повязані з кількістю речовини у шлаку та металевих матеріалах на міжфазній границі шлак - метал.Розроблена нова методика оцінки відокремлення шлакової корки, яка базується на термодеформаційних процесах технологічного зразка розміри якого визначаються виходячи з енергетичних параметрів режиму наплавлення, а критерієм є мінімальна довжина пластини, що забезпечує самовільне відокремлення шлаку. Показано, що основним фактором, що визначає процес високотемпературного відділення шлакового покриття для системи SIO2-TIO2-Al2O3-MNO-MGO-CAO-CAF2, є утворення на міжфазній границі шлак-метал комплексних зєднань на базі шпінелеутворюючих елементів та оксидів шлаку. Експериментальна перевірка результатів розрахунку вірогідності утворення шпінелей за розробленим методом підтвердила її адекватність. Експериментально визначено, та практично апробований оптимальний діапазон концентрації оксиду цирконію в складі порошкового дроту (5-6,5%) або флюсу (3,5-5,5%) для забезпечення високотемпературної віддільності шлакової корки для шлакової системи SIO2-TIO2-ZRO2-Al2O3-MNO-MGO-CAO-CAF2. Вперше на основі наявності теплового ефекту на кривих ДТА охолодження встановлено, що при оптимальній концентрації оксиду цирконію у шлаку проходять інтенсивні хімічні процеси, які перешкоджають реакціям взаємодії кисню з шпінелеутворюючими елементами, при температурах 1300-12000С.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Розроблена нова методика оцінки відокремлення шлакової корки, яка базується на термодеформаційних процесах технологічного зразка розміри якого визначаються виходячи з енергетичних параметрів режиму наплавлення, а критерієм є мінімальна довжина пластини, що забезпечує самовільне відокремлення шлаку.

2. Показано, що основним фактором, що визначає процес високотемпературного відділення шлакового покриття для системи SIO2-TIO2-Al2O3-MNO-MGO-CAO-CAF2, є утворення на міжфазній границі шлак-метал комплексних зєднань на базі шпінелеутворюючих елементів та оксидів шлаку.

3. На основі сучасних уявлень про будову шлакових розплавів запропонований механізм утворення комплексних зєднань на міжфазній границі шлак - метал. Вперше на основі цього механізму створена термодинамічна модель розрахунку вірогідності утворення шпінелей. Експериментальна перевірка результатів розрахунку вірогідності утворення шпінелей за розробленим методом підтвердила її адекватність.

4. Встановлена нова можливість регулювання високотемпературної віддільності корки за рахунок регулювання фізико-хімічних властивостей шлаку шляхом введення 3-4% оксиду цирконію у шлак. Визначений фізичний механізм утворення шпінелей, що полягає у переростанні мікрокомплексних зєднань в макрошпінелі.

5. Запропоновані два шляхи введення оксиду цирконію до реакційної зони зварювання: через склад порошкового дроту та через флюс. Експериментально визначено, та практично апробований оптимальний діапазон концентрації оксиду цирконію в складі порошкового дроту (5-6,5%) або флюсу (3,5-5,5%) для забезпечення високотемпературної віддільності шлакової корки для шлакової системи SIO2-TIO2-ZRO2 -Al2O3-MNO -MGO-CAO-CAF2.

6. Вперше на основі наявності теплового ефекту на кривих ДТА охолодження встановлено, що при оптимальній концентрації оксиду цирконію у шлаку проходять інтенсивні хімічні процеси, які перешкоджають реакціям взаємодії кисню з шпінелеутворюючими елементами, при температурах 1300-12000С. Цей інтервал знаходиться в діапазоні температур переходу мікро- у макрошпінелі. Вимірювання вязкості флюсів показали, що наявність цирконію в шлаку зменшує температурний інтервал кристалізації до 1150...13500С при вязкість 0,5...1,5 Па/с. Отриманні експериментальні данні пояснюють вплив оптимальної концентрації оксиду цирконію на фізико-хімічні властивості шлаків та процес високотемпературної віддільності шлаку.

7. Вперше отриманні дані растрової електронної мікроскопії поверхні шлакових корок показують вплив концентраційних умов оксиду цирконію у шлаку на процеси утворення інших хімічних сполук і підтверджують механізм високотемпературної віддільності та отримані оптимальні значення вмісту оксиду цирконію в системі дріт-флюс для мінімізації утворення макрошпінелей.

8. Розроблений спеціалізований флюс АНК-73 для наплавлення деталей складної конфігурації та зареєстровані технологічні умови ТУ У 24.6-05416923-101:2011 на його виготовлення. Флюс пройшов дослідно-промислове випробування.

1. Стреленко Н.М. Наявність рідкої оболонки при автоматичному зварюванні під флюсом / Н.М. Стреленко, В.Т. Котик, Л.А. Жданов // Технологические системы. - 2008. - №2. - С. 45 -49.

2. Стреленко Н.М. Вплив оксидів перехідних металів на фізико-хімічні властивості шлаків при електродуговому зварюванні та наплавленні / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов, К.О. Зворикін // Технологические системы. - 2009. - №3(47). - С. 77-81.

3. Стреленко Н.М. Фізико-хімічні особливості відділення шлакової корки з поверхні металу шва та методологічна база способів оцінки / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов, О.А. Сливінський, К.О. Зворикін // Технологические системы.-2010.- №1(50). - С. 109-115.

4. Стреленко Н. М. Визначення впливу композицій оксидів на властивості шлаків при електродуговому наплавленні / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов, О.А. Сливінський// Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. - 2010. - №1. - С. 295 - 297.

5. Стреленко Н.М. Застосування рівноважної термодинаміки при врахуванні вірогідності утворення шпінелей / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов, К.О. Зворикін // Технологические системы. - 2010. - №2(51). - С. 83-86.

6. Стреленко Н.М. Дослідження особливостей віддільності шлакового покриття в умовах наявності шпінелей за допомогою растрової електронної мікроскопії / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов, К.О. Зворикін // Технологические системы. - 2010. - №4(53). -С. 73-76.

7. Пат. № 40496 Україна, МПК B 23K 31/10. Спосіб оцінки відокремлення шлакової корки / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов, О.В. Прохоренко, В.Т. Котик, Сливінський О.А.; заявник і патентовласник НТУУ„КПІ”; заявл. 20.11.08; опубл. 10.04.09; Бюл. №7.

8. Стреленко Н.М. Деградація властивостей сплаву на основі нікелю NICR25FEALY при електродуговому зварюванні / Н.М. Стреленко, О.А. Сливінський // Зварювання та суміжні технології: четверта всеукраїнська наук.-техн. конф. молодих вчених та спеціалістів, 23 - 25 трав. 2007 р.: тези доп. - К., 2007. - С. 191.

9. Стреленко Н.М. Теоретичне прогнозування складу металу шва при зварюванні під флюсом / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов, А.М. Сливинский // Сучасні зварювальні флюси і досвід іх застосування в промисловості: міжнар. наук-техн. семінар., 29-31 сер. 2005 р.: збірник докладів. - Запоріжжя, 2005. - С. 40.

10. Стреленко Н.М. Покращення відокремлення шлакової корки при наплавленні під флюсом за рахунок введення спеціальних елементів / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов // Зварювання та споріднені технології і процеси: міжнар. міжг. наук.-техн. конф. студентів, аспірантів та наук. співроб., 28 лют. 2008р.: тези. доп. - К., 2008. - С. 29-30.

11. Стреленко Н.М. Аналітичний розрахунок впливу температури металу шва на фізичні характеристики шлакової корки при електродуговому зварюванні і наплавленні під флюсом / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов // Зварювання та споріднені технології і процеси: всеукраїнська наук.-техн. конф. студентів, аспірантів та наук. спів роб., 3-7 вер. 2008 р.: тези доп. - К., 2008. - С. 24-25.

12. Стреленко Н.М. Підтвердження існування рідкої шлакової оболонки перед дугою при автоматичному зварюванні під флюсом / Н.М. Стреленко, В.Т. Котик // Зварювання та споріднені технології і процеси: міжнар. міжгалуз. наук.-техн. конф. студентів, аспірантів та наук. співроб., 9 трав. 2008 р.: тези доп. - К., 2008. - С. 63.

13. Стреленко Н.М. Особливості відокремлення шлакової корки при електродуговому зварюванні та наплавленні під флюсом / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов // Прогресивні технології і процеси наукоємного машинобудування: міжнар. міжгалуз. наук.-техн. конф., 25-26 вересня 2008р.: тези доп. - Гостоміль, 2008. - С. 38.

14. Стреленко Н.М. Особливості поведінки оксидів перехідних металів в складі зварювальних матеріалів / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов // Зварювання та споріднені технології і процеси: друга міжнар. міжгалуз. наук.-техн. конф. студентів, аспірантів та наук. співроб., 4-6 бер. 2009р.: тези доп. - К., 2009. - С. 14 - 15.

15. Стреленко Н.М. Вплив оксидів перехідних металів на процес відокремлення шлакової корки / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов // Зварювання та споріднені технології: всеукр. наук-техн. конф. молодих учених та спеціалістів, 27-29 трав. 2009 р.: тези доп. - К., 2009. - С. 212.

16. Стреленко Н.М. Основні методи керування процесом відокремлення шлакової корки / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов // Проблеми зварювання, споріднених процесів і технологій: міжнар. наук.-техн. конф., 14-17 жовт. 2009р: тези доп.-М., 2009.-С. 52.

17. Стреленко Н.М. Вплив оксиду цирконію на структуру та фізико-хімічні властивості розплаву шлаку нейтрального типу / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов, І.А. Гончаров, Міщенко Д.Д. // Зварювання та споріднені технології і процеси: третя всеукр. міжгалуз. наук.-техн. конф. студентів, аспірантів та наук. співроб., 31 бер. - 2 квіт. 2010 р.: тези доп. - К., 2010. - С. 21 - 23.

18. Стреленко Н.М. Методики віддільності шлакової корки / Н.М. Стреленко, Л.А. Жданов // Зварювання та споріднені технології: всеукр. міжгалуз. наук.-техн. конф. студентів, аспір. та наук. співр., 31 бер.-2 квіт. 2010р.: тези доп.- К., 2010. - С. 49.