Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОДОВ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ. АСПЕКТЫ РАЗРАБОТОК. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
Глава 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 40
2. 1. Материал металлического стержня и его подготовка для изготовления опытных электродов 40
2 2- Шихта для изготовления обмазки опытных электродов 43
2.1. 2- Ильменитовый, концентрат 45
2. 2. 2. Волластонитовый концентрат 46
2. 2. 3. Ферросиликомарганец 47
2.3. Подготовка экспериментальных образцов, определение сварочно-технологических свойств электродов, механических свойств и химического состава наплавленного металла 48
Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ШЛАКОВЫХ СИСТЕМ И РАСЧЁТ СОСТАВА ШИХТЫ НА ОСНОВЕ ВОЛЛАСТОНИТА И ИЛЬМЕНИТ-ВОЛЛАСТОНИТОВОИ КОМПОЗИЦИИ 55
3.1. title3 Анализ диаграмм состояния неметаллических систем и расчёт температуры плавления, вязкости» поверхностного натяжения и электропроводности шлаков title1 55
3. 2. Расчёт базового состава шихты для экспериментального исследования сварочно-технологических свойств электродов
на основе волластонитовои и ильменит - волластонитовои композиций 72
Выводы по главе 3 95
Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ" ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ ВЫПУСКА НОВЫХ МАРОК ЭЛЕКТРОДОВ НА ВОЛЛАСТОНИТОВОЙ И
ИЛЬМЕНИТ - ВОЛЛАСТОНИТОВОЙ ОСНОВЕ 97
4. 1. Разработка промышленных марок сварочных электродов на основе расчётов базовых составов покрытий 97
4. 2. Оценка основных параметров и сварочно-технологических характеристик электродов разработанных марок 102
4. 3. Практическое использование результатов исследований 116
Выводы по главе 4 118
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 119
ЗАКЛЮЧЕННЕЕ 121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122.
ПРИЛОЖЕНИЯ 130
- СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОДОВ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ. АСПЕКТЫ РАЗРАБОТОК. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
- Материал металлического стержня и его подготовка для изготовления опытных электродов
Введение к работе
Минувший XX век — век становления и развития сварки. Были изобретены и развиты основные способы сварки, создано оборудование и технологии для их широкой практической реализации. С использованием сварочных технологий в последней четверти XX века производилось до половины валового национального продукта промышленно-развитых стран. В последние годы реальный вклад сварки и смежных технологий в современную экономику возрос. Всё большее значение в качестве конструкционных материалов приобретают сплавы алюминия, титана, пластмассы, композиты.
Однако по прогнозам российских и зарубежных учёных, в обозримом будущем будет доминировать сталь. Создание высокопрочных низколегированных сталей без сомнения будет этому способствовать. По прогнозу Международного института стали к 2005 году мировое производство стали превысит 800 млн. тонн. Это вызовет развитие рынка сварочной техники и материалов.
Среди многочисленных сварочных процессов преобладающей остаётся дуговая сварка, а среди дуговых способов-ручная дуговая сварка покрытыми электродами. В этой связи объем производства и потребления электродов для ручной дуговой сварки является доминирующим по сравнению с другими сварочными материалами.
. На сегодняшний день из 350 существующих марок сварочных электродов производится около 120. Это объясняется дороговизной технической документации и сырьевых компонентов. Что же касается создания новых марок электродов, то их единицы. В основном, это разработки на базе электродов марок АНО-4, АНО-6, ОЗС-4, МР-3 и др.
Изменения в сфере распределения сырья способствовали повышению ро-
ли экономических факторов и, как одно из следствий этого, оказались востребованными региональные источники сырья. Процесс вовлечения Bt производство сварочных материалов регионального минерального сырья идёт по всей России.
Актуальность темы. В настоящий момент российские производители
сварочных покрытых металлических электродов испытывают
хронический дефицит основных сырьевых материалов, входящих в
состав электродных покрытий общего назначения- Это рутиловый и
ильменитовый концентраты (шлакообразующие), ферромарганец
(раскислитель, легирующий),Поставщики данного сырья во многом определяют ценовую политику в электродном производстве.
В связи с резким ростом цен. на рутил, поставляемый с Украины, и ферромарганец, поставляемый с Украины и Грузии, а также обострившейся конкуренцией среди производителей электродов, существенный инте-терес представляют изыскания возможности использования других минералов, которые по своим функциональным свойствам моглн бы быть применены в качестве шлакообразующих компонентов и раскислителей в электродном покрытии.
В этом плане существенный интерес представляет отечественный вол-ластонитовый минерал как в чистом виде, так и в композиции с ильме-нитовым концентратом.
Между тем, проведенный анализ литературных данных показал, что в отечественной практике электродного производства практически отсутствуют систематические сведения о промышленном применении волласто-нитовых и ильменит-волластонитовых минералов в качестве шлакообразующих компонентов электродных покрытий.
Это обуславливает актуальность и важность проведения комплексных исследований по выявлению возможности использования волластонито-
вых и ильменит-волластонитовых минералов отечественных месторождений в качестве основных шлакообразующих компонентов электродных покрытий.
Цель работы. Разработать состав и технические условия (ТУ) на: промышленное изготовление электродов типа Э46-Э50А для ручной дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей с использованием покрытий на основе отечественных волластонитовых и. ильменит-волластонитовых концентратов взамен импортного рутилового концентрата.
Методы исследования. Исследования разработанных электродов выполнялись в соответствии с требованиями ГОСТ 9466 - 75 в части: проверки сварочно-технологических свойств электродов, механических свойств металла шва и химического состава наплавленного металла. Научная новизна.
Впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность замены рутилового концентрата на волластонитовый и иль-менит-волластонитовый концентраты для электродных покрытий.
Установлено, что основные1 физические свойства многокомпонентных шлаковых систем - температура плавления, вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность - связаны с аналогичными свойствами оксидов, входящих в эти системы, линейной зависимостью.
Определены коэффициенты корреляции между свойствами отдельных оксидов и свойствами шлаковых систем в целом,
3. На основании установленных зависимостей между свойствами окси
дов и свойствами шлаковых систем разработана математическая модель,
позволяющая обосновать состав электродных покрытий на основе воллас-
тонитовой и ильменит-волластонитовой композиций в качестве шлакооб
разующих компонентов.
Практическая ценность.
1. Разработан расчётно-экспериментальный метод, позволяющий оце
нить состав шихты на основе волластонитовой и ильменит-волластонито-
вой композиций, обеспечивающих требуемые физико-металлургические
свойства шлаковой системы.
2. На уровне изобретений (Положительные решения ,№2002120978/02
(022031) от 31.07,2002, №2002121166/02 (022270) от 05-08.2002,
№2002100516 от 08.01,2002) разработаны новые составы электродных покрытий; с использованием в шихте отечественных волластонитовых и ильменит-волластонитовых концентратов вместо дефицитного и дорогостоящего импортного рутилового концентрата,
3-Опытным путём дана оценка сварочно-технологическим свойствам (СТС) электродов с разработанными и; освоенными в производстве составами: покрытий на основе волластонитонитовой и ильменит-волластонитовой композиций. Показана удовлетворительная корреляция между результатами теоретических исследований и практических испытаний.
4. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны три новые марки электродов типа Э46, и одна марка, соответствующая типу Э50А, а также технические условия (ТУ 1272-048-07511608-2001, ТУ1272-052-07511608-2002, ТУІ272-001-27083818-2003) на их изготовление. Промышленное производство электродов новых марок в 2002-2004 г-г, освоено на ФГУГГ „Бийский олеумный завод" Себестоимость изготовления электродов с разработанными составами покрытий снизилась в среднем на 20 % по сравнению с электродами с обмазкой из импортного рутилового концентрата-
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты анализа диаграмм состояния оксидных систем и выбор основных шлакообразующих компонентов, и их концентрационных соотношений для: волластонитовой и ильменит-волластонитовой композиций.
2, Математическая модель оценки температуры плавления, вязкости, поверхностного натяжения, электропроводности шлаковой системы вол-ластонитовой и ильменит-волластонитовой композиций по исходным.значениям этих же свойств для чистых оксидов, входящих в состав композиций.
3- Расчётные уравнения для оценки и анализа базового состава композиций по основным оксидам (SiCb, ТЮг, CaO, MgO, AI203, MnO, FeO).
Результаты экспериментальных исследований сварочно- технологических свойств электродов с разработанными составами покрытий.
Составы электродных покрытий и технические условия на изготовление электродов для ручной дуговой сварки углеродистых и низколе* гированных конструкционных сталей.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-методическом Совете механико-технологического факультета АлтГТУ, 2-ой межрегиональной научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении" (г. Бийск, 2002); международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного. производств'* (г, Барнаул, 2002); Ассоциации "Электрод" стран членов СНГ, "Сварочные материалы. Разработка. Производство. Оборудование. Качество,"(г, Череповец, 2003),
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, подано четыре заявки на изобретение, на три из которых принято решение о
*
выдаче патента РФ,
Работа выполнена совместно с кафедрой сварки в Алтайском государственном техническом университете им. И.И.Ползунова и ФГУП „Бийский олеумный завод". Автор считает своим приятным долгом выразить сердечную благодарность за помощь и внимание при выполнении работы кандидату технических наук, профессору Чепрасову Дмитрию Петровичу, а также кандидату технических наук, доценту Петрову Виктору Петровичу ( Алтайский государственный технический университет им. НИ. Ползунова, г. Барнаул).
Автор благодарит работников Бийского олеумного завода Иванова В Л, Чистополову А.С., Зименкова Г.В., Сибирцеву РА, Табакаеву Л.Д. за помощь в подготовке и проведении ряда экспериментов, а также активное участие в обсуждении результатов работы.
Автор также признателен коллективу, в котором он работает за доброжелательное к нему отношение.
Состояние вопроса о сырье для производства электродов общего назначения. аспекты разработок. задачи исследования
Несмотря на. интенсивное развитие механизированных и автоматических способов сварки, преобладающим способом изготовления сварных конструкций, особенно в монтажных условиях, является; дуговая сварка покрытыми металлическими электродами, В общем объёме производства сварных конструкций около 60% приходится на ручную дуговую сварку. Это обусловлено ее манёвренностью, возможностью применения в труднодоступных местах при любом расположении швов в пространстве [1],
Известно, что в СССР существовала государственная отчётность, в том числе по сварочным материалам. Согласно статистическим данным, Советский Союз уверенно занимал первое место в мире по объёму выпуска сварочных материалов, среди которых доминировали покрытые электроды [2-7],
Приведенные в работах [4 - 7] данные (рис. 1. 1) свидетельствуют о резком снижении валовых показателей производства электродов в период 1990-1999 гг.: СНГ-с 667600 до 213657 т-, т. е. в 3,17 раза, Россия-с 483900 до 167900 т., т. е, в 2,88 раза, Украина- со 152700 до 34758 т., т.е. в 4,39 раза. В 2000 г, общий объём выпуска сварочных материалов для дуговой сварки; в странах СНГ по сравнению с 1999годом составил: - электроды сварочные 274407 тонн, из них 82% приходится на предприятия Российской Федерации, 14% - Украины и 4% на остальные страны СНГ [6].
Существовавший в Советском Союзе порядок в распределении сырьевых ресурсов являлся действенным фактором: устойчивости качества продукции электродных заводов и цехов.
С переходом от плановой к рыночной экономике, а также в связи с распадом СССР и образованием СНГ, изменилась собственность на сырьевые базы и порядок приобретения сырья. Основные сырьевые базы добычи рутилового, ильменитового концентратов и ферромарганца оказались на. территории Украины и Грузии, что резко осложнило их покупку и доставку потребителю, в частности предприятиям Алтайского края, выпускающим электроды общего назначения, из-за большой удалённости от сырьевых источников. Особенно остро эта проблема возникла в производстве электродов типа Э46 с рутиловым покрытием, доля которых в общем объёме производства сварочных электродов составляет более 80% [8, 9, 11,12].
Устойчив спрос на хорошо известные марки; фигурирующие в конструкторской и технологической документации . В строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности в основном применяются сварочные электроды общего назначения марок МР-3, АНО-4, ОЗС-4 и др.. рутилового типа, В области электродов с фтористо-кальциевым покрытием - это серия УОНИ-13/55 с её модификациями, а также электроды для сварки легированных и высоколегированных сталей
Магниевые и: кальций-магниевые композиции в этой области не пользуются должным вниманием разработчиков, изготовителей и потребителей электродов [6, 8,9, 10].
Ситуация, которая сложилась на сырьевом, рынке, диктует необходимость проведения целевых исследований по выявлению нетрадиционных,-но перспективных материалов, и по апробации известных видов материалов новых месторождений. При научном обосновании использования новых видов сырья, полностью удовлетворяющих технологическим требованиям электродного производства и обеспечивающих надлежащее качество наплавленного металла, замена одних видов сырья другими может оказаться наименее болезненной.
Материал металлического стержня и его подготовка для изготовления опытных электродов
Для изготовления металлического стержня применялась сварочная проволока марок Св-08, Св-08А диаметром отЗ до 5 мм по ГОСТ 2246-70-Химический состав применяемых проволок приведен в табл. 2. I Перед изготовлением стержней проволока, поступающая в мотках, хранилась в сухом закрытом помещении, защищающем её от воздействия атмосферных осадков и почвенной влаги. Вновь поступающей проволоке отдел технического контроля присваивал заводской порядковый номер, с которым проволока проходила через все стадии технологического процесса изготовления электродов. При приёмке проволоку (все мотки) подвергали внешнему осмотру и обмеру. Качество поверхности проволоки контролировали визуально. Диаметр проволоки измеряли микрометром с точностью до 0,01мм. Контрольный химический анализ проволоки выполняли при необходимости.
Основными операциями при изготовлении прутков являются правка и рубка на мерную длину 450 ± 3 мм проволоки, поступающей в мотках (бухтах). Эти операции выполняли на стандартном правильно- отрезном станке типа ИА-6218, Качество нарубленных стержней на соответствие ГОСТ 9466-75 в течение смены периодически контролировал контролёр ОТК и рубщик проволоки.
Исследования и испытания разработанных электродов выполнялись в соответствии с требованиями ГОСТ 9466 —75 в части проверки сварочно-технологических свойств электродов, механических свойств: металла шва и химического состава наплавленного металла,
Сварочно-технологические свойства При проверке СТС электродов выполнялся один-односторонний сварной тавровый образец и один двусторонний тавровый образец (рис. 2. 2). При сварке использовались образцы, изготовленные из стали марки ВСтЗсп по ГОСТ 380-94, Толшина пластины b для электродов диаметром d=3 ммэ d=4; 5; 6 мм) составляла соответственно: Ь = 6ммиЬ=14 мм, а катет шва к соответственно к = 4-5 мм и к = 6-8 мм.
Сварка пластин производилась от стандартного источника питания переменного тока-трансформатора типа ТС-500 с соблюдением режимов, обеспечивающих устойчивое ведение процесса при минимальном и максимальном значении сварочного тока для данного диаметра электрода, во всех пространственных положениях (нижнем, вертикальном и потолочном) при температуре окружающего воздуха, не ниже +5С. Максимальная величина сварочного тока составляла 85-95% от максимально допустимого для электродов контролируемой, марки, данного диаметра.
В процессе выполнения сварки особое внимание обращалось на следующие показатели:
- лёгкость возбуждения и стабильность горения дуги;
- равномерность плавления покрытия (образование козырька) во всех пространственных положениях;
- правильность формирования валика шва и удаляемость шлака;
- наличие трещин, надрывов и поверхностных пор,
-Механические свойства металла шва Для проверки механических свойств металла шва выполнялось стыковое сварное соединение двух, стальных пластин. Размеры пластин для электродов диаметром d =3; 4 мм составляли: длина -330 мм, ширина -100 мм, толщина- 14 мм. Конструктивные элементы подготовки кромок под сварку соответствовали варианту Б (рис, 2.3). Для электродов диаметром d=5; 6 мм -длина образцов 330 мм, ширина— 120 мм, толщина - 20 мм. Тип сварного соединения - вариант А (рис, 2_ 3), с подкладной пластиной сечением 30 10 мм. Из стыкового сварного соединения вырезались и изготавливались три образца для испытания на растяжение (тип II ) и три образца для испытания на ударный изгиб (ударную вязкость) тип VI по ГОСТ 6996- 66 (рис- 2.4,2. 5).
Химический состав наплавленного металла Для проверки химического состава наплавленного металла на пластину из стали ВСтЗсп по ГОСТ 380-94 выполняли восьмислойную наплавку электродами контролируемой марки. Размеры пластины составляли:
Анализ диаграмм состояния неметаллических систем и расчёт температуры плавления, вязкости» поверхностного натяжения и электропроводности шлаков
Как следует из анализа, приведенного в первой главе, для обеспечения защитных и металлургических свойств шлаковых систем на основе волластонита и ильменит - волластонитовой композиции необходимо обеспечить следующие физические свойства их на уровне:.температура плавления 1150 - 1300С, поверхностное натяжение 315 - 395 мН/м, вязкость 0,2 - 1,2 Па с. Такой уровень свойств может быть обеспечен выбором определённого состава шлаковой системы как в качественном, так и в количественном отношениях.
Эта задача может быть решена на основе анализа диаграмм состояния оксидных систем. Наиболее характерные диаграммы состояния неметаллических систем для решения поставленной задачи следующие: СаО-MgO-Si02, CaO-MnO-Si02l Fe0-SiO2iO2, CaO-Mg0-SiCVAl2O3 По диаграммам состояния трёх и четырёх факторных систем может
быть установлен: качественный и ориентировочно количественный состав покрытий по основным шлакообразующим оксидам, позволяющий обеспечить требуемую температуру плавления.
В шлаковой системе на основе волластонита должны быть следующие основные оксиды, позволяющие получить требуемые пределы температуры плавления: Si02(43-50%)- CaO(15-24%)-MgO(6-13%)-MnO(14-19%)-АЬОзїО /о), а в ильменит-волластонитовой: ТЮ2(18-22%)- Si02(30-38%) -СаО(12-20%)-MgO(3-6%)-МпО(12-16%)-- FeO(6-8%),
В шлаковой системе на основе рутилового концентрата, например, для электродов МР-3, присутствуют оксиды следующего состава: ТЮ2(34%)- Si02(27%) - МпО (14%) - FeO(9%) - СаО (9%) - А12Оэ(5%).
Так как разрабатываемые покрытия включают в себя более четырёх оксидов, играющих определяющую роль, то количественно их оксидный состав не может быть определён только по анализу имеющихся трёх и четырёх факторных диаграмм состояния, для этого необходимы многокомпонентные диаграммы (более четырёх), сведения о которых в литературе отсутствуют.
Кроме того» имеющиеся диаграммы состояния не дают возможности определить другие, не менее важные, чем температура плавления, параметры - вязкость» поверхностное натяжение, электропроводность шлака.
Для этого применяются расчётные уравнения (1)-(3), предложенные Бурылевым-Мойсовым,
Однако для решения этих уравнений необходимо экспериментально определить двадцать один коэффициент, такие как энергия взаимообмена между компонентами, параметры межчастичного взаимодействия и другие, что существенно усложняет решение поставленной задачи.
Таким образом, для количественного определения требуемого оксидного состава волластонитовой и ильменит - волластонитовой систем необходима методика аналитической оценки многокомпонентных шлаковых систем с учётом температуры плавления, вязкости, поверхностного натяжения и электропроводности.
