автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка низководородных электродов на основе компонентозамещения и новых методов обработки компонентов покрытия

005008647

Дзюба Олег Вячеславович

На правахрукописи

РАЗРАБОТКА НИЗКОВОДОРОДНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ НА ОСНОВЕ КОМПОНЕНТОЗАМЕЩЕНИЯ И НОВЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ КОМПОНЕНТОВ ПОКРЫТИЯ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ЯНВ 2Ш

Ростов-на-Дону- 2011

005008647

Работа выполнена на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» ФГБОУ ВПО «Донского государственного технического университета».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ЧУЛАРИС Александр Александрович ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ДГТУ»), г. Ростов-на-Дону

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ДЮРГЕРОВ Никита Георгиевич, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО «РГУПС»), г. Ростов-на-Дону кандидат технических наук ГАНУСОВ Константин Алексеевич, Аттестационный центр «Сплав», г. Иваново

Ведущая организация: ЗАО «Волгоградский завод сварочных

материалов «Хобекс», г. Волгоград

Защита диссертации состоится « 24 » января 2012г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.058.01 при Донском государственном техническом университете по адресу: 344010, г. Ростов-на.-Дону, пл. Гагарина, I, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 23 » декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

1-

Чумаченко Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время в связи с обеднением месторождений п южных и средних широтах РФ добыча углеводородного сырья все больше перемещается в зоны вечной мерзлоты, северные широты и шельфовые районы. Вопрос доставки сырья из этих районов в густонаселенные области, к морским портам и местам переработки - важная государственная задача.

К трубопроводному транспорту и перекачивающим комплексам, работающим при отрицательных температурах, предъявляются все более жесткие требования. Разработка электродов для такого вида работ связана с двумя основными трудностями:

- требуется снижение водорода в наплавленном металле до значений, не превышающих 5,0см7100 г наплавленного металла при сварке труб;

- необходимо обеспечить нанесение покрытия электрода на стержень с разнотолщшшостыо не более 0.05 мм.

Учитывая, что объем строительства промысловых, магистральных и технологических трубопроводов все время возрастает, становится очевидным, что разработка электродов с низким содержанием диффузионно-подвижного водорода, улучшенными реологическими показателями обмазочной массы и высокими сварочно-технологическпми свойствами является чрезвычайно актуальной задачей.

Целыо диссертационной работы является разработка плавящихся металлических электродов с основным покрытием, обеспечивающих низкое содержание диффузионно-подвижного водорода в сварных соединениях и стойких к образованию холодных трещин при сварке конструкций из низколегированных сталей.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1.На основе априорной информации были определены перспективные направления получения сварных швов с низким (менее 5см7100г) содержанием диффузионно-подвижного водорода;

2. Проведена оценка эффективности замещения компонентов штатной шихты электродов с основным покрытием на перспективные;

3. Исследованы физические и физико-механические явления, оказывающие влияние на состояние компонентов электродного покрытия и обеспечивающие эффективное снижение диффузионно-подвижного водорода, (термообработка ТО, вакуум-термическая обработка ВТО, электродиализная обработка ЭДО) в сварных соединениях;

4. Исследованы технологические особенности нанесения разработан-

л

J

мого покрытия на стальные стержни методом опрессовки для условий серийного производства;

5. Исследованы сварочно-технологические свойства низководородных электродов с основным покрытием для разработки параметрических рекомендаций по их использованию при РДС низколегированных сталей.

Научная новизна работы заключается в разработке научно обоснованных приемов создания низководородных электродов с основным покрытием, базирующихся на реализации в реакционной зоне сварки процесса связывания паров влаги и диффузионно-подвижного водорода преимущественно за счет составляющих газовой фазы, активированной галогенами и путем компонентозамещения части штатной шихты электродного покрытия доломитом, туфогенным песком, фторлоном, алюминиевой пудрой и пластификатором ОЭДФ.

Дополнительное снижение концентрации сорбированной и растворенной влаги рекомендуется обеспечивать путем уменьшения её парциального давления при предварительной вакуум-термической обработке компонентов покрытия, удаления гидроксильных группировок и примесей при активировании жидкого стекла в процессе ионно-мембранного электродйализа, повышением его силикатного модуля, приводящих к снижению количества диффузионно-подвижного водорода до 4,2см:7!00г.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

На базе проведенных исследований:

1.Разработан состав основного покрытия низководородных электродов для сварки магистральных трубопроводов из низколегированных сталей (патент № 2381885 от 03.11.2007).

2. Разработан технологический процесс изготовления низководородных электродов, обеспечивающий снижение диффузионно-подвижного водорода до 4,2см 7100г.

3. Разработана конструкция электродиализатора, обеспечивающего повышение силикатного модуля жидкого стекла до 3,3 и его технологических свойств;

4. Усовершенствована конструкция узлов линии по производству электродов (электродообмазочнын пресс и интенсивный противо-точный смеситель), позволяющая получить концентричность обмазки на уровне лучших зарубежных аналогов.

Предмет защиты и личный вклад автора:

— методы снижения водорода в наплавленном металле благодаря физическому воздействию на компоненты покрытия;

— теоретические и экспериментальные исследования электрохимического метода воздействия на жидкое стекло для снижения диффузионно-подвижного водорода;

— методика оценки влияния технологических факторов и металлургических взаимодействий на процесс обешодорожнпания наплавленного металла;

— разработанные при участии автора оборудование и гехнолошя изготовления электродов;

— результаты исследований сварочно-технологических свойств, электродов при сварке низколегированных сталей.

Апробация результатов исследований. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Научно-практическом семинаре по сварочным материалам стран СНГ г. Магнитогорск в 2006г., на IV Международной конференции по сварочным материалам стран СНГ г. Краснодар в 2007г., на Научно-практической конференции ОАО «Газпром» г. Москва в 2008г., на Семинаре НАКС по сварочным материалам г. Москва в 2009г., на Международной конференции «Трубопроводный транспорт» г. Москва в 2009г., на V Международной конференции по сварочным материалам стран СНГ г. Киев в 2010г., на VI Международной конференции по сварочным материалам стран СНГ г. Краснодар в 2011г., на Международной конференции «Трубопроводный транспорт» г. Москва в 2011г.

Результаты исследований использованы' при разработке нормативных документов:

1. Технические условия ТУ 1272-020-79575650-2005 «Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки марки. ЛВ-52ТКи», ООО НПЦ «Сварочные материалы», г. Краснодар, 2005г.;

2.Технические условия ТУ 1272-023-79575650-2011 «Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки марки ЛЬ-53НВ». ООО НПЦ «Сварочные материалы», г. Краснодар. 2011 г.;

3. Программа и методика приемо-сдаточных испытании электродов марки ЛБ-52Т1Ш, Г1МИ 1272-020-79575650-2011.

4. Результаты работы внедрены в организациях ООО НПЦ «Сварочные материалы», ОАО «Краснодаргазстрой», ООО «Газпром трансгаз Кубань», ОАО «Новороссийский судоремонтный завод», ООО «РН-Юганскнефтегаз», ОАО «Нефтемонтаж», ООО «Метал-лургпрокатмонтаж».

Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 статьях, в том числе в 5-ти изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также в 2-х патентах РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста, включающих 74 рисунка, 21 таблицу, 5 приложений.

Краткое содержание работы. Во введении обоснованы актуальность, поставлена цель, раскрыты задачи работы, сформулированы научная новизна, практическая ценность работы, определены объект и предмет исследования.

В первой главе - «Аналитический обзор методов снижения содержания водорода в сварных соединениях» дан анализ причин растворения водорода в сталях, характер взаимодействия между металлом и газовой средой. Рассмотрены зависимости растворения водорода от степени легирования металла, приведена взаимосвязь и соотношения между растворенным и диффузионно-подвижным водородом с учетом температуры расплава. Наибольшее внимание заслуживает анализ материалов, связанных с воздействием водорода на сварное соединение.

Исследованию поведения водорода при дуговой сварке сталей и разработке электродов с основным покрытием посвящены работы К.В. Петрань, И.К. Походни,' А.Е. Марченко, Н.В. Скорины, З.А. Сидлина, Ю.Д. Брусницина, И.Р. Явдощина, М.И. Гасика, П.Д. Блейка, Ф.Р. Кое, Н.Я. Лукашева, A.M. Вессермана, Д.Л. Олсона и др.

При этом установлено, что водород влияет на механизмы разрушения сварного соединения, причем природа водородной хрупкости металлов и сварных соединений определяется не только содержанием водорода, но и его состоянием в металле, величиной действующих напряжений и схемой напряженного состояния. Водород влияет также на зарождение трещин и их распространение в сварном соединении. Многообразие факторов, определяющих действия водорода, пока не позволяет создать единый механизм водородной хрупкости. Установлено также, что снижение ударной вязкости наиболее выражено в металлах и сплавах, в которых образуются гидриды, при этом ударная вязкость уменьшается при понижении температуры. Пластические свойства металлов при растяжении с малыми скоростями деформации также снижаются при увеличении содержания водорода. При этом напряжения разрушения уменьшаются, предел текучести не изменяется, а потеря пластичности возрастаете уменьшением скорости деформации.

Основные дефекты в сварных соединениях, связанные с растворенным водородом, - это, в основном, первичная и вторичная пористость, «флокены», пузыри, коррозионное растрескивание, холодные трещины.

В большом количестве исследовательских работ установлены

методы снижения водорода в наплавленном металле.

Основными источниками водорода в наплавленном металле являются влага воздушной среды, компоненты электродного покрытия, поверхностная сорбированная влага и другие загрязнения основного и присадочного металла. Известны два основных метода борьбы с водородом: физический - устранение различных факторов, вызывающих приток водорода (сушка, прокалка материалов, термообработка электродов, удаление окалины и ржавчины) и химический - перевод водорода из растворимого состояния в нерастворимое и др.

Среди компонентов, содержащих водород, - следует выделить в первую очередь органические. В связи с этим из электродов с основным покрытием, предназначенных для сварки ответственных конструкции, исключены органические компоненты. Кроме целлюлозы, КМЦ, крахмала, древесной муки и прочих органиков водород в молекулярном состоянии может находиться в железном порошке, рутиле, ильмените, а в связанном состоянии, в виде гидроксилов - в мраморе, доломите и, больше всего; в жидком стекле, количество которою в обмазочной массе покрытия традиционно составляет 28...30 %. После термообработки в составе сухого остатка жидкого стекла в покрытии остается около 15% водородосодержащего ингредиента. Поэтому снижение количества жидкого стекла или его модификация - один из перспективных путей уменьшения водорода.

Все существующие способы снижения водорода сводятся к просушке компонентов при переработке, уменьшению доли содержания жидкого стекла в обмазочной массе, очистке поверхности металла и проволоки от окалины, ржавчины и различного вида загрязнений, применению фторсодержащих компонентов, прокалке ютовых электродов.

На основании анализа определена область исследований, сформулированы цель и задача диссертационной работы, изложенные выше.

Во второй главе - «Методики проведения исследовании» приведены методики, которые были использованы в процессе экспериментальных исследований и при обработке полученных данных. Рассмотрены: методики электродиализной обработки жидкого стекла и оценки глубины изменения его физических свойств; методика вакуум-термической обработки компонентов; методика оценки влияния различных пластификаторов на реологические свойства обмазочных масс; методика оценки содержания водорода в наплавленном металле по «глицериновой» и вакуумио- хроматографической пробах.

Для комплексной оценки свойств новых низководородных электродов использовали штатные методики, Применяемые в сварочном производстве и сварные пробы.

В третьей главе - «Перспективные методы снижения водорода в сварном соединении» представлены исследования, позволившие установить, источники поступления водорода в наплавленный металл и методы дегазации. Наличие источников влаги разной природы требует разделить методы понижения водорода в сварных швах на следующие группы: физические, технологические и химические.

К физическим методам относятся прокалка компонентов покрытия, прочно удерживающих кристаллизационную влагу, термообработка готовых покрытых электродов, зачистка кромок свариваемых деталей от окалины, ржавчины, иных загрязнений минерального и органического происхождения, сушка кромок перед сваркой, защита от воздействия влаги, поступающей из окружающей среды.

Технологические методы предполагают осуществление замещения, компонентов покрытия, включая использование наиболее значимых компонентов в наноразмерном состоянии.

Химические методы более сложные в реализации, предполагают изменение химической активности компонентов по отношению к водороду и его растворимости на стадиях и кристаллизации сварочной ванны и охлаждения сварного шва.

Плавиковый шпат хорошо диссоциирует на ионы в шлаке: СаР2 <->Са2Ч 2Р, и связывает молекулы БЮт и ТЮ2:

2СаР2 + 5Ю2<-> 2СаО + Б^Т; 2СаР2 + ТЮ, <->2СаО + Т1ТД.

Равновесие этих реакций уже при 1000 °С смещено в сторону образования летучих тетрафторидов кремния и титана, которые могут частично связывать водород и уменьшать его поступление в сварочную ванну из газовой фазы:

81Р4 + Н,0 БЮРз + 2НрТ; 81Р4 + 2Н,0 «-»БЮ, + 4НРТ,

2А1203+СаР2 <->ЗСаО+2А1Р3; "2А1Р,+2Н20 А120,+6НРТ.

Образующийся газообразный фтористый водород нерастворим в металле и интенсивно выделяется из реакционной зоны сварки.

Связывание водорода происходит и в результате следующих реакций:

ЗСаР2 + Ре20, о ЗСаО + 2РеГ}; СаР, + РеО <н>СаО + Ре Р2, 2РеР3 + ЗН2 <г>2 [Ре] + 6НРТ; РеР2 + Н2 о [Ре] + 2НРТ.

Несмотря на то, что физические методы являются наиболее распространенными и освоенными, и здесь существуют некоторые резервы совершенствования, например, использование вакуумно-термической обработки (ВТО) как отдельных компонентов, так и в целом покрытых электродов. Однако экспериментальные оценки свидетельствуют о сложности получения низководородных покрытых электродов на уровне менее 5 см3/100г.

только благодаря ВТО.

Вторая группа- самая перспективная по путям реализации-

Первое направление - применение новых компонентов электродного покрытия, к которым, как показал аналитический обзор следует отнести доломит вместо традиционного мрамора, туфогепный песок вместо известных алюмосиликатов и фторлоп, как более мошнын источник фтора, поступающего в сварочную ванну.

Второе направление - это активирование жидкого стекла, которое обычно составляет до 28...30% от массы покрытия. Простое массовое уменьшение жидкого стекла - уже используется в качестве приема который уменьшает количество вносимой в электродное покрытие влаги' и водорода, связанного в щелочные гидрооксиды.

В четвертой главе - «Теоретические и экспериментальные исследования электрохимического метода электродиализа жил кого стекла для снижения [Н]диф. при сварке покрытыми плавящимися электродами» - использовали метод электродиализа, применяемого для различных

жидкостей с целью изменения их химического состава или физических свойств. г Л

Для этих целей был разработан и изготовлен электродиализатоп кагорыи состоит из 10 парных камер, состоящих из ^ионообменных И «"ионообменных МА-41 мембран. Оценку степени обработки

ЛСТо4ЭЛеКТРпИ,г1ИЗаТОре 0ПреДС;,ЯЛ" электро-

диализа Д. Д-р*к; Где д _ количество электричества, пропущенного

через 1кг раствора, кКл/кг; К - коэффициент пропорциональности учи тывающии выход продукта по току.

Таблица I - Физико-тушческпе ха

Состояние жидкого стекла

Вид мембран

Исходное

Глубина обработки, кКл/кг

После электро -диализа

Комбинированные

Катионооб-менные

40

80

120

80

Плотность, г/см'1

1,45

1,42

1,41

Силикатный модуль

2,94

3,07

1,40

120

160

1.41

1,40

1,39

3,19

3,31

3,15

3,28

3,29

Вязкость, сПз

377

107

118

125

100

79

65

Глубина обработки регулировалась путем изменения времени цио-куляционной обработки раствора. В процессе обработки измерялся мо-

дуль, плотность и вязкость жидкого стекла (табл. 1).

Исследованиями установлено, что наиболее экономичными и менее заиливающимися являются катионообменные мембраны МК-40. Глубина обработки, достигнутая на катйонообменных мембранах, достигала 80... 160 кК/кг, в то время как на конкурирующих комбинированных мембранах -40... 120 кК/кг. Кроме этого, значительно улучшились основные физико-химические и технологические характеристики жидкого стекла, и удалось существенно повысить силикатный модуль с 2,90...3,01 до 3,28...3,31 Сравнение полученных данных свидетельствует о существенном изменении физико-химических свойств жидкого стекла, причем получены такие сочетания модуль - вязкость - плотность, которые невозможно получить известным способом. Эти изменения свидетельствуют, что в водо-силикагном растворе происходят структурные превращения. Морфологию активированного жидкого стекла исследовали методом сканирующей электронной микроскопии на установке ]ео1 .¡БРМ 7500Р с приставкой энергодисперсного микроанализа.

Сравнение микроструктуры силикатного стекла (рис. I) подтверждает, что размер частиц силикатов до и после обработки изменяется в несколько раз. При воздействии электрических зарядов и наличии разности потенциалов происходит выталкивание более легких и активных ионов щелочных металлов из «дырок» силикатной сетки, в которых существует немостиковая связь ионов кислорода. Раздробленные участки пространственной сетки стекла объединяются и сетка приобретает структурную упорядоченность (рис.1 а и б).

а) б) в)

Рисунок 1 Пространственные сетки жидкого стекла при различной обработке в электродиализаторе: а) без обработки, б) с применением кагионо и анионообменных мембран, в) с применением катйонообменных мембран.

По мере удлинения тетраэдрических цепей происходит их искривление и закрутка в спиралевидные образования (рис. 1 в). Цепи частично трансформируются в ленты, а благодаря преимущественной БМЭ-

81 пространственной связи между компонентами структуры образуются треугольные, квадратные или гексагональные полости, не занятые примесями и освободившиеся от щелочных ионов. Косвенным подтверждением такого механизма являются показатели понижающейся плотности

(с 1,45 до 1,39 г/см3) и вязкости (с 377 до 65 сПз) (см. табл. I) с нием глубины обработки жидко стекла.

ШИЛ шлицу РШ||[|

а) ©=66° 6)0=55° в, 0 48°

11Ш!1||Щ шщ\ ШИПИМ

г) 0=53° д) 0=41° е) 0=30"

Рисунок 2 Краевой угол смачивания при различной обработке жидкого стекла на доломите: а) не активированное; б) катионо- и анионообменные мембраны активация 80 кКл/кг; в) катионо- и анионообменные мембраны активация 120 кКл/кг; г) катионообменные мембраны активация 80 кКл/кг; д) катионообменные мембраны активация 120 кКл/кг; е) катионообменные мембраны активация 160 кКл/кг.

Время, с

в)

Рисунок 3. Диаграммы давления при опрессовке электродов на жидком стекле с разной глубиной обработки в электродиализаторе: а) не активированное жидкое стекло; б) активация 120кКл/кг(катионо- и анионообменные мембраны); в) активация 120 кКл/кг (катионообменные мембраны).

Экспериментальная проверка смачиваемости с использованием метода большой капли на подложках из основных компонентов электрод-

ного покрытия показала (рис. 2), что по мере увеличения глубины обработки жидкого стекла его адгезионно-смачивающая способность возрастает, о чем свидетельствуют величины краевых углов смачивания (от 55...55° при 80 кКл/кг до 28...32° при 160 кКл/кг) и данные по опрессов-ке и производительности нанесения покрытия (рис. 3) на электродные стержни при изготовлении опытной партии электродов. Длительность латентного периода от начала опрессовки до установления стабильного процесса уменьшается на 60..,70% при снижении величины стартового давления опрессовки на 20%, а производительность нанесения покрытия на стержень, характеризуемая секундным выходом обмазочной массы, увеличивается на 38%.

В пятой главе - «Оценка влияния технологических факторов и металлургических возможностей на процесс обезводораживания наплавленного металла» приведены исследования, допускающие частичную замену плавикового шпата СаР2 на фторлон, полную замену мрамора на доломит, кварцевого песка на вулканический пепел, а также рафинирующие возможности алюминиевых порошков.

Проверку эффективности частичной замены плавикового шпата на фторлон исследовали опытную партию электродов с основным покрытием, подобных электродам ЛБ-52ТЯ11. Снижение почти вдвое водорода в наплавленном металле свидетельствует, о том, что это может быть достигнуто введением всего лишь 1,5...2,0% фторлона. Последующее увеличение содержания фторлона в покрытии до 4,0...5,0% подтверждает эту тенденцию, но процесс протекает с меньшей интенсивностью.

Результаты экспериментов, приведенные в табл. 2, свидетельствуют, что введение в электродное покрытие всего 1,5% фторлона, можно добиться снижения диффузинно-подвижного водорода в наплавленном металле до (4,5 см"'/1 ООг).

На основании проведенных исследований установлено, что возможна только частичная замена плавикового шпата на фторлон (2С!ч)п свыше 1%. Это объясняется необходимостью наличия в электродном покрытии плавикового шпата СаР2 в количестве, обеспечивающим снижение температуры перехода в расплавленное состояние и вязкость основного шлакообразующего компонента. Установлено, что наиболее оптимальный вариант соотношения компонентов: 10% СаР2 и 1,2% (2СР4)п.

Исследования свойств доломита Боснийского месторождения 1 Ф (химический состав, %: 18...21 N^0; 30...34 СаО; 45...51 С02; <0,05 А1203; <0,02 Ре20,; 0,21 БЮ-.; <0,01 Б; <0,0014 Р205) в шихте электродов с основным покрытием показали, что присутствие в доломите М§С03

позволило повысить содержание МёО в шлаке и межфазное натяжение на границе «металл-шлак», способствуя лучшему удержанию сварочной ванны при сварке «на весу» и лучшему формированию обратного валика корневых швов.

Табпши 2 ■

Результаты эксперимешов по замене части плавикового шпзгаСаР,([ттаю1 юм

№

эксперимента

Прототип ЛБ-52Т1Ш

Содержание компонента в шихте, %

СаЯ,

10

10

10

10

(2СЕ,)п

нет

1,0

1,2

1,3

1,5

Содержание 1 [Л11<|, в наплавленном металле, см'/ЮОг*.

4,9

4,7

4,5

4,3

4,2

; - глицериновая проба

Проведенные комплексные исследования деструкции доломита (рис. 3) с помощью дифференциального термического (ДТА) и термогравиметрического (ТГА) анализов показали, что процесс разложения карбонатов в доломите протекает в интервале температур 450 . 800°С с максимумом интенсивности при 700...800°С. Такой характер газовыделения благоприятен для использования в сварочных материалах, т.к. позволяет избежать резких газовыделений при быстром нагреве, характерном для дуговой сварки.

Температура, С

а)

Температура. С

б)

Рисунок 3 Диаграммы термической деструкции доломита: а) дифференциально-термический анализ; б) термогравиметрический анализ

Аналогичные исследования были проведены для обоснования замены кварцевого песка на вулканический пепел Гизельдонского месторождения РФ (рис. 4), который состоит из 66 % вулканического стекла, 14 % полевого шпата, 9 % зернистого кварца и 5 % темноцветных минералов сложного состава. Эта замена обусловлена, прежде всего технологическими вопросами, связанными с реологическими свойства-

ми обмазочной массы при опрессоике. Как показали исследования с помощью ДТА и ТГА, разложение пепла наиболее интенсивно происходит в интервале температур 650...700°С.

Л 'Г ^ - - - ~ Температура, и

Температура. ^

а)

Рисунок 4 Диаграммы деструкции вулканического пепла:

а) дифференциально-термический анализ; б) термогравиметрическии анализ

Исследования кинетики испарения влаги из материалов покрытия показало, что нагрев на вылете электрода позволяет удалить лишь некоторую часть паров воды. Поэтому необходимы дополнительные металлургические и технологические меры для снижения водорода в

наплавленном металле.

На основании анализа литературных источников установлено,.

что с повышением количества АЬО, в покрытии улучшается устойчивость процесса сварки, формирование сварных швов и' ^делимость шлаковой корки. Однако, добавление в покрытие системы (СаО - МцО БЮ ) 15 20% Л 1,0-, в соответствии с диаграммой состояния снижает температуру перехода в расплавленное состояние и смещает границы полей первичной кристаллизации. Установлено, что глиноземсодержа-щие компоненты (слюда, каолин, полевой шпат и пр.) в своем составе тоже содержат большое количество кристаллизационном влаги. В связи с этим вместо глинозема, предлагается использовать алюминиевую пудру (порошок). На (рис. 5) представлена зависимость 1Н]диф. в наплавленном металле от содержания алюминиевого порошка (пудры), из которого следует, что, начиная уже с содержания около 4% алюминиевого порошка, может быть достигнуто желаемое содержание [Н];шф. в сварном

соединении менее 5,Осм'/ЮОг.

В результате проведенных исследовании была выбрана пяти-

компонентная шлаковая система Са0-М60-5ЮгСаР2-А120„ у которой имеется область составов с температурой перехода в со-

стояние 1623 1673К (1350... 14000С), удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к сварочным шлакам при сварке сталей Уточненный состав шлака содержит: СаО - 20...35%, МёО - 5...25/о, БЮ, -20...35%, А12О3-20% и СаР;>-10%.

ч'г/ианщл 11/1,»л/р/Ь,-р

Р,ку,к>к5 Вш«|1ие^МшЮГОпорошка1ващи<1«ие(НЬф в.т^шпеннш метшие

В главе шесть - «Разработка технологического процесса изготовления низководородных электродов» представлены результаты исследовании по разработке технологии электродов новой марки. Сравнительная оценка влияния газоотделяющнх и газопроницаемых компонентов на содержание водорода в наплавленном металле (табл. 3).

Электроды Компонент мне 1П|Л„Л в наплавленном металле Содержание [Н].,|,<ь в наплавленном металле. см'/ЮОг

Наименование % Глицериновый метод Вакуумметрический метод

ЛБ-52Т1Ш СаР, 18 5,2 7,2

ЛБ-52ТКи СаР, 12 4,5

А1,0, 1,0 6,2

Са^ 9,8 --

ЛБ-53НВ А120, 1,0 4,2 ------- ' 5,8

-- Фторлон 1,0

Использование покрытия шлаковой системы (СаО - - БЮ, - А120з - СаР,) позволило установить закономерности изменения вязкости шлаков от температуры в зоне сварочной ванны, как важного фактора ее обезгаживания и формирования сварных швов в различных пространственных положениях (рис. 6).

Априорная информация о шлаковых системах показывает что вязкость шлаков в области температур существования сварочной юнны и ее затвердевания 1350... !400°С (1623... 1673К) должна находиться в пределах 0,8...3,0Пз(0,08...0,ЗПа*с).

_ , ',ри срашштелыюй близости величин поверхностного натяжения (а ¿50...400 мН/м) шлаков они показали разный ход кривых вязкости как функции температуры, что позволило их разделить на «длинные» (.№ 2 и X»

5) и «короткие» (№ 3 и № 4), последние предпочтительнее

Рисунок 6 Зависимость динамической вязкости шлаков от температуры в

зоне сварки

С этих позиций лучшим оказался шлак № 3, который удовлетворял большой части технологических требований, позволял вести сварку во всех пространственных положениях и обладал достаточной газопроницаемостью, одновременно не вызывая зашлаковку сварного шва.

На основании комплекса исследований были изготовлены опытные партии электродов с привлечением метода планирования эксперимента для многокомпонентных систем: доломит - 44...46%; туфо-генный песок - 20...22%; флюоритовый концентрат - 9... 10%; ферроси-ликомарганец - 6,8...7,0%; ферросилиций - 5,8...6,0%; рутиловый концентрат - 4,9...5,1%; фторлон - 0,9... 1,1%; сода кальцинированная -

0,8... 1,2%; алюминиевый порошок - 0,9... 1,1%.

Улучшение реологических свойств обмазочной массы была получена еше и благодаря разработке конструкции интенсивного противо-точного смесителя. При этом было установлено, что для снижения раз-нотолшинности электродного покрытия и увеличения давления в обмазочной камере следует уменьшить длину канала для истечения обмазочной массы, изменить форма калибрующей фильеры.

Для улучшения реологических свойств обмазочной массы исследовали перспективные пластификаторы. Исследования проводили при опрес-совке электродов с использованием пластификаторов СЗ, Лабомид-203 и оксиэтилидендифосфоновой кислоты (ОЭДФ). В экспериментах измеряли разнотолшинность электродного покрытия (табл. 4), как основной показатель пригодности пластификатора в обмазочной массе.

Сравнение электродов полученных при опрессовке с использованием ОЭДФ и ЬВ-52и (производства Япония) свидетельствует о практической идентичности этих электродов по величине разнотолщин-ности. При этом оценка стабильности этого показателя на значительных по количеству электродов выборках по величине коэффициента вариа-

ции v свидетельствуют о большой стабильности этого показателя при использовании ОЭДФ пластификатора.

Таблица 4 - Статистическая оценка разнотолщинности покрытия электродов

Марка

ЬВ-5211

ЛБ-53НВ

ЛБ-53НВ

ЛБ-53НВ

Диаметр, мм

3,2

3,0

3,0

ЛБ-53НВ

3,0

3,0

Пластификатор

СЗ

Лабомид-203

ОЭДФ

Объём выборки, шт

150

200

200

500

1500

Разнотол-щинность тах, мм

0,05

0,16

0,12

мм

0,022

0,053

0,10

0,06

0,040

0,035

.9-10

Де, мм

1,05

3,26 1,95

0,024

1,72

1,02

v, %

4,8

6,2 4.9

4,9

~------..У, IX

Оптимальные значения содержания ОЭДФ в составе покрытия с учетом наименьшего содержания [Н]диф„ установленных экспериментально, находятся в пределах 0,025-0,050% к массе шихты.

Отработку режимов прокалки электродов с применением ВТО проводили в лабораторных условиях с использованием модернизированной печи СНВФ. Установлено, что ВТО на стадии приготовления компонентов и электродов снижает содержание водорода на 0,7см3/100г в наплавленном металле. Более наглядно это влияние проявляется на результатах ударной вязкости при отрицательных температурах (табл. 5). Здесь наиболее отчетливо видно преимущество использования ВТО на стадии подготовки компонентов электродного покрытия.

Таблица 5 - Результаты испытаний ВТО электродов ЛБ-53НВ

_Свойства металла шва

Характеристи ка

электрода

Срок хранения от окончания ВТО до сварки, месяцев*

Ударная вяз

кость, Дж/м2 х I О4

кси

+20 °С

КСУ -40 °С

Содержание [Н]л„ф в наплавленном металле, см5/100г

Глицериновый метод

Вакуум метрический метод

Серийные без ВТО

201,2

ВТО компонентов

ВТО компонентов и электродов

238,1

12 часов

61,9

4,2

5,8

99,2

4,0

98,1

3,8

3,5

5,6

5,3

4,9

Другим доказательством положительного влияния ВТО при обработке компонентов покрытия является склонность сварного соединения к образованию холодных трещин. Для этой оценки была применена методика крестовой пробы (Канада) по ГОСТ 26388-84 (рис. 7). По прошествии 48ч после сварки и отжига (595...650 С) для снятия остаточных напряжений на образце пробы холодные трещины не обнаружены. К тому же выводу приводит анализ поперечных микрошлифов. Это в целом позволяет сделать заключение, что электроды ЛБ-53НВ не склонны к образованию холодных трещин в виду низкого содержания диффузионно-подвижного водорода в наплавленном металле.

Сравнительный анализ химического состава наплавленного металла показал, что металл сварного шва наплавленный электродами ЛЬ-53НВ не отличается от типового, наплавленного подобными электродами, применяемыми при сварке магистральных трубопроводов.

Рисунок 7 Образцы (а, б) и макрошлиф, использованные при испытаниях сварных соединений на склонность к «холодным» трещинам (Сталь 09Г2С 10мм): а) - крестовая проба; б) - сварной шов, в) - поперечный макрошлиф темплеты х 4,5/5 Результаты механических испытаний доказывают, что разработанные электроды ЛБ-53НВ относятся к типу Э50А, проявляют повышенную стойкость к растрескиванию и имеет высокие показатели ударной вязкости, особенно при отрицательных температурах.

Результаты испытаний покрытых плавящихся электродов ЛБ-53НВ с основным покрытием, проведенные в «Испытательной лаборатории сварочных аэрозолей и средств защиты сварщиков» показывают, что предельно допустимые концентрации вредных веществ не превышают значений, регламентируемых ГОСТ 12.1.005-76, и разрешены к применению в качестве сварочных материалов для ручной дуговой сварки плавлением.

В седьмой главе - «Исследование сварочно-технологических свойств перспективных электродов» приведены результаты испытаний опытных электродов в лаборатории ООО «Краснодаргазстрой». Отдельные фазы процесса горения дуги, плавления электрода и переноса

расплавленного электродами металла в сварочную ванну исследовали с помощью регистратора А\¥Я-224 и компьютерной фиксации данных (рис. 8, табл. 6, 7).

Исследования сварочно-технологических свойств разработанных электродов показало равномерное распределение пиковых значений напряжения и тока при повторных зажиганиях дуги и свидетельствует о высокой стабильности процесса горения дуги. Размер капель определяется факторами, оказывающими влияние на величину и направление сил, действующих на них. К этим факторам относятся, прежде всего, сила тока, диаметр электрода, состав газовой и шлаковой фазы, и исследованные ранее физические свойства

ЕЕО

¡Ш$

¡ЭЙ

—г—

Рисунок 8 Осциллограммы сварочного процесса электродов ЛБ-ЯНВ за период 1с при параметрах режима: исв=30...32В; 1св=115... 120А (источник

питания ВД-306)

^б^ца^бОС^ктеристики сварочного процесса

Марка

ЬВ-52и 0 3,2мм

ЛБ-53НВ 0 3,0мм

1 свср*

А

100

120

^ СВСр5

24

24

130

150

} тах»

в

30,1

30,5

А/мм

12,41

16,97

г/Ач

10,46

9,16

г/Ач

1,01

10,14

V, %

3,2

3,2

Анализируя типичные осциллограммы переходного процесса сварочной дуги (рис. 9) из состояния короткого замыкания до момента стабильного горения дуги, можно заметить, что при меньших значениях времени короткого замыкания (1ю - 3,8мс) и времени восстановления

горения дуги 0Вд - 5,3мс) показатель стабильности горения дуги В3

-

где 1 з - ток зажигания

рассчитанный по зависимости: В,

дуги, А; и, - напряжение зажигания дуги, В; - время зажигания дуги с оказался такой же, как и у японских электродов, и составил 6 6*10" Ом *с .

Таблица 7 - Характеристики электрической сварочной дуги и переноса металла

Марка

Колич. К.З., шт/10с

LB-52U,0 3,2мм

ЛБ-53НВ, 0 3,0мм

106...108

123...126

Время К.З., с* 10"'

4,5...4,9

3,5. ..3,9

Масса капли, г

Ч0"

2,5...2,6

2,0...2,1

Размер капли, мм'

2,6.7.2 J

После обработки полученных данных (см. табл. 6 и 7) и расчета характеристик мелкокапельного переноса электродного металла электродов ЛБ-53НВ в сравнении с LB-52U было установлено:

- сила тока (1свср., А) увеличилась на 15... 17%;

- плотность тока (¡„., А/мм2) выросла на 25...27%;

- количество коротких замыканий (К.З., шт/10с) возросло на 10... 1>%;

- масса и размер капли уменьшился на 17.. 18%;

- характер переноса металла стал более мелкокапельным.

Jmox~f62A Ш>~53Ш)

160 -1ЧО -120 - о/

ив- I

:im (LÜ-520)

3,9 7*с

ЛБ-53НВ

LB-52U

JlbOJMD bD-JiU

Рисунок 9 Осциллограммы момента КЗ и повторного возбуждения сварочной дуги

Обращает на себя внимание, что сварка электродами с использованием активированного жидкого стекла в автоматическом режиме происходит на токах больших ориентировочно на 15А. Это связано, видимо, небольшим увеличением температуры перехода электродного покрытия в расплавленное состояние.

Сравнительные характеристики сварочно-технологических свойств полученных в процессе исследований проведенных в соответствии с РД-03-613-03 свидетельствуют о практической идентичности электродов LB-52U (Япония) и ЛБ-53НВ (РФ) и несколько лучше, чем ОК 53.70 (Швеция).

Основные выводы и результаты работы:

I. Эффективным средством снижения содержания диффузионно-подвижного водорода является электродиализ жидкого стекла па ка-тионообменных мембранах, позволяющий повысить силикатный модуль стекла до 3,2, снизить содержание в нем вредных примесей повысить технологичность процесса опрессовки со снижением давления до 1 !,4МПа при снижении на 20% количества жидкого стекла в электродном покрытии.

2. /(оказана перспективность и высокая эффективность использования при создании низководородных покрытых электродов комионенто-замещения ингридиснтов покрытия, направленное на использование высокомолекулярных фторсодержащих материалов (фторлонов) современного пластификатора ОЭДФ и, комплексно легированных минералов (туфогенный песок, доломит и др.) взамен традиционных (мрамор, кварцевый песок, пластификаторов целлюлоза или КМЦ)

3. Обоснована и экспериментально подтверждена эффективность применения вакуумно-термической обработки отдельных компонентов электродного покрытия на стадии подготовки компонентов для электролообмазочной массы, обеспечив второй дополнительный канал снижения диффузионно-подвижного водорода до уровня 5,1... 5,2см 7100г.

4. Предложен новый состав электродного покрытия (доломит 44...46%; туфогенный песок - 20...22%; флюоритовый концентрат-9 Ю/о; ферросиликомарганец - 6,8...7,0%; ферросилиций -5,8...6,0%; рутиловый концентрат - 4,9...5,1%; фторлон -0,9... 1,1%; сода кальцинированная - 0,8...1,2%; алюминиевый порошок - 0,9... 1,1%) и изготовлена опытная партия низководородных электродов ЛБ-53НВ.

5. Проведены исследования сварочно-технологическнх свойств перспективных ннзководородных электродов ЛБ-53НВ по методике НАКС и получены наивысшие экспертные оценки при уровне механических свойств наплавленного металла, позволивших отнести электроды к низководородной группе Н5 (по пробе ISO 3690-2000) типа Э50А (по действующей Российской классификации).

6. Результаты научно-экономических исследований по разработке низководородных электродов ЛБ-53НВ и технология их изготовления переданы на опытный завод ООО «НПЦ «Сварочные материалы» в г. Краснодар, где организован их серийный выпуск. Опытная партия электродов послужила прототипом для разработки ТУ на изготовление электродов и внедрена на предприятиях (см. стр. 4 автореферата). Ожидаемый экономический эффект от использования элек-

тродов ЛБ-53НВ только на объектах нефтегазодобывающего комплекса составит 5 млн. руб./год.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Лозовой,'В.Г. Российские импортозаменяющие электроды ЛБ-52'IRU для сварки и ремонта магистральных нефтегазопроводов / В.Г. Лозовой, О.В. Дзюба, В.М. Дзюба и др. И Сварка и диагностика. - 2007, - №1. С.22-23. (В списке ВАК)

2. Дзюба, О.В. Сварочно-технологические свойства новых низководородистых электродов для сварки магистральных трубопроводов / О.В. Дзюба, В.М. Дзюба, A.A. Чуларис // Территория нефтегаз. - 2011 - № 11.

- С.68-70. (В списке ВАК)

3. Дзюба, О.В. Активирование жидкого стекла для снижения количества диффузионно-подвижного водорода / Дзюба О.В., Дзюба В.М., Заболоцкий В.И. и др.//Сварка и диагностика.-2011- №6.-С.56-58.(В списке

ВАК)

4. Дзюба, О.В. Исследования приемов термообработки компонентов покрытия для снижения количества диффузионно-подвижного водорода в сварных швах / О.В. Дзюба, В.Г. Лозовой, A.A. Чуларис и др. // Монтажные и специальные работы в строительстве.-2011- №12,- С.6-10. (В списке ВАК)

5. Дзюба, О.В. Компонентозамещение в электродных покрытиях - эффективный путь снижения диффузионно-подвижного водорода и повышения качества сварных соединений / О.В. Дзюба, В.М. Дзюба. A.A. Чуларис // Сварочное производство.-2011-№ 12,- С.28-32.(В списке ВАК)

6. Лозовой, В.Г. К вопросу о влиянии газов на механические свойства сварочного шва / В.Г. Лозовой, О.В. Дзюба, С.Н. Гаврилов // Сб. матер. 2-го научно-практического семинара по сварочным материалам стран СНГ/ - Магнитогорск, 2006.-С. 163-172

7. Дзюба, О.В. Низководородистые электроды группы Н5 для сварки во всех пространственных положениях / О.В. Дзюба, В.Г. Лозовой, В.М. Дзюба и др.// Сб. докладов IV международная конференция но сварочным материалам стран СНГ / - Краснодар, 2007. - С. 33-41.

8 Лозовой, В.Г. Целлюлозные электроды, некоторые особенности их изготовления и применения / В.Г. Лозовой, О.В. Дзюба, В.М. Дзюба и др. // Сб. докладов IV международная конференция по сварочным материалам стран СНГ / - Краснодар, 2007. - С.69-75.

9. Лозовой, В.Г. Отечественные импортозаменяющие электроды для ремонта и сварки магистральных газо- и нефтепроводов из сталей групп прочности К-52, К-60, К-70 и особенности их изготовления / В.Г. Лозовой, О.В. Дзюба, А.И. Чепинов и др.// Сб. докладов IV международная конференция по сварочным материалам стран СНГ/ - Краснодар, 2007 -

С. 42-45.

10. Лозовой, В.Г. Российские импортозамеияюшие электроды для строительства и ремонта магистральных трубопроводов и производители / В.Г. Лозовой, В.М. Дзюба, О.В. Дзюба // Матер. Конф. Состояние и основные направления развития сварочного производства ОАО «ГАЗПРОМ» - М.: 2008. -С.27-27.

11. Дзюба, О.В. Электродиализ жидких стекол для повышения их силикатного модуля м улучшения реологических характеристик./ О.В. Дзюба, В.М. Дзюба, С.А. Лоза и др. // Сб. докл. V международная конференция по сварочным материалам стран СНГ. - Киев, 2010. -С. 21-28.

12. Лозовой, В,Г.Опыт применения российских импортозаменяющих электродов J1B-52TRU при сварке доменной печи Новолипецкого металлургического комбината / В.Г. Лозовой, О.В. Дзюба, В.М. Дзюба и др. // Сб. докл. V международная конференция по сварочным материалам стран СНГ. - Киев, 2010. - С. 63-78.

13. Дзюба, О.В. Влияние электродиализа жидкого стекла на реологические свойства обмазочных масс электродов / Дзюба О.В. // Сб. докл. VI международная конференция по сварочным материалам стран СНГ. -Краснодар, 2011г.-С. 82-91.

14. Басиев, К.Д.Опыт применения минералов из природно-сырьевых ресурсов Северного Кавказа и возможности их применения для производства сварочных электродов / К.Д. Басиев, A.M. Байматов, О.В. Дзюба и др.//Сб. докл. VI международная конференция по сварочным материалам стран СНГ. - Краснодар, 2011. - С. 188-191.

15. Пат. 2353492 Российская Фсднрации, МПК7 B23K035/36S. Состав электродного покрытия ЛБ-52Т(*11 / Лозовой В.Г., Дзюба В.М., Дзюба О.В. и др.; заявители и патентообладатели Краснодар, ООО «НПЦ «СМ». - № 2005133536/02; заявл. 31.11.2005; опубл. 12.01.2007.

16. Пат. 2381885 Российская Феднрация, МПК6 В23К035/365. Состав электродного покрытия ЛБ-53НВ / Лозовой В.Г., Дзюба В.М., Дзюба О.В. и др.; заявители и патентообладатели Краснодар, ООО «НПЦ «СМ». - №2007130975/02; заявл. 15.08.2007; опубл. 03.1 1.2007.

Редактор A.A. Литвинова

В печать 12 .2011.

Формат 60x84/16. Бумага тип №3. Офсет.

Объем {f (Р усл.п.л. Заказ № в • Тираж ^/Зкз.

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,1.

_ о <?

61 12-5/1417

ФГБОУ ВПО «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

На правах рукописи

Дзюба Олег Вячеславович

РАЗРАБОТКА НИЗКОВОДОРОДНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ НА ОСНОВЕ КОМПОНЕНТОЗАМЕЩЕНИЯ И НОВЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ КОМПОНЕНТОВ ПОКРЫТИЯ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Чуларис Александр Александрович

Ростов-на-Дону - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ 14 СОДЕРЖАНИЯ ВОДОРОДА В СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ И В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

1.1. Водород в сталях 14

1.2. Воздействие водорода на основной металл и сварное соединение 26

1.3. Источники водорода и существующие методы снижения его 33 концентрации в сварном соединении

1.3.1. Источники водорода в металле сварного соединения 33

1.3.2. Существующие методы снижения водорода в сварном 43 соединении

Задачи исследований 50

2. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 51

2.1. Методика определения плотности жидкого стекла 51

2.2. Методика определения динамической вязкости жидкого стекла 52

2.3. Методика определения реологических свойств обмазочной массы 53

2.4. Методика масс-спектрометрии 55

2.5. Методика определения склонности сварных соединений к 57 образованию холодных трещин

2.6. Методика определения содержания диффузионного водорода в 58 металле шва методом глицериновой пробы

2.7. Методика определения содержания диффузионного водорода в 59 металле шва вакуумным методом

2.8. Определение силикатного модуля методом экспресс-анализа 62

2.9. Определение смачиваемости материалов жидким стеклом 63 методом лежачей капли

2.10. Методика определения параметров сварочной дуги 64

3. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ 66 ВОДОРОДА В СВАРНОМ СОЕДИНЕНИИ

3.1. Снижение концентрации водородосодержащих компонентов в 68 электродном покрытии

3.2. Вакуум-термическая обработка компонентов электродного 69 покрытия

3.3. Регулирование модуля жидкого стекла 73 Выводы 76

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 77 ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МЕТОДА ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА ЖИДКОГО СТЕКЛА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ [Н]диф. ПРИ СВАРКЕ ПОКРЫТЫМИ ПЛАВЯЩИМИСЯ ЭЛЕКТРОДАМИ

4.1. Технические характеристики жидких стекол 80

4.2. Электродиализ с использованием различных ионообменных 82 мембран

4.2.1. Активация жидкого стекла в электродиализаторе с 82 катионообменными и анионообменными мембранами

4.2.2. Электродиализ жидкого стекла с применением 85 катионообменных мембран

4.3. Исследования обработки жидкого стекла в электродиализаторах с 87 различными ионообменными мембранами

4.4. Исследование микроструктуры активированного жидкого стекла 89

4.5. Исследование технологических свойств активированного жидкого 92 стекла

Выводы 97

5. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И 99 МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС ОБЕЗВОДОРАЖИВАНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

5.1. Влияние СаР2 101

5.2. Влияние СаС03 105

5.3. Влияние алюминий содержащих порошков 114 Выводы 116

6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 117 ИЗГОТОВЛЕНИЯ НИЗКОВОДОРОДИСТЫХ ЭЛЕКРОДОВ

6.1. Использование компонентов покрытия, интенсифицирующих 117 газоотделение и газопроницаемость электродных покрытий

6.2. Исследование влияния экспериментального состава шихты 122 покрытия на содержание водорода в сварном соединении

6.3. Исследование рациональных режимов прокалки компонентов 125

6.4. Исследование процесса опрессовки электродов с применением 129 активированного жидкого стекла

6.5. Исследования влияния перспективных пластификаторов на 133 реологические свойства обмазочных масс и геометрические параметры электродов

6.6. Совершенствование технологии производства и изготовление 139 экспериментальной партии электродов

6.7. Производственные испытания экспериментальных партий 145 низководородных электродов

6.8. Оценка гигиенических показателей новых электродов ЛБ-53НВ 149 Выводы 151

7. ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРОЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕКИХ СВОЙСТВ 152 ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ

Выводы 158

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 159

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 161

ПРИЛОЖЕНИЯ 175

ВВЕДЕНИЕ

Сталь, как конструкционный материал, по мнению специалистов, будет доминировать еще по крайней мере в первой четверти XXI века [1]. Изготовление надежных и экономичных конструкций связано с расширением применения высокопрочных низколегированных сталей. Одним из приоритетных направлений развития науки и техники является разработка высококачественных сварочных материалов для дуговой сварки сталей плавлением.

Качество сварного соединения определяется составом и структурой металла сварных швов, абсорбцией газов металлом при взаимодействии его с дуговым разрядом, особенностями кристаллизации металла сварочной ванны и обеспечением минимальной возможности (или полного исключения) образования дефектов сварных швов и сварных соединений. Важнейшая проблема - предупреждение хрупкого разрушения сварного соединения, связанного со структурными превращениями в металле шва и в зоне термического влияния, а также охрупчивающим действием растворенного в металле шва водорода [2,3].

Способ сварки покрытыми электродами, предложенный в начале XX века О.Кельбергом [4], до настоящего времени применяется при изготовлении и ремонте сварных конструкций из широкого класса сталей. Для сварки на монтаже и в заводских условиях для определенного ряда задач этот способ не имеет альтернативы в связи с его простотой и мобильностью. Для успешного применения покрытых электродов, особенно с основным видом покрытия, разработчики непрерывно улучшают технологию их изготовления, сварочно-технологические свойства, возможность экономично сваривать различные конструкции из широкого класса сталей [5-8].

Одной из актуальных задач при разработке электродов с покрытием основного вида является обеспечение гарантированно низкого количества водорода, вносимого в металл сварного шва при сварке низколегированных

сталей вследствие снижения пластических свойств металла шва и повышенной опасности образования холодных трещин в сварном соединении и пор в сварном шве [9].

В настоящее время принято считать, что общее содержание водорода в сварных швах включает в себя две составляющие: диффузионно подвижный водород в наплавленном металле - [Н] диф н м., или в металле шва - [Н] диф м ш. и остаточный водород [Н] ост. Общее содержание водорода в металле [Н]^ определяются суммой составляющих:

№ = [Н] диф м.ш. + [Н] ост. [1].

Концентрацию [Н] определяют в миллилитрах (см3 ), приведенных к Р =101,3 кПа и Т= 273К и отнесенных к 100г металла или в массовых долях -р.р.м.. Соотношение между двумя способами выражений концентраций водорода представлено уравнением [2]:

[Н] ррм = 0,9 [Н], см3/100 г.

В сварных швах на конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталях содержание [Н] ост составляет < 10 % [Н] у и измеряется методами плавления или нагрева проб в вакууме или потоке газа-носителя [10]. Определение содержания [Н] диф регламентируют международный стандарт ИСО 3690-2000, разработанный международным институтом сварки (МИС), или национальные стандарты, разработанные на его основе [И].

Стандарт ИСО - 3690 - 2000 включает в себя первичный ртутный метод и экспрессный - хроматографический. В России и Украине в настоящее время действует стандарт ГОСТ 23338 -91, включающий в себя вакуумный метод, разработанный в Ленинградском политехническом институте (ЛПИ) и хроматографический, разработанный в ИЭС им. Е.О.Патона [12,13]. Сравнительные испытания ртутного, хроматографического и вакуумного методов анализа показали хорошую сходимость результатов анализа [13]. В результате большого числа сравнительных испытаний установлено, что

глицериновый метод анализа дает заниженные результаты из-за растворения выделяющегося из образца водорода в смеси глицерина с водой [14-21].

МИС предложил классифицировать сварочные электроды по вносимому количеству [Н] дифнм. [22]:

о

очень низкий - не более 5 см /100г;

о

низкий - больше 5, но не более 10 см /100г;

средний - большеЮ, но не более 15 см /100г.

о

Содержание [Н] диф > 15 см /100г, как правило, имеет место в металле, наплавленном электродами с покрытием рутилового, руднокислого, целлюлозного типов из-за большого количества органики и алюмосиликатов в составе их покрытий и также низкой температуры прокалки электродов (Э-Ц -до 100°С, Э-Р - до 130-170°С), при которой остается большое количество связанной влаги в покрытии электродов. Содержание [Н] диф н м. <15 см3/100г имеет место при сварке электродами с основным видом покрытия, при сварке в среде защитных и активных газов проволоками порошковыми и сплошного сечения.

Изучению поведения водорода при дуговой сварке и плазменно-дуговой обработке сталей посвящены работы ряда отечественных и зарубежных ученых [23-33]. Особенностью протекания процессов взаимодействия газов и шлака с металлом при дуговой сварке является высокая температура столба дуги и расплавленного металла, большая скорость и кратковременность протекания реакций. От температуры зависят степень диссоциации и ионизации газов в дуговом промежутке, характер протекания процессов между газовой, металлической и шлаковой фазами, плавление и перенос электродного металла [33].

На основании многочисленных исследований установлены источники водорода в металле шва при сварке электродами с основным видом покрытия:

- покрытие электродов служит основным источником водорода, так как в его состав входят связующее, пластифицирующие добавки, руды, минералы и ферросплавы [34-38];

- влажность воздушной атмосферы, которая непосредственно может влиять на парциальное давление водяного пара в дуговом промежутке в процессе сварки, а также увлажнять электродное покрытие при вылеживании или хранении из-за его гигроскопичности [39,40];

- загрязнения свариваемых кромок маслом, краской, окалиной и др.;

- режим и техника сварки.

Роли связующего при изготовлении электродов и его влиянию на содержание [Н] ДИф в металле шва уделяется особое внимание [34,36]. Традиционными связующими для изготовления электродов являются щелочные гидросиликаты Ыа, К и Ыа-К комбинированные гидросиликаты или жидкие стекла. Основными характеристиками жидких стекол для технологии производства покрытых электродов являются силикатный модуль М, равный отношению молекулярных масс 8Ю2 к щелочным окислам в составе жидких стекол, который обычно лежат в пределах от 2,7 до 3,7 единиц в зависимости от вида силиката и вязкости жидкого стекла г|. Вязкость жидкого стекла обычно находится пределах от 0,05 до 1,5 Па-с.

Согласно современным представлениям [34,41]. Жидкие стекла представляют собой водные растворы электролитов, в той или иной степени диссоциированные на катионы щелочных металлов и кремнекислородные анионы. Последние, имея такие же параметры структурной ячейки, как и вода, встраиваются в квазирешетку воды, не искажая ее, и соединяются с ней связями, сила которых близка к водородной. Степень гидратации кремнекислородных анионов незначительна. Катионы же щелочных металлов обладают мощным электростатическим полем и поэтому сильно гидратированы в растворе. Размер гидратной оболочки зависит от величины (и природы) катиона щелочного металла [42]. Экспериментально исследовано равновесие расплавов щелочей КОН и №ОН с водяным паром до температур 460°С и установлено, что энергия связи с КОН (КОН. Н20, КОН. 2Н20,..., КОН. 6Н20) более таковой в сравнении с ЫаОН (ЫаОН. Н20, (ЫаОН . 2Н20, ..., №ОН . 5Н20) примерно в 3 раза, имеет максимальное значение для первых

молекул воды и быстро убывает для последующих. Следовательно, и абсолютное количество воды, связанной в виде гидратных оболочек в жидком стекле, может определяться видом и количеством катионов щелочных металлов.

Выполнены исследования характеристик связующих электродного покрытия, которые могут существенно влиять на содержание водорода в наплавленном металле [34, 36, 43]. По данным Коснача Л. [44] силикаты К и Иа в разной степени связаны с водой. Так, для гидратированных силикатов К характерна более высокая температура удаления Н20, которая достигает 610°С, для гидратированных силикатов № - до 400°С. Авторы работы [36] говорят о полном удалении влаги комбинированных Ыа-К стекол лишь при нагреве до 700°С. По данным Походни И.К. с сотрудниками [43], полученных с помощью термогравиметрического анализа (ТГА), потеря массы при нагреве сухих остатков Иа-К и К-Ыа жидких стекол заканчивается при температуре около 600°С. По мнению авторов работы [45] Ыа и Ыа-К жидких стекол полностью удаляется при нагреве до 400°С, однако это противоречит данным большого числа исследователей. По-видимому, из-за использования различных методов анализа оценки роли типа катионов неоднозначны.

А.Е. Марченко и сотрудники исследовали водоудерживающую способность щелочных силикатов при нагреве и ее влияние на дегидратацию электродных покрытий [34]. Установлено, что водоудерживающая способность монощелочных силикатов 1л, Ыа, К, Шэ, Сэ возрастает от 1л к Сб в ряду П, Ыа, К, ЯЬ, Сб.

Комбинированные №-К силикаты при 400°С обеспечивают минимальную остаточную влажность в случае молярной доли К20, равной 0,3 в общем содержании №20 +К20.

Влияние модуля на остаточную влажность авторы [34] объясняют изменением доли двух видов влаги. При увеличении модуля доля влаги, связанная с кремнекислородными комплексами, возрастает, а с катионами щелочных металлов уменьшается. Результирующий эффект описывается

кривой с минимумом, приходящейся на оптимальный силикатный модуль М = 3.

По данным работы [36] оптимальное соотношение K/Na для K-Na жидкого стекла составляет 1:2,3, т.е. близкую величину, приведенную в работе [34,43].

По данным Коснача JI. [44] оптимальным модулем натриевого стекла является М= 3-3.2, который обеспечивает лучшую клеящую способность.

Существенную роль качества жидкого стекла, как связующего, играет технология подготовки жидкого стекла [46], которая определяет воспроизведение состава, физико-химических и технологических характеристик жидкого стекла. В этом вопросе важны соблюдение высокого качества и технологии растворения исходной силикатной глыбы, фильтрации и анализа качества готового жидкого стекла.

Влияние характеристик Na-K и K-Na жидких стекол на содержание И Диф. было исследовано на основных электродах У ОНИ 13/55 [43]. Доля жидкого стекла в покрытии электродов составляла 27%, окончательная температура прокалки - 400°С. Установлено, что с ростом силикатного модуля М жидкого стекла от 2,5 до 3,3 влажность покрытия электродов и содержание [Н] диф.н.м. монотонно снижались. Снижение плотности жидких стекол также приводило к уменьшению влажности покрытий и количества [Н] диф н м Таким образом, выбор и применение связующего по данным работ [36,43] является существенным фактором для обеспечения очень низкого (менее 5 см3/100г) уровня [Н] дифн.м..

Важным следствием применения жидких стекол является гигроскопичность электродных покрытий [36, 47, 48]. Покрытие после прокалки имеет пористую структуру, благодаря чему возникает абсорбция атмосферной влаги покрытием. Наряду с физической сорбцией в электродном покрытии происходят хемосорбционные явления, связанные с протеканием химических реакций влаги и щелочно-силикатной связки [48]. В составе покрытия силикат поглощает влагу в количестве, которое на порядок выше,

чем в чистом виде. Это связано с более высокой удельной поверхностью жидкостекольной связки благодаря наличию в покрытии пор и капилляров [47]. Кроме того, установлено, что с ростом массовой доли жидкого стекла и, соответственно, сухого остатка в электродном покрытии, гигроскопичность покрытия возрастает [47].

В работе [48] с использованием трех промышленных марок электродов с покрытием основного вида исследовались особенности поглощение влаги покрытием в условиях 20°С и 75% относительной влажности и изменения содержания [Н]диф н м Прирост массы электродного покрытия в зависимости от времени и марки электродов составил от 4,5 до 6%, что привело к росту содержания [Н]диф.„.м от 3-5 см3/100г до 11-23 см3/100г. Установлено, что повышение температуры исходной прокалки электродов вплоть до 450°С снижает склонность покрытия к абсорбции влаги. Влага, поглощаемая за первые сутки, удаляется быстрее, чем поглощаемая за 7 - 28 суток. Авторы предполагают, что в течение этого времени абсорбированная влага взаимодействует с сухим остатком жидкого стекла и переходит в кристаллизационную форму [44].

В ряде работ показано, что гигроскопичность покрытий, изготовленных с применением К и K-Na стекол, выше в сравнении с Na и Na-K стеклами [47,49].

Эффективными способами снижения гигроскопичности покрытия электродов являются технологические приемы, о которых говорит ряд исследователей, не разглашая сущности способов, технологии и составов применяемых материалов.

Одним из вариантов является модифицирование связующего путем изменения ки