На правах рукописи
МАТАФОНОВ АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ
МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА
Специальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологии
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Барнаул – 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»
Научный руководитель:
|
доктор технических наук,
профессор Руш Елена Анатольевна, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», зав. кафедрой
|
Официальные оппоненты:
|
доктор технических наук, профессор
Макиенко Виктор Михайлович ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», зав. кафедрой
кандидат технических наук, профессор
Чепрасов Дмитрий Петрович, ФГБОУ ВПО
«Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова», профессор
|
Ведущая организация:
|
ФГБОУ ВПО «Ангарская государственная техническая академия»
|
Защита состоится «29» марта 2012 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.01 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, ул. Ленина, 46, тел. (факс) 8(3852) 29-07-65, e-mail: yuoshevtsov@mail.ru
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».
Автореферат разослан «28» февраля 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Ю.О. Шевцов
Общая характеристика работы
Актуальность исследований. Создание новых сварочных материалов, обладающих высокими физико-механическими и технологическими свойствами, а также разработка экономичных и экологически безопасных технологий их получения является важной народнохозяйственной задачей. Для Восточной Сибири эта проблема представляется весьма актуальной, вследствие отсутствия развитой промышленной базы для переработки и производства материалов.
В зависимости от функционального назначения химический состав покрытий сварочных электродов разнообразен и требует строгого выполнения определенных условий по рецептуре. В настоящий момент российские производители покрытых металлических электродов испытывают хронический дефицит основных и вспомогательных сырьевых материалов, входящих в состав электродных покрытий. Поставщики сырья, находящиеся за пределами РФ, определяют условную политику в электродном производстве, в частности, в Восточно-Сибирском регионе. В связи с этим появилась необходимость изучения регионального сырьевого комплекса, как эффективного средства минимизации затрат на производство сварочных материалов. На территории Восточно-Сибирского региона имеются большие запасы разведанного минерального сырья и отходов горно-обогатительных, металлургических, целлюлозно-бумажных производств, пригодных для получения отдельных компонентов и химических соединений, входящих в состав покрытий сварочных электродов, шихты порошковых проволок, флюсов. Вовлечение этих ресурсов в производство поможет решить проблему поиска недорогих импорт-заменяющих сварочных материалов.
Замена традиционного сырья на сырье, полученное из других месторождений, является и теоретической задачей, требующей постановки дополнительных экспериментальных исследований и модельных испытаний по определению составов сварочных материалов, формированию на их основе новых рецептур. Одним из возможных инструментов ее решения является термодинамическое моделирование, позволяющее исследовать равновесие многокомпонентных систем.
Цель исследований – обоснование возможности вовлечения компонентов минерального сырья Восточно-Сибирского региона в производство электродных покрытий и разработка на их основе состава покрытия электрода типа Э-10Г2СХ для ручной дуговой наплавки.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
- изучить состав и свойства минерального сырья Восточной Сибири на перспективу их использования в качестве традиционных компонентов покрытий сварочных электродов;
- проанализировать традиционные шлаковые диаграммы состояния неметаллических веществ, применительно к сырью Восточно-Сибирского региона;
- разработать термодинамическую модель плавления электрода, полученного на основе использования компонентов минерального сырья Восточно-Сибирского региона, доказать ее адекватность экспериментальным данным;
- оценить сварочно-технологические свойства разработанного электрода.
Научная новизна:
- впервые выполнено комплексное исследование потенциальных компонентов сварочных материалов на основе сырья из месторождений Восточно-Сибирского региона;
– на основе результатов термодинамического моделирования теоретически обоснован выбор компонентов минерального сырья, пригодного для производства сварочных электродов;
– экспериментально доказана возможность использования мрамора, магнезита и плавикового шпата рассматриваемых месторождений в составе покрытия сварочного электрода;
- опытным путем дана оценка сварочно-технологическим свойствам электродов с разработанным составом покрытия на основе минерального сырья Восточно-Сибирского региона.
Практическая ценность работы заключается в разработке термодинамической модели плавления электрода, позволяющая существенно минимизировать затраты на корректировку традиционных и разработку новых сварочных покрытий.
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований предложен опытный состав покрытия электрода, соответствующего типу Э-10Г2СХ. Результаты исследований подтверждены актами опытно-сравнительных испытаний.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Изучение состава и характеристик компонентов сварочных материалов из минерального сырья Восточно-Сибирского региона.
2. Способ расчета компонентного состава сварочных электродов.
3. Составы возможных композиций сварочных материалов с использованием компонентов сырья Восточно-Сибирского региона, рассчитанные на основе результатов термодинамического моделирования.
4. Результаты технологических испытаний.
Обоснованность и достоверность результатов
Достоверность и обоснованность основных научных результатов обеспечивалась многократным воспроизводством в модели экспериментальных данных, полученных различными методами исследования. Обоснованность предлагаемой рецептуры покрытия нового электрода подтверждена опытными испытаниями на объектах ВСЖД – филиала ОАО «Российские железные дороги».
Личный вклад автора
Исследования, представленные в диссертации, являются результатом работы автора, который самостоятельно выполнял термодинамические расчеты и экспериментальные исследования, внес значительный вклад в обработку результатов термодинамического моделирования и подготовку научных публикаций. Автор лично принимал участие во всех стадиях опытных испытаний сварочных электродов с новыми компонентами в составе покрытия.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научной конференции: «Технические, экономические и экологические проблемы транспорта» (Брянск, 2008); на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Интеллект - 2008» (Красноярск, 2008); на научно-практической конференции с международным участием: «Технические, экономические и экологические проблемы транспорта» (Иркутск, 2009); на научно-практической конференции с международным участием: «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог» (Иркутск, 2009); на научно-практической конференции молодых ученых: «Современность в творчестве вузовской молодежи». (Иркутск, 2009); на V конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 2009); на Всероссийском конкурсе молодежных авторских проектов «Моя страна – моя Россия» (Москва, 2009). По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе, три статьи в журналах, рекомендуемых ВАК России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения общим объемом 154 страницы, включая 30 таблиц, 18 рисунков и списка цитируемой литературы из 123 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассмотрено современное состояние проблемы обеспеченности отечественных производителей сварочных материалов сырьем, обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приведен подробный анализ современного состояния сырьевой базы для изготовления сварочных материалов с использованием различных компонентов в составе покрытий, представлена характеристика нестандартных компонентов в рецептуре новых сварочных материалов, используемых в современных технологических процессах, рассмотрена методология создания новых сварочных материалов.
Результаты анализа показывают слабую изученность поиска нового сырья на территории Восточно-Сибирского региона в качестве компонентов сварочных материалов. Поэтому требуется систематическое изучение минерального и химического состава сырья, а также разработка новых составов электродных покрытий.
Во второй главе приведены материалы и методы исследований опытных наплавочных электродов, выполнен химический, элементный и фазовый анализ минерального сырья Восточно-Сибирского региона. На основе результатов анализа произведен выбор компонентов электродных покрытий.
Экспериментальные исследования по разработке электродов для наплавки деталей железнодорожного транспорта с использованием минерального сырья Восточной Сибири проводились в лабораторных условиях на базе Иркутского государственного университета путей сообщений и Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН.
При постановке исследований использовалось современное отечественное и импортное оборудование, а испытания материалов проводились в соответствии с государственными стандартами и инструкциями НАКС.
При разработке новых электродных покрытий применен метод термодинамического моделирования, который позволил получить необходимые термодинамические характеристики минерального сырья и оптимизировать процесс создания новых электродов.
Для расчета сложных термодинамических реакций использовался программный комплекс «Селектор», обладающий универсальностью, эффективностью и большим диапазоном возможностей.
В качестве металлического стержня применялась стандартная сварочная проволока Св-08А диаметром 4 мм по ГОСТ 2246-70. При разработке электродов на основе сырья месторождений Восточной Сибири в шихте использованы: магнезит – Савинское месторождение (табл.1), мрамор – карьер «Перевал» г. Слюдянка (табл. 2), плавиковый шпат - Абагайтуйское месторождение (табл. 3), периклазовый концентрат – ОАО «Сибирские порошки» пос. Михайловка (табл. 4), ферросилиций – ОАО «Братский завод ферросплавов» г. Братск, ферромарганец – ООО «Химико-марганцевая компания» г. Ангарск, алюминиевый порошок – «Иркутский алюминиевый завод». Остальные компоненты в составе покрытия (рутил, органические пластификаторы, феррохром, феррованадий, железный порошок) не изменялись, являясь традиционными.
Таблица 1 – Химический состав магнезитовых руд Савинского месторождения, (%)
MgO
|
CaO
|
SiO2
|
Fe2O3
|
П.п.п.
|
44,5
|
2,4
|
7
|
-
|
49
|
Таблица 2 – Химический состав проб мраморов месторождения «Перевал», (%)
№ пробы
|
SiO2
|
CaO
|
MgO
|
FeO
|
MnO
|
CO2
|
1
|
0,4
|
50,7
|
4,8
|
0,2
|
0,8
|
43,4
|
2
|
0,7
|
51,2
|
3,6
|
-
|
0,1
|
43,7
|
3
|
1,2
|
49,6
|
6,4
|
0,3
|
0,4
|
42,2
|
Таблица 3 – Химический состав плавикового шпата Абагайтуйского месторождения, (%)
№ пробы
|
CaF2
|
SiO2
|
CaCO3
|
S
|
P
|
1
|
93,81
|
5,09
|
1,02
|
0,05
|
0,03
|
2
|
93,68
|
5,21
|
1,03
|
0,05
|
0,03
|
3
|
94,03
|
4,94
|
0,95
|
0,05
|
0,03
|
Таблица 4 – Химический состав порошка периклазового марки ППЭ-88, (%)
MgO
|
CaO
|
SiO2
|
Fe2O3
|
Al2O3
|
88,1
|
1,85
|
4,0
|
2,8
|
0,35
|
В исследуемых пробах месторождения «Перевал» содержится достаточно высокое содержание магния, поэтому проведены дополнительные исследования по определению фазового состава мрамора (рис. 1) с целью выявления процентного содержания доломита (CaMg(CO3)2). Исследования показали, что содержание CaMg(CO3)2варьируется от 35 до 40% и CaCO3 – от 50 до 55%. Повышенное содержание доломита может негативно повлиять на газошлаковую защиту металла шва.
CaMg(CO3)2
CaСO3
Рис. 1. Фазовые линии элементов мрамора карьера «Перевал»
Для оценки химического, элементного, а также фазового состава отобранных проб месторождений Восточной Сибири, и полученных в процессе наплавки сварочных шлаков, применялись рентгеноспектральный, флуоресцентный и рентгенодифракционный анализы.
Содержание диффузионно-подвижного водорода в металле шва определяли методом «карандашных проб».
Испытания разработанных электродов производились в соответствии с ГОСТ-9466. Для определения твердости наплавленного металла и механических свойств на пластину из стали марки Ст3сп ГОСТ 380 выполняли многослойную наплавку с межваликовой температурой на последнем слое не выше 25±5°С. Размеры пластины 120×80×20 мм (с предельными отклонениями длины и ширины ±5 мм, толщины ±2 мм), площадь наплавки 80×90 мм. Ширина наплавляемых валиков не менее 15…18 мм. Измерение твердости наплавленного металла осуществлялось по ГОСТ-9012, механические испытания по ГОСТ 6996. Для испытаний на разрыв и ударную вязкость вырезали по 3 образца (вдоль наплавки) тип – II и VI.
При наплавке, согласно требованиям РД 03-613-03, разработанным СРО НП «НАКС», оценивались следующие сварочно-технологические показатели: род тока, полярность, легкость возбуждения и стабильность горения дуги, качество формирования шва, эластичность дуги, производительность наплавки, отделимость шлаковой корки, ширина валиков, формирование поверхности, поростойкость.
Пробы для химического и спектрального анализов наплавленного металла отбирали из двух верхних слоев образца.
Химический состав наплавленного металла определялся по ГОСТ 12344 – 12348, ГОСТ 12350, ГОСТ 12351, ГОСТ 12356, ГОСТ 18895.
Рассмотрена методика получения наплавочных электродов для восстановления узлов и деталей железнодорожного транспорта, основанная на методах термодинамического моделирования. Для того, чтобы получить сварочный материал с заданными свойствами, требуется длительное время. Поэтому на современном этапе развития технологий создания новых сварочных материалов интенсивно развиваются компьютерные методы их построения, которые позволяют сократить трудоемкость разработки.
При разработке новых покрытий электродов используются, как сырьевые, так и не сырьевые компоненты, содержащие элементы примеси. Их присутствие в месторождениях минерального сырья Восточной Сибири существенно усложняют расчет по экспериментальной методике. Главные препятствия на пути эксперимента: многокомпонентность систем, неравновесность многих реакций, необходимость упрощения систем и проведения большого числа экспериментальных исследований.
Термодинамическое моделирование практически не имеет этих ограничений. Тем не менее, экспериментальное изучение простых систем с точно контролируемыми параметрами дает необходимые данные для получения термодинамических характеристик. Опорные экспериментальные исследования сложных систем, в случае их безусловной надежности, являются хорошим контролем данных количественного термодинамического расчета. Завершающим этапом моделирования является не только создание компьютеризированной модели горения сварочного электрода, но и доказательство ее адекватности в прямых экспериментальных работах.
Для расчета химических равновесий металлургических процессов в сварочной ванне программный комплекс обеспечивает:
1. Полноту, детальность и точность математического представления термодинамических моделей в многокомпонентных, многофазных и многоагрегатных системах, в которых число потенциально возможных в равновесии фаз может значительно превышать число независимых компонентов.
2. Наложение одно-, двухсторонних ограничений на часть или все искомые мольные количества зависимых компонентов, введение дополнительных критериальных функций, расчеты неполных, промежуточных, частичных, условных и метастабильных равновесий.
3. Постановку и решение широкого класса обратных термодинамических задач.
4. Изучение термодинамической эволюции в совокупности взаимодействующих систем, связанных между собой и с окружающей средой прямыми и обратными потоками вещества и энергии – модели термодинамических магистралей в динамических мегасистемах.
5. Наличие надежного и безотказного алгоритма расчета химических равновесий в многокомпонентных, многофазных и многоагарегатных мультисистемах с различным типом равновесия по независимым параметрам состояния и с учетом введения дополнительных ограничений на искомые мольные количества зависимых компонентов,
6. Решение задач с сильным отклонением от идеальности и возможностью расслоения твердых и жидких растворов, включая силикатные расплавы.
Программный комплекс «Селектор», используемый в данной работе, предназначен для расчетов сложных химических равновесий в системах, когда число фаз, потенциально возможных в равновесии, превышает число независимых компонентов. Среди потенциально возможных в равновесии и в решении фаз могут одновременно присутствовать: смесь газов, твердые углеводороды, минералы в виде твердых растворов и однокомпонентных фаз, расплавы и плазма. Изучение неравновесной и метастабильной эволюции систем выполняется на основе принципа частичного равновесия.
База термодинамических данных включает наборы параметров уравнений, аппроксимирующих основные термодинамические характеристики индивидуальных веществ: минералы, газы, углеводороды, компоненты ионизированной плазмы. Для расчета изотермических изменений термодинамических функций используются: уравнение состояния Мурнагана для конденсированных фаз, уравнение состояния Ли-Кеслера для жидких и газообразных углеводородов и полуэмпирические уравнения состояния газов в приведенных параметрах по Гангули, Саксена, Фея, Спейшера, Рида, охватывающие большую область высоких температур и давлений.
Для ряда индивидуальных веществ, образующихся в процессе сварки, отсутствует ряд термодинамических характеристик, необходимых при моделировании высокотемпературных процессов, и, поэтому, в работе был проведен расчет этих параметров.
|
