Спосіб рафінування сталі від водню при електрошлаковому зварюванні

Винахід відноситься до галузі техніки а саме зварювального виробництва, та електрошлакового зварювання (ЕШЗ). Відомий спосіб рафінування сталі від водню [1] при ЕШЗ при якому, зварювальні матеріали перед зварюванням піддають тепловій обробці, знижуючи їхню вологість і в такий спосіб знижуючи концентрацію водню в зварювальних матеріалах. Однак такий спосіб не дозволяє знизити концентрацію водню в процесі зварювання, тому що при зварюванні відбувається насичення шлаку воднем з повітря, а зі шлаку водень потрапляє в розплавлений метал, крім того при цьому способі спостерігається чад легуючих елементів сталі [2, 3]. Відомий спосіб рафінування сталі від водню [1, стор.128], при ЕШЗ при якому над шлаком створюють захисну атмосферу (А r, СО2, і ін.), запобігаючи насиченню парами води і водню шлакової системи, а з неї насичення металу. Цей спосіб узятий за прототип. Недоліки способу: - підвищення собівартості зварювальних робіт через додаткові витрати на спеціально осушені гази: - складність провадження робіт із захисною атмосферою; - необхідність і складність, а в деяких випадках і неможливість герметизації робочого простору зварювання; - насичення вуглецем металу при розкисленні шлаку вуглецевими матеріалами. В основу винаходу покладений спосіб рафінування сталі від водню при якому, у процесі ЕШЗ створюється примусовий градієнт окислення шлаку протилежний природному, що створює сприятливі термодинамічні умови для видалення водню з металу. При цьому способі: - немає необхідності застосовувати спеціально осушені гази для захисту шлаку від атмосфери; - відпадає необхідність у застосуванні складного устаткування для герметизації робочого простору зварювання; - виключена можливість насичення вуглецем метала. Поставлення задача вирішується за рахунок того, що поверхня шлаку розкислюється вуглецевими матеріалами, а у шлак вводиться окислювач. Сутність винаходу полягає в тім, що в процесі ЕШЗ на поверхню шлаку наводиться розкислювач-фторид графіту [4], у виді порошку в оболонці з металевої фольги. Так, як фторид графіту знаходиться в оболонці з фольги, то він не розкидається (не розпорошується в повітрі), а попадає на поверхню шлаку. На поверхні шлаку фольга розплавлюється у фториді графіту (шарувате з'єднання графіту) відбувається термодеструкція. При термодеструкції шарувате з'єднання графіту „розширюється” з різким збільшенням обсягу в 30-40 разів, у результаті цього щільність фториду графіту зменшується до 100-80г/м 3 і суміш здобуває теплоізоляційні властивості. Утворюється захисна „подушка” над розплавом шлаку. Існування захисної „подушки” обумовлено низькою щільністю терморозширеного фториду графіту і високою швидкістю окислювання його мілкодисперсних часток, які мають високоактивну турбостратну структур у фториду гра фіту. Існ ування захисної „подушки" знижує чад легуючих елементів, захищає шлак від впливу а тмосфери, скорочується питома витрата електроенергії, знижуючи радиаційні втрати тепла з поверхні шлакової ванни. Згідно [1, 5, 6] розчинність водню в шлаках залежить як від парціального тиску водню так і від парціального тиску кисню у газовій фазі (1) C I (H2 ) = K (H )PH 2 1/ 2 2 (PO I )1/ 4 (1) 2 де: C I(H ) - розчинність водню; K (H2 ) - константа рівноваги водню; - парціальний тиск водню; (PO2 I )1/ 4 - парціальний тиск кисню. З залежності (1) випливає, що рівноважна з атмосферою концентрація водню у електрошлакових технологіях можлива лише при відсутності градієнта окислювання по товщині шлакового шару. У реальних умовах ЕШЗ зміст водню в металі визначається одночасно протікаючими процесами його видалення і надходження в метал. Фактична концентрація водню при ЕШЗ завжди буде прагнути до величини вище рівноважної [2, 3, 7]. Змінюючи окислювання поверхні шлаку за допомогою фториду гра фіту (у складі якого знаходиться вуглецьрозкислювач), тобто змінюючи градієнт окислювання шлаку примусово знижуємо концентрацію водню в металі. Процес відбувається завдяки взаємодії потоку водню з потоком кисню. Для зниження небезпеки вуглецевого насичення металу додатково у шлакову ванну вводиться окислювач . Окислювач вводиться у виді шматків порошкової стрічки яка містить і 1-2% фториду графіту. Введення 1-2% фториду графіту в осердя порошкової стрічки необхідно, задля запобігання розплавлювання фториду графіту на поверхні шлаку. Потрапляючи в шлак оболонка порошкової стрічки розплавляється, нагріваючи фторид графіту, що при температурі термодеструкції спучується, розширюється виштовхує оксид заліза з порошкової стрічки і розподіляє оксид заліза по об'єму шлакової ванни. Оксид заліза знижує вміст вуглецю внаслідок реакції відновлення заліза [8]. Таким чином, оксид заліза в шлаку усуває вуглецеве насичення металу. Зниження концентрації водню робиться комплексним впливом: - на поверхню шлакової ванни наводиться фторид графіту в оболонці з легкоплавкого матеріалу (фольги) розкислювач; - у шлакову ванну вводиться оксид заліза в оболонці порошкової стрічки(щоб запобігти розплавлюванню на поверхні шлаку), а розподіл окислювача по об'єму шлакової ванни робиться за допомогою фториду графіту. Наприклад: виконували, ЕШЗ сталі 35Л секторів бандажів випалювальної печі. Висота сектора, що зварюється, 1420мм товщина 590мм. Джерело живлення 2 трансформатори ТШС-1000-3 з'єднаних у однофазному режимі 1/1 при рівнобіжній роботі. Зварювальний апарат А-645. Зварювання велося мундштуком, що плавиться, 6 електродами. Режими зварювання наведені в табл.1. Введення розкислювачив велося за допомогою вагового дозатора ДН-21У через кожні 15хв. При ЕШЗ №4 розкислювачі не вводилися. По ходу зварювання з металевої ванни кварцовими пробовідбірниками періодично відбирали проби рідкого металу, після загартування проби поміщали в евдіометри і після витримки 5-6 діб визначали вміст водню. Вміст водню в металі визначали шляхом підсумовування кількості водню який виділився у евдіометрах і в ти х же пробах методом вакуум нагрівання. PH 2 1/ 2 Таблиця 1 Режими зварювання Швидкість подавання Зварювальний струм, А электр. проволоки, м/год 140 2700 № п/п Напруга зварювання, В Глибина шлакової ванни, мм Флюс Режим термообробки 1 52 45-50 АН-8 2400 45-50 АН-8 125 2500 45-50 АН-8 120 2400 45-50 АН-8 без термообробки високотемпературна відпустка нормалізація і високо температурна відпустка нормалізація і високо температурна відпустка 2 50 120 3 52 4 50 Зміст водню при ЕШЗ №(1-4) наведен у табл.2. Таблиця 2 № зварювання 1 2 3 4 Розрахункові й експериментальні концентрації водню [Н]эл, см 3/100 г [Н]рівн(розр)см 3/100 г 4,9 3,2 4,2 2,1 4,3 2,2 4,4 2,2 [Н]ЕКСП, см 3/100 г 3,25 2,0 1,9 3,9 3 табл.2 видно, що без застосування способу рафінування стали від водню зварювання № 4, концентрація водню найбільша, а при введенні раскислителей концентрація водню знижується до 1,9см 3/100г. Джерела інформації 1. Електрошлакове зварювання і наплавлення/ Під ред. Б.Е.Патона. - М.: Машинобудуван-ня,1980.-511с.,іл. 2. Теоретичні основи електросталеплавильных процесів / В.А. Григорян, Л.Н. Белянчиков, А.Я. Стомахин. М.: Металургія. -1979. – 255с., іл. 3. Фізична хімія / А.А. Жухо вицкий, Л.А. Шварцман. - М.: Металургія.-1968. – 520с., іл. 4. Убеллоде А.Р., Льюис Ф.А. Графіт і його кристалічні з'єднання.- М.: Світ.-1965.- 265с. 5. Кондратьев А.С., Корнілов В.А., Якубов В.Т. Поводження водню при електрошлаковому переплаві конструкційної сталі// V Всесоюзна научн. конфер. із проблем електрометалургії сталі. - Челябінськ. - 1984.С.169-171. 6. Хольцгрубер В., Шнейдхо фер А., Егер X. Водень при електрошлаковому переплаві. - У кн.: Спеціальна електрометалургія Ч 2. К.: Наукова думка, 1972. - с.122-132. 7. Гази і вуглець у металах/ Е. Фром, Е. Гебхардт.-М.: Металургія, 1980.-712с.,іл. 8. Униговский Я.Б., Братчиков С.Г., Павлов В.А. Вуглець у шлаках і розподіл його між шлаковою і металевою фазами/ Уральський політ, інститут. Рукопис деп. у ВИНИТИ № 142-76. Деп. Свердловськ, 1976. – 21с.