Состав электродного покрытия

 

Изобретение относится к составам сварочных материалов. Сущность изобретения: электродное покрытие для сварки углеродистых сталей, содержащее 44 - 46 мас. % ильменита или титанового концентрата, 25 - 27 мас.% алюмосиликата щелочного металла, 2,0 - 2,5 мас.% целлюлозы, дополнительно содержит 1,5 - 2,0 мас. % графита и 22 - 27 мас.% карбонатной марганцевой руды, что позволяет снизить себестоимость покрытия при сохранении высоких сварочно технологических свойств. 4 табл.

Изобретение относится к материалам для электродуговой сварки и может быть использовано как покрытие электродов для сварки конструкций из углеродистых сталей.

В настоящее время наиболее распространенными электродами для электродуговой сварки конструкций из углеродистых сталей являются электроды с рутиловым и ильменитовым покрытием. Так, из общего объема выпускаемых в нашей стране электродов около 70% электродов изготавливается с рутиловым и ильменитовым покрытиями. Примерно аналогичные пропорции производства электродов за рубежом. Такое положение обусловлено хорошими сварочно-технологическими свойствами электродов и высокой технологичностью их изготовления.

В монтажных условиях наибольшее применение из рутиловых электродов получили электроды марки МР-3 (ТУ36.23.25-009-90), пользующиеся успехом и за рубежом и имеющие следующий состав покрытия, мас. Рутиловый концентрат 50 Мрамор 18 Тальк 10 Каолин 5 Ферромарганец 15,5 Целлюлоза 1,5 Такие электроды, обладая хорошей технологичностью изготовления, обеспечивают возможность сварки постоянным и переменным током, высокую стойкость против порообразования при сварке на ветру и удлинениях дуги, наложении швов по ржавым и увлажненным поверхностям. Они обеспечивают хорошее формирование швов в различных пространственных положениях и следующие показатели механических свойств металла шва: σ_в= 460-550 МПа; δ₅18-24% а_н при +20^оС 80-140 Дж/см².

Недостатком указанных электродов является наличие в них больших содержаний дефицитных компонентов рутила и ферромарганца, что сдерживает объемы и ритмичность поставки потребителем этих необходимых в народном хозяйстве электродов.

Определенный шаг вперед в решении марганцевой проблемы обеспечивает покрытие имеющее следующий состав, мас. Каолин 6-7 Ферромарганец 7-8 Целлюлоза 1-2 Магнезит 8-10 Закись марганца 7-10 Отходы порошкообразного титанового производства 22-26 Отходы гранитных карьеров в виде гранит- ной пыли 13-16 Силикомарганец 5-6 Компонент, содержащий двуокись титана Остальное Содержание ферромарганца в этом покрытии снижено до 7-8 мас. против 16 мас. при одновременном введении в него 5-6 мас. силикомарганца и 7-10 мас. закиси марганца. Однако, если выплавка силикомарганца в требуемых для массового выпуска электродов возможна черной металлургией из бедных марганцевых руд, запасы которой в стране велики, то получение закиси марганца в необходимых для электродного производства количествах проблематично, так как требует весьма тонкой и трудоемкой химической переработки. Кроме того, использование в известном покрытии большого количества отходов порошкообразного титанового производства не обеспечит возможность массового выпуска электродов с таким покрытием.

Известно решение по марганцевой проблеме для электродного производства [1] согласно которому в состав покрытия, входят следующие компоненты, мас. Рутил 25-45 Криолит 4-10 Полевой шпат 5-10 Ферросилиций 3-5 Ферромарганец 3-5 Ферротитан 3-10 Железный порошок 16-30 Слюда 2-5 Карбоксиметил- целлюлоза 1-2 Углекислый газ 0,1-1,0 0,5-3,0 Алюминиевый порошок 5,0-3,0 Целлюлоза 1-3 Мрамор Остальное Содержание ферромарганца в покрытии такого рутилового электрода снижена до 3-5 мас. за счет определенного подбора шлаковой системы, вследствие наличия в ней полевого шпата и продуктов термического разложения криолита, введения взамен ферромарганца таких активных раскислителей, как ферросилиций, ферротитан, алюминиевый порошок и графит.

Однако, частичная замена ферромарганца на ферротитан и алюминий, наличие в покрытии карбоксиметилцеллюлозы и слюды, рекомендации по использованию для металлических стержней только сталей Св-08а, Св-10НМ, Св-08ХМ и им подобных приводит к явному удорожанию таких электродов. Кроме того, наличие в покрытии большого количества криолита требует дополнительных требований к технике безопасности при сварке такими электродами, а чрезмерная многокомпонентность покрытия снижает технологичность их производства. Указанные недостатки не позволяют использовать эти электроды в качестве массовой продукции для народного хозяйства.

Более благоприятны в этом отношении электроды [2] в состав покрытия которых входят следующие компоненты, мас. Рутиловый концентрат 45-52 Слюда 17-21 Ферромарганец 11-13 Целлюлоза 0,5-0,2 Мрамор 8-13 Алюмосиликат натрия 2-5 Однако, необходимость использования для электродов с таким покрытием только стержней из легированной стали удорожает их, усложняет технологию изготовления и не позволяет рассчитывать на их массовое производство.

В части использования титаносодержащего сырья более экономичным является покрытие [3] содержащее следующие компоненты, мас. Мрамор 5-15 Полевой шпат 10-18 Каолин 5-12 Ферромарганец 12-18 Целлюлоза 1-2
Окислы редкоземельных металлов 1-10 Ферросилиций 0,5-6 Ильменитовый кон- центрат Остальное
Недостатком такого покрытия наряду с высоким содержанием ферромарганца, является наличие в нем окислов РЗЭ, которые приводят к "удлинению" шлака, ухудшая тем самым формирование потолочных швов, и так характерное для ильменитовых электродов, т.е. приводит к потере универсальности электродов.

Кроме того, присутствие в ильменитовых электродах, хотя и недефицитных окислов РЗЭ, явно увеличивает их стоимость и с учетом отмеченного ухудшения формирования потолочных швов является нерациональным.

Дополнительным недостатком электродов с указанным покрытием является широкий диапазон предлагаемых в нем значений компонентов, прежде всего ферросилиция, окислов РЗЭ и ильменита, что не может не приводить к повышенной нестабильности показателей механических свойств. Это, в частности, подтверждается тем, что даже для оптимального состава относительное удлинение наплавленного металла колеблется в таком недопустимо широком пределе 18,0-28,0 мас.

Более предпочтительными являются ильменитовые электроды АНО-6 [4] имеющие следующий состав покрытия, мас. Ильменит 44-46 Магнезит 10 Полевой шпат 16-18 Слюда 7-18 Каолин 0-3 Ферромарганец 18 Кварцевый песок 0-8 Целлюлоза 2
Состав компонентов этого покрытия позволил освоить их массовое производство, а использование ильменита сняло вопрос дефицитного рутила и снизило их стоимость.

Недостатком электродов АНО-6 является еще большее, чем у МР-3, содержание в покрытии низкоуглеродистого ферромарганца. В виду острой дефицитности такого ферромарганца, вызванного истощением в стране богатых ( ≥ 35% Mn) и низкофосфористых марганцевых руд, необходимых для его выплавки, дальнейшее производство этих электродов весьма затруднено, несмотря на использование в них менее дефицитного, чем рутил, ильменит. Вместе с тем по другим своим качествам это покрытие из указанных наиболее близко подходит к предлагаемому, обеспечивая электроду аналогичные сварочные свойства и технологичность изготовления.

Цель изобретения экономия марганцевых ферросплавов и снижение себестоимости покрытия при сохранении высоких сварочно-технологических свойств электрода.

Цель достигается введением в покрытие, включающее алюмосиликат щелочных металлов, целлюлозу и компонент, содержащий двуокись титана, карбонатной марганцевой руды с массовой долей марганца не менее 35% и графита при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбонатная марган- цевая руда 22-27
Ильменит (или титановый концентрат) 44-46
Алюмосиликат щелочных металлов 25-27 Целлюлоза 2-2,5 Графит 1,5-2,0
Для изготовления электродов с предлагаемым покрытием используют следующие компоненты:
1. Карбонатная марганцевая руда Парнокского месторождения следующих составов, мас.

Вариант
I II
Марганец 37 29
Двуокись кремния 18 22
Окись алюминия 2,5 2,8
Фосфор 0,10 0,10
2. Нефелиновый
концентрат ТУ 6-12-54-80
3. Ильменитовый
концентрат ТУ 48-4-267-73
4. Целлюлоза ТУ 13-7308001-393-83
5. Графит ГОСТ 10274-79
Концентрат тита-
новый флотаци-
онный Ярегский ТУ36.44.15.01-056-92
7. Ферромарганец
высокоуглероди-
стый (Мn 78) ГОСТ 4755-80
Для проведения контрольных испытаний изготавливают электроды с составами покрытия, представленными в табл. 1.

Количество жидкого стекла для всех вариантов одинаково 25-27% Модуль стекла 2,6-2,8, плотность 1,42-1,45. вязкость 600-900 сП.

Покрытие диаметром 6,0 мм наносится на металлические стержни диаметром 4 мм из проволоки Св08 способом опрессовки.

В процессе изготовления электродов установили, что по технологичности опрессовки они несколько превосходят прототип, несмотря на отсутствие в них дефицитной слюды. Это объясняется наличием в предлагаемом покрытии большого количества нефелинового концентрата, включающего в свой состав каолин, являющийся хорошим пластификатором.

Испытания электродов проводят на постоянном и переменном токе. Данные экспертной оценки сварочно-технологических свойств и результаты механических испытаний сварных швов представлены соответственно в табл. 2 и 3.

Данные испытаний вариантов 1, 2, 3 электродов с марганцевой рудой Парнокского месторождения, содержащей 35% Mn в своем составе (табл. 3), показали, что по своим свойствам они не уступают известному составу, а электроды на руде и титановом концентрате даже несколько их превосходят, особенно в части формирования швов в потолочном положении.

Уменьшение содержания Mn в наплавленном металле до 0,29-0,37% против характерных для прототипа 0,50-0,55% не сказалось на исследованиях свойствах металла. Вместе с тем при отмеченном снижении содержания марганца имело место и снижение содержания углерода в наплавленном металле, что сохранило соотношение Mn/C в шве, являющееся основным фактором, определяющим при прочих равных условиях свойства низкоуглеродистых сталей.

Изменение композиций предлагаемого покрытия в сторону уменьшения или увеличения содержания любого из входящих в него компонентов приводит к ухудшению свойств электродов.

Так уменьшение содержания карбонатной марганцевой руды ниже 22 мас. приводит к ухудшению газовой защиты, и, как следствие, повышает склонность к образованию пор в наплавленном металле, а также к ухудшению кроющей способности шлака. Увеличение же количества руды более 27 мас. приводит также к ухудшению кроющей способности шлака, к его затеканию впереди дуги, и, как следствие, к зашлаковке наплавленного металла и ухудшению формирования шва.

Уменьшение содержания нефелина против предлагаемых пределов также приводит к ухудшению кроющей способности шлака, а его увеличение чрезмерно закорачивает шлак и ухудшает формирование шва.

Уменьшение содержания графита и целлюлозы повышает склонность к порообразованию в шве. Увеличение же количества графита приводит к излишнему науглероживанию наплавленного металла и увеличению разбрызгивания. К повышению разбрызгивания приводит и увеличение содержания целлюлозы в покрытии.

Введение взамен графита только 6-8 мас. недефицитного высокоуглеродистого ферромарганца обеспечивает равноценные свойства электродов с предлагаемым покрытием, и содержание в шве Mn 0,45-0,55% что также дает значительную экономию дефицитного низкоуглеродистого ферромарганца и снижает себестоимость электродов.

Испытания варианта 4 (табл. 1), аналогичного по составу варианту 2, но на руде, содержащей 29% Mn, показали, что технологические свойства его значительно хуже прототипа: невозможно добиться сплошности наплавленного металла при сварке. Повышение же содержания такой руды в составе покрытия до 30-35 мас. с целью обеспечения достаточной газовой защиты сварочной ванны, приводит к резкому ухудшению формирующей способности шлака, особенно для тавровых соединений.

Экономический анализ состава предлагаемого покрытия показывает, что входящие в него компоненты гораздо более дешевы. Так, если стоимость ферромарганца в 1992 г. составляла 100-130 тыс. руб. то стоимость используемой карбонатной марганцевой руды около 8-10 тыс. руб. Стоимость нефелинового концентрата также значительно ниже стоимости слюды и не превышает стоимости полевого шпата. Содержание целлюлозы и ильменита в прототипе и предлагаемом покрытии одинаковы.

Преимуществом электродов с предлагаемым покрытием является и меньшая вредность выделяющихся при сварке ими аэрозолей, что показала сравнительная санитарная оценка их с гигиенически наиболее благополучными на настоящее время электродами МР-3 и электродами с марганцевой рудой ОММ-5 иЦМ-7, выполненные институтом гигиены труда и профзаболеваний Российской АМН (табл. 4).

Таким образом, предлагаемое покрытие, имея более низкую себестоимость включает в себя менее дефицитный, чем рутил, материал-ильменит или титановый концентрат, а также не содержит в своем составе марганцевого ферросплава, обеспечивая при этом лучшие санитарно-гигиенические свойства электродов при сохранении высоких их сварочно-технологических свойств.

Учитывая сохранение хороших сварочно-технологических свойств электродов с предлагаемым покрытием, меньшую их себестоимость и недефицитность входящих в их покрытие компонентов с высокой технологичностью опрессовки они найдут массовое производство, обеспечив экономию крайне дефицитного низкоуглеродистого ферромарганца.

Формула изобретения

СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ для сварки углеродистых сталей, содержащий алюмосиликат щелочного металла, компонент, содержащий двуокись титана, компонент, содержащий марганец и целлюлозу, отличающийся тем, что он дополнительно содержит графит, а компонент, содержащий марганец, введен в виде карбонатной марганцевой руды с массовой долей марганца не менее 35% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Карбонатная марганцевая руда - 22 - 27
Компонент, содержащий двуокись титана - 44 - 46
Алюмосиликат щелочного металла - 25 - 27
Целлюлоза - 2,0 - 2,5
Графит - 1,5 - 2,0

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3