СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 1996 года по МПК B23K35/365 

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.

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.

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