АЛЮМИНОТЕРМИТНАЯ РЕАКЦИОННАЯ СМЕСЬ ДЛЯ СВАРКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ МЕТОДОМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ЛИТЬЯ Российский патент 2012 года по МПК B23K23/00 C21B15/02 

Изобретение относится к алюминотермитной реакционной смеси, обеспечивающей протекание экзотермической химической реакции и получение жидкой стали для промежуточного литья между концами железнодорожных рельсов для их сварки.

Алюминотермитная реакционная смесь может быть использована для сварки всех видов рельсов, в частности, рельсов трамвайных путей, контактных рельсов в метрополитенах, подкрановых рельсов и рельсов другого назначения.

Алюминотермитные реакции и смеси для их проведения известны более 100 лет.

Основное назначение алюминотермитной реакционной смеси при сварке рельсов состоит в обеспечении протекания двух процессов: химической реакции, продуктом которой является железо, и металлургического процесса плавки стали заданного химического состава, обеспечивающей надежность и долговечность сварного соединения железнодорожных рельсов, безопасность при высоких скоростях движения подвижного железнодорожного состава и увеличенной грузонапряженности пути.

Алюминотермитная химическая реакция основана на восстановлении железа из его оксидов путем окисления алюминия и относится к экзотермическим реакциям. Выделившееся в результате химической реакции избыточное тепло обеспечивает процесс варки стали, при котором происходит разделение железа с равномерно распределенными легирующими примесями и расплавленного шлака, состоящего из образовавшихся оксидов алюминия, и обеспечить температуру стали для промежуточного литья.

Алюминотермитная реакционная смесь представляет собой полидисперсную систему. Вещества, входящие в состав алюминотермитной реакционной смеси, находятся в диспергированном состоянии с частицами разных размеров и форм.

Инициирование алюминотермической реакции осуществляют локально с помощью специальной запальной спички с температурой порядка 1500°С. Реакция развивается в объеме полидисперсной системы и переводит ее из твердого состояния в жидкое в виде расплавленного металла.

Основная сложность в проведении алюминотермитной химической реакции с последующей стадией выплавки стали заключается в получении стабильности и повторяемости ее параметров: скорости, равномерности, времени протекания, температуры, количестве выделившегося тепла, возможности управления процессом и изменения параметров, от которых зависит качество термитного металла и сварного соединения рельсов.

Стабильность и повторяемость параметров алюминотермитной химической реакции особенно важны при сварке железнодорожных рельсов, поскольку от качества сварного шва зависит безопасность движения на железной дороге.

Для равномерного и эффективного протекания химической реакции составляющие элементы должны быть равномерно распределены в объеме и представлять собой связнодисперсную структурированную систему, элементарные объемы которой содержат полный состав исходных компонентов.

До настоящего времени сыпучие компоненты из промышленного сырья, входящие в состав алюминотермитных реакционных смесей, с точки зрения химического состава и формы частиц, их влияния на кинетику химической реакции восстановления железа из окислов, были изучены недостаточно и алюминотермитные смеси приготавливали по процентному содержанию входящих элементов, исходя из стехиометрических соотношений, без четкого фракционирования и создания связнодисперсной системы, что не обеспечивает получение термитного металла высокого и стабильного качества для сварки железнодорожных рельсов.

Для приготовления термитных смесей в промышленных масштабах с экономической точки зрения целесообразно использовать в качестве сырья отходы промышленного производства, в первую очередь железную окалину, которая образуется на металлургических и машиностроительных предприятиях. Применение промышленной окалины существенно усложняет управление и получение повторяемости результатов алюминотермической реакции, так как фазовый состав этой окалины отличается по химическому составу оксидов и по размеру и форме образующих их частиц.

В известной алюминотермической реакционной смеси для улучшения воспроизводимости алюминотермитной химической реакции предложено задачу структурирования дисперсной системы решать с помощью гранулирования части оксидов железа в виде шаровидных частиц и добавления их в состав смеси, а для предотвращения расслоения предложено вводить в смесь частицы алюминия угловатой формы (патент фирмы Электро-Термит ГмбХ (DE) RU №2102495, C21B 15/02, C22B 5/04, с приоритетом от 1993.07.12).

Недостаток указанного известного решения заключается в том, что, помимо дополнительных затрат на гранулирование, уменьшается реакционная поверхность оксида железа, влияющая на кинетику химической реакции.

Другим недостатком рассматриваемого решения является использование монорецептур по оксидам железа, которые дают различный тепловой эффект.

Кроме того, предложенные смеси с монорецептурами по оксидам железа требуют, в случае приготовления с применением железной окалины из промышленных отходов, их разделения, так как указанная окалина состоит из различных по химическому составу оксидов железа: вюстита (FeO), магнетита (Fe₃O₄) и гематита (Fe₂O₃), что сложно и экономически неэффективно.

Предложение о предотвращении расслоения путем введения в смеси частиц алюминия угловатой формы обеспечит только временный эффект за счет создания связнодисперсной системы, который будет нарушен при транспортной тряске, так как система не является плотноупакованной и образующие ее частицы имеют различный фракционный состав и форму.

Известна алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, содержащая в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде промышленных отходов, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов и металлов и стальной наполнитель, при этом для сокращения времени реакции смесь содержит оксид железа или оксиды других металлов в виде пудры (см. GB 1223977, C22B 5/04, опубл. 1971 - прототип).

Недостатком известной смеси является то, что в используемой в ее составе окалине присутствует окись железа FeO снижающая качество выплавляемой стали по следующим причинам: истинная температура разливки стали составляет примерно 1550°С; следовательно, пленка окиси железа (FeO), плавящаяся при температуре 1370°С, будет сильно перегрета и, обладая большой жидкоподвижностью, легко проникает в поры формы и вступает в химическое соединение с материалом формы с образованием пригара, образует шлак, пригорающий к отливке, что нарушает качество металла сварного шва.

Кроме того, добавка оксида железа в виде пудры не обеспечивает равномерность волны горения, стабильность экзотермической реакции, а сокращение времени реакции нарушает процесс выплавки качественной стали для промежуточного литья.

Из-за неравномерного распределения легирующих добавок, а также из-за уноса части этих добавок со шлаком снижается качество выплавляемой стали для промежуточного литья.

Задача изобретения заключается в создании алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов, обеспечивающей получение стали высокого качества для промежуточного литья при использовании в ее составе промышленных отходов в виде железной окалины.

Технический результат заключается в обеспечении стабильности, повторяемости и управления параметрами алюминотермитной химической реакции, в повышении качества легирования термитного металла за счет лучшего распределения легирующих добавок в его структуре, в сокращении потерь легирующих элементов из-за уноса их со шлаком и в поддержании стабильности связнодисперсной структурированной системы с исключением расслоения реакционной смеси при ее транспортировке к месту сварки рельсов.

Указанная задача и технический результат достигаются алюминотермитной реакционной смесью для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, содержащей в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде промышленных отходов, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов и металлов и стальной наполнитель, причем в качестве оксидов железа она содержит окалину, модифицированную в полном объеме прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с одновременной продувкой воздухом, при этом все компоненты смеси перемешаны до равномерного распределения компонентов в объеме смеси и образования связнодисперсной структурированной системы, которая стабилизирована путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке.

А также тем, что она содержит окалину с однородными по размеру частицами, выбранными из диапазона частиц с размером 0,1-5 мм, обеспечивающими заданную скорость реакции и интервал времени для выплавки стали.

А также тем, что она содержит металлический алюминий двух фракций в виде пудры в количестве 8-12 мас.% и в виде порошка - остальное.

А также тем, что в качестве легирующих добавок она содержит окалину, взятую после ковки или прокатки заготовок из легированной стали.

Указанная задача и технический результат достигаются также способом приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, включающим смешивание в стехиометрическом соотношении оксидов железа в виде окалины, металлического алюминия в качестве восстановителя, легирующих добавок в виде ферросплавов и металлов и стального наполнителя, при этом перед смешиванием окалину модифицируют в полном объеме прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с одновременной продувкой воздухом, перемешивание проводят до равномерного распределения компонентов в объеме смеси и образования связнодисперсной структурированной системы и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке.

А также тем, что используют окалину с однородными по размеру частицами, выбранными из диапазона частиц с размером 0,1-5 мм.

А также тем, что используют металлический алюминий двух фракций в виде пудры в количестве 8-12 мас.% и в виде порошка - остальное.

А также тем, что в качестве легирующих добавок в смесь вводят окалину, взятую после ковки или прокатки заготовок из легированной стали.

Указанная задача и технический результат достигаются при использовании технологической линии приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, содержащей накопительный бункер для оксидов железа в виде окалины, связанный транспортером с измельчителем окалины, магнитный сепаратор, печь прокаливания с вентилятором, вибрационное сито для фракционирования модифицированной окалины, смеситель для образования готовой смеси в виде связнодисперсной структурированной системы, фасовочный агрегат с вакуумным прессом для вакуумирования воздухонепроницаемой упаковки с готовой смесью и аппаратом для герметизации указанной упаковки, при этом смеситель связан также с накопительными бункерами для металлического алюминия крупной фракции и мелкой фракции, легирующих добавок в виде окалины и стального наполнителя.

Пудра имеет частицы алюминия в виде слоистой структуры с частицами пластинчатой формы размером до 0,05 мм.

Порошок представлен частицами алюминия закругленной каплевидной формы размером 1,0-1,5 мм.

Окалина, образующаяся на металлургическом предприятии при прокатке заготовок из легированной стали, состоит из вюстита - FeO (92…95%) и магнетита - Fe₃O₄. (5…8%)

Окалина на машиностроительных предприятиях является отходом после ковки заготовок из легированной стали кузнечнопрессового производства и содержит FeO (58…63%) и Fe₂O₃ + Fe₃O₄ (31…36%).

Основу алюминотермитной реакционной смеси составляет железная окалина - 60…80 массовых процентов, в зависимости от рецептуры. От физико-химических свойств исходной окалины в смеси зависит качество сварного соединения.

Оксиды железа в промышленной окалине имеют различные физико-химические свойства - различаются по массам молекулы и содержанию кислорода, кристаллической решетке, температуре плавления и плотности.

Для оптимизации состава промышленной окалины в алюминотермитной реакционной смеси было предложено выполнить модификацию ее состава (изменение химического состава путем предварительной термической обработки в виде прокаливания, например, в печах с электрическим или газовым нагревом), при температуре от 150°С до 1000°С.

Диапазон минимальной и максимальной температуры прокаливания определен опытным путем в зависимости от качества и процентного содержания различных по фазовому составу оксидов в исходном сырье до завершения их преобразования в однородный по форме оксид железа, а также от удаления примесей в виде, например, масел и остатков охлаждающих растворов.

Для повышения эффективности процесса модификации окалины при его проведении, т.е. одновременно с прокаливанием, было предложено продувать окалину при прокаливании окружающим воздухом, например, с помощью вентилятора, или создания естественной циркуляции воздуха в печи, что обеспечивает дополнительное поступление кислорода в реакционную зону и способствует ее более полному доокислению с получением стабильной, химически однородной модифицированной железной окалины.

Процесс модификации промышленной окалины обеспечивает повышение качества выплавляемой стали за счет уменьшения или полного исключения окиси железа FeO из состава окалины для термитной смеси.

Анализ кинетики протекания химической реакции в дисперсных средах показывает, что стабильность и повторяемость процесса увеличивается при повышении однородности по размеру частиц, образующих дисперсную систему.

Для использования этого эффекта было выполнено измельчение модифицированной железной окалины и ее фракционирование с выделением и включением в состав смеси однородных частиц, размер которых выбирался, в зависимости от требований к качеству термитной стали, в диапазоне от 0,1 до 5 мм.

Включением в состав реакционной смеси определенной однородной фракции железной окалины удалось обеспечить воспроизводимую реакцию с заданным интервалом времени, необходимым для качественной выплавки термитной стали и своевременного открытия затвора для промежуточного литья и сварки рельсов.

Изменяя соотношение фракционных составов в смеси, удалось осуществить управление параметрами алюминотермитной химической реакции путем регулирования продолжительности реакции восстановления железа и выплавки термитной стали с различными свойствами благодаря тому, что были подобраны скорости реакции, исключающие потери легирующих элементов при отделении шлака от расплава металла.

Стабильность и повторяемость экзотермической химической реакции существенным образом зависит от устойчивости горения реакционной смеси. На устойчивость горения реакционной дисперсной смеси влияет равномерность распределения реагирующих компонентов термитной составляющей по всему объему с образованием однородной пространственной структуры, обеспечивающей непрерывную волну горения с постоянным температурным профилем.

Сложность обеспечения качественного смешения компонентов реакционной смеси заключается в том, что в состав смеси входят вещества, различающиеся по плотности и размеру частиц. Для обеспечения качественного смешения было предложено и выполнено механическое разделение непрерывных потоков перемешиваемых сыпучих продуктов на микрообъемы в единицу времени с образованием структур в виде каркасов из частиц смешиваемых компонентов, которые связываются механически друг с другом, ограничивают текучесть дисперсной системы и придают ей способность сохранять форму в виде псевдообразного твердого вещества.

В результате обеспечения смешения сыпучих компонентов реакционной смеси образуется связнодисперсная структурированная система с равномерным распределением компонентов в объеме смеси. Однако эта система не обладает достаточной устойчивостью. При транспортировке, из-за разного удельного веса образующих систему компонентов, возможно ее расслоение, что нарушит параметры химической реакции, приведет к нестабильности.

Для повышения степени сохранения стабильности связнодисперсной структурированной системы было предложено применить структурно-механический фактор стабилизации дисперсной системы в виде вакуумирования реакционной смеси после перемешивания и размещения в эластичной воздухонепроницаемой, например, полиэтиленовой, упаковке, перед транспортировкой к месту применения, что обеспечивает стабильность горения и качество выплавляемой стали для сварки рельсов.

Инициатором алюминотермитной реакции является внешний источник горения в виде специальной запальной спички, которую погружают в дисперсную структурированную систему. Стабильность и повторяемость параметров реакции зависит от стабильности ее зажигания.

Изучение горения алюминия в дисперсной форме показало, что он обладает повышенной реакционной способностью с уменьшением размера частиц, что объясняется возрастанием удельной поверхности контакта с кислородом и невозможностью отвода выделяющейся энергии вглубь металла из-за малости размера частиц. В результате подъема температуры ослабляются защитные свойства окисной пленки и требуется меньшая температура нагрева для зажигания смеси.

Исходя из этого для улучшения зажигания алюминотермитной смеси было предложено вводить в состав реакционной смеси металлический алюминий различных фракционных составов: в виде пудры с частицами алюминия в виде слоистой структуры с частицами пластинчатой формы в количестве 8-12% от общего количества металлического алюминия (размер частиц 0,05 мм и менее) и остальное в виде порошка с частицами закругленной каплевидной формы (размером 1,0-1,5 мм).

Опытным путем было установлено, что введение в состав металлического алюминия в виде пудры более 12% нежелательно, так как приводит к бурному течению химической реакции с выносом реагирующих веществ из зоны плавления. Уменьшение количества пудры менее 8% не обеспечивает требуемую равномерность температурного профиля волны горения.

Для раскисления термитного металла, улучшения его химического состава и повышения механической прочности в термитные смеси вводят легирующие добавки в виде ферросплавов, главным образом ферросилиций и ферромарганец. Изменяя количество этих присадок, можно управлять в широких пределах химическим составом и механическими свойствами термитного металла, например предел прочности можно изменять с 40 до 75 кг/мм².

Недостаток применения ферросплавов заключается в их дороговизне.

Изучение окалины в виде отходов кузнечнопрессового и прокатного производств показало, что в ее состав входит хром, ванадий, марганец и силиций в виде оксидов, никель - в металлическом состоянии.

С целью снижения стоимости термитной смеси, уменьшения расхода ферросплавов, было предложено вводить в ее состав легирующие добавки в виде окалины, взятой после ковки и прокатки заготовок из легированных сталей.

Результаты исследования показали, что введение в состав термитной реакционной смеси легирующих добавок в виде окалины не только повышает экономичность за счет сокращения или полного отказа от дорогостоящих ферросплавов, но и существенно повышает качество выплавляемой стали за счет лучшего распределения добавок в ее структуре, сокращения потерь легирующих элементов при уносе со шлаком.

Ниже приведены примеры предложенных в изобретении алюминотермитных реакционных смесей для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья в процентном соотношении компонентов, с указанием их вида и состояния, гранулометрического состава.

Смесь 1

Оксиды железа, 65-70%, в полном объеме модифицированные прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с дополнительной продувкой воздухом, и с размером частиц порядка 0,1-5,0 мм.

Металлический алюминий, 15-20%, в виде частиц размером 1-1,5 мм.

Легирующие добавки, 5-10%, ферросплавы в виде гранул размером 1-5 мм.

Стальной наполнитель, 5-10%, в виде частиц размером 1-5 мм.

Смесь 1 обеспечивает получение термитного металла высокого качества для сварки железнодорожных рельсов с использованием окалины в виде отходов металлургических и машиностроительных предприятий, что экономически выгодно.

Смесь 2.

Оксиды железа, 65-70%, в полном объеме модифицированные прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с дополнительной продувкой воздухом и однородным по составу размером частиц порядка 3,5 мм.

Металлический алюминий, 15-20%, в виде частиц размером 1,0-1,5 мм.

Легирующие добавки, 5-10%, ферросплавы в виде гранул размером 1-5 мм.

Стальной наполнитель, 5-10%, в виде частиц размером 1-5 мм.

Смесь 2 обеспечивает стабильность протекания алюминотермитной химической реакции и повторяемость ее параметров, что позволяет получать термитную сталь высокого и стабильного качества.

При включении в рецептуру других размеров однородных частиц оксидов железа из диапазона 0,1-5,0 мм, обеспечит управление параметрами:

скоростью реакции и временем выплавки стали, от которого зависит ее качество и качество сварки рельсов.

Смесь 3.

Оксиды железа, 65-70%, в полном объеме модифицированные прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с дополнительной продувкой воздухом и однородным по составу размером частиц порядка 3,5 мм.

Металлический алюминий, 15-20%, в виде частиц размером 0,1-1,5 мм.

Легирующие добавки, 5-10%, ферросплавы в виде гранул размером 1-5 мм.

Стальной наполнитель, 5-10%, в виде частиц размером 1-5 мм.

Все компоненты размещены в виде равномерной связнодисперсной структурированной системы.

Смесь 3 содержит все компоненты в виде равномерной связнодисперсной структурированной системы, что обеспечивает наилучшие условия протекания химической реакции и полноту восстановления железа из окислов, ее стабильность и повторяемость, что гарантирует получение термитной стали высокого качества, надежность и долговечность сварного соединения рельсов, выполненного методом промежуточного литья.

Смесь 4.

Оксиды железа, 65-70%, в полном объеме модифицированные прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с дополнительной продувкой воздухом и однородным по составу размером частиц порядка 3,5 мм.

Металлический алюминий, 15-20%, двух фракционных составов: в виде пудры с частицами алюминия в виде слоистой структуры с частицами пластинчатой формы в количестве 8-12% (размер частиц 0,05 мм и менее) и остальное в виде порошка с частицами закругленной каплевидной формы (размером 1,0-1,5 мм):

Легирующие добавки, 5-10%, ферросплавы в виде гранул размером 1-5 мм.

Стальной наполнитель, 5-10%, в виде частиц размером 1-5 мм.

Все компоненты размещены в виде равномерной связнодисперсной структурированной системы.

Смесь 4 обеспечивает инициирование и практически одновременное протекание химической реакции в объеме смеси, ее повторяемость за счет создания равномерной волны горения с постоянным температурным профилем благодаря добавке алюминия в виде пудры, что существенно повышает качество и стабильность выплавляемой стали для сварки железнодорожных рельсов.

Смесь 5.

Оксиды железа, 60-65%, в полном объеме модифицированные прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с дополнительной продувкой воздухом и однородным по составу размером частиц порядка 3,5 мм.

Металлический алюминий, 15-20%, двух фракционных составов: в виде пудры с частицами алюминия в виде слоистой структуры с частицами пластинчатой формы в количестве 8-12% (размер частиц 0,05 мм и менее) и остальное в виде порошка с частицами закругленной каплевидной формы (размером 1,0-1,5 мм).

Легирующие добавки, 10-15%, окалина в виде отходов кузнечнопрессового производства или прокатки заготовок из легированной стали с частицами размером 1-5 мм.

Стальной наполнитель, 5-10%, в виде частиц размером 1-5 мм.

Все компоненты размещены в виде равномерной связнодисперсной структурированной системы.

Смесь 5, в которой взамен дорогостоящих ферросплавов применены легирующие добавки в виде окалины из отходов промышленного производства и передела легированной стали, обладает меньшей стоимостью и обеспечивает получение качественной стали для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья за счет лучшего распределения легирующих добавок, сокращения их потери при уносе со шлаком, повышает экономичность сварки.

Смесь 6.

Оксиды железа, 60-65%, в полном объеме модифицированные прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с дополнительной продувкой воздухом и однородным по составу размером частиц порядка 3,5 мм.

Металлический алюминий, 15-20%, двух фракционных составов: в виде пудры с частицами алюминия в виде слоистой структуры с частицами пластинчатой формы в количестве 8-12% (размер частиц 0,05 мм и менее) и остальное в виде порошка с частицами закругленной каплевидной формы (размером 1,0-1,5 мм).

Легирующие добавки, 10-15%, окалина в виде отходов после ковки заготовок из легированной стали с частицами размером 1-5 мм.

Стальной наполнитель, 5-10%, в виде частиц размером 1-5 мм.

Все компоненты размещены в виде равномерной связнодисперсной структурированной системы, которая вакуумирована в эластичной воздухонепроницаемой упаковке.

Смесь 6 обладает повышенными качествами для длительного хранения и транспортировки за счет использования фактора структурно-механической стабилизации путем вакуумирования готовой смеси в эластичной упаковке.

Смесь сохраняет длительное время, включая транспортировку, все параметры, обеспечивающие получение качественной стали для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья.

Пример приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья показан на принципиальной технологической схеме (Фиг.1).

В состав производственной линии входит следующее оборудование для выполнения технологических операций: бункеры накопительные исходного сырья - металлического алюминия крупной фракции 1, мелкой фракции 2, окалины легирующих элементов 3, стального наполнителя 4, оксидов железа 5, транспортер 6, бункеры загрузочные 7, измельчитель молотковый 8, сепаратор магнитный 9, контейнеры технологические 10, питатель 11, печь барабанная проходная 12, вентилятор 13, сито вибрационное 14, смеситель 15, агрегат фасовочный 16, установка вакуумирования с аппаратом для герметизации сваркой полимерной упаковки 17.

При приготовлении алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов выполняют следующие операции. Бункеры накопительные 1-5 заполняют по назначению исходным сырьем. Оксиды железа из бункера 5 транспортером 6 направляют в загрузочный бункер 7 молоткового измельчителя 8, где происходит их переработка. Измельченные до однородного по размеру частиц состояния оксиды железа поступают в загрузочный бункер 7 магнитного сепаратора 9. Отходы сепарации сбрасывают в контейнер 10, а отсепарированный продукт через загрузочный бункер 7 поступает в питатель 11 барабанной проходной печи 12, где происходит процесс модификация оксидов железа прокаливанием при дополнительной подаче воздуха вентилятором 13. Из барабанной проходной печи модифицированные оксиды железа через загрузочный бункер 7 поступают в вибрационное сито 14, где осуществляется дополнительное фракционирование и повышение однородности по размерам модифицированных оксидов железа, а отсев удаляется в контейнеры 10.

Готовый для рецептуры оксид железа направляют в смеситель 15, куда одновременно добавляют расчетные количества остальных компонентов смеси из накопительных бункеров 1-4. В смесителе производят процесс образования связнодисперсной структурированной системы, которая представляет собой готовую смесь. Из смесителя готовая смесь поступает в фасовочный агрегат 16, а затем в вакуумный пресс, где с помощью вакуума происходит стабилизация дисперсной системы в эластичной воздухонепроницаемой упаковке, что исключает расслоение компонентов при транспортировке потребителю, обеспечивает стабильность и качество смеси.

В рамках патентуемого изобретения возможны и другие компоновки технологического оборудования.

Применение указанных смесей для термитной сварки рельсов методом промежуточного литья подтвердило, что они обеспечивают получение стали высокого качества, близкой по химическому составу и прочностным характеристикам к металлу соединяемых рельсов.

Так, например, результаты испытаний показали, что значения прочности нескольких десятков тысяч сварных швов, например, для рельсов Р65, уложенных в путях общего пользования РЖД России, по контролируемой разрушающей нагрузке в зоне растяжения подошвы испытываемых натурных образцов на пролете 1 м стабильны и превышают нормируемый показатель 1340 кН.

Анализ промышленных испытаний на железных дорогах в различных климатических зонах подтвердил, что предложенные алюминотермитные реакционные смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья обеспечивают повторяемость результатов по химическому составу стали сварного шва и его прочности, позволяют управлять параметрами алюминотермитной химической реакции, что дает возможность выполнять надежную сварку рельсов с различным химическим составом.

Использование для приготовления смесей промышленных отходов обычной железной и легированной окалины, обеспечение сохранения их параметров при транспортировке к месту сварки, за счет исключения расслоения, позволяет достичь поставленную задачу и приносит существенный экономический эффект.

Изобретение относится к получению алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья. Алюминотермитная смесь содержит в стехиометрическом соотношении окалину, модифицированную в полном объеме прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с одновременной продувкой воздухом, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов и металлов и стальной наполнитель. Все компоненты перемешаны до равномерного распределения компонентов в объеме смеси и образования связнодисперсной структурированной системы, стабилизированной путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке. Технологическая линия содержит бункер для оксидов железа в виде окалины, связанный транспортером с измельчителем окалины, магнитный сепаратор, печь прокаливания с вентилятором, вибрационное сито, смеситель, фасовочный агрегат с вакуумным прессом и аппаратом для герметизации. При этом смеситель связан с накопительными бункерами для металлического алюминия, легирующих добавок в виде окалины и стального наполнителя. Смесь обеспечивает стабильность, повторяемость и управление параметрами химической реакции, повышение качества легирования и сокращение потерь легирующих элементов. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, содержащая в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде промышленных отходов, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов и металлов и стальной наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве оксидов железа она содержит окалину, модифицированную в полном объеме прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с одновременной продувкой воздухом, при этом все компоненты смеси перемешаны до равномерного распределения компонентов в объеме смеси и образования связнодисперсной структурированной системы, которая стабилизирована путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке.

2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит окалину с однородными по размеру частицами, выбранными из диапазона частиц с размером 0,1-5 мм, обеспечивающими заданную скорость реакции и интервал времени для выплавки стали.

3. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит металлический алюминий двух фракций в виде пудры в количестве 8-12 мас.% и в виде порошка - остальное.

4. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве легирующих добавок она содержит окалину, взятую после ковки или прокатки заготовок из легированной стали.

5. Способ приготовления алюмотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, включающий смешивание в стехиометрическом соотношении оксидов железа в виде окалины, металлического алюминия в качестве восстановителя, легирующих добавок в виде ферросплавов и металлов и стального наполнителя, отличающийся тем, что перед смешиванием окалину модифицируют в полном объеме прокаливанием при температуре в интервале 150-1000°С с одновременной продувкой воздухом, смешивание проводят до равномерного распределения компонентов в объеме смеси и образования связнодисперсной структурированной системы и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что используют окалину с однородными по размеру частицами, выбранными из диапазона частиц с размером 0,1-5 мм.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что используют металлический алюминий двух фракций в виде пудры в количестве 8-12 мас.% и в виде порошка - остальное.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве легирующих добавок в смесь вводят окалину, взятую после ковки или прокатки заготовок из легированной стали.

9. Технологическая линия для приготовления алюмотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, содержащая накопительный бункер для оксидов железа в виде окалины, связанный транспортером с измельчителем окалины, магнитный сепаратор, печь прокаливания с вентилятором, вибрационное сито для фракционирования модифицированной окалины, смеситель для образования готовой смеси в виде связнодисперсной структурированной системы, фасовочный агрегат с вакуумным прессом для вакуумирования воздухопроницаемой упаковки с готовой смесью и аппаратом для герметизации указанной упаковки, при этом смеситель связан с накопительными бункерами для металлического алюминия крупной фракции и мелкой фракции, легирующих добавок в виде окалины и стального наполнителя.