АГЛОМЕРИРОВАННЫЙ ФЛЮС 48АФ-70 Российский патент 2014 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к агломерированным флюсам, и может быть использовано для сварки низколегированных теплоустойчивых сталей перлитного класса, применяемых в нефтехимической промышленности. Данный агломерированный флюс разработан для сварки стали 2,25Cr-1Mo-0,25V композиции.

Известен ближайший по составу и области применения агломерированный флюс (прототип) для автоматической сварки низколегированных сталей (Патент России RU 2313435, В23К 35/362), содержащий обожженный магнезит, электрокорунд, плавиковошпатовый концентрат, сфеновый концентрат, марганец металлический, ферротитан, ферросилиций, титаномагнетит, ферробор, диоксид титана синтетический и связующую добавку силикат натрия-калия, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Обожженный магнезит 26,40-30,0 Электрокорунд 18,60-22,0 Плавиковый шпат 20,0-20,50 Сфеновый концентрат 12,20-14,50 Диоксид титана синтетический 5,0-0,80 Марганец металлический 2,0-3,0 Ферротитан 0,25-0,50 Ферросилиций 0,50-0,80 Титаномагнетит 0,50-0,80 Ферробор 0,20-0,37 Силикат натрия-калия 6,55-8,10

При этом отношение суммарного содержания обожженного магнезита, плавикого шпата и 1/3 сфенового концентрата к суммарному содержанию 2/3 сфенового концентрата, 2/3 силиката натрия-калия, 1/2 электрокорунда и 1/2 диоксида титана выбрано в пределах 1,8-2,1, отношение ферротитана к ферробору - в пределах 0,67-2,5, а отношение диоксида титана синтетического к плавиковому шпату выбрано в пределах 0,24-0,32.

Недостатком данного флюса является сильная загрязненность металла шва фосфором, из-за его высокого содержания в сфеновом концентрате. Фосфор способствует снижению механических свойств металла шва после термической обработки. Также содержание бора во флюсе приводит к образованию боридных фаз в металле шва, способствующих его тепловому охрупчиванию при рабочих температурах.

Техническим результатом данного изобретения является повышение ударной вязкости металла сварных швов, выполненных с использованием флюса предлагаемого состава после проведения высокого отпуска, при температуре от минус 30°C до минус 18°C с одновременным повышением прочности металла шва при температурах до +454°C и улучшением сварочно-технологических свойств.

Технический результат достигается тем что:

предлагаемый состав агломерированного флюса, содержащий: электрокорунд, плавиковый шпат, титаномагнетитовый концентрат, ферротитан, ферросилиций, обожженный магнезит, марганец металлический, также дополнительно содержит синтетический шлак и фтористый барий, а в качестве связующей добавки - силикат натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Электрокорунд 18,65-25,0; Синтетический шлак 14,0-18,0; Плавиковый шпат 23,0-25,65; Титаномагнетитовый концентрат 0,50-1,0; Фтористый барий 0,40-1,5; Марганец металлический 1,0-2,50; Ферротитан 0,30-0,60; Ферросилиций 0,20-0,50; Обожженный магнезит 23,0-34,30; Силикат натрия 5,0-8,0,

при этом отношение суммарного содержания магнезита, плавикового шпата 1/3 синтетического шлака и 1/3 силиката натрия к суммарному содержанию 2/3 синтетического шлака, 1/2 электрокорунда и 2/3 силиката натрия находится в пределах 2,25-3,18, при этом синтетический шлак имеет следующий состав, мас.%: SiO₂ (15-35), CaO (45-60), Al₂O₃ (5-10), CaF₂ (8-16).

В состав флюса введен синтетический шлак взамен сфенового концентрата и синтетического диоксида титана, что способствует снижению остаточного содержания кислорода в металле шва, негативным образом влияющего на его ударную вязкость;

- в состав флюса введен фтористый барий, обеспечивающий уменьшение количества и размера неметаллических включений за счет улучшения отделимости шлаковой корки;

- в качестве связующей добавки введен силикат натрия, обеспечивающий снижение диффузионного водорода в наплавленном металле, что уменьшает склонность металла шва к водородному охрупчиванию.

При превышении содержания электрокорунда сверх указанных пределов отмечается повышенная загрязненность металла шва алюмосиликатными включениями, из-за чего происходит снижение ударной вязкости металла шва. При содержании электрокорунда ниже указанного предела происходит ухудшение сварочно-технологических свойств флюса.

Пределы содержания синтетического шлака выбраны с точки зрения повышения ударной вязкости и увеличения прочности металла шва.

Пределы содержания плавикового шпата выбраны с точки зрения обеспечения наилучших сварочно-технологических свойств и отделимости шлаковой корки. При превышении содержания плавикового шпата выше указанного предела наблюдается ухудшение отделимости шлаковой корки. При содержании плавикового шпата ниже указанного предела наблюдается нестабильное горение дуги.

Введение в состав флюса добавок титаномагнетита и фтористого бария в указанных пределах приводит к улучшению сварочно-технологических свойств флюса за счет улучшения смачиваемости жидкого металла расплавленным шлаком.

Содержание марганца металлического, ферротитана и ферросилиция выбраны с учетом обеспечения сочетания высоких прочностных и пластических свойств металла сварного шва, а также его высокой ударной вязкости. При содержании указанных элементов ниже указанных пределов отмечается снижение предела текучести и временного сопротивления металла шва после проведения высокого отпуска. При привышении указанных пределов снижается пластичность и ударная вязкость металла шва.

Указанные пределы содержания химических соединений в синтетическом шлаке выбраны с учетом обеспечения возможности его выплавки в электрической печи, так как в этих пределах выбранный состав попадает в область тройной эвтектики на диаграмме плавкости.

Изготовление данного флюса возможно на промышленных автоматизированных линиях по производству агломерированных флюсов.

Были изготовлены опытные партии агломерированных флюсов, составы которых приведены в таблице 1.

Проведена сварка стыковых соединений из стали 2,25Cr-1Mo-0,25V композиции с использованием проволоки марки Св-15Х3ГМ1ФТА ⌀4 мм в сочетании с изготовленными вариантами флюса.

Таблица 1 Состав опытных партий агломерированного флюса, мас.% Наименование компонента № партии I II III IV прототип Магнезит обожженный 23,0 34,30 27,6 30,0 Электрокорунд 25,0 18,65 19,0 20,0 Синтетический шлак 16,65 14,0 18,0 - Плавиковый шпат 23,0 23,0 25,65 20,0 Титаномагнетитовый концентрат 1,0 0,50 0,50 0,60 Фтористый барий 1,50 1,0 0,40 - Диоксид титана синтетический - - - 6,50 Сфеновый концентрат - - - 12,20 Ферробор - - - 0,20 Марганец металлический 2,50 1,0 1,50 3,10 Ферротитан 0,60 0,60 0,30 0,35 Ферросилиций 0,20 0,50 0,50 0,50 Силикат натрия 6,55 6,55 6,55 - Силикат натрия-калия - - - 6,55 В^* 2,25 3,18 2,73 2,10 ^* В - соотношение суммарного содержания, магнезита, плавикового шпата, 1/3 синтетического шлака, 1/3 сфенового концентрата и 1/3 силиката натрия (силиката натрия-калия) к суммарному содержанию 2/3 синтетического шлака, 1/2 электрокорунда, 2/3 сфенового концентрата и 2/3 силиката натрия (силиката натрия-калия). При этом синтетический шлак имеет следующий состав, мас.%: SiO₂ (15-35), CaO(45-60), Al₂O₃ (5-10), CaF₂ (8-16). Режимы сварки: Сила тока: 500-550 А Напряжение: 28-32 В Скорость: 25-27 м/ч

Сварка проводилась на постоянном токе обратной полярности.

Сварочная проволока Св-15Х3ГМ1ФТА имеет следующий состав, % по мас.:

Углерод 0,14-0,16 Кремний 0,15-0,22 Марганец 0,70-0,90 Хром 2,10-2,50 Молибден 0,90-1,20 Ванадий 0,15-0,40 Железо основа

Результаты определения химического состава металла шва приведены в таблице 2.

Таблица 2 Химический состав металла шва, мас.% Варианты флюса Химический элемент С Si Mn Cr Mo V Ni S P I 0,07 0,18 0,98 1,98 1,01 0,15 0,01 0,009 0,009 II 0,11 0,25 1,22 2,15 1,02 0,20 0,01 0,003 0,007 III 0,09 0,22 1,18 2,12 1,01 0,18 0,01 0,003 0,009 IV - прототип 0,07 0,56 1,35 2,10 1,00 0,16 0,01 0,005 0,014

Результаты определения механических свойств металла шва после проведения термической обработки по режиму 660±10°C/2 ч 5 мин + 705-710°C/7 ч 55 мин, а также результаты проверки сварочно-технологических свойств приведены в таблице 3.

Таблица 3 Результаты определения механических свойств металла шва, а также сварочно-технологических свойств Варианты флюса $$R_m^{+20}$$
МПа $$R_{p\mathrm{0,2}}^{+20}$$
МПа А⁺²⁰, % Z⁺²⁰, % $$R_m^{+454}$$
МПа KV^-18,
Дж/см² KV^-30,
Дж/см² Сварочно-технологи-
ческие свойства Требования
заказчика 585-760 415-620 ≥18 ≥45 ≥461 ≥55 ≥55 удовл. I 630-650 545-550 19-23 69-74 475-500 38-64 25-68 удовл. II 640-660 560-575 20-24 71-78 515-530 55-80 15-37 удовл. III 640-650 540-570 23,5-25 74-75 490-495 194-215 71-240 удовл. IV 550-560 520-540 12,5-14 66-72 440-460 10-142 10-21 удовл.

Были проведены дополнительные исследования, которые показали что при повышении соотношения В>3,18 не удается обеспечить удовлетворительные сварочно-технологические свойства, из-за чего в металле шва образуется большое количество дефектов (шлаковые включения, побитость и т.д.), что отрицательным образом сказывается на значениях ударной вязкости.

При использовании прототипа не удалось получить требуемые значения механических свойств металла шва вследствие его теплового охрупчивания из-за высокого содержания в нем бора и фосфора.

При соотношении В < 2,25 не обеспечиваются требуемые значения ударной вязкости металла шва из-за загрязненности его неметаллическими включениями вследствие высокой окислительной способности шлака.

При соблюдении предлагаемого соотношения компонентов обеспечиваются прочностные и пластические свойства металла шва, а также высокий уровень его ударной вязкости.

Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочного флюса для изготовления корпусов нефтехимического оборудования с высокими рабочими параметрами выразится в повышении срока службы оборудования при обеспечении его повышенной безопасности.

Изобретение может быть использовано для сварки низколегированных теплоустойчивых сталей перлитного класса, применяемых в нефтехимической промышленности. Флюс содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: электрокорунд (19,0-25,0), синтетический шлак (14,0-18,0), плавиковый шпат (23,0-25,65), титаномагнетитовый концентрат (0,50-1,0), фтористый барий (0,40-1,5), марганец металлический (1,0-2,50), ферротитан (0,30-0,60), ферросилиций (0,20-0,50), обожженный магнезит (23,0-34,30), силикат натрия (5,0-8,0). Отношение суммарного содержания обожженного магнезита, плавикового шпата и 1/3 синтетического шлака, 1/3 силиката натрия к суммарному содержанию 2/3 синтетического шлака, 1/2 электрокорунда и 2/3 силиката натрия находится в пределах 2,25-3,18. Синтетический шлак имеет следующий химический состав, мас.%: SiO₂ (15-35), СаО (45-60), Al₂O₃ (5-10), CaF₂ (8-16). Флюс обеспечивает высокую ударную вязкость металла сварных швов, выполненных с использованием сварочной проволоки марки Св-15Х3ГМ1ФТА, после проведения высокого отпуска, при температуре испытаний от минус 30°C и одновременно высокую прочность металла шва при температурах до +454°C. 3 табл.

Агломерированный флюс для сварки низколегированных сталей, содержащий электрокорунд, плавиковый шпат, титаномагнетитовый концентрат, ферротитан, ферросилиций, обожженный магнезит, марганец металлический, отличающийся тем, что он дополнительно содержит синтетический шлак, фтористый барий и силикат натрия в качестве связующей добавки, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Электрокорунд 18,65-25,0; Синтетический шлак 14,0-18,0; Плавиковый шпат 23,0-25,65; Титаномагнетитовый концентрат 0,50-1,0; Фтористый барий 0,40-1,5; Марганец металлический 1,0-2,50; Ферротитан 0,30-0,60; Ферросилиций 0,20-0,50; Обожженный магнезит 23,0-34,30; Силикат натрия 5,0-8,0,