ФЛЮС ДЛЯ СВАРКИ Российский патент 2016 года по МПК B23K35/362 

Изобретение относится к сварке, конкретно к электродуговой сварке под флюсом, в частности к флюсам, предназначенным для сварки низко- и среднелегированных сталей.

Известен выбранный в качестве прототипа [1] плавленый сварочный низкокремнистый флюс для сварки низко- и среднелегированных сталей, содержащий окись кремния, окись алюминия, окись кальция, окись марганца, фтористый кальций, сумму окислов калия и натрия, фтористый натрий, окислы железа, фосфор, отличающийся тем, что флюс содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: окислы железа 2-4, окись кремния 9-12, окись кальция 18-24, окись алюминия 36-48, окись марганца 5-7, окись магния 5-7, фтористый кальций 5-8, сумма окислов калия и натрия 1-2,5, фтористый натрий 1,0-2,5, фосфор 0,007-0,010, при этом массовое соотношение окиси кремния, кальция и алюминия составляет 1:2:4, а отношение фосфора к сумме окислов железа менее 0,004.

Существенными недостатками данного флюса для сварки являются:

- высокая стоимость в связи с использованием дорогостоящих природных материалов и затрат, связанная с подготовкой шихты к плавке, а также необходимостью использования для выплавки флюса специальных агрегатов;

- высокая окисленность (содержание оксидов железа), приводящая к загрязнению сварного шва оксидными неметаллическими включениями и снижению механических свойств сварной конструкции;

- отсутствие углеродсодержащих составляющих, позволяющих проводить удаление кислорода в виде газообразных соединений СО и СО₂, не загрязняющих сварной шов оксидными неметаллическими включениями и, как следствие, повышающих механические свойства сварной конструкции.

- неустойчивое горение дуги из-за недостаточного количества элементов, облегчающих возбуждение и стабилизирующих горение дуги (в частности, натрия и калия).

Известен также флюс для сварки [2], содержащий диоксид кремния, оксид марганца, оксид кальция, оксид магния, оксид алюминия, оксид калия, оксид натрия, оксид железа, фторид кальция, отличающийся тем, что в качестве материалов на основе диоксида кремния и оксида марганца использованы пылевидные отходы производства ферросилиция; в качестве материалов на основе оксида кальция, оксида магния использованы пылевидные отходы производства извести; в качестве материалов на основе оксида алюминия, оксида калия, оксида натрия, оксида железа и фторида кальция использованы пылевидные отходы производства алюминия, а в качестве связующего материала содержащего оксид калия, оксид натрия использованы калиево-натриевое жидкое стекло, при этом в качестве пылевидных отходов производства извести использована пыль газоочистки с содержанием СаО не менее 85 мас. %, в качестве пылевидных отходов производства ферросилиция использована пыль газоочистки ферросплавного производства с содержанием SiO₂ не менее 98 мас. %, а в качестве пылевидных отходов производства алюминия использована пыль электрофильтров, имеющая следующий химический состав, мас. %: Al₂O₃=21-46,23; F⁺=18-27; Na₂O=8-15; К₂О=0,4-6%, СаО=0,7-2,3; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-3,27; С_общ=12,5-30,2, MnO=0,07-0,9, MgO=0,06-0,9, S=0,09-0,59, Р=0,1-0,18; при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Пылевидные отходы   производства извести 33,9-44,5 Пылевидные отходы   производства ферросилиция 20,5-31,1 Пылевидные отходы   производства алюминия 22-27 Жидкое стекло 8-13

Существенными недостатками данного флюса для сварки являются:

- повышенная стоимость при производстве флюса в связи с использованием многокомпонентной системы;

- недостаточная прочность флюса при выполнении операций транспортировки, пересыпки и доставки, а также в ряде случаев неустойчивое горение дуги в связи с низкой концентрацией жидкого стекла во флюсе;

- в ряде случаев повышенная загрязненность сварного шва и наплавляемого металла неметаллическими включениями экзогенного характера в связи с пониженными рафинирующими свойствами образующегося шлака из-за высокой концентрации MgO и низкого содержания MnO.

Техническими результатами изобретения являются:

- снижение стоимости флюса в связи с использованием вторичных продуктов;

- повышение уровня механических свойств сварных конструкций из-за уменьшения уровня загрязненности стали оксидными неметаллическими включениями в связи со снижение концентрации FeO в шлаке и проведением углеродного раскисления;

- повышение устойчивости горения дуги и улучшение качества сварного шва.

Для этого предлагается флюс для сварки, содержащий оксид кремния, оксид алюминия, оксид кальция, оксид магния, оксид марганца, фтористый кальций, оксиды калия и натрия, фтористый натрий, оксид железа и жидкое стекло, отличающийся тем, что упомянутые оксиды и фториды введены в виде шлака производства силикомарганца и в виде пылевидных отходов производства алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Шлак производства силикомарганца 88,0-98,0 Пылевидные отходы   производства алюминия 1,0-6,0 Жидкое стекло 1,0-6,0

при этом шлак производства силикомарганца содержит, мас. %.: SiO₂=25-49, Al₂O₃=4-28, СаО=15-32, CaF₂=0,1-1,5, MgO=1,7-9,8 MnO=3-17, FeO=0,1-3,5, S≤0,20, P≤0,05, а пылевидные отходы производства алюминия имеют следующий химический состав, мас. %: Al₂O₃=21-38,27; F=18-27; Na₂O=8-13; K₂O=0,4-6,6, СаО=0,7-2,1; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-2,3; С_общ=12,5-27,2, MnO=0,03-0,9, MgO=0,04-0,9, S=0,09-0,46, P=0,1-0,18.

Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем исходя из качества получаемых при сварке швов, стабильности процесса сварки и наплавки, а также требуемых механических свойств.

Введение в состав флюса шлака производства силикомарганца обеспечивает хорошее формирование шлака и высокие рафинирующие и укрывные свойства формирующихся шлаков.

Введение в состав флюса пылевидных отходов производства алюминия позволяет:

- проводить активное раскисление за счет образования СО и CO₂, образующихся при взаимодействии фтористого углерода CF_x (1≥x>0) с растворенным в стали кислородом, при этом в связи с тем, что углерод находится в связанном состоянии, науглероживание стали практически не происходит;

- проводить удаление водорода за счет комплекса фторсодержащих соединений (типа Na₂SiF₆, NaF, KF, CF_x (1≥x>0), AlF₃, Na₃AlF₆), разлагающихся при температурах сварочных процессов с выделением F, который в свою очередь взаимодействует с водородом растворенным в стали с образованием газообразного соединения HF;

- повысить устойчивость горения дуги за счет элементов, облегчающих ионизацию в столбе дуги - калия и натрия.

Введение жидкого стекла обусловлено, с одной стороны, использованием его в качестве связующего заявляемого флюса для сварки, а с другой стороны, как материала, повышающего, за счет содержащегося калия и натрия, устойчивость горения дуги.

Для изготовления флюса для сварки в качестве шлака производства силикомарганца использовали шлак производства силикомарганца, выплавленный в рудотермических печах углетермическим способом непрерывным процессом с содержанием, мас. %.: SiO₂=25-49, Al₂O₃=4-28, СаО=15-32, CaF₂=0,1-1,5, MgO=1,7-9,8, MnO=3-17, FeO=0,1-3,5, S≤0,20, P≤0,05.

В качестве пылевидных отходов производства алюминия использовали пыль электрофильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, мас. %: Al₂O₃=21-38,27; F=18-27; Na₂O=8-13; K₂O=0,4-6,6%, СаО=0,7-2,1; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-2,3; С_общ=12,5-27,2, MnO=0,03-0,9, MgO=0,04-0,9, S=0,09-0,46, P=0,1-0,18.

В качестве жидкого стекла использовали калиево-натриевое жидкое стекло с плотностью при 15-25°С - 1,30-1,55 г/см³ и силикатным модулем [SiO₂:(K₂O+Na₂O)·1,0323] - 2,6-3,0.

Изготовление заявляемого флюса для сварки проходило в 3 этапа. На первом этапе получали шлак производства силикомарганца. Выплавленный в рудотермических печах ферросплав - силикомарганец выпускался вместе с побочным продуктом - шлаком в ковш. После разливки силикомарганца шлак при сливе из ковша подвергался охлаждению. После чего проводили дробления, грохочения и просев через сито (ячейка 2×2 мм).

На втором этапе проводили смешение пылевидных отходов производства алюминия - пыли электрофильтров алюминиевого производства с жидким стеклом. Полученная смесь сушилась по разработанному режиму, после чего производили помол. Далее осуществляли просев через сито (ячейка 2×2 мм). Гранулы большего размера отправлялись на перемол.

На третьем этапе проводили смешение двух продуктов, полученных на первых двух этапах в заявляемых пропорциях.

Заявляемый флюс для сварки опробовали на образцах из стали марок 09Г2С и 09Г2. Сварку осуществляли проволокой Св-08ГА на пластинах длиной не менее 500 мм с использованием сварочного трактора ASAW-1250. Из сваренных пластин осуществляли вырезку образцов для механических испытаний (предела прочности - , Н/мм², предела текучести - , Н/мм², относительного удлинения δ, %, ударной вязкости при температуре минус 40°С - KCU^-40°C, Дж/см²), а также макро- и микроисследований.

Использование заявляемого флюса для сварки позволяет

1. Снизить стоимость сварочного флюса в 2,8 раза.

2. Снизить загрязненность стали оксидными неметаллическими включениями экзогенного характера в среднем на 0,02 мм и повысить общий уровень механических свойств сварного шва: предела текучести и предела прочности в среднем на 1,1 Н/мм², относительного удлинения в среднем на 0,8%, ударной вязкости при отрицательных температурах в среднем на 0,39 Дж/см².

3. Улучшить качество сварного шва.

Список источников

1. Пат. СССР 1685660, В23К 35/362.

2. Пат. РФ 2492983, В23К 35/36.

Флюс может быть использован для сварки низко- и среднелегированных сталей. Флюс содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: шлак производства силикомарганца 88,0-98,0, пылевидные отходы производства алюминия 1,0-6,0, жидкое стекло 1,0-6,0. Шлак производства силикомарганца содержит, мас. %: SiO₂ 25-49, Al₂O₃ 4-28, СаО 15-32, CaF₂ 0,1-1,5, MgO 1,7-9,8 MnO 3-17, FeO 0,1-3,5, S≤0,20, P≤0,05. Пылевидные отходы производства алюминия имеют следующий химический состав, мас. %: Al₂O₃ 21-38,27; F 18-27; Na₂O 8-13; K₂O 0,4-6,6, СаО 0,7-2,1; SiO₂ 0,5-2,48; Fe₂O₃ 2,1-2,3; С_общ 12,5-27,2, MnO 0,03-0,9, MgO 0,04-0,9, S 0,09-0,46, P 0,1-0,18. Применение флюса при сварке обеспечивает повышение уровня механических свойств сварных конструкций за счет уменьшения уровня загрязненности стали оксидными неметаллическими включениями путем снижения концентрации FeO в шлаке и проведения углеродного раскисления, а также повышение устойчивости горения дуги и улучшение качества сварного шва.

Флюс для сварки, содержащий оксид кремния, оксид алюминия, оксид кальция, оксид магния, оксид марганца, фтористый кальций, оксиды калия и натрия, фтористый натрий, оксид железа и жидкое стекло, отличающийся тем, что упомянутые оксиды и фториды использованы в виде шлака производства силикомарганца и в виде пылевидных отходов производства алюминия, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Шлак производства силикомарганца 88,0-98,0 Пылевидные отходы   производства алюминия 1,0-6,0 Жидкое стекло 1,0-6,0

при этом шлак производства силикомарганца содержит, мас. %: SiO₂ 25-49, Al₂O₃ 4-28, СаО 15-32, CaF₂ 0,1-1,5, MgO 1,7-9,8, MnO 3-17, FeO 0,1-3,5, S≤0,20, P≤0,05, а пылевидные отходы производства алюминия содержат, мас. %: Al₂O₃ 21-38,27, F 18-27, Na₂O 8-13, K₂O 0,4-6,6, СаО 0,7-2,1, SiO₂ 0,5-2,48, Fe₂O₃ 2,1-2,3, С_общ 12,5-27,2, MnO 0,03-0,9, MgO 0,04-0,9, S 0,09-0,46, P 0,1-0,18.