ШИХТА ДЛЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ Российский патент 2019 года по МПК B23K35/36 B23K35/368 

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к производству порошковой проволоки, и может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости.

Известно, что для наплавки ответственных изделий, к которым предъявляются высокие требования по твердости и износостойкости, используются сплавы марганца (Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / под ред. Б.Е. Патона. - Москва: Металлургия, 1974. - 768 с.). Для получения ферромарганца используют, в основном, бесфлюсовый способ выплавки (Рысс М.А Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1985. - 344 с.). При этом восстановление углеродом происходит по реакциям:

Следует отметить, что производство марганца связано с большими материальными затратами, при этом существующая схема производства включает в себя извлечение марганца при плавке ферросплавов с потерями марганца при производстве в шлак и в виде пыли с отходящими газами, а также при помоле и рассеве, кроме того, при последующем использовании при производстве стали происходит окисление легирующих элементов и уменьшение сквозного извлечения марганца. Известны технологии прямого легирования, предполагающие восстановление легирующих элементов непосредственно из оксидного сырья при дуговом разряде (Прямое легирование рельсовой стали ванадийсодержащим шлаком / В.В. Могильный, В.Ф. Царев, Н.А. Козырев и др. // Изв. вузов. Чер. металлургия. - 1997. - №12. - С. 40-42.; Прямое легирование стали марганцем в дуговых электросталеплавильных печах / Н.В. Толстогузов, Л.А. Годик, Н.А. Козырев и др. // Сталь. - 1995. - №1. - С. 24-27.) В связи с чем, возможно введение в шихту порошковой проволоки оксидов марганца и восстановление оксидов марганца при электродуговом разряде по реакциям (1-3).

Известна, выбранная в качестве прототипа (RU №2623981 МПК В23К 35/36, В23К 35/368) шихта порошковой проволоки, содержащая пыль электрофильтров алюминиевого производства, которая дополнительно содержит вольфрамовый концентрат КШ-4 при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Вольфрамовый концентрат 19-81 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 19-81,

при этом пыль электрофильтров алюминиевого производства имеет следующий состав, мас. %: Al₂O₃=21-43,27; F=18-27; Na₂O=8-13; K₂O=0,4-6%, СаО=0,7-2,1; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-2,3; С_общ=12,5-26,7, MnO=0,03-0,9, MgO=0,04-0,9, S=0,09-0,46, P=0,1-0,18

Недостатками данной шихты порошковой проволоки являются:

- использование в качестве оксидной составляющей руд, а не техногенных отходов металлургического производства;

- высокие затраты связанные с использованием дефицитного и дорогостоящего материала - вольфрамового концентрата в значительных количествах;

- высокая трудоемкость при изготовлении проволоки в связи с необходимостью использования специального оборудования для извлечения и обогащения вольфрамсодержащих руд, а так же измельчения вольфрамового концентрата до малых размеров;

- пониженная твердость и износостойкость наплавляемого металла.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении качественных показателей наплавляемого металла, в частности твердости и износостойкости, а также утилизации отходов металлургического производства.

Для решения существующей технической проблемы предлагается в шихту для порошковой проволоки, содержащую пыль электрофильтров алюминиевого производства, ввести дополнительно пыль газоочистки производства силикомарганца, а компоненты взять в следующем соотношении, мас. %:

Пыль газоочистки производства силикомарганца 47-80 Пыль электрофильтров алюминиевого производства 20-53

Техническими результатами при использовании изобретения являются:

- повышение качественных показателей наплавляемого металла, в частности износостойкости и твердости;

- полезное использование отходов металлургического производства; Введение в состав шихты порошковой проволоки пыли газоочистки производства силикомарганца позволяет:

- проводить восстановление марганца, из оксидов пыли газоочистки производства силикомарганца, углеродом, содержащимся в пыли газоочистки производства алюминия, за счет чего получить наплавленный марганецсодержащий металл повышенной износостойкости;

- утилизировать отходы с получением востребованного материала.

Заявляемые пределы подобраны эмпирическим путем, исходя из качества, получаемого при наплавке металла, стабильности процесса наплавки, предотвращения образования холодных трещин и получения требуемых эксплуатационных свойств.

Для изготовления шихты порошковой проволоки использовали:

- в качестве восстанавливаемого материала - пыль газоочистки силикомарганца, мас. %: Al₂O₃=1,17-3,52; Na₂O=0,3-0,93; K₂O=0,2-5,6; СаО=5,2-7,6; SiO₂=15,7-45,1; ВаО=0,04-0,21; MgO=5,31-10,73; S=0,08-0,47; Р=0,02-0,05; Fe_общ=0,5-1,8; Mn_общ=5,7-35,6; Zn=0,1-3,2; Pb=0,1-3,8.

- в качестве углеродистого восстановителя - пыль электрофильтров алюминиевого производства - углеродфторсодержащие пылевидные отходы с химическим составом масс. %: Al₂O₃=21-43,27; F=18-27; Na₂O=8-13; K₂O=0,4-6%, СаО=0,7- 2,1; SiO₂=0,5-2,48; Fe₂O₃=2,1-2,3; С_общ=12,5-26,7, MnO=0,03-0,9, MgO=0,04-0,9, S=0,09-0,46, Р=0,1-0,18;

Соотношение пыли газоочистки силикомарганца и пыли электрофильтров алюминиевого производства в составе заявляемой шихты производилось с учетом получения высококачественного наплавленного металла (стабильное горение дуги, хорошее формирование, плотный наплавленный металл без трещин, пор и неметаллических включений). Порошковая проволока изготавливалась из стальной холоднокатаной ленты 08кп (оболочка) размером 15×0,8 мм. Шихта перемешивалась в смесителе для получения однородной массы. Порошковая проволока прокаливалась для удаления влаги при температуре 250-350°C. Диаметр готовой проволоки - 3,7 мм. Порошковой проволокой с предложенной шихтой производилась наплавка под флюсом. Наплавку производили под флюсом на пластины из стали марки 60Г с использованием трактора ASAW 1250.

Химический состав наплавленного металла определяли рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре XRF-1800 и атомно-эмиссионным методом на спектрометре ДФС-71. Металлографическое исследование микрошлифов проводилось с помощью оптического микроскопа OLYMPUS GX-51 в светлом поле при различных увеличениях после травления в спиртовом растворе азотной кислоты, а также в растворе плавиковой кислоты. Замеры твердости проводили ультразвуковым твердомером - УЗИТ-3. Наличие трещин в процессе наплавки оценивали визуально, после наплавки наличие трещин, пор и неметаллических включений оценивали ультразвуковым и магнитопорошковым методами, а также на металлографических шлифах. Испытания на износ по схеме «ДИСК-КОЛОДКА» проводили на машине 2070 СМТ-1.

Исследовались 6 различных составов шихты (таблица 1) порошковой проволоки, мас. %: 1 - нижний заграничный состав; 2 - нижний граничный состав, 3, 4 - среднее содержание состава заявляемой шихты; 5 - верхний предел заявляемой шихты; 6 - верхний заграничный состав. Взаимосвязь некоторых исследуемых параметров в зависимости от состава шихты приведена в таблице 2.

Использование заявляемого состава шихты порошковой проволоки по сравнению с базовым составом (прототип) позволяет:

- Повысить качество наплавленного металла за счет снижения его загрязненности неметаллическими включениями, снижения вероятности порообразования и предотвращения образования холодных трещин, улучшить формирование шва при сварке за счет стабилизации горения дуги, при этом повышена твердость наплавленного металла до HRC 52-58 за счет полученных карбидов типа Mn₇C₃, а износ нетермообработанных образцов уменьшен до 0,004-0,005 г/об.

- Снизить себестоимость порошковой проволоки по сравнению с прототипом в среднем на 1520 руб/т проволоки за счет снижения содержания легирующих компонентов в шихте, а так же использования металлургических отходов (пыли газоочистки производства силикомарганца и пыли электрофильтров алюминиевого производства) в заявляемой шихте.

Изобретение может быть использовано при наплавке рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости. Шихта для порошковой проволоки содержит пыль электрофильтров алюминиевого производства и пыль газоочистки производства силикомарганца при следующем соотношении компонентов, мас.%: пыль газоочистки производства силикомарганца 47-80, пыль электрофильтров алюминиевого производства 20-53. Введение в состав шихты порошковой проволоки пыли газоочистки производства силикомарганца позволяет проводить восстановление марганца из оксидов пыли газоочистки производства силикомарганца углеродом, содержащимся в пыли газоочистки производства алюминия, за счет чего получить наплавленный марганецсодержащий металл повышенной износостойкости и утилизировать отходы с получением востребованного материала. 2 табл.

Шихта для порошковой проволоки, содержащая пыль электрофильтров алюминиевого производства с химическим составом, мас. %: Al₂O₃=21-43,27, F=18-27, Na₂O=8-13, K₂O=0,4-6,0, СаО=0,7-2,1, SiO₂=0,5-2,48, Fe₂O₃=2,1-2,3, С_общ=12,5-26,7, MnO=0,03-0,9, MgO=0,04-0,9, S=0,09-0,46, Р=0,1-0,18, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит пыль газоочистки производства силикомарганца при следующем соотношении компонентов, мас. %:

пыль газоочистки производства силикомарганца 48-80 пыль электрофильтров алюминиевого производства 20-52

при этом пыль газоочистки производства силикомарганца имеет следующий состав, мас. %: Al₂O₃=1,17-3,52, Na₂O=0,3-0,93, K₂O=0,2-5,6, СаО=5,2-7,6, SiO₂=15,7-45,1, ВаО=0,04-0,21, MgO=5,31-10,73, S=0,08-0,47, Р=0,02-0,05, Fe_oбщ=0,5-1,8, Мn_общ=5,7-35,6, Zn=0,1-3,2, Pb=0,1-3,8.