ТЕРМИТНАЯ РЕАКЦИОННАЯ СМЕСЬ ДЛЯ СВАРКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ Российский патент 2022 года по МПК B23K23/00 B23K35/24 

Изобретение относится к получению термитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья для путей железнодорожного, городского и промышленного транспорта.

Алюмотермитная сварка рельсов широко используется для сварки рельсов различного назначения. Алюмотермитная сварка основана на реакции восстановления железа из его оксидов путем окисления алюминия с выделением избыточного тепла, при котором происходит восстановление оксидов и расплавление образующегося металла, используемого в дальнейшем для заливки в зазор двух торцов рельсов, в дальнейшем происходит кристаллизация расплава и получение прочного соединения (Науменко B.C. Термитная сварка рельсов текст./ В.С. Науменко, А.А. Воробьев // М.: Наука, 1969. -184 с.; Малкин Б.В. Термитная сварка текст./ Б.В. Малкин, А.А. Воробьев // М.: Наука, 1973. - 268 с.).

Однако использование алюминия связано с образованием оксидов алюминия, загрязняющих сварной шов недопустимыми глиноземсодержащими включениями. При замене алюминия титаном исключается образование глиноземсодержащих включений и соответственно повышается уровень физико-механических свойств сварного шва.

Для защиты от окисления металла, образующегося при экзотермических реакций, а так же для улучшения процесса фазоразделения используют различные флюсующие добавки.

Так, известен железоалюминиевый термит (RU №2506147 В23К 23/00, В23К 35/36, опубл. 10.02.2014), содержащий алюминий и оксид железа, который получен формированием термитной смеси в виде гранул, при этом содержит синтетическое связующее нитроцеллюлозу и флюс Nocolok при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий 21-23 Оксид железа 72-74 Нитроцеллюлоза 2-6 Флюс Nocolok 0,3-1,0

Существенными недостатками известной реакционной смеси являются:

- высокая отбраковка сварных стыков по физико-механическим свойствам из-за пониженного качества сварного соединения, обусловленного расслоением металла, порами, раковинами и микротрещинами;

- пониженной стойкостью сформированного после сварки сварного шва в связи с присутствием большого количества оксидов алюминия, являющихся центрами зарождения трещин и снижающих эксплуатационную стойкость;

- низкое содержание углерода в получаемом сварном шве в связи с отсутствием во флюсе Nocolok углеродсодержащих составляющих.

Известен алюминиевый термит, состоящий из алюминия 65-75%, оксида железа 15 25% и графита 7-15% (SU №508362, МПК В23К 23/00, В23К 35/36, опубл. 30.03.1976).

Существенными недостатками данного термитной реакционной смеси являются:

- высокая отбраковка сварных швов по физико-механическим свойствам из-за пониженного качества сварного соединения, обусловленного расслоением металла, порами, раковинами и микротрещинами;

- пониженная стойкость сформированного после сварки алюмотермитного сварного шва в связи с присутствием большого количества оксидов алюминия, являющихся центрами зарождения трещин и снижающих эксплуатационную стойкость;

- высокое содержание углерода в образующемся сварном шве и увеличение твердости сварного шва по сравнению со свариваемыми торцами рельсов, приводящее к возможному образованию трещин на границе раздела сварной шов торец рельса.

Для приготовления термитных смесей в промышленных масштабах с экономической точки зрения целесообразно использовать в качестве сырья отходы промышленного производства в частности окалину образованную при прокатке железнодорожных рельсов.

Известна, выбранная в качестве прототипа (RU №2446928 МПК В23К 23/00, С21В 15/02, опубл. 10.04.2012) алюмотермитная 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 компоненты содержатся при следующем соотношении, мас.%:

Оксиды железа с размером частиц 0,1-5 мм 65-70, Металлический алюминий в виде частиц с размером 1-1,5 мм 15-20, Легирующие добавки (ферросплавы) в виде гранул размером 1-5 мм 5-10 Стальной наполнитель в виде частиц с размером 1-5 мм 5-10

Существенными недостатками данной реакционной смеси при использовании для сварки железнодорожных рельсов являются:

- высокая отбраковка сварных швов по физико-механическим свойствам из-за пониженного качества сварного соединения, обусловленного расслоением металла, порами, раковинами и микротрещинами;

- пониженная стойкость сформированного после сварки сварного шва в связи с присутствием большого количества оксидов алюминия являющихся центрами зарождения трещин и снижающих эксплуатационную стойкость.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в обеспечении требуемых физико-механических свойств сварного шва, за счет снижения загрязнения сварного шва оксидными глиноземсодержащими неметаллическими включениями и исключением окисления образующегося металла воздухом атмосферы в связи с защитой флюсующей добавкой поверхности металла.

Существующая техническая проблема решается тем, что термитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов, содержащая в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде промышленных отходов, восстановитель и легирующие добавки, согласно изобретению, в качестве оксидов железа она содержит окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов, в качестве восстановителя порошок титана, в качестве легирующих добавок-флюсов углеродфторсодержащую пыль газоочистки алюминиевого производства при следующем соотношении, мас.%: окалина 58-63, порошок титана 21-41,5, углеродфторсодержащая пыль газоочистки алюминиевого производства 0,5-16.

Технические результаты, получаемые в результате использования изобретения:

- обеспечение требуемых физико-механических свойств сварного шва за счет снижения уровня оксидных глиноземсодержащих неметаллических включений и обеспечения требуемого содержания углерода;

- исключение микротрещин в сварном шве, образующихся в результате высокой загрязненности металла сварного шва глиноземсодержащими неметаллическими включениями.

Предлагаемый способ осуществлялся с помощью установки термитной сварки. Заявленные соотношения компонентов термитной реакционной смеси подобраны опытным путем.

При использовании окалины менее 58% и порошка титана менее 21%, не удается получить стабильное горение термитной реакционной смеси, а при применении окалины более 63% и порошка титана более 41,5%, происходит бурное протекание термических реакций со значительными выбросами и получением повышенного уровня загрязненности неметаллическими включениями.

При использовании углеродфторсодержащей пыли фильтров алюминиевого производства в количестве ниже 0,5% и выше 16%, получены низкие и высокие значения углерода в сварном шве и соответственно требуемые физико-механические свойства.

В опытах использовали:

Углеродфторсодержащую пыль фильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, мас.%: Al₂O₃=19-48; F-17-28; Na₂O=2,8-12; K₂O=0,36-6,0; СаО=0,6-1,8; SiO₂=0,5-2,7; Fe₂O₃=1,7-3,6; С_общ=18-30; MnO=0,05-1,2; MgO=0,06-0,87; S=0,09-0,34; Р=0,09-0,15.

Окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов с химическим составом: FeO - 95,64; MnO - 1,16; СаО - 0,096; SiO₂ - 1,70; Al₂O₃ - 0,32; MgO - 0,21; Na₂O - 0,034; S - 0,085; Р - 0,004; V₂O₅ - 0,031; Cr₂O₃ - 0,27; NiO - 0,043; CuO - 0,084 фракции 0,1-1,5 мм. предварительно просушенную при температуре 400-600°С в течение 4-5 часов.

Порошок титана фракции менее 0,1 мм марки ПТС-1 по ТУ 14-22-57-92.

Проведение экспериментов проводилось путем сваривания двух полнопрофильных образцов рельсов Р65. Испытание стыков на трехточечный статический изгиб проводилось согласно ГОСТ 34664-2020 «Рельсы железнодорожные, сваренные термитным способом. Технические условия». Испытания на статический изгиб проводили на прессе ПМС-320. Нагрузку прикладывали в середине пролета контрольного образца в месте сварного стыка. Результатами испытания являются значения усилия, возникающего при изгибе Р_изг, кН при которых происходит разрушение контрольного образца, либо максимальные значения данных показателей, если образец не разрушился во время испытаний.

В дальнейшем, после визуального контроля сварных стыков полнопрофильных рельсов, сваренные рельсы разрезались и производилось исследование уровня загрязненности неметаллическими оксидными включениями. Изучение загрязненности неметаллическими включениями исследовали с помощью металлографических микроскопов МЕТАМ РВ-34 и OLYMPUS GX-51 в светлом поле при увеличении х100 методом сравнения с эталонными шкалами ГОСТ 1778-70.

В таблице 1 приведены составы с граничными (2,5) и заграничными (1,6) заявленными пределами термитной реакционной смеси. Характеристики исследуемых параметров сварного шва, полученного при алюминотермическом способе сварки при заявляемом составе термитной реакционной смеси приведены в таблице 2.

В используемом прототипе отбраковка по микротрещинам, образованным в зоне сварки по оксидным неметаллическим включениям, по сравнению с прототипом (0,04-0,05%) снижена до 0,01-0,02%.

Использование заявляемого способа позволило обеспечить требуемые физико-механические свойства, низкое содержание оксидных неметаллических включений, образованных при сварке и снизить отбраковку по микротрещинам в зоне сварного шва.

Изобретение относится к получению термитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья для путей железнодорожного, городского и промышленного транспорта. Термитная реакционная смесь содержит в качестве оксидов железа окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов, в качестве восстановителя содержит порошок титана, а в качестве легирующих добавок – углеродфторсодержащую пыль газоочистки алюминиевого производства, при следующем соотношении, мас.%: окалина 58-63, порошок титана 21-41,5, углеродфторсодержащая пыль газоочистки алюминиевого производства 0,5-16. Технический результат заключается в обеспечении требуемых физико-механических свойств сварного шва за счет отсутствия микротрещин в сварном шве, образующихся в результате загрязненности металла сварного шва глиноземсодержащими неметаллическими включениями. 2 табл.

Термитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов, содержащая в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде промышленных отходов, восстановитель и легирующие добавки, отличающаяся тем, что в качестве оксидов железа она содержит окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов, в качестве восстановителя содержит порошок титана, а в качестве легирующих добавок – углеродфторсодержащую пыль газоочистки алюминиевого производства при следующем соотношении, мас.%:

Окалина 58-63 Порошок титана 21-41,5 Углеродфторсодержащая пыль газоочистки алюминиевого производства 0,5-16