Способ приготовления алюминотермитной смеси для сварки рельсов методом промежуточного литья и алюминотермитная смесь, изготовленная этим способом Российский патент 2025 года по МПК B23K23/00 C21B15/02 

Группа изобретений относится к области алюминотермитной сварки стальных элементов и может быть использована в различных областях техники для жесткого, прочного, долговременного соединения всех видов рельсов, в частности, рельсов железнодорожных и трамвайных путей, контактных рельсов в метрополитенах, рельсов подкрановых путей и рельсов другого назначения.

Известен способ приготовления термитной смеси для сварки рельсов методом промежуточного литья, включающий подготовку компонентов смеси, содержащей окалину заданной фракции, фасовку всех компонентов термитной смеси в соответствии с рецептурой, их смешивание и вакуумную упаковку доз термитной смеси, при этом при подготовке окалины осуществляют ее дробление, магнитное сепарирование и окислительный обжиг в проходных барабанных печах, при этом перед дроблением окалины ее подвергают грубой очистке с последующей сушкой и охлаждением, а после дробления проводят ее фракционное разделение с выделением фракций 0,26-1,00 и 0,10-0,25 мм и последующее магнитное раздельное сепарирование упомянутых фракций, после чего осуществляют окислительный обжиг отдельно каждой фракции окалины, причем обжиг фракций 0,26-1,00 мм проводят при температуре 800-950°С, а обжиг фракций 0,10-0,25 мм - при температуре 700-750°С, затем производят охлаждение окалины и ее подачу на фасовку всех компонентов термитной смеси в соответствии с рецептурой, при этом требуется раздельный обжиг каждой фракции окалины 0,10-0,25 мм и 0,26-1,00 мм, при разном температурном режиме (см. патент на изобретение RU №2685453, МПК B23K 23/00 (2006.01), 08.04.2019 г.).

Данный способ имеет низкий выход готового продукта, не более 30%, значительное спекание мелкой фракции окалины, что не обеспечивает необходимую прочность сварного шва.

Известна алюминотермитная смесь для сварки металлических элементов, содержащая железную окалину, предварительно измельченную и прокаленную для перевода оксидов металлов в высшие степени окисления, порошок алюминия и легирующие присадки, выбранные из группы, содержащей: ферромарганец, ферромолибден, ферроникель, феррохром, феррованадий, которая дополнительно содержит легирующие присадки, выбранные из группы, содержащей ферросплавы кремния, вольфрама, селена, титана, ниобия, кобальта, циркония, при этом легирующие присадки введены в количествах, обеспечивающих их суммарное содержание не свыше 10% от массы алюминотермитной смеси, при этом использованы железная окалина, содержащая не свыше 2,5% неметаллических примесей и с размером частиц не свыше 0,50 мм, а порошок алюминия размером не свыше 0,5 мм, при этом смесь имеет мелкий фракционный состав менее 0,5 мм и требуется повторное прокаливание окалины после дробления крупной фракции из-за снижения кислородного баланса (см. патент на изобретение RU №2797469, МПК B23K 35/24 (2006.01), МПК B23K 23/00 (2006.01), 06.06.2023 г.).

Данная смесь имеет низкий выход готового продукта, значительное спекание мелкой фракции окалины, что не обеспечивает необходимую прочность сварного шва.

Наиболее близкой к предлагаемой группе изобретений по совокупности существенных признаков является группа изобретений: Алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья и Способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья (см. патент на изобретение RU №2446928 С1, МПК B23K 23/00 (2006.01), МПК С21В 15/02 (2006.01), 10.04.2012 г.), согласно которым:

- способ приготовления алюминотермитной 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 стального наполнителя, при этом перед смешиванием окалину модифицируют с продувкой воздухом в зоне прокаливания и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке;

- алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, содержащая в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде окалины, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов и стальной наполнитель, 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.

Известные способ и устройство - способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья рельсовый стык и алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов имеют низкий выход готового продукта и значительное спекание мелкой фракции окалины, что сказывается на прочности сварного шва, что обусловлено: диапазоном температуры прокаливания 150-1000°С, т.к. до 450°С процесс окисления FeO→Fe₂O₃ происходит медленно и не имеет промышленного значения, при 1000°С идет излишнее спекание окалины; кроме того, трудно распределить равномерно легирующие ферродобавки, в общем объеме алюминотермитной смеси, который составляет примерно 4,8 литра (для стандартного стыка 25 мм), гранулометрический состав окалины размером 0,1-5,0 мм и гранулометрический состав легирующих ферросплавов размером 1,0-5,0 мм, (полнотелый шар диаметром 5,0 мм ферромолибдена весит 4,6 грамма), при этом смесь имеет две фракции порошка алюминия, каждая из которых дозируются отдельно.

Известные способ и устройство - способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья рельсовый стык и алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов имеют низкий выход готового продукта, значительное спекание мелкой фракции окалины, что не обеспечивает необходимую прочность сварного шва.

Задача группы изобретений заключается в повышении прочности сварного шва за счет увеличения кислородного баланса окалины для алюминотермитной реакционной смеси.

Техническим результатом при использовании предлагаемой группы изобретений является повышение прочности алюминотермитного сварного шва за счет увеличения кислородного баланса окалины для алюминотермитной реакционной смеси и увеличение теплотворной способности алюминотермитной реакционной смеси.

Указанный технический результат в части способа достигается тем, что в способе приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, включающего смешивание в стехиометрическом соотношении оксидов железа в виде окалины, металлического алюминия в качестве восстановителя, легирующих добавок в виде ферросплавов, при этом перед смешиванием окалину модифицируют с продувкой воздухом в зоне прокаливания и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки смесь дополнительно содержит углерод в виде графита, а в качестве наполнителя смесь содержит шарики диаметром 1,8 мм из чистого железа с содержанием железа не менее 98%, при модификации окалины одновременно с продувкой воздухом осуществляют непрерывную подачу перегретого водяного пара и получают алюминотермитную реакционную смесь со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ не менее 75%, ингредиенты которой имеют одинаковый гранулометрический состав с разветвленной структурой, при этом насыпная плотность алюминотермитной смеси не превышает 2,3 кг/дм³.

Предпочтительно, кроме того, что используют перегретый водяной пар температурой до 150°С, давлением до 0,45 МПа, расход пара составляет до 15 кг/час.

Указанный технический результат в части смеси достигается тем, что в алюминотермитной реакционной смеси для сварки рельсов методом промежуточного литья, содержащей в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде окалины, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов, 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, отличающаяся тем, в качестве легирующей добавки смесь дополнительно содержит углерод в виде графита, а в качестве наполнителя смесь содержит шарики диаметром 1,8 мм из чистого железа с содержанием железа не менее 98%, что все ингредиенты алюминотермитной смеси имеют одинаковый гранулометрический состав с разветвленной структурой, степень окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ составляет не менее 75% и насыпная плотность алюминотермитной смеси не превышает 2,3 кг/дм³. Предпочтительно, кроме того, что гранулометрический состав смеси составляет 0,16-1,8 мм. Предпочтительно, кроме того, что насыпная плотность модифицированной окалины составляет 1,35-1,45 кг/дм³.

Модификация окалины с продувкой воздухом и одновременно с непрерывной подачей перегретого водяного пара ускоряет процесс окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃. Подача перегретого водяного пара привела к увеличению выхода трехвалентного оксида железа со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ не менее 75% и гранулометрический состав Fe₂O₃ с разветвленной структурой. Разветвленная структура образующийся окалины позволяет вести процесс окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ не только на поверхности частиц окалины, но и внутри, поэтому при последующим дроблении кислородное соотношение не падает и не требуется повторное прокаливание.

Водяной пар активизирует процесс окисления, способствует образованию Fe₂O₃ нужного фракционного состава с получением стабильной, химически однородной модифицированной железной окалины, при этом повышается производительность печей на 30%.

Кроме того, подача перегретого водяного пара снизила спекание мелкой фракции - при прокаливании мелкая фракция не спекается, что увеличило выход готового продукта более чем на 30%.

Алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, имеет окалину со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ не менее 75%, гранулометрический состав 0,16-1,2 мм с разветвленной структурой, причем насыпная плотность окалины модифицированной прокаливанием с подачей перегретого водяного пара составляет 1,35-1,45 кг/дм³.

Увеличение плотности, свыше 1,45 кг/дм³, ведет к замедлению реакции в результате мы теряем энергию (из-за остывания и рассеивания в окружающую среду), что приводит к не сплавлению металла промежуточного литья и металла рельса и снижению прочности сварного шва.

Уменьшение плотности, меньше 1,35 кг/дм³, приводит к очень бурной реакции и разбрызгиванию металла и продуктов реакции, шлак не успевает отделиться от металла, что приводит к неоднородности металла сварного шва и снижению прочности сварного шва.

При сварке всех видов рельсов, в частности, рельсов железнодорожных и трамвайных путей, контактных рельсов в метрополитенах, рельсов подкрановых путей и рельсов другого назначения получаем однородную мелкокристаллическую, без вкрапления дефектов в виде шлака и других неоднородностей, структуру металла сварного шва.

Результаты испытаний контрольных образцов сварного рельса на прочность больше чем в ГОСТ 34664-2020 и требования ОАО РЖД по ТУ 24.10.75-337-01124323-2019 на 10% (не менее 1400 кН по ТУ 24.10.75-337-01124323-2019 и более 1540 кН результаты испытаний контрольных образцов).

Алюминотермитная реакционная смесь для сварки рельсов методом промежуточного литья содержит в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде окалины, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов и стальной наполнитель в виде чистого железа в виде шариков диаметром 1,8 мм, в котором содержание Fe составляет не менее 98,0%, 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.

Основное назначение алюминотермитной реакционной смеси при сварке рельсов состоит в обеспечении протекания трех процессов: 1 - химической реакции, продуктом которой является железо для промежуточного литья, 2 - металлургического процесса плавки стали заданного химического состава, 3 - сварки, в результате заполнения формы между свариваемыми концами рельсов, происходить образование сварного шва, обеспечивающего повышение прочности сварного соединения рельсов.

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 плавление железа с равномерно распределенными легирующими добавками

- разделение образовавшегося шлака, состоящего в основном из оксидов алюминия и других продуктов реакции;

- высокую температуру стали, необходимую 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. Основная сложность в проведении термитной реакции с последующей стадией выплавки стали заключается в получении стабильности и повторяемости ее параметров: скорости, равномерности, времени протекания реакции, температуры металла и получение прочного сварного соединения рельсов. Количества выделившегося тепла и температура расплавленной стали, должно хватать для возможности управления процессом и изменения параметров. Возможность управления реакцией алюминотермии достигается путем изменения кислородного баланса между Fe₂O₃ и FeO, от которых зависит скорость и температура реакции, качество образующегося термитного расплавленного металла и прочность сварного соединения.

Алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, изготовленная по способу по п. 1, имеет окалину со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ не менее 75%, одинаковый гранулометрический состав 0,16-1,8 мм, модифицированная окалина имеет разветвленную структуру, причем насыпная плотность окалины модифицированной прокаливанием с подачей перегретого водяного пара составляет 1,35-1,45 кг/дм³.

Одинаковый гранулометрический состав 0,16-1,8 мм с разветвленной структурой обеспечивает стабильность протекания алюминотермитной реакции, что повышает прочность сварного шва, причем оптимальное время протекания реакции составляет 10±1 секунд с временем автоматического открытия литникового затвора на 26±5 секунде.

Весовые пропорции термитной смеси (мас. %): 66,0% смесь оксидов железа двухвалентного FeO и трехвалентного Fe₂O₃, при этом смесь оксидов железа содержит не менее 75% трехвалентного оксида железа Fe₂O₃, 22,0% порошок алюминия. Остальные легирующие добавки: ферромарганец ≤3,0%; ферромолибден ≤0,5%; ферротитан ≤0,5%; феррованадий ≤0.5%; углерод в виде графита ≤0,7%; чистое железо, в виде металлических шариков диаметром 1,8 мм ≤10,0%.

Весовые пропорций термитной смеси, используемые при сварке, позволяют получать стабильный химический состав металла сварного шва, что подтверждают результаты спектрального анализа образцов, представленные в примерах:

Пример 1.

Пример 2.

Пример 3.

Алюминотермитная реакционная смесь, полученная из железной окалины, обработанной таким способом, имеет следующие преимущества: прочность сварного шва и его механические характеристики соответствуют требованиям РЖД, обеспечиваем стабильное протекание реакции, равномерное распределение легирующих добавок в металле шва, более высокая калорийность, что позволяет путем добавления чистого железа (содержание Fe не менее 98,0%) в виде шариков диметром 1,8 мм регулировать температуру жидкого метала и скорость протекания реакции.

Способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья осуществляется следующим образом.

Смешивают в стехиометрическом (3:1) соотношении (мас. %) оксиды железа в виде окалины 66,0%, металлический алюминий 22,0% в виде порошка в качестве восстановителя, легирующие добавки - ферромарганец ≤ 3,0%; ферромолибден ≤ 0,5%; ферротитан ≤ 0,5%; феррованадий ≤ 0.5%; углерод в виде графита ≤0,7%; чистое железо (содержание Fe не менее 98,0%), в виде металлических шариков диаметром 1,8 мм ≤ 10,0%

При этом перед смешиванием окалину модифицируют с продувкой воздухом в зоне прокаливания в электропечи при температуре 600-850°С, и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке, при модификации окалины одновременно с продувкой воздухом осуществляют непрерывную подачу перегретого водяного пара температурой до 150°С, давлением до 0,45 МПа, при этом расход пара составляет до 15 кг/час, что увеличивает скорость окисления FeO→Fe₂O₃ и производительность печей.

В результате получают алюминотермитную реакционную смесь со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ не менее 75%, ингредиенты которой имеют одинаковый гранулометрический состав с разветвленной структурой, при этом насыпная плотность алюминотермитной смеси не превышает 2,3 кг/дм³.

Оптимальное время протекания алюминотермитной реакции для сварки рельсов методом промежуточного литья составляет 9-11 секунд, за это время реакция проходит полностью, и температура расплавленного металла достаточна для сплавления с металлом рельса.

Реакция протекает полностью, в металле шва содержание остаточного алюминия Al ниже 0,14%, что подтверждается результатами спектрального анализа.

В результате проведения прочностных испытаний контрольных образцов сварных швов, изготовленных с применением алюминотермитной реакционной смеси (примеры 1, 2, 3), получены следующие результаты:

Образец 1

Образец 2

Образец 3

Следовательно, прочность сварного шва больше на 10% прочности, предусмотренной требования ОАО РЖД, согласно ТУ 24.10.75-337-01124323-2019 и ГОСТ 34664-2020.

Заявленный способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки рельсов методом промежуточного литья и смесь, изготовленная этим способом, обеспечивает повышение прочности сварного шва, что сказывается на безопасности движения поездов, т.к. на протяжении всего периода существования железных дорог велись поиски конструкций рельсовых стыков, которые обеспечили бы такую же надежность пути в местах соединения рельсов, как и вне стыков. Стыки остаются основными возбудителями динамических, а нередко и ударных воздействий подвижного состава на путь. Регулярные динамические нагрузки на рельсовый стык приводят к интенсивному износу как ходовых частей подвижного состава, так и к дефектам рельсов, а в долгосрочном периоде к просадкам в балласте и болезням земляного полотна.

Заявленная группа изобретений позволяет повысить прочность алюминотермитного сварного шва, тем самым улучшить комфорт и безопасность перевозок, увеличить скорость движения железнодорожных составов.

При использовании заявленной группы изобретений - способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки рельсов методом промежуточного литья и алюминотермитная реакционная смесь для сварки рельсов, каждый отличительный существенный признак формулы изобретений влияет на достижение технического результата, т.к. выявлена и описана причинно-следственная связь между техническим результатом и совокупностью отличительных существенных признаков формулы изобретений.

Изобретение относится к металлургии, а именно к алюминотермитной смеси и способу ее приготовления, и может быть использовано для сварки рельсов методом промежуточного литья. Способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья включает смешивание в стехиометрическом соотношении оксидов железа в виде окалины, металлического алюминия в качестве восстановителя, наполнителя и легирующих добавок в виде ферросплавов, при этом перед смешиванием окалину модифицируют с продувкой воздухом в зоне прокаливания и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке. В качестве легирующей добавки смесь дополнительно содержит углерод в виде графита, а в качестве наполнителя смесь содержит шарики диаметром 1,8 мм из чистого железа с содержанием железа не менее 98%, при модифицировании окалины одновременно с продувкой воздухом осуществляют непрерывную подачу перегретого водяного пара и получают алюминотермитную реакционную смесь со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ не менее 75%, ингредиенты которой имеют одинаковый гранулометрический состав с разветвленной структурой, при этом насыпная плотность алюминотермитной смеси не превышает 2,3 кг/дм³. Обеспечивается повышение прочности сварного шва за счет увеличения кислородного баланса окалины для алюминотермитной реакционной смеси и увеличение теплотворной способности алюминотермитной реакционной смеси. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, включающий смешивание в стехиометрическом соотношении оксидов железа в виде окалины, металлического алюминия в качестве восстановителя, наполнителя и легирующих добавок в виде ферросплавов, при этом перед смешиванием окалину модифицируют с продувкой воздухом в зоне прокаливания и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки смесь дополнительно содержит углерод в виде графита, а в качестве наполнителя смесь содержит шарики диаметром 1,8 мм из чистого железа с содержанием железа не менее 98%, при модифицировании окалины одновременно с продувкой воздухом осуществляют непрерывную подачу перегретого водяного пара и получают алюминотермитную реакционную смесь со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ не менее 75%, ингредиенты которой имеют одинаковый гранулометрический состав с разветвленной структурой, при этом насыпная плотность алюминотермитной смеси не превышает 2,3 кг/дм³.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют перегретый водяной пар температурой до 150°С, давлением до 0,45 МПа, расход пара составляет до 15 кг/ч.

3. Алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, содержащая в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде окалины, металлический алюминий в качестве восстановителя, наполнитель, легирующие добавки в виде ферросплавов, 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, отличающаяся тем, что в качестве легирующей добавки смесь дополнительно содержит углерод в виде графита, а в качестве наполнителя смесь содержит шарики диаметром 1,8 мм из чистого железа с содержанием железа не менее 98%, при этом все ингредиенты алюминотермитной смеси имеют одинаковый гранулометрический состав с разветвленной структурой, степень окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe₂O₃ составляет не менее 75% и насыпная плотность алюминотермитной смеси не превышает 2,3 кг/дм³, при этом смесь приготовлена способом по п. 1 или 2.

4. Алюминотермитная реакционная смесь по п. 3, отличающаяся тем, что гранулометрический состав смеси составляет 0,16-1,8 мм.

5. Алюминотермитная реакционная смесь по п. 3, отличающаяся тем, что насыпная плотность модифицированной окалины Fe₂O₃ составляет 1,35-1,45 кг/дм³.