Тема 1. Процесс термитной сварки. Тема Процесс термитной сварки
 Скачать 0.55 Mb.
|
Тема 1. Процесс термитной сварки.Этапы развития производства термита.Термитная сварка является способом соединения деталей из металлов и сплавов расплавленным металлом регламентируемого состава по легирующим элементам, который образуется при протекании термитной (алюминотермической) реакции. Основа термитной реакции заключается в восстановлении алюминием большинства оксидов металлов со значительным экзотермическим тепловым эффектом. При выделении тепловой энергии за счет протекания термитной реакции металл длительно сохраняется в жидком состоянии. Это предоставляет возможность использования расплава для целей соединения металлических заготовок. В отличие от обычного процесса горения термитная реакция может происходить в замкнутых системах или даже в вакууме, так как реакция происходит за счет кислорода, содержащегося в оксидах металлов. Основным высокоэнергетическим горючим, применяющимся в термитных смесях, является алюминий. После кислорода и кремния алюминий является самым распространенным элементом земной коры и составляет около 8% массы Земли (железо 4,7%). Принцип получения трудно восстанавливаемых металлов из их оксидов впервые был выдвинут крупнейшим русским ученым-химиком, основоположником современной физической химии Н.Н. Бекетовым. В 1865 г. в своей докторской диссертации «Исследования над явлениями вытеснения одних элементов другими» Бекетов превратил этот принцип в научную теорию, заложив основу алюминотермии. Он установил, что алюминий обладает очень большой активностью, соединяясь с кислородом, и что при определенных условиях алюминий легко восстанавливает из оксидов другие металлы, стоящие правее его в таблице напряжений химических элементов. В 1898 г. Г. Гольдшмидт в Германии впервые осуществил термитную сварку двух железных брусков, предварительно заформовав их и заполнив место стыка термитной смесью. После сгорания смеси образовавшееся жидкое железо было настолько перегрето, что подплавило кромки, а после застывания превратилось в шов. Шлак всплыл и легко отделился от места соединения. Первый патент Германии (№ 1085), касавшийся в основном сварки рельсов, Гольдшмидт получил в 1901 г. Вскоре была организована фирма «Гольдшмидт термит компани», и термитный процесс начали применять для заварки дефектов отливок, ремонта треснувших рам двигателей, маховиков, штанг и т.д. В 1908 г. Гольдшмидт усовершенствовал технологию сварки рельсов (патент Германии № 281591). В США в 1904 г. термитная сварка была использована для соединения рельсов, двигателей корабельных якорей, паровых машин и изготовления перекрытий мостов. Процесс оказался особенно выгодным при сварке соединений, сечение которых превышало 25 см2. Непревзойденные в то время возможности термитной сварки были продемонстрированы при прокладке путей Парижского метрополитена. Уникальными были работы по сварке труб, которые начала выполнять в 1905 г. «Манхэттэн Рефриджирейтннг компани» (США). Стыки двухдюймовых труб выдерживали сверхнизкие температуры под повышенным давлением. Дальнейшее развитие термитной сварки шло по пути наиболее полного использования таких особенностей этого процесса, как чрезвычайно высокая температура шлака (искусственного глинозема — корунда) и железа; легкое разделение слоя железа и слоя шлака; возможность получения шва любой формы и достаточно большой площади сечения (объема); мобильность, абсолютная независимость от внешних источников энергии. Такой комплекс существенных технических признаков составлял преимущество термитной сварки при работах на монтаже и в полевых условиях. В начале XX в. были разработаны три базовые технологические схемы термитной сварки; заполнение разделки жидким металлом без дополнительных технологических приемов; заполнение разделки шлаком с последующим сдавливанием деталей, вытеснение его из зазора; комбинированный способ. Во всех трех случаях сжигание смеси и получение железа и шлака производили в отдельном тигле, расположенном над местом расположения стыка соединяемых деталей. Сварочный термит состоит из порошкообразного металлического алюминия и окислов железа в виде окалины (технологического отхода горячей обработки стали), а также различных присадок, вводимых в шихту для легирования получаемой стали. Для старта термитной реакции необходимо соблюдение следующих условий. 1. Требуется выполнить расчет термитной шихты таким образом, чтобы в ее ходе выделилось такое количество тепловой энергии, которое обеспечило бы расплавление и некоторый перегрев конечных продуктов. 2. Компоненты термитной шихты: алюминиевый порошок и оксиды железа должны быть мелких фракций и тщательно перемешаны. 3. Для начала термитной реакции в любой точке термитной шихты необходимо создать температурный толчок не ниже 1350 °С, после чего термитная реакция быстро распространится на всю шихту [1]. В результате термитной реакции, которая в течение 15—30 с протекает очень активно, образуются металл (около 50% от первоначальной массы термитной шихты) и шлак. Во время протекания термитной реакции часть выделяющегося тепла теряется. Оно расходуется на нагрев тигля, лучеиспускание и др. Оставшаяся после потерь тепловая энергия достаточна для расплавления шихты и нагрева жидкого металла и шлака до температуры порядка 2600—2700 °С. В этих условиях формируется чистый расплавленный термитный металл, так как из-за значительной разницы в плотности жидкий шлак всплывает на поверхность тигля, а металл опускается на его дно. Химические и механические свойства металла, образовавшегося в результате протекания термитной реакции, определяются физикохимическими свойствами веществ, входящих в шихту. Для образования стали требуемого химического состава в шихту вводят легирующие компоненты в мелкодисперсном состоянии. К таким компонентам относятся ферромарганец, ферромолибден, ферротитан, феррованадий, углерод. Легирующие компоненты закладываются в виде присадки к компонентам термитной шихты непосредственно в тигель. Для получения металла (стали) нужного химического состава в шихту вводят в измельченном состоянии легирующие материалы: ферромарганец, ферромолибден, ферротитан, феррованадий, углерод и т.д. Измельченная легирующая присадка закладывается в тигель вместе с термитными компонентами. Участие легирующих элементов в термитной реакции очень многообразно: они легируют термитную сталь, раскисляют и рафинируют ее. Кроме того, они частично теряются — испаряются и переходят в шлак. Ценные ферросплавы (ферротитан, феррованадий и др.) повышают прочность термитной стали, так как в ходе реакции, находясь в жидком состоянии, они образуют карбидную фазу титана и ванадия. Наличие в стали перечисленных карбидов увеличивает ее мелкозернистость, повышает твердость и т.п. Длительность термитной реакции от момента зажигания термита до ее окончания и полного отделения металла от шлака находится в прямой зависимости от количества сжигаемого термита и колеблется от 15 до 40—50 с. При одновременном сжигании больших количеств термита реакция протекает с относительно небольшими потерями тепла. Термитные смеси в зависимости от их назначения можно условно разделить на следующие группы: 1) элементарная термитная смесь — железная окалина плюс алюминиевый порошок в стехиометрическом соотношении; 2) термит для сварки рельсовых стыков. В шихту вводится стальной наполнитель — мелкие кусочки малоуглеродистой проволоки или стальная малоуглеродистая стружка, ферромарганец и порошкообразный графит; 3) термит для сварки легированных сталей. В качестве присадки используются ферротитан, феррованадий и др.; 4) термит для сварки чугуна. В присадку вводится значительное количество кремния. Марганец исключается. Высокое содержание кремния в термитном металле способствует выделению графита в сварочной и переходной зонах и обеспечивает получение достаточно прочных сварных соединений; 5) термит для сварки высокомарганцовистых сталей. В этот термит вводится увеличенное количество марганца и углерода в виде ферромарганца и чугунной стружки; 6) специальные термиты — пиротехнические, для наварки пода в металлургических печах, уменьшения усадочных раковин в слитках, вторичного дробления минералов и руд, изготовления термитных брикетов и т.п. С 1925 года в Москве было организовано производство термитных смесей в индустриальных масштабах. При участии М.А. Карасева на базе алюмотермии была разработана оригинальная отечественная технология приготовления термитных смесей для народно-хозяйственных целей. М.А. Карасев разработал инновационные способы получения алюминиевого порошка и термитной шихты, защищенные рядом авторских свидетельств на изобретение. Затем при прокладке путей трамвайной линии в Москве с помощью разработанных термитных смесей было выполнено более 100 тыс. стыков трамвайных рельсов. Для их выполнения использовались два способа: комбинированный и «врасклинку». Второй способ не обеспечивал требуемого качества металла швов, что приводило к повышенной поломке трамвайных путей, поэтому его заменили способом сварки промежуточным литьем. Параллельно стал получать развитие способ промежуточною литья с последующим прессованием, так называемый способ дуплекс. Однако способ «дуплекс» отличался довольно сложной технологией, что ограничило его применение. По мере совершенствования технологии термитной сварки наблюдалось повышение качества полученных швов, что выражалось в снижении числа лопнувших за год стыков на уровне 0,8%. Для стыков трамвайных и железнодорожных полотен наиболее часто применяемым был комбинированный способ термитной сварки. Рельсовый стык, предназначенный к сварке, окружался специальной формой из огнеупорного материала, в которую через выходное отверстие в коническом тигле подвали расплавленный металл, сформировавшийся в результате алюмотермитной реакции. При этом жидкая сталь сплавлялась с подошвой стыкуемых рельсов и с нижней частью шейки, формируя башмак. Шлак нагревал головки рельсов и пластинку, вставленную между ними до высокой температуры. Затем посредством специального пресса разогретые головки рельсов стягивали, между ними формировалась металлическая связь и образовывался шов. После остывания сформированный шов зачищали механическим путем. При строгом соблюдении технологии термитной сварки приложение к рельсу типа ПА на пролете 1 м ломающей нагрузки в 50 т создает в шве напряжения порядка 700 МПа и не приводит к его разрушению. При приложении динамических нагрузок ударная вязкость металла шва ниже величины ударной вязкости основного металла рельса. Учитывая тот факт, что при эксплуатации рельсовый стык не претерпевает значительных ударов, то испытания на ударную вязкость является для стыков нехарактерной. Применение отечественного термита для сварки рельсовых стыков показало его превосходство перед импортировавшимся термитом. В стыках рельсов, сваренных отечественным термитом, значительно меньше процент брака. Это подтверждают результаты эксплуатации первой очереди Московского метрополитена. Так, например, каждый рельсовый стык на участке Сокольники — Парк культуры в 1938 г., выдержал 13,4 млн ударов с грузонапряженностью 53 млн т • км. Таким образом, термитная сварка стыков вполне достигает поставленной цели, то есть обеспечивает в стыке непрерывность рельса и его жесткость и как бы заменяет стык целым рельсом в условиях эксплуатации. Способствуя стабилизации пути и улучшая условия службы рельса, термитная сварка стыков является одним из элементов реконструкции верхнего строения пути и дает значительную экономию металла на рельсовых скреплениях при переходе на более тяжелые рельсы. Кроме того, сварка стыков является одним из необходимых элементов автоблокировки, способствуя уменьшению электросопротивления рельсовой нитки. В середине 30-х гг. применение газовой и термитной сварки достигло своего максимума. Так, в качестве основных достижений в области сварки в 1933 г. в США из девяти сварочных работ названы термитная сварка стального вала диаметром около 1 м (фирма «Метал энд Термит корпорейшн»), автогенная наплавка бронзы («Юнион Карбайд корпорейшн») и ряд других, выполненных газовым пламенем. Дуговая сварка отмечена только в двух случаях: ремонт чугунного литого корпуса насоса специальными толсто покрытыми электродами («Линкольн Электрик компани») и сварка стальных плит толщиной от 6 до 15 мм в туннеле Нью-Йоркского метрополитена («А.М. Байер компани»). В эти же годы термит стали внедрять в другие отрасли народного хозяйства. В частности, была разработана и успешно осуществлена термитная сварка стыков легированных труб первого прямоточного котла высокого давления; начали применять также термитную сварку для ремонта крупногабаритных стальных деталей: валов, колонн и т.п. Сварка стыков рельсов радикально решает проблему борьбы с блуждающими токами, которые наносят значительный ущерб подземным металлическим коммуникациям. Бесстыковой путь дает возможность уменьшить экономические затраты по текущему содержанию пути, позволяет увеличить скорость движения рельсового транспорта, уменьшает шум и удлиняет срок службы подвижного состава. При выполнении стыковых соединений рельсов используются следующие способы сварки: контактный, электрошлаковый, газопрессовый, ванный, элекгродуговой и термитный. Сварка на основе алюмотермитной реакции обладает следующими преимуществами перед другими способами сварки плавлением: 1) удобная оснастка, маневренная в использовании; 2) осуществление процесса сварки без подвода электрической энергии; 3) высокая производительность процесса по объему наплавленного металла; 4) достаточная прочность металла шва. Часто термитная сварка более предпочтительна при выполнении стыковых соединений рельсов. Из созданных к настоящему времени способов термитной сварки наибольшее применение нашел способ промежуточного литья. Находит применение усовершенствованный способ промежуточного литья — «единый» способ. Недостатком этого способа сварки является отсутствие проплавления по периметру сечения рельса. Однако он отличается простотой технологии осуществления, что позволяет его использовать для сварки стыковых соединений трамвайных путей. Расширение применения термитной сварки вызвало необходимость в совершенствовании метода в направлении повышения плотности металла шва, обеспечения гарантированного проплавления всего сечения рельса при постоянстве химического состава термитной стали, формирующей шов. Помимо этого, требуется улучшение технологических характеристик процесса — повышение производительности, снижение расхода материалов. Для осуществления алюмотермической реакции между восстановителем и окислителем необходимо соблюдение следующих условий: 1) химическая чистота компонентов, входящих термитную смесь; 2) определенный гранулометрический состав термитной смеси; 3) оптимальное соотношение компонентов, образующих термитную смесь; 4) обеспечение температурных условий для старта алюмотермит- ной реакции. Порошкообразный алюминий вводится в состав А1—Fe термитной смеси в качестве восстановителя. Окислителем в этой смеси является порошок железной окалины. Окислитель и восстановитель должны быть химически чистыми. Это обеспечивает необходимый уровень их химической активности и способности к тепловыделению, что в конечном итоге сказывается на качестве получаемого шва. Наличие в железной окалине кислорода в процентном отношении на уровне 24,5—26% является недостаточным для протекания термитной реакции с высоким тепловым эффектом. Для увеличения содержания кислорода железную окалину дополнительно обрабатывают при высокой температуре в окислительной атмосфере. Стремятся минимизировать содержание кремния, серы и фосфора в железной окалине. В зависимости от размера порции термитной шихты изменяется ее помол: чем меньше порция, тем мельче помол. Отклонения в соотношении количества окислителя и восстановителя в термитной смеси от оптимального соотношения приводит к снижению теплового эффекта термитной реакции, повышению содержания в термитном металле шва содержания алюминия и оксидных пленок, что в целом ухудшает качество сварки. Для начала реакции между порошком алюминия и железной окалиной необходимо термитную шихту нагреть до высокой температуры (порядка 1340—1360 °С). Указанная температура является критическим тепловым порогом начала активной реакции. Длительное хранение термитной шихты является весьма нежелательным, так как за счет протекания в них замедленной термитной реакции снижается способность термитной смеси к выделению тепла на стадии активной реакции. Металл, образовавшийся в результате термитной реакции, обладает прекрасными литейными свойствами и, в частности, заполняемостью формы, что делает возможным его использование для фасонного литья. Основными направлениями использования термитной сварки являются: 1) производство сварных крупногабаритных деталей, расчлененных на несколько заготовок (коленчатые валы, рулевые рамы судов, гребные винты); 2) реновация крупногабаритных узлов кузнечного, прессового и прокатного оборудования; 3) восстановление чугунных изложниц, ковшей для шлака, поддонов и другого сталелитейного оборудования. Для осуществления термитной сварки массивных сборочных единиц используются литейные цеха, оснащенные требуемым технологическим и грузоподъемным оборудованием. Заготовки из чугуна весьма чувствительны к колебаниям температурных условий сварочного процесса. При скорости охлаждения выше 149 °С в минуту от критической точки чугун становится хрупким. Необходимым условием для качественной термитной сварки чугунных заготовок является осуществление предварительного до сварки подогрева заготовок. Температура общего подогрева заготовок составляет 450—500 °С, а местного подогрева на участке сварки — 900 °С. Весьма успешно термитная сварка используется для соединения стержней большого диаметра при их установке в блоках сооружений гидротехнического характера. Отмечается существенная экономия проката и увеличивается производительность процесса по сравнению с электродуговой сваркой покрытыми электродами. Формирующийся облив повышает сцепляемость арматуры с бетоном. Для термитной сварки арматурных стержней не требуется предварительный подогрев, но расход термитной шихты на один стык возрастает. Применяются универсальные огнеупоры, которые одновременно выступают в роли формы и тигля. На рельсовом транспорте термитная сварка применяется для соединения электрических элементов с подошвами рельсов. В этом случае находит применение термитная смесь из оксидов меди, алюминиево-медного сплава и ферромарганца. Сжигание указанной термитной смеси выполняется в тигель-форме из жаропрочного графита с ресурсом в несколько сотен плавок. Повышение стойкости труб действующих газопроводов к воздействию почвенной коррозии осуществляется реализацией электродре- нажной защиты, которая состоит в том, что специальные стержни из малоуглеродистой стали привариваются к трубам и затем присоединяются к источникам постоянного тока. Термитная смесь для этой цели изготавливается из железоалюминиевой шихты, которая легируется магнием и ферромарганцем. Сварку проводов из стали выполняют термитом в виде цилиндрических шашек, содержащих 25% порошка магния и 75% железной окалины. Такой термит, полностью сгорая, не создает жидких шлаков. Магниевые термитные шашки применяются также для осуществления пайки. Нагрев паяльника до требуемой температуры производится путем закладки в него термитной шашки, которую затем поджигают. По завершении горения шашки паяльник нагревается до требуемой температуры пайки. Строительство линий электропередач высокого напряжения требует выполнения соединения многопроволочных проводов. Термитная сварка этих проводов включает операции механической подготовки и обезжиривания стыков, закладки соединяемых концов проводов в термический патрон в форме цилиндра с последующим закреплением их в специальных клещах. Стык многопроволочных проводов при сварке должен занимать горизонтальное положение. При соединении сваркой проводов между собой, изготовленных из стали и технического алюминия, с поверхности шва приходится удалять металлический кокиль, который является оболочкой патрона из термитной смеси. Выполнение термитной сваркой стыков рельсов узкоколейной железной дороги практикуется в горной и лесной промышленности. Традиционно сварку выполняют без начального (предварительного) подогрева с использованием сухих форм, подобным формам для соединения стержней из арматуры. Для варианта сварки подогрева заготовок количество термитной смеси увеличивается в 2—2,5 раза по сравнению с вариантом выполнения соединения с начальным подогревом. В целях устранения трещин и прочих дефектов рельсового пути применяется процесс термитной наплавки. |