минеральный сплав для покрытий сварочных электродов и керамических флюсов

Формула изобретения

1. Минеральный сплав для покрытий сварочных электродов и керамических флюсов, содержащий оксид алюминия, оксид кремния, диоксид титана, оксид кальция и фторид кальция, отличающийся тем, что компоненты минерального сплава взяты в следующем соотношении, мас.%:

Оксид алюминия 45,0-51,0

Оксид кремния 13,0-17,0

Диоксид титана 3,0-7,0

Оксид кальция 10,0-16,0

Фторид кальция 16,0-22,0

2. Минеральный сплав для покрытий сварочных электродов и керамических флюсов по п.1, отличающийся тем, что содержание оксида алюминия, оксида кремния, диоксида титана и оксида кальция в минеральном сплаве должно быть при следующем соотношении:

Аl₂O₃/СаО=2,8-5,1;

SiO₂/CaO=0,8-1,7;

ТiO₂/СаО=0,15-0,7.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сварочных материалов, в частности к компонентам, содержащим оксид алюминия, для покрытий сварочных электродов и керамических флюсов для электродуговой сварки конструкций из углеродистых и низколегированных сталей.

Введение оксида алюминия в покрытие сварочных электродов и соответственно после расплавления в шлак позволяет увеличить интервал затвердевания шлака при его охлаждении и вязкость в расплавленном состоянии, что благоприятно отражается на сварочно-технологических свойствах электродов.

В качестве компонентов, содержащих оксид алюминия в основных покрытиях электродов, а также в составах керамических флюсов обычно используют глинозем или корунд, иногда в малых количествах слюду-мусковит. При этом неизбежно возникают проблемы пористости в металле сварных швов. Использование глинозема в составе шихты сварочных плавленых флюсов, как правило, не приводит к появлению пористости в металле сварных швов. Следовательно, состояние оксида алюминия, в котором он вводится в покрытия сварочных электродов, может иметь существенное значение.

Известны кианитовая руда Хизоварского месторождения, кианитовый концентрат из этой руды (Кононов М.Е. Огнеупоры из минерального сырья Карело-Кольского региона. - Апатиты, ИХТРЭМС КНЦ РАН, 1994, стр. 86-89) и кианитовый концентрат после химического обогащения (Николаев А.И. и др. Сварочное производство, №5, 2000, стр. 36 - 40). Непосредственному испытанию в составе электродных покрытий были подвергнуты технологические пробы кианитовой руды (peг. №378) и кианитового концентрата (peг. №393), которые прошли глубокое химическое обогащение для удаления фосфора и серы, прокалку при 900° С в течение 4 часов для удаления остатков реагентов и углеродсодержащих минералов.

Химический состав кианитовой руды и кианитовых концентратов приведен в табл. 1.

Таблица 1
Наименование	Содержание, мас.%
	SiO2	Аl2О3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	P2O 5	SO3
Кианитовая руда	56,50	27,85	6,40	0,86	0,62	0,48	0,18	3,90
Кианитовый концентрат	38,88	57,57	0,44	0,16	0,51	0,44	0,15	0,23
Кианитовый концентрат химического обогащения	40,6	56,6	0,64	1,14	0,30	0,05	-	0,05
Кианитовый концентрат химического обогащения, проба №393	41,1	55,3	1,50	1,50	0,20	0,18	0,01	0,005
Кианитовая руда, проба №378	42,10	54,30	не определялось

Общим недостатком кианитовой руды и кианитового концентрата является высокое содержание примесей фосфора, серы и углерода (около 0,3% графита). Недостатком кианитового концентрата химического обогащения является его химическая активность по отношению к жидкому стеклу - связующему электродных покрытий. В результате взаимодействия с жидким стеклом активированных зерен кианита образуются гидратированные соединения алюминия, разложение которых при сварке приводит к появлению пористости в наплавляемом металле.

Известен “Плавленый флюс для наплавки”, содержащий оксид кремния 27,0-34,0%, оксид кальция 24,0-32,0%, фторид кальция 25,0-33,0%, оксид алюминия 27,0-34,0% при выполнении соотношения 0,9 Аl₂О₃/CaO 1,4 и 0,9 CaF₂/Аl₂О₃ 1,2 (патент №2115529, В 23 K 35/362, опубл. 1998.

Недостатками аналога является его повышенная склонность к гидратации при хранении, связанная с высоким содержанием в нем оксида и фторида кальция, что в конечном итоге способствует появлению пористости в металле сварных швов; недостаточно высокое содержание Аl₂O₃ требует увеличения доли “флюса” в покрытии, что приводит опять к увеличению доли оксида и фторида кальция и к упомянутым неблагоприятным последствиям.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по входящим в его состав компонентам является “Плавленый флюс”, содержащий кремнезем -21,0-30,0%, двуокись титана - 11,0-20,0%, окись кальция - 11,0-14,0%, глинозем - 22,0-25,0%, отношение суммы основных окислов к кислотным не более 0,4, а суммарное содержание окислов кремния и титана составляет не менее 27 вес.% (АС СССР №590121, В 23 К 35/362, опубл. 1978).

Недостатком прототипа является низкое содержание оксида алюминия, что не позволяет эффективно использовать его для ввода оксида алюминия в электродные покрытия.

При создании изобретения ставилась задача предотвращения пористости сварных швов (в наплавляемом металле) за счет снижения химической активности поверхности зерен оксида алюминия.

Это достигается тем, что в минеральном сплаве для покрытий сварочных электродов и керамических флюсов на основе оксида алюминия, оксида кремния, диоксида титана, оксида кальция и фторида кальция компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

оксид алюминия 45,0-51,0

оксид кремния 13,0-17,0

диоксид титана 3,0-7,0

оксид кальция 10,0-16,0

фторид кальция 16,0-22,0.

Кроме этого, заявленное техническое решение имеет факультативный признак, а именно:

содержание оксида алюминия, оксида кремния, диоксида титана и оксида кальция в минеральном сплаве и шихте для его выплавки может быть при следующем соотношении:

Аl₂O₃/СаО=2,8-5,1; SiO₂/CaO=0,8-1,7; TiO₂/CaO=0,15-0,7.

Основными отличительными признаками предлагаемого минерального сплава являются его фазовые характеристики, определяемые соотношениями компонентов, которые приведены в табл. 2, а также:

- отношение CaO/SiO₂ +TiO₂ в минеральном сплаве находится в пределах 0,42-1,0, тогда как в прототипе оно должно быть не более 0,4;

- суммарное содержание оксидов кремния и титана в минеральном сплаве составляет максимум 24,0%, тогда как в прототипе оно должно быть не менее 27,0%.

Таблица 2
Отношение компонентов	В предлагаемом изобретении	В прототипе
Аl2 О3/СаО	2,8-5,1	1,6-2,3
SiO 2/CaO	0,8-1,7	1,9-2,7
TiO 2/CaO	0,15-0,7	0,8-1,8

Предлагаемое изобретение иллюстрируется диаграммами фазовых равновесий, представленными на фиг.1-5.

На фиг.1, 2 показаны существенные различия в минералогических составах аналога (патент №2115529) - основное минеральное соединение - геленит (2СаО· Аl₂O₃· SiO₂), прототипа - основное минеральное соединение - анортит (СаО· Аl₂O₃· 2SiO₂ ) и минерального - сплава основные минеральные соединения;

на фиг.3 - образование в минеральном сплаве алюминатов кальция;

на фиг.4 - расположение области составов минерального сплава в поле кристаллизации ранкинита и близкой к ней части поля кристаллизации псевдоволластонита;

на фиг.5 - расположение испытанных составов минерального сплава промышленных образцов 1, 2 и лабораторных образцов 3-7.

При разработке и перед применением минерального сплава в покрытиях сварочных электродов и керамических флюсах производились испытания различного его состава путем наплавки валиков автоматом под слоем минерального сплава, подготовленного к употреблению по назначению.

Оценка результатов производилась по внешнему виду наплавленного валика и шлаковой корочки, а также по легкости отделения шлаковой корочки с поверхности наплавленного валика. Оценка результатов испытаний приведена в табл. 3.

Таблица 3
Условная маркировка	Содержание, мас.%					Соотношение			Оценка результатов испытаний
	Аl2 О3	SiO 2	CaO	TiO 2	CaF2	Al2O3/CaO	SiO2/CaO	TiO 2/CaO
1 пром.обр.	46,6	13,6	14,7	5,2	18,8	3,2	0,9	0,4	отл.
2 пром.обр.	45,9	15,2	15,3	6,0	18,0	3,0	1,0	0,4	отл.
3 лаб.обр.	50,0	13,0	12,0	6,0	19,0	4,2	1,1	0,5	отл.
4 лаб.обр.	45,0	11,0	14,0	8,0	22,0	3,2	0,78	0,6	удовл.
5 лаб.обр.	48,0	11,0	20,0	6,0	15,0	2,4	0,55	0,3	неудовл.
6 лаб.обр.	49,5	18,0	10,5	2,0	20,0	4,7	1,7	0,2	удовл.
7 лаб.обр.	50,0	10,0	18,0	2,0	20,0	2,78	0,6	0,1	неудовл.

Промышленные образцы 1, 2 и лабораторный образец 3 показали хорошие сварочно-технологические свойства: ровное формирование наплавляемого валика, плотную и ровную шлаковую корочку, которая при охлаждении самостоятельно отделяется от поверхности наплавленного валика. Фигуративные точки этих образцов на диаграмме CaO-SiO ₂-ТiO₂ (фиг.5) расположены в заявленном поле составов минерального сплава.

Сварочно-технологические свойства лабораторных образцов 4 и 6 были хуже: при снятии шлаковая корочка частично дробилась и оставалась в местах сопряжения валиков с основным металлом. Лабораторные образцы 5 и 7 показали неудовлетворительные результаты испытаний сварочно-технологических свойств, выразившиеся в неравномерном формировании наплавляемого валика и шлаковой корочки.

Промышленные образцы 1 и 2 использовали в рецептурах шихты для изготовления опытных сварочных электродов, керамических, в частности агломерированных флюсов, при сварке которыми пористость не наблюдалась как в металле, так и в шлаковой корочке.

Как видно из приведенных выше результатов испытаний данных образцов, предлагаемый минеральный сплав позволяет полностью исключить пористость в наплавляемых валиках и признаки ее возможного появления - поры в шлаковой корочке, а также обеспечить хорошее формирование наплавляемого валика при сварке в различных положениях (нижнем, горизонтальном, вертикальном: снизу вверх).