Экзотермическая порошковая проволока для подводной мокрой резки нержавеющих сталей
EXOTHERMIC CORED WIRE FOR UNDERWATER WET CUTTING OF STAINLESS STEELS

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть применено при механизированной и автоматической мокрой подводной резке металлических конструкций непосредственно в пресной и морской воде.
Известна порошковая проволока для подводной резки (см. Гришанов А.А., Паньков В.И. Порошковая проволока для резки металлов под водой. Патент РФ № 2113960 от 07.09.1994 г.), который содержит порошкообразную шихту следующего состава, мас. % в смеси: железная окалина 70–75; алюминиевый порошок 21–24; графит 4–6. Указанное изобретение позволяет повысить тепловую мощность дуги за счет экзотермической реакции между окалиной и алюминием и графитом, однако при мокрой подводной резке указанной проволокой образуется значительное количество шлака, что ухудшает качество реза.
2
3
Известна порошковая проволока для подводной резки (см. Данченко М.Е., Савич И.М., Головко Н.В. Порошковая проволока для подводной резки. Авторское свидетельство СССР № 1358254 от 28.03.1986 г. Указанная проволока диаметром 2 мм состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей, мас. % в смеси: гидроксид бария 17–23; сидерит (смесь карбонатов железа, магния, кальция и марганца) 70–80; щелочной силикат 3–7. Указанное изобретение основано на окислении железа в реакциях с углекислым газом и кислородом при разложении карбонатов и гидроксидом бария и позволяет выполнять подводную мокрую резку углеродистых сталей. Однако, этот способ имеет низкую эффективность при резке нержавеющих хромоникелевых сталей, поскольку их поверхность имеет защитный слой из тугоплавких оксидов CrO и NiO, которые защищают поверхность стали от окисления.
Известна порошковая проволока окислительного типа для мокрой подводной резки (см. Левченко А.М., Паршин С.Г., Антипов И.С. Порошковая проволока для мокрой подводной резки. Патент на изобретение № 2722397 от 09.07.2019 г.). Указанная проволока диаметром 2 мм состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей, мас. %: карбонат железа 50–70; карбонат щелочного металла 20–30; комплексный фторид щелочного металла 10–20. Указанное изобретение позволяет выполнять подводную мокрую резку углеродистых и низколегированных сталей за счет окисления железа в реакциях с углекислым газом при разложении карбонатов. Однако, указанный способ окислительной резки также имеет низкую эффективность при резке нержавеющих хромоникелевых сталей.
2
3
Известна порошковая проволока окислительного типа для мокрой подводной резки (см. Паршин С.Г., Левченко А.М., Ван Пэнфэй, Майстро А.С., Семенча А.В. Порошковая проволока для подводной мокрой резки сталей. Патент РФ на изобретение № 2756005 от 25.12.2020 г.), который принят за прототип. Указанная проволока диаметром 2 мм состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей, масс. %: карбонат железа 30–50; карбонат щелочного металла 10–20; комплексный фторид щелочного металла 10–15; нитрат щелочного металла 12–35; металлический порошок 8–15. Состав шихты позволяет увеличить эффективность при мокрой подводной дуговой резке сталей толщиной более 8 мм за счет увеличения количества энергии и концентрации тепловложения. Шихта по прототипу содержит повышенное количество карбонатов и нитрата, которые при нагреве диссоциируют с образованием углекислого газа и кислорода для интенсивного окисления железа. Однако, указанный способ относится к окислительной дуговой резке и имеет низкую эффективность при подводной мокрой резке нержавеющих хромоникелевых сталей толщиной более 10 мм, поскольку поверхность этих сталей защищена от окисления кислородом тугоплавкими оксидными пленками CrO и NiO.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что порошковую проволоку изготавливают из стальной оболочки, внутри которой размещают порошкообразную шихту, при следующем содержании компонентов, мас. % в смеси: карбонат железа 30–50; карбонат щелочного металла 10–20; комплексный фторид щелочного металла 5–10; оксид железа 20–45; металлический раскислитель 7–18.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и качества подводной мокрой дуговой резки нержавеющих сталей за счет ввода дополнительной экзотермической энергии для расплавления тугоплавких оксидов при одновременном увеличении концентрации тепловложения.
2
3
В отличие от прототипа, в состав шихты совместно с карбонатом железа, карбонатом щелочного металла и комплексный фторидом щелочного металла дополнительно вводят оксид железа и металлический раскислитель. Такое сочетание известных и новых признаков позволяет увеличить эффективность при мокрой подводной дуговой резке сталей за счет увеличения количества энергии и концентрации тепловложения. Это становится возможным, поскольку шихта содержит повышенное количество карбонатов, которые при нагреве диссоциируют с образованием углекислого газа, который окисляет железо. Тугоплавкие оксиды CrO и NiO на поверхности нержавеющей стали расплавляются за счет дополнительной энергии при экзотермической реакции оксида железа с металлическим раскислителем.
Комплексный фторид щелочного металла при нагреве разлагается с выделением фтористого алюминия, который вызывает сжатие дуги, что способствует погружению дуги в металл и увеличению концентрации тепловложения в узком канале реза. При этом продукты окисления железа удаляются сжатой дугой из зоны резки, что обеспечивает качественную внешнюю и внутреннюю поверхность реза без шлака.
3
2
3
2
3
2
3
2
3
3
3
Введение в состав шихты карбонатов железа и щелочного металла, при оптимальном содержании, мас. % в смеси: карбонат железа 30–50; карбонат щелочного металла 10–20, например, FeCOи LiCO, способствует улучшению стабильности горения дуги за счет увеличения степени ионизации плазмы и увеличению парциального давления углекислого газа в парогазовом пузыре, что усиливает окисление жидкого железа при нагреве сварочной дугой. Аналогичным влиянием обладают карбонаты калия KCO,натрия NaCO и цезияCsCO.При уменьшении содержания карбоната FeCOменее 30% снижается скорость реза, а при увеличении содержания карбоната FeCOболее 50% снижается глубина разрезания. При уменьшении содержания карбоната щелочного металла менее 10 % снижается стабильность горения дуги, а при увеличении содержания более 20 % снижается эффективность и глубина реза в широком диапазоне режимов.
Введение в состав шихты оксида железа при содержании 20–45 % совместно с металлическим раскислителем при содержании 7–18 % позволяет увеличить эффективность резки за счет выделения дополнительной тепловой энергии при экзотермических реакциях раскисления. Уменьшение содержания оксида железа менее 20 % и содержания раскислителя менее 7 % снижает выделение теплоты и эффективность резки, а увеличение содержания оксида железа более 45 % и содержания раскислителя более 18 % снижает качество резки из-за увеличения образования шлака.
В качестве металлического раскислителя используют металл или смесь металлов, выбранных из группы: алюминий, магний, титан, цирконий, кремний, марганец, кальций, барий, стронций.
2
3
Процесс экзотермической реакции оксида железа с раскислителем сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии, которая расходуется на расплавление защитной оксидной пленки на поверхности нержавеющей стали, состоящей из смеси тугоплавких оксидов CrO и NiO, которые имеют температуру плавления 2435 °С и 1682 °С соответственно.
Для экзотермических реакций раскисления с выделением теплоты Q, можно использовать как отдельные металлы, так и их смеси, например:
3
4
2
3
1,5FeO + 4Al = 4,5Fe + 2AlO + Q (1)
3
4
0,5FeO + 2Mg = 1,5Fe + 2MgO + Q (2)
3
4
2
0,5FeO + Zr = 1,5Fe + ZrO + Q (3)
3
4
2
3
2
FeO + 2Al + 0,5Ti = 3Fe + AlO + 0,5TiO + Q (4)
3
4
2
FeO + 2Mg + Zr = 3Fe + 2MgO + ZrO + Q (5)
3
4
2
FeO + 2Ca + Si = 3Fe + 2CaO + SiO + Q (6)
3
4
2
FeO + 2Mg + Si = 3Fe + 2MgO + SiO + Q (7).
Указанные реакции отличаются низкими значениями свободной энергии Гиббса при высоких температурах и выделением значительного количества теплоты, см. табл. 1.
Таблица 1
Термодинамические параметры при 2000 К для номера реакции
1
2
3
4
5
6
7
Энергии Гиббса, кДж
–1321,5
–391,9
–479,5
–829,5
–871,5
–854,8
–694,2
Энтальпия, кДж
–1877
–960,8
–585,6
–1166,98
–1546,4
–1521,7
–1401,1
3
6
3
6
3
3
6
3
3
6
3
Шихта по предлагаемому изобретению имеет повышенное содержание комплексного фторида щелочного металла – 5–10 %, например, гексафторалюмината натрия NaAlF, который при сварке разлагается с выделением значительного количества фтора. Насыщение атмосферы дуги фторидами способствует сжатию (контрагированию) дуги, что увеличивают её проплавляющую способность и концентрацию ввода теплоты при резке. Аналогичное действие оказывает введение в состав шихты гексафторалюмината лития LiAlF, который при резке диссоциирует на соединения LiF, AlF, гексафторалюмината калия KAlF, который диссоциирует на соединения КF, AlF, а также гексафторалюмината цезия CsAlF, который диссоциирует на соединения CsF и AlF.
Оптимальное содержание комплексного фторида щелочного металла составляет 5–10 %. При уменьшении содержания комплексного фторида щелочного металла ниже оптимального значения отсутствует контрагирование дуги и разрезание ухудшается. При увеличении содержания комплексного фторида щелочного металла выше оптимального значения снижается стабильность горения сварочной дуги.
3
2
3
3
6
3
4
В качестве примера применения предлагаемой проволоки является мокрая подводная автоматическая дуговая резка пластин из хромоникелевой аустенитной стали 12Х18Н10Т размером 300х200 мм и толщиной 16 мм. Особо мягкую стальную ленту толщиной 0,4 мм шириной 10 мм из стали 08кп помещали в прокатный стан, в котором формовали стальную оболочку диаметром 4,5 мм. Одновременно с формовкой внутрь стальной оболочки засыпали тонкоизмельченную шихту следующего состава, мас. % в смеси: карбонат железа FeCO– 40; карбонат щелочного металла LiCO– 10; комплексный фторид щелочного металла NaAlF– 10; оксид железа FeO – 30; металлический раскислитель Al – 10. Затем проволоку методом последовательного волочения уменьшали до диаметра 2,0 мм.
Полученную порошковую проволоку использовали при мокрой подводной автоматической резке пластин в лаборатории на глубине 0,8 метра с применением источника питания ESAB MIG-405. Скорость подачи проволоки составляла 6 м/мин, напряжение дуги – 36–38 В при силе тока 350–420 А, скорость реза составляла около 170 мм/мин при ширине реза 4–5,5 мм.
Таким образом, предлагаемая порошковая проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в улучшении качества и эффективности мокрой подводной резки нержавеющих сталей, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.