ТЕРМИТНАЯ РЕАКЦИОННАЯ СМЕСЬ ДЛЯ СВАРКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ
THERMITE REACTION MIXTURE FOR RAILWAY RAIL WELDING

Изобретение относится к получению алюмотермитной 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).
Для защиты от окисления металла, образующегося при экзотермических реакциях, а также для улучшения процесса фазоразделения, используют различные флюсующие добавки.
Так, известен (RU №2506147 В23К 23/00, В23К 35/36, опубл. 10.02.2014) железоалюминиевый термит, 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, масс. %:
Алюминий
21-23
Оксид железа
72-74
Нитроцеллюлоза
2-6
Флюс Nocolok
0,3-1,0
Существенными недостатками данной 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 также состав термитного порошка, состоящий из алюминия 65-75%, оксида железа 15-25% и графита 7-15% (SU №508362 В23К 23/00, В23К 35/36, опубл. 30.03.1976).
Существенными недостатками данной 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.
Известен алюминиевый термит, содержащий алюминий 20-22%, окись-закись железа 60-63% и окись алюминия 15-20% (SU №475234 В23К 23/00, В23К 19/00, опубл. 30.06.1975).
Существенными недостатками данной термитной реакционной смеси являются:
- низкое содержание углерода в получаемом сварном шве в связи с отсутствием углеродсодержащих составляющих;
- высокая отбраковка сварных швов по физико-механическим свойствам из-за пониженного качества сварного соединения, обусловленного расслоением металла, порами, раковинами и микротрещинами в связи с присутствием в составе неоптимального количества окиси алюминия.
Для приготовления термитных смесей в промышленных масштабах с экономической точки зрения целесообразно использовать в качестве сырья отходы промышленного производства.
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, масс. %:
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;
- пониженной стойкостью 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 исключения окисления образующегося металла воздухом атмосферы в связи с защитой флюсующей добавкой поверхности металла и снижения вероятности загрязнения сварного шва оксидными глиноземсодержащими неметаллическими включениями, а также исключения микротрещин и расслоений металла при алюмотермитной сварке.
Существующая техническая проблема решается тем, что в известной термитной смеси для сварки железнодорожных рельсов, содержащей в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде промышленных отходов, металлический алюминий в качестве восстановителя и легирующие добавки, согласно изобретению, в качестве оксидов железа она содержит окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов, в качестве восстановителя порошок алюминия и титана, в качестве легирующих добавок-флюсов углеродфторсодержащую пыль газоочистки алюминиевого производства при следующем соотношении, масс. %: окалина 56,28-65, порошок титана 21,84-30,3, порошок алюминия 4,2-5,88, 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 56,28%, порошка алюминия менее 4,2% и порошка титана менее 21,84% не удается получить стабильное горение термита, а при применении окалины более 65%, порошка алюминия более 5,88%), и титана более 30,3%, 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:
2
2
3
2
2
5
2
3
- Окалину, образующуюся при прокатке железнодорожных рельсов с химическим составом: FeO - 95,64; MnO - 1,16; СаО - 0,096; SiO - 1,70; AlO - 0,32; MgO - 0,21; NaO - 0,034; S - 0,085; Р - 0,004; VO - 0,031; CrO - 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.
- Порошок алюминия фракции менее 0,1 мм. марки ПА-1 по ГОСТ 6058-73.
2
3
2
2
2
2
3
общ
Углеродфторсодержащую пыль фильтров алюминиевого производства со следующим химическим составом, масс. %:AlO=19-48; F=17-28; NaO=2,8-12; KO=0,36 - 6,0; СаО=0,6- 1,8; SiO=0,5-2,7; FeO=1,7-3,6; С=18-30; MnO=0,05- 1,2; MgO=0,06-0,87; S=0,09-0,34; P=0,09-0,15.
Проведение экспериментов проводилось путем сваривания двух полнопрофильных образцов рельсов Р65, после чего проводилось испытание стыков на трехточечный статический изгиб согласно ГОСТ 34664-2020 «Рельсы железнодорожные, сваренные термитным способом. Технические условия». Испытания на статический изгиб проводили на прессе типа ПМС-320. Нагрузку прикладывали в середине пролета контрольного образца в месте сварного стыка. В дальнейшем, после визуального контроля сварных стыков полнопрофильных рельсов, последние разрезались и производилось исследование уровня загрязненности неметаллическими оксидными включениями, а также изучалась микроструктура сварного шва и зон термического влияния.
изг
Испытание одного контрольного образца производили, с приложением нагрузки на головку (растяжение в подошве), второй контрольный образец нагружали на подошву (растяжение в головке). Результатами испытания являются значения усилия, возникающего при изгибе Р, кН, при которых происходит разрушение контрольного образца, либо максимальные значения данных показателей, если образец не разрушился во время испытаний. Испытания при заявляемых пределах термитных реакционных смесей обеспечили низкое содержание оксидных неметаллических включений (оксидов железа, марганца, кремния и алюминия), а также отсутствие микротрещин в зоне сварки. Изучение загрязненности неметаллическими включениями исследовали с помощью металлографических микроскопов МЕТАМ РВ-34 и OLYMPUS GX-51 в светлом поле при увеличении ×100 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%) снижена до 0,01%.
Использование заявляемой термитной реакционной смеси позволило обеспечить требуемые физико-механические свойства, низкое содержание оксидных неметаллических включений, образованных при сварке и снизить отбраковку по микротрещинам в зоне сварного шва.