РАЗРАБОТКА ШЛАКОВОЙ ОСНОВЫ ФЛЮСОВ ИЛЬМЕНИТО-ФЛЮОРИТНОГО ТИПА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА

05.16.09 - Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.25712^Ти.2072-8921.2020.01.026 УДК 621.791.011

РАЗРАБОТКА ШЛАКОВОЙ ОСНОВЫ ФЛЮСОВ ИЛЬМЕНИТО-ФЛЮОРИТНОГО ТИПА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА

В.М. Макиенко, А.В. Атеняев

В данной работе приведены результаты исследований по созданию наплавочного флюса из минерального сырья Дальневосточного региона. Выполнен анализ возможных физико-химических процессов в шлаковой системе на основе термодинамического расчета. Проведены экспериментальные исследования, получены математические зависимости, позволяющие выбирать состав компонентов шихты, обеспечивающий высокое качество формируемых покрытий. Выполнены опытные наплавки в целях определения сварочно-технологических свойств и качества наплавленного металла. Результаты исследования показали, что флюс, состоящий из 50 % компонентов минерального сырья Дальневосточного региона и 50 % стандартного флюса АН22, является основным (В = 1,46) и имеет низкую окислительную способность (А = 0,22). Это способствует лучшему прохождению в шлаковой ванне восстановительных процессов и как следствие получению наплавленного металла высокого качества. Так, при наплавке под шеелитовым концентратом в металл перешло 3,96 % вольфрама, при использовании титаномагнетита - 3,21 % титана, браунита - 0,459 % марганца. В результате опытных наплавок установлено, что сварочно-технологические свойства разработанного флюса соответствуют требованиям, предъявляемым к сварке (наплавке) металла. Исследования микроструктуры показали, что структура наплавленного металла феррито-перлитная, кристаллы имеют дендридное строение, что соответствует структуре металла при термических процессах. В зоне сплавления и в наплавленном металле дефекты отсутствуют.

Ключевые слова: сварочный флюс, шихта, минеральное сырье, свойства, микроструктура, симплексная решётка, термодинамический расчет, металлургические процессы, расчет компонентов флюса, основность и активность флюса.

ВВЕДЕНИЕ

Создание новых сварочных материалов, позволяющих получать наплавленный металл с высокими физико-механическими и сварочно-технологическими свойствами, является важным направлением развития промышленности. В данной работе представлены результаты исследований по разработке шлаковой основы плавленно-керамических флюсовильменито-флюоритного типа на базе минерального сырья Дальневосточного региона. В качестве сырья использовались концентраты и отходы горнорудного производства (шеелит, титаномагне-тит, флюорит и другие компоненты), а также стандартные флюсы. Следует отметить, что исследования фундаментальных основ для последующего проектирования принципиально новых технологий и материалов посвящены труды многих ученых [5, 6, 7, 11].

Целью данной работы является совершенствование методики создания сварочно-наплавочных материалов, а также использование минерального сырья Дальневосточного региона для получения флюсов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Создание флюсов включает следующие этапы:

- выбор компонентов шлаковой основы флюсов;

- анализ металлургических и термодинамических процессов;

- расчет основности и активности шлака;

- предварительный расчет оксидного состава шихты;

- разработка шлаковой основы.

Выбор компонентов шлаковой системы проводился на основе методов подбора, копирования и подобия. Методы подбора и копирования основаны на выборе компонентов Дальневосточного минерального сырья по заданному химическому и фазовому составу (известного химического вещества), имеющего сходные характеристики. При этом взамен известных химических веществ (названных «эталоном»), рекомендованных нормативными документами, подбираются отдельно для каждого элемента шихты - раскисляющие, газообразующие, стабилизирующие и другие вещества. Методы экстраполяции, интерполяции и подобия основаны на учете функциональных зависимостей между составом, структурой и свойствами материала, которые получены по результатам анализа данных характеристик на основе предварительных исследований.

Анализ возможных физико-химических процессов в шлаковой системе выполнялся на основе термодинамических расчетов по энергии Гиббса, используя уравнение [1, 10]:

АС0

где х.р - свободная энергия, Дж/(моль К); Н -приращение энтальпии, кДж/моль; Б - приращение энтропии, Дж/(моль К); Т - температура, К; М0 - табличный коэффициент.

Расчеты свободной энергии проводились для термохимических реакций с использованием программы «Маткад». Полученные результаты использовались для выбора компонентов шлаковой системы.

Для расчета основности шлака использовалась формула, принятая Международным Институтом сварки [2]:

, _ СаО + MgO + ВаО + Ыа20 + К,0 + П20 + Са/<2 + 0,5( МпО +

Л7а+ъмащ+тю\+7лх ^ где СаО, МдО, А1203, Ы20 и т. д. - содержание компонентов в шлаке, %.

Если В < 1 - флюсы считаются кислыми, при В >1 - основными и при В = 1 - нейтральными.

Расчет химической активности флюсов выполнялся по двум методам [2]:

- по коэффициентам усвоения легирующих элементов;

- по суммарной окислительной способности составляющих оксидов.

Первый метод основан на расчете коэффициента перехода легирующего элемента наплавленным металлом:

П = Сш/Си ,

где П - коэффициент усвоения легирующего элемента металлом шва (наплавленным); Сш -концентрация того же элемента в металле шва; Си - исходная концентрация легирующего элемента в металле шва, определяемая на основании зависимости:

Си = тСп + пСо ,

где Сп и Со - концентрации легирующего элемента в сварочной проволоке и основном металле соответственно; т и п - доли участия электродного и основного металлов в металле шва.

Коэффициент П учитывает общие потери легирующего элемента на окисление и испарение.

Второй метод заключается в оценке суммарной окислительной способности оксидов: А _

ф ~ 100в

где БЮ2, ~П02 и т. д. - содержание компонентов флюса, %; В - основность флюса-шлака.

По данным [2], все кремнемарганцови-стые плавленые флюсы делятся на четыре группы: высокоактивные (Аф > 0,6); активные (Аф = 0,6 - 0,3); малоактивные (Аф = 0,3 - 0,1) и пассивные (Аф < 0,1). С увеличением химической активности содержание кислорода в наплавленном металле возрастает, что способствует понижению ударной вязкости и по-

вышению твердости. Данная формула позволяет количественно оценить интенсивность окисления металла. Однако химическая активность флюсов зависит от режимов сварки состава и концентрации компонентов. Поэтому для более точной оценки химической активности шлака необходимо проводить экспериментальный подбор.

Предварительный расчет оксидного состава шихты выполнялся в следующей последовательности [2]:

- на основе выбранного прототипа флюса выбирались средние значения содержания основных компонентов (БЮ2, МдО, ТЮ2, CaF2, МпО, А^Оз, СаО);

- концентрации остальных соединений, назначали исходя из условия получения в сумме 100 массовых частей.

Расчет массовых частей следует начинать с основных, сравнительно чистых по примесям компонентов (полевой шпат, диоксид титана, марганцевый концентрат, плави-кошпатовый концентрат, магнезит, глинозем, мрамор, кварцевый песок). Последовательность расчета количества компонентов в шихте должна быть следующей:

1. Вычислить содержание компонентов в шихте по формуле:

Qк=Qо*100/qо ,

где Qк - содержание компонента в шихте, %; Qо - расчетное количество основного соединения компонента в шихте, %; qо- концентрация основного соединения в компоненте, %.

2. Вычислить содержание примесей, внесенных компонентов в шихту вместе с основным соединением, по формуле:

Qп = Qк * qп/100 ,

где Qп - содержание примеси данного компонента в шихте, %; Qк - количество данного компонента в шихте, %; qп - концентрация примеси в компоненте, %.

3. Вычислить в рекомендованной последовательности содержание остальных компонентов и примесей в шихте.

4. Вычислить сумму массовых частей соединений, внесенных в виде примесей другими компонентами, соответственно уменьшив количество основного соединения компонента в шихте. Сумма массовых частей соединения, внесенного несколькими компонентами, должна быть равна выбранному содержанию этого соединения в расчетном химическом составе.

5. Все расчеты следует вести с погрешностью ± 0,1 %. Если примесей менее 0,1 %, их учитывать не требуется.

6. Определить сумму массовых долей всех компонентов (SQ).

Для получения оптимального состава компонентов флюса, проводились экспери-

ментальные исследования, основанные на построении математических моделей и диаграмм, влияния состава шихты на качество и свойства формируемых покрытий. При этом устанавливались зависимости между входными (состав шихты) и выходными (показатели качества и свойств) параметрами. Данная задача решается с помощью экспериментально-статистических методов [3, 8]. В этом случае модель объекта исследования (сварочной ванны) представлена в виде схемы изображенной на рисунке 1.

Таблица 1 - Матрица планирования эксперимента

Рисунок 1 - Модель объекта исследований

Из рисунка 1 следует, что входными параметрами (Х^ Х2, X) являются компоненты шихты, а выходными (У^ Y2, У) - показатели качества и свойств. На объект исследования также могут оказывать влияние управляемые ^1, Z2, Zm) и неуправляемые (Е1, Е2, Еп) внешние факторы.

Экспериментальными исследованиями установлено [4], что при решении задач по созданию новых материалов с использованием минерального сырья при электрической сварке и наплавке шлаковые системы наиболее полно описываются приведенным полиномом четвертого порядка:

У =р1 Х1+ Р2Х2+Р3Х3+Р12Х1Х2+Р13X1 Хз+|323Х2Хз+712X1 Х2(Х1 -х2)+ +713X1X3 (X1 —Хз) +723X2X3 (Х2-Хз)+б12Х1Х2(Х1-Х2)2+813Х1Хз(Х1-Хз)28) +623X2X3 (Х2-Хз)2+р1123Х21Х2Хз + 31223X1X22X3 + р1233Х1ХгХ23;

Определение коэффициентов полинома осуществляется по выражениям (9):

р1 =у1; р2=у2;рЗ=уЗ;у12=2,25(3у112-Зу122-у1 +у2); р12=2,25(у112+у122-у1 -у2);у13=2,25(3у113-у133-у1 +уЗ); р13=2,25(у113+у133-у1 -у3);у23=2,25(3у223-3у233-у2+у3); (9) Р23=2,25(у223+у233-у2-у3); р123=27у123-6,75(у112+у122+у133+у223+у233)+4,5(у1 +у2+уЗ).

где х1|х2|хз .. хп - содержание компонентов смеси (£*=1),у1,у2,уз,у12з и т. д. - значения откликов системы в узлах симплексной решётки, которые определяются опытным путем.

Матрица планирования экспериментов и изображение симплексной решётки 4-го порядка приведены в таблице 1 и на рисунке 2 соответственно.

Так, при исследовании трехкомпонент-ной смеси необходимо проведение 15 опытов плана и нескольких проверочных опытов в различных областях поверхности отклика [3]. Пример матрицы планирования эксперимента (8 опытов) приведен в таблице 1.

у1333

X,

Рисунок 2 - Симплексная решётка 4-го порядка

На заключительном этапе проводится проверка адекватности полученной модели, построение контурных кривых поверхностей откликов, оптимизация состава шлаковой системы, испытание полученных сварочно-наплавочных и других функциональных материалов, проверка соответствия полученных свойств нормативной документации.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Шлаковая основа флюсаильменито-флюоритного типа разрабатывалась на базе стандартного флюса АН22, и минерального сырья Дальневосточного региона [9]. Состав флюса приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Состав стандартного флюса

Марка флюса

Состав, масс..

ЭЮ2 МпО МдО СаР2 СаО А120з

АН-22 18...21 7,0...9,0 11...15 20...24

12 .15 19 .23

В качестве компонентов Дальневосточного минерального сырья были выбраны следующие вещества: шлакообразующие, газообразующие (флюорит, гранодиорит, мрамор); стабилизирующие (титаномагнетит);

легирующие (шеелит); раскисляющие (брау- В таблице 3 приведен состав выбранно-

нит); связующие (жидкое стекло). го сырья для шлаковой основы.

Таблица 3 - Состав минерального сырья Дальневосточного региона

Наименование Оксидный состав, масс. %

Флюорит 92-СаРг; 2.5-ЭЮ?; 2,5-СаО

Гранодиорит бЗ-ЭЮг; 16-А1гОз; 5,49-РегОз; 5,1-СаО; 4,28-КгО; З.З-ЫагО

Мрамор 98-СаСОз; 0,1 ¡»-ЭЮг; 0,63-Мд(Э

Титаномагнетит 10,42-5Юг; 12,56-ТЮг; 19,73-РеО; 45,8-РегОз; 3,6-АЬОз; 0,58-Мп0; 2,65-МдО; 2,32-СаО

Шеелит 2,9-902; 26,8-СаО; 59,5^0з; 3,8-РегОз; 1,6-МдО

Браунит 21,55-МпО; 25,45-8Юг; 5,62-АЮз; 9,02-Ре0; 15,47-СаСОз; 4,34-МдО

После выбора компонентов шлаковой основы был выполнен термодинамический расчет, в целях установления возможного протекания химических реакций на границе раздела фаз шлак-металл и их влияние на

металлургические процессы при сварке под флюсом с использованием формулы (1).

Данные для расчета термодинамических и химических потенциалов приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Данные для термодинамических и химических потенциалов

№ Элемент ДН°, кДж/моль AS0, кДж/моль К ДС°, кДж/моль К

1 s¡o2 -859,3 42,09 44,48

2 Fe203 -821,32 89,96 103,7

3 AI2O3 -1675 50,94 79

4 Zr02 -1094 50,32 56,04

5 W03 -842,91 75,9 72,79

6 CaF2 -1214 68,87 67,03

7 СаСоз -12,06 92,9 81,85

В MgO -601,24 26,94 37,41

9 Na20 -430,6 71,1 72,43

10 к2о -362 96 72

11 CaO -635,1 39,7 42,8

12 Р2О5 -1507,2 140,3

13 S03 -395,2 256,23 50,63

14 FeO -263,68 58,79 48,12

15 Fe304 -1117,71 151,46 143,4

16 СгОз -590,36 73,22 69,33

17 MriO -384,93 60,25 44,83

18 T¡02 -943,9 50,23 56,44

19 co2 -393,51 213,6 37,13

20 со -110,5 197,4 29,15

21 Al 0 28,31 24,34

22 Ti 0 30,66 25,0

23 Zr 0 38,9 25,15

24 Cr 0 23,76 23,35

25 w 0 32,76 24,8

26 Оз 0 205,03 29,36

27 Si 0 18,8 20

28 Mn 0 31,76 26,32

29 Skp 0 31,9 22,7

30 Ni 0 29,86 26,05

31 С 0 5,74 8,53

32 Feo 0 27,15 25,23

Результаты расчета приведены на рисунках 3-10.

дозрел дедцрсп

00 I 00 ;400 3900

лсьр<^ -о: - 2г»о).

Л01тр{51 - ОЗ - ЕгОЗ) /

Л, !»-:.-М> 5400

- о: • :мпО)

Д<Н*р<С 4)2  СО')

1. + 02 = ЭЮг

2. 2Fe + 02 = 2ГеО

-Д0Ь«13А1»0!-ИАВИГЗ. 2Мп + 02 = 2МпО 4. С +02 = С02 5- 4/ЗА1 + 02 = 2/3 А(г03

Рисунок 3 - Изменение свободной энергии Гиббса от температуры для реакций окисления

М'.рт-'

^сз^тг

и

Л«* НИЩ)

-лН

0 «00 1200 ] 00 21 00 3 :о  з » 4 Ю 4 КМ М

дмцяа-о!-

ТВД2>"

деивдегог « ОО?)

2/3\Л/ + О, = 2/3\/ГО,

Т. Т) + Ог = 1 г

= гю2

я Сг+О, = сю 2

Рисунок 4 - Изменение свободной энергии Гиббса (АС,.?) от температуры для реакций окисления

Рисунок 5 - Изменение свободной энергии Гиббса (д<л.„) от температуры для восстановительных реакций

с о.......Е;

дси^т ашуп-""

-ИС

ДйЕ^МпО-Сд-Мп-СО]

м.....1КИ

лбгадмпо+аэА! -мпнялшМ)

1М А М «Ю Т.

¿013*р(МлО-1 -211 -2 Мп -1

15. МпО + Ств = Мп + СО

16. МпО + 1/2 31 = Мп + 1/2 ЗЮг

17. МпО +2/3 А1 = Мп + 1/ЗА120з

18. МпО +1/2П =2 Мп + 1/2ТЮг

Рисунок 6 - Изменение свободной энергии Гиббса (ЛСМ от температуры для восстановительных реакций

^»„рСП домнет»" лелеет) ~ догг.рСТ)-

лоцц^вюг - с-ш - СО)

ло:0чЧ5|О: гмв- -МпО)

..........

0 СЮ 1 И» 1 00 3 ш 00 ж, 1 № б

эдяаг-! -5.-Т« 2)

¿031 А] -3&- 2А1203)

. ЭЮг + Ств = 3|+ СО . ЭЮг + 2Мп= +2МпО .ЗБЮг + 4 А1 = Зв! + 2А1г03 . БЮг +Т! = Б! + ТЮ2

2С

21

22

Рисунок 7 - Изменение свободной энергии Гиббса р) от температуры для восстановительных реакций

до:е,р<Т)-«о

- И -1« + Й02) "

00 .. 2 00 3(00 I 00 < в»---

¿.сз&р<зт№ — ~ зт»+глаов)

4 23. ТЮг+2С = Т\ +2СО

24. ТЮ2 + 2Мп= Т\ +2МпО

25. ТЮг + 31 = И + ЗЮг

26. ЗТЮг + 4А1 = ЗП + 2А1гОз

ДСШ4ЧТ1О2 - 2Мп— И -2Л5пО)

Рисунок 8 - Изменение свободной энергии Гиббса(дс4) от температуры для восстановительных реакций

• •

До:7ч>(т)_

A¿V*-200t

ДОИ^Т} АОЗОФ(Т) Д031„<Т>

-500

-«о

-1100 -1200

27. СгОг+ 2С = Сг+ 2С0

28. СгОг + 2Мп= Сг +2МпО

29. СгОг + Si = Сг + ЗЮг

30. ЗСЮ2+ 4AI = ЗСг + 2А1гОз

31. СгОг +Ti = Сг + ТЮг

AG>jhptCr07 - Si - С. - S.OJ)

- АС-.ЧгрУ.'тО:-Ii- Cr - Ш21 -

TI

1 i l

Oí +Sí - Z

. • iOJJipfZri У1 - ^.írt- Zr -2MnO'

Г* Ю1}-

0 Й " " 1 M E oo i ce ? 00 ; 00 i (№ i 00 í № «

-700

32. Zr02+2C = Zr + 2СО 33. Zr02 + 2Mn= Zr +2MnO -34. Zr02 + Si = Zr + S¡02 35. 3Zr02+4AI = 3Zr + 2AI20: 36. Zr02 +T¡ = Zr + Ti02 adi:** iO>2C - &-3CO)

Рисунок 9 - Изменение свободной энергии Гиббса

(АС» ),

Рисунок 10 - Изменение свободной энергии

1 от температуры Гиббса(дс^) от температуры

для восстановительных реакций для восстановительных реакций

Таблица 5 - Результаты исследования элементного состава шлака и наплавленного металла с использованием компонентов шихты из местного минерального сырья

Компоненты шихты Наплавка, шлак Наименование элемента, его концентрация, масс., %

Al Si Р S Са Ti

Бадделит (100%) Наплавка 0,1943 0,8943 0,0351 0,0195 - 0,0111

Шлак 0,4054 16 918 - 0,0416 0 3595 0,0488

Шеелит (100%) Наплавка 0,4201 0,0207 0,0904 0,0482 - 0,0009

Шлак 0,1900 0,7912 0,3379 0,1251 2,6272 0,0301

Феррохром (100%) Наплавка 0,3418 0,2197 0,0400 0,0517 - 0,2701

Шлак - 2,3174 - 0 0586 0,2824 5,3375

Тинаномагнетит (100%) Наплавка 0,8083 1,9557 0,0382 0,0079 - 3,2160

Шлак 1,1004 2,5365 - 0,2047 0 6523 7,7524

Флюорит (100%) Наплавка 0,6034 0,5607 0,0218 0,0074 - 0,0180

Шлак 9,1908 10,285 0,0264 0,0411 1,2301 0,2827

Браунит (100%) Наплавка 0,6125 0,2507 0,0173 0,0047 - 0,0063

Шлак 1,2345 4 5678 0.0017 0,0145 1,1423 0,0045

Гранодиорит (100%) Наплавка 0,8199 0,0309 0,0094 0,0055 - 0,0025

Шлак 5,0214 4,2356 0,0045 0,1247 0,0045 0,0041

Мрамор (100%) Наплавка 0,1374 0,1223 0,0070 0,0071 - -

Шлак 0,1356 3 0388 0.0213 0,0293 22,9200 -

Компоненты шихты Наплавка, шлак Наименование элемента, его концентрация, масс., %

Сг Мп Ре W Zr

Бадделит (100%) Наплавка 0,0590 0,3229 Остальное 0,1244 0,0027

Шлак 0 0366 0 6276 4Т4138 0,1069 18,9423

Шеелит (100%) Наплавка 0,0443 0,1020 Остальное 3,9625 0,0004

Шлак 0,0409 0,1622 1,2796 21,145 0,5021

Феррохром (100%) Наплавка 0,0441 0,1074 Остальное 0,0528 0,0130

Шлак 8,2201 - 5,7381 0 1722 0,0312

Тинаномагнетит (100%) Наплавка 12,078 0,6834 Остальное 0,2357 0,0090

Шлак 0,2248 0,7525 15 268 0,0377 0,2067

Флюорит (100%) Наплавка 0,0742 0,3611 Остальное 0,0939 0,0049

Шлак 0 0099 0,2459 3,0734 - 0,0377

Браун ит (100%) Наплавка 0,0469 0,4594 Остальное 0,0403 0,0011

Шлак 0 0024 6,1258 2,8546 - 0,0015

Гранодиорит (100%) Наплавка 0,0477 0.3009 Остальное 0,0311 0,0005

Шлак 0 0314 0,5411 0,0045 0 0234 0,0007

Мрамор (100%) Наплавка 0,1519 0,2479 - 0,0232 -

Шлак - 0,2285 5,0705 - 0,0404

Расчет энергии Гиббса показал, что окислительно-восстановительные процессы элементов шлаковой системы будут происходить при температуре от 3500 до 7000 К (рисунки 3-10). Однако при взаимодействии оксидов с углеродом восстановление элементов идет при более низких температурах (например, для Сг02 - 1200 К, для ZrO2 - 2350 К).

Далее были проведены предварительные эксперименты с использованием данных компонентов, в целях подтверждения результатов термодинамического расчета. Для наплавки использовались пластины толщиной 12 мм из стали Ст3 сварочной проволокой

Таблица 6 - Результаты расчета компонентов флюса АН22

Св-08 диаметром 3 мм. Результаты расчета приведены в таблице 5.

В результате исследований подтверждена возможность прохождения реакций и восстановления элементов в шлаковой ванне. Из таблицы 5 видно, что при наплавке под шеелитовым концентратом в металл перешло 3,96 % вольфрама, при использовании титаномагнетита - 3.21 % титана, браунита -0,459 % марганца.

На следующем этапе в целях установления состава выбранных компонентов согласно методике [2], был проведен предварительный расчет процентного соотношения компонентов флюса (таблица 6).

шихты с учетом добавления 50 %стандартного

Компонент шихты Содержание оксидов в компоненте, % Содержание оксида б шихте. Содержание компонента е шихте.

63.00 S\Oz 8,82 14

16.00 А1203 2.24

5.49 Fe;03 0.70

5.10 0.70

4.28 К20 0.56

3.30 ш2о 0.42

Флюорит 92.00 CaF; 0,20 9

2.50 S\Oz 0.27

2.50 0.27

Мрамор 90.00 CaCOj 9.80 "10

0.15 S\Oz 0.00

0.63 MaQ 0.10

0.07 Fe;03 0.00

21.55 MnO 0.66 3

25.45 s\oz 0.75

0.50 T\Oz 0.03

5.62 ai2g3 0.10

9.02 0.27

15.47 CaCOj 0.45

4.34 M3Q 0.12

0.35 KzO 0.03

Шеелит 2.90 S\Oz 0.15 р

26.80 1.35

59.50 wo3 3.00

3,00 Fe;03 0.20

1.60 M3Q 0.10

Титаномагнетит 10.42 S\Oz 0.90 9

12.56 T\Oz 1.17

19.73 1.80

45.80 Fe;03 4.14

3.60 ai2g3 0.36

0.58 MBO 0.09

2.65 мэо 0.27

2.32 0.10

Флюс АН-22 22.00 s\oz "11.00 50

9.00 Mn.Q 4.50

15.00 7.50

15.00 мэо 7.50

25.00 CaF; 12.50

23.00 ai2O3 "11.50

1.00 0.50

Таблица 7 - Исходные данные для расчета основности и химической активности шлака, масс %

По данным таблицы 6 был выполнен расчет содержания оксидов для определения основности и химической активности шлака [2]. Результаты расчета приведены в таблице 7.

_ 10+8.09+0.42+0.59+20.78+0,5(5.25+2.57; _ В = 21.89+0,5 (14.28+1.20) " 1 46

_ (21,89)+0,5(1,20)+0,4(14,28)+0,42 • 1,462(5,25) _ А = 100 • 1,46 = 0,22

Результаты расчета показали, что флюс, состоящий из 50 % компонентов минерального сырья Дальневосточного региона и 50 % стандартного флюса АН22, является основным (В = 1,46) и имеет низкую окислительную способность (А = 0,22). Это способствует лучшему прохождению в шлаковой ванне восстановительных процессов и как следствие, получению наплавленного металла высокого качества.

На следующем этапе были проведены экспериментальные исследования в целях определения рационального состава компонентов флюса, обеспечивающего высокое качество формируемых покрытий. Для этого был применен экспериментально-статистический метод [3], заключающийся в оценке влияния входных параметров (Х1, Х2, Х3) на критерии, обеспечивающие качество наплавленного металла ^1, Y2).

В качестве входных параметров использовались переменные (Х1, Х2, Х3) и постоянная (флюс АН22) составляющие:

1. Шлакообразующие и газообразующие (Х1): флюорит (9 %); гранодиорит (14 %); мрамор (10 %).

2. Стабилизирующие (Х2): титаномагне-тит (9 %).

3. Легирующие и раскисляющие (Х3): шеелит (5 %); браунит (3 %).

4. Флюс АН22 (50 %).

Выходными параметрами являлись:

- зернистость ^1),

- общая пористость ^2).

По результатам экспериментов были получены следующие уравнения:

- для определения зернистости (балл зерна):

У(3) = 12Х1+10х2+1 1хз+4х1Х2+2х1Хз-2х2Хз+2,666667Х1Х2(Х1-Х2) -13,3333х1хз(х1-хз) +26,66667хгхз(х2-хз)-16Х1Х2(Х1-Хг)2-13,3333х1хз(хгхз)2 +8хгхз(х2-хз)2-16х12х2хз+2,666667х1х22хз+29,33333х1х2хз2

- для определения пористости, %:

У(П) = 3,5x1+1,5х2+4,5хз+26х1х2-12х1хз+20хгхз +514,6667х1х2(х1-х2)-456х1хз(х1-хз)-58,6667х2хз(х2-хз) +26,66667х1х2(х1-х2)2-8х1хз(х1-хз)2+13,33333х2хз(х2-хз)2-72х12х2хз+26,66667х1х22хз-26,6667х1х2хз2

По полученным зависимостям была построена диаграмма, позволяющая определить состав флюса-шлака, обеспечивающий высокое качество формируемого покрытия (рисунок 11).

Рисунок 11 - Диаграмма влияния соотношения компонентов флюса на качество формируемого покрытия

Анализ диаграммы позволил установить рациональный состав флюса, обеспечивающего рациональные значения пористости и зернистости: Х1 (40 %); Х2 (44 %); Х3 (16 %).

На следующем этапе, используя данный состав, были выполнены опытные наплавки и проведены исследования в целях определения сварочно-технологических свойств и структуры формируемых покрытий. Результаты исследований представлены в таблице 8 и на рисунке 12.

Таблица 8 - Сварочно-технологические свойства созданного флюса

Устойчивость душ Раэрыеная длина дуги Формиро вание наплавки Склонность металла наплавки к образованию пор и трещин Отделимость шлаковой корки Количество шлака

Хорошая До 13 мм Хорошее Низкая Хорошая Достаточно

В результате опытных наплавок установлено, что сварочно-технологические свойства разработанного флюса соответствуют требованиям, предъявляемым к сварке (наплавке) металла. Кроме того, были проведены исследования микроструктуры наплавленного металла (рисунок 12).

Рисунок 12 - Фотография микроструктуры наплавленного металла

Из рисунка видно, что структура наплавленного металлаферрито-перлитная, кристаллы имеют дендридное строение, что соответствует структуре металла при термических процессах. В зоне сплавления и в наплавленном металле дефекты отсутствуют.

ВЫВОДЫ

1. В соответствии с методикой создания флюсов был выбран предварительный состав шихты ильменито-флюоритного типа, приведены результаты термодинамического расчета, выполнен расчет компонентов, а также определена основность и химическая активность шлака. Результаты расчета показали, что разработанный флюс, является основным (В = 1,46) и имеет низкую окислительную способность (А = 0,22), это способствует лучшему прохождению в шлаковой ванне восстановительных процессов и как следствие, получению наплавленного металла высокого качества.

2. Проведены экспериментальные исследования, в результате которых были получены уравнения и построена диаграмма, позволяющая определить рациональный состав компонентов флюса, обеспечивающего высокие сварочно-технологические свойства и качество формируемых покрытий.

3. На основе выбранного состава флюса-шлака были выполнены опытные наплавки, по результатам которых установлено, что данный флюс имеет высокие сварочно-технологические свойства и качество формируемых покрытий.

4. Преимуществом данной шлаковой основы флюса заключается в следующем:

- в Дальневосточном регионе имеются большие запасы минерального сырья, содержащего вольфрам, титан, бор, марганец, цирконий и т. д., которые возможно использовать для создания сварочно-наплавочных материалов, обеспечивающих высокое качество наплавленного металла, механических и эксплуатационных свойств;

- невысокая стоимость дальневосточного минерального сырья;

- минимальные транспортные расходы (флюсы можно изготавливать непосредственно на предприятиях Дальневосточного региона);

- импортозамещение (что сейчас является одной из приоритетных задач страны).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Теория сварочных процессов / под ред. В.М. Неровного. - М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 735 с.

2. Сварочные материалы для дуговой сварки: справочное пособие: В 2-х т. Т 1. Защитные газы и сварочные флюсы / Б.П. Конищев [и др.] ; Под общ. ред. Н.Н. Потапова. - М. : Машиностроение, 1989. - 544 с. : ил.

3. Зедгинидзе, И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем [Текст] / И.Г. Зедгинидзе. - М. : Наука, 1976. -390 с.

4. Макиенко, В.М. Совершенствование процессов создания шлаковых систем и получение сварочных материалов с использованием минерального сырья Дальневосточного региона : дис... д-ра техн. наук : 05.02.10. - Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползу-нова, Барнаул, 2011 - 160 с.

5. Диагностика температурных характеристик сверхзвуковых газовых струй в аддитивных технологиях СГП-наплавки [Текст] // В.С. Киселев [и др.] // Ползуновский вестник. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2017. - № 4. - С. 176-185.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016618684 от 05 августа 2016 г. / П.В. Соколов, П.В. Даниленко, А.В. Атеняев Программа для расчета регрессионных зависимостей и автоматизированного построения диаграмм распределения свойств в зависимости от состава трехкомпонентной смеси на симплексной решетке четвертого порядка.

7. Соколов, П.В. Разработка материала на основе концентратов и отходов горнорудного производства для получения порошковых проволок : дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / П.В. Соколов. -Комсомольск-на-Амуре, 2016. - 155 с.

8. Методы исследования материалов : структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий [Текст] / Л.И. Тушенский [и др.]. - М. : Мир, 2004. - 384 с.

9. Архипов, Г.И. Минеральные ресурсы гор-

норудной промышленности Дальнего Востока. Обзор состояния и возможности развития / Г.И. Архипов. - Москва : Изд-во «Горная книга», 2011. -830 с. : ил.

10. Якушин, Б.Ф. Расчеты металлургических процессов при сварке и наплавке [Текст] / Б.Ф. Якушин.- М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. -54 с.

11. Makienko, V.M. Development of Flux Cored Wire Using Concentrates and Mining Industry Waste Products in the Far East / V.M. Makienko, P.V. Soko-lov, A.V. Atenyaev // Materials Science Forum : Изд-

во Trans Tech Publications Ltd. FarEastCon. - Materials and Construction. - 02.2019 ; ISBN-13:978-3-0357-1292-6. - Vol. 945. - C. 1024-1300.

Макиенко Виктор Михайлович, д.т.н., профессор кафедры «Транспортно-техно-логические комплексы» ДВГУПС, тел.: 89145463711. E-mail: mvm_tm@festu.khv.ru.

Атеняев Александр Валерьевич - ведущий инженер, ДВГУПС, тел. 89242029009. E-mail: atenia@mail.ru.