Порошковая проволока для подводной мокрой резки сталей
POWDER WIRE FOR UNDERWATER WET CUTTING OF 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. Данченко М.Е., Грецкий Ю.Я., Савич И.М., Головко Н.В. Порошковая проволока для подводной резки. Авторское свидетельство СССР № 1718501 от 23.10.1989 г.), которая состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей, масс. %: селитра 40-60; гидроксид бария 3-40; железный порошок – остальное. Указанное изобретение позволяет повысить тепловую мощность дуги за счет экзотермической реакции, однако при мокрой подводной резке указанной проволокой образуется значительное количество шлака, что ухудшает качество реза. Кроме того, шихта содержит значительное количество селитры, что приводит к преждевременному сгоранию оболочки проволоки, что ухудшает резку стали толщиной более 10 мм при высоких значениях сварочного тока.
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, массовый % 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.
Известна порошковая проволока 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.), которая принята за прототип. Указанная проволока диаметром 2 мм состоит из стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащей, массовый % в смеси: 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, однако, указанный способ окислительной резки является эффективным для толщин сталей не более 12 мм.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что порошковую проволоку изготавливают из стальной оболочки, внутри которой размещают порошкообразную шихту, при следующем содержании компонентов, массовый % в смеси: карбонат железа 30–50; карбонат щелочного металла 10–20; комплексный фторид щелочного металла 10–15; нитрат щелочного металла 12–35; металлический порошок 8–15.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности подводной мокрой дуговой резки сталей повышенной толщины за счет ввода дополнительной экзотермической энергии при одновременном увеличении концентрации тепловложения.
В отличие от прототипа, в состав шихты совместно с карбонатом железа, карбонатом щелочного металла и комплексный фторидом щелочного металла дополнительно вводят нитрат щелочного металла и металлический порошок. Такое сочетание известных и новых признаков позволяет увеличить эффективность при мокрой подводной дуговой резке сталей толщиной более 8 мм за счет увеличения количества энергии и концентрации тепловложения. Это становится возможным, поскольку шихта содержит повышенное количество карбонатов и нитрата, которые при нагреве диссоциируют с образованием углекислого газа и кислорода для интенсивного окисления железа.
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, массовый % 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 и кислорода 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 качество 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 нитрата щелочного металла при содержании 12–35% совместно с металлическим порошком при содержании 8–25% позволяет увеличить эффективность и глубину реза за счет выделения дополнительной тепловой энергии при экзотермических реакциях окисления металлического порошка. Уменьшение содержания нитрата щелочного металла менее 12% и содержания металлического порошка менее 8% резко снижает выделение теплоты и эффективность реза, а увеличение содержания нитрата щелочного металла более 35% и металлического порошка более 15% снижает качество реза из-за образования шлака.
В качестве нитрата щелочного металла шихта может содержать соединение или смесь соединений, выбранных из группы: нитрат натрия, калия, лития, цезия. В качестве металлического порошка шихта может содержать металл или смесь металлов, выбранных из группы: железо, алюминий, магний, титан, цирконий, кремний, марганец, кальций, барий, стронций.
Процесс экзотермической реакции нитрата щелочного металла и металлического порошка сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии, которая расходуется на расплавление стали повышенной толщины.
Для экзотермических реакций с выделением значительного количества теплоты можно использовать как отдельные металлы, так и их смеси, например:
3
2
3
2
2KNO + 2Al = AlO + KO + 2NO + Q (1)
3
2
3
2
2NaNO + 2Al = AlO + NaO + 2NO + Q (2)
3
2
3
2
2KNO + 2Fe = FeO + KO + 2NO + Q (3)
3
2
3
2
2NaNO + 2Fe = FeO + NaO + 2NO + Q (4)
3
2
2
2KNO + 1,5Ti = 1,5TiO + KO + 2NO + Q (5)
3
2
2
2NaNO + 1,5Ti = 1,5TiO + NaO + 2NO + Q (6)
3
2
2
2KNO + 1,5Zr = 1,5ZrO + KO + 2NO + Q (7)
3
2
2
2NaNO + 1,5Zr = 1,5ZrO + NaO + 2NO + Q (8)
3
2
KNO + 1,5Mg = 1,5MgO + 0,5KO + NO + Q (9)
3
2
NaNO + 1,5Mg = 1,5MgO + 0,5NaO + NO + Q (10)
3
2
2
2KNO + Fe + Si = FeO + KO + SiO + 2NO + Q (11)
3
2
2
2KNO + Fe + Ti = FeO + KO + TiO + 2NO + Q (12)
3
2
2
2KNO + Mn + Si = MnO + KO + SiO + 2NO + Q (13)
Эффективность указанных реакций подтверждается низкими значениями свободной энергии Гиббса и энтальпии при высоких температурах, см. табл. 1.
Таблица 1
Термодинамические параметры при 2000 К для номера реакции
1
2
3
4
5
6
7
Энергия Гиббса, кДж
–1224
–505,4
–1246,9
–527,7
–1070
–1092
–1305,4
Энтальпия, кДж
–922
–796,3
–1108,2
–265,1
–666,5
–855
–1048,2
Термодинамические параметры при 2000 К для номера реакции
8
9
10
11
12
13
Энергия Гиббса, кДж
–1283,1
–575,8
–587
–883,3
–918,5
–972,9
Энтальпия, кДж
–862,6
–712,6
–805,4
–419,6
–436,3
–582
3
6
Шихта по предлагаемому изобретению имеет повышенное содержание комплексного фторида щелочного металла – 10–15 % масс., 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 (см. Симоник А.Г., Петиашвили В.И., Иванов А.А. Эффект контракции дугового разряда при введении электроотрицательных элементов // Сварочное производство, № 3, 1976, с. 49).
3
6
3
3
6
3
3
6
3
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, 10–15%. При уменьшении содержания комплексного фторида щелочного металла ниже оптимального значения контрагирование дуги является недостаточным и разрезание ухудшается. При увеличении содержания комплексного фторида щелочного металла выше оптимального значения снижается стабильность горения сварочной дуги.
3
2
3
3
6
В качестве примера применения предлагаемой проволоки является мокрая подводная автоматическая дуговая резка пластин из низколегированной перлитной стали 10ХСНД 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, массовый % в смеси: карбонат железа FeCO– 38; карбонат щелочного металла LiCO– 15; комплексный фторид щелочного металла NaAlF– 10; нитрат щелочного металла 25; металлический порошок алюминия – 12. Затем проволоку методом последовательного волочения уменьшали до диаметра 2,4 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 8 м/мин, напряжение дуги – 44 В при силе тока 520 А, скорость реза составляла около 120 мм/мин.
Таким образом, предлагаемая порошковая проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в улучшении качества и эффективности мокрой подводной резки сталей повышенной толщины, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.