АГЛОМЕРИРОВАННЫЙ ФЛЮС 48АФ-70
AGGLOMERATED FLUX 48AF-70

Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к агломерированным флюсам, и может быть использовано для сварки низколегированных теплоустойчивых сталей перлитного класса, применяемых в нефтехимической промышленности. Данный агломерированный флюс разработан для сварки стали 2,25Cr-1Mo-0,25V композиции.
Известен ближайший по составу и области применения агломерированный флюс (прототип) для автоматической сварки низколегированных сталей (Патент России RU 2313435, В23К 35/362), содержащий обожженный магнезит, электрокорунд, плавиковошпатовый концентрат, сфеновый концентрат, марганец металлический, ферротитан, ферросилиций, титаномагнетит, ферробор, диоксид титана синтетический и связующую добавку силикат натрия-калия, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Обожженный магнезит
26,40-30,0
Электрокорунд
18,60-22,0
Плавиковый шпат
20,0-20,50
Сфеновый концентрат
12,20-14,50
Диоксид титана синтетический
5,0-0,80
Марганец металлический
2,0-3,0
Ферротитан
0,25-0,50
Ферросилиций
0,50-0,80
Титаномагнетит
0,50-0,80
Ферробор
0,20-0,37
Силикат натрия-калия
6,55-8,10
При этом отношение суммарного содержания обожженного магнезита, плавикого шпата и 1/3 сфенового концентрата к суммарному содержанию 2/3 сфенового концентрата, 2/3 силиката натрия-калия, 1/2 электрокорунда и 1/2 диоксида титана выбрано в пределах 1,8-2,1, отношение ферротитана к ферробору - в пределах 0,67-2,5, а отношение диоксида титана синтетического к плавиковому шпату выбрано в пределах 0,24-0,32.
Недостатком данного флюса является сильная загрязненность металла шва фосфором, из-за его высокого содержания в сфеновом концентрате. Фосфор способствует снижению механических свойств металла шва после термической обработки. Также содержание бора во флюсе приводит к образованию боридных фаз в металле шва, способствующих его тепловому охрупчиванию при рабочих температурах.
Техническим результатом данного изобретения является повышение ударной вязкости металла сварных швов, выполненных с использованием флюса предлагаемого состава после проведения высокого отпуска, при температуре от минус 30°C до минус 18°C с одновременным повышением прочности металла шва при температурах до +454°C и улучшением сварочно-технологических свойств.
Технический результат достигается тем что:
предлагаемый состав агломерированного флюса, содержащий: электрокорунд, плавиковый шпат, титаномагнетитовый концентрат, ферротитан, ферросилиций, обожженный магнезит, марганец металлический, также дополнительно содержит синтетический шлак и фтористый барий, а в качестве связующей добавки - силикат натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Электрокорунд
18,65-25,0;
Синтетический шлак
14,0-18,0;
Плавиковый шпат
23,0-25,65;
Титаномагнетитовый концентрат
0,50-1,0;
Фтористый барий
0,40-1,5;
Марганец металлический
1,0-2,50;
Ферротитан
0,30-0,60;
Ферросилиций
0,20-0,50;
Обожженный магнезит
23,0-34,30;
Силикат натрия
5,0-8,0,
2
2
3
2
при этом отношение суммарного содержания магнезита, плавикового шпата 1/3 синтетического шлака и 1/3 силиката натрия к суммарному содержанию 2/3 синтетического шлака, 1/2 электрокорунда и 2/3 силиката натрия находится в пределах 2,25-3,18, при этом синтетический шлак имеет следующий состав, мас.%: SiO (15-35), CaO (45-60), AlO (5-10), CaF (8-16).
В состав флюса введен синтетический шлак взамен сфенового концентрата и синтетического диоксида титана, что способствует снижению остаточного содержания кислорода в металле шва, негативным образом влияющего на его ударную вязкость;
- в состав флюса введен фтористый барий, обеспечивающий уменьшение количества и размера неметаллических включений за счет улучшения отделимости шлаковой корки;
- в качестве связующей добавки введен силикат натрия, обеспечивающий снижение диффузионного водорода в наплавленном металле, что уменьшает склонность металла шва к водородному охрупчиванию.
При превышении содержания электрокорунда сверх указанных пределов отмечается повышенная загрязненность металла шва алюмосиликатными включениями, из-за чего происходит снижение ударной вязкости металла шва. При содержании электрокорунда ниже указанного предела происходит ухудшение сварочно-технологических свойств флюса.
Пределы содержания синтетического шлака выбраны с точки зрения повышения ударной вязкости и увеличения прочности металла шва.
Пределы содержания плавикового шпата выбраны с точки зрения обеспечения наилучших сварочно-технологических свойств и отделимости шлаковой корки. При превышении содержания плавикового шпата выше указанного предела наблюдается ухудшение отделимости шлаковой корки. При содержании плавикового шпата ниже указанного предела наблюдается нестабильное горение дуги.
Введение в состав флюса добавок титаномагнетита и фтористого бария в указанных пределах приводит к улучшению сварочно-технологических свойств флюса за счет улучшения смачиваемости жидкого металла расплавленным шлаком.
Содержание марганца металлического, ферротитана и ферросилиция выбраны с учетом обеспечения сочетания высоких прочностных и пластических свойств металла сварного шва, а также его высокой ударной вязкости. При содержании указанных элементов ниже указанных пределов отмечается снижение предела текучести и временного сопротивления металла шва после проведения высокого отпуска. При привышении указанных пределов снижается пластичность и ударная вязкость металла шва.
Указанные пределы содержания химических соединений в синтетическом шлаке выбраны с учетом обеспечения возможности его выплавки в электрической печи, так как в этих пределах выбранный состав попадает в область тройной эвтектики на диаграмме плавкости.
Изготовление данного флюса возможно на промышленных автоматизированных линиях по производству агломерированных флюсов.
Были изготовлены опытные партии агломерированных флюсов, составы которых приведены в таблице 1.
Проведена сварка стыковых соединений из стали 2,25Cr-1Mo-0,25V композиции с использованием проволоки марки Св-15Х3ГМ1ФТА ⌀4 мм в сочетании с изготовленными вариантами флюса.
Таблица 1
Состав опытных партий агломерированного флюса, мас.%
Наименование компонента
№ партии
I
II
III
IV прототип
Магнезит обожженный
23,0
34,30
27,6
30,0
Электрокорунд
25,0
18,65
19,0
20,0
Синтетический шлак
16,65
14,0
18,0
-
Плавиковый шпат
23,0
23,0
25,65
20,0
Титаномагнетитовый концентрат
1,0
0,50
0,50
0,60
Фтористый барий
1,50
1,0
0,40
-
Диоксид титана синтетический
-
-
-
6,50
Сфеновый концентрат
-
-
-
12,20
Ферробор
-
-
-
0,20
Марганец металлический
2,50
1,0
1,50
3,10
Ферротитан
0,60
0,60
0,30
0,35
Ферросилиций
0,20
0,50
0,50
0,50
Силикат натрия
6,55
6,55
6,55
-
Силикат натрия-калия
-
-
-
6,55
В<sup>*</sup>
2,25
3,18
2,73
2,10
<sup>*</sup> В - соотношение суммарного содержания, магнезита, плавикового шпата, 1/3 синтетического шлака, 1/3 сфенового концентрата и 1/3 силиката натрия (силиката натрия-калия) к суммарному содержанию 2/3 синтетического шлака, 1/2 электрокорунда, 2/3 сфенового концентрата и 2/3 силиката натрия (силиката натрия-калия). При этом синтетический шлак имеет следующий состав, мас.%: SiO<sub>2</sub> (15-35), CaO(45-60), Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> (5-10), CaF<sub>2</sub> (8-16).
Режимы сварки:
Сила тока:
500-550 А
Напряжение:
28-32 В
Скорость:
25-27 м/ч
Сварка проводилась на постоянном токе обратной полярности.
Сварочная проволока Св-15Х3ГМ1ФТА имеет следующий состав, % по мас.:
Углерод
0,14-0,16
Кремний
0,15-0,22
Марганец
0,70-0,90
Хром
2,10-2,50
Молибден
0,90-1,20
Ванадий
0,15-0,40
Железо
основа
Результаты определения химического состава металла шва приведены в таблице 2.
Таблица 2
Химический состав металла шва, мас.%
Варианты флюса
Химический элемент
С
Si
Mn
Cr
Mo
V
Ni
S
P
I
0,07
0,18
0,98
1,98
1,01
0,15
0,01
0,009
0,009
II
0,11
0,25
1,22
2,15
1,02
0,20
0,01
0,003
0,007
III
0,09
0,22
1,18
2,12
1,01
0,18
0,01
0,003
0,009
IV - прототип
0,07
0,56
1,35
2,10
1,00
0,16
0,01
0,005
0,014
Результаты определения механических свойств металла шва после проведения термической обработки по режиму 660±10°C/2 ч 5 мин + 705-710°C/7 ч 55 мин, а также результаты проверки сварочно-технологических свойств приведены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты определения механических свойств металла шва, а также сварочно-технологических свойств
Варианты флюса
<maths num="1"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>m</mi><mrow><mo>+</mo><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>МПа
<maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mi>p</mi><mn>0,2</mn></mrow><mrow><mo>+</mo><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="8" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>МПа
А<sup>+20</sup>, %
Z<sup>+20</sup>, %
<maths num="3"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>m</mi><mrow><mo>+</mo><mn>454</mn></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>МПа
KV<sup>-18</sup>,Дж/см<sup>2</sup>
KV<sup>-30</sup>,Дж/см<sup>2</sup>
Сварочно-технологи-ческие свойства
Требованиязаказчика
585-760
415-620
≥18
≥45
≥461
≥55
≥55
удовл.
I
630-650
545-550
19-23
69-74
475-500
38-64
25-68
удовл.
II
640-660
560-575
20-24
71-78
515-530
55-80
15-37
удовл.
III
640-650
540-570
23,5-25
74-75
490-495
194-215
71-240
удовл.
IV
550-560
520-540
12,5-14
66-72
440-460
10-142
10-21
удовл.
Были проведены дополнительные исследования, которые показали что при повышении соотношения В>3,18 не удается обеспечить удовлетворительные сварочно-технологические свойства, из-за чего в металле шва образуется большое количество дефектов (шлаковые включения, побитость и т.д.), что отрицательным образом сказывается на значениях ударной вязкости.
При использовании прототипа не удалось получить требуемые значения механических свойств металла шва вследствие его теплового охрупчивания из-за высокого содержания в нем бора и фосфора.
При соотношении В < 2,25 не обеспечиваются требуемые значения ударной вязкости металла шва из-за загрязненности его неметаллическими включениями вследствие высокой окислительной способности шлака.
При соблюдении предлагаемого соотношения компонентов обеспечиваются прочностные и пластические свойства металла шва, а также высокий уровень его ударной вязкости.
Ожидаемый технико-экономический эффект от использования нового состава сварочного флюса для изготовления корпусов нефтехимического оборудования с высокими рабочими параметрами выразится в повышении срока службы оборудования при обеспечении его повышенной безопасности.