Автореферат (Повышение эффективности модифицирования металла шва при сварке низколегированной стали под флюсом с металлохимической присадкой), страница 3

Низкая стабильность механических свойств снижаетнадежность конструкций и увеличивает вероятность их отказа. Стабильностьмеханических свойств повышает точность прочностных расчётов при проектировании,определения долговечности и надёжности изделий. Поэтому повышение уровня истабильности механических свойств сварных соединений, и в первую очередь, металлашва путём измельчения его структуры, является актуальной задачей работы.Изучение применяемой на производстве технологии сварки показало, чтоприготовление МХП не может обеспечить стабильность содержания диоксида титана.Перед засыпкой в смеситель типа «пьяная бочка» по весу 0,3 % от веса гранулятадобавляют TiO2. В качестве режима смешивания оговаривается только времясмешивания. Конструкция смесителя не стандартизирована, не оговорена масса партиисмеси, загружаемой в смеситель.

После смешивания, излишки TiO2 удаляютсявстряхиванием МХП на сите с ячейкой 1´1 мм, режимы встряхивания неоговорены.Таким образом, окончательное содержание TiO2 в МХП не контролируется. В связи сэтим возникла необходимость разработки метода контроля качества МХП. Стабильностьсостава МХП в первую очередь зависит от прочности сцепления частиц химическойдобавки с поверхностью гранулята. Однако способа определения этой прочности намомент начала исследований не существовало.

Необходимы изыскание способа иразработка методики оценки прочности сцепления частиц химической добавки споверхностью гранулята.5Состав химических добавок в гранулированную присадку не имел достаточногонаучного обоснования. Применяемые на ранней стадии галогены в качестве химическойдобавки в МХП при сварке мостовых конструкций использовали для повышенияпроизводительности процесса сварки, а не для измельчения зерна и повышения вязкостиметалла шва. Последующая замена галогенов на диоксид титана, судя по отсутствию влитературе сведений об этом, произведена без достаточной аргументации и научногообоснования.Механизм взаимодействия МХП, в частности диоксида титана со сварочной ваннойне исследован, что тормозит расширение применения этого способа для сварки, наплавкидругих сталей, а также научно обоснованный выбор химических добавок для различныхцелей (изностойких покрытий, сварных соединений стойких в агрессивных средах и др.)Для устранения этого пробела в работе проведены исследования термодинамических икинетических факторов взаимодействия МХП со сварочной ванной (дана оценкаудельных площадей контактирования МХП с флюсом, газовой фазой, временипребывания МХП в различных температурных зонах, термодинамической вероятностиокислительно-восстановительных реакций в сварочной ванне при сварке с МХП).Сформулированы цель и задачи исследования.Во второй главе проведен анализ существующей технологии полученияметаллохимической присадки (МХП) для автоматической сварки мостовыхметаллоконструкций.

Установлено, что применяемая в настоящее время технологияприготовления МХП – опудривание гранулята в цилиндрическом смесителе,последующая прокалка, хранение перед сваркой в печи при температуре 80 °С итранспортировка к месту сварки – из-за низкой прочности сцепления инеконтролируемых потерь не гарантирует постоянства состава МХП. Кроме того,возможны потери TiO2 по длине шва в процессе засыпки МХП в сварочный зазор.Таким образом, одним из непременных условий постоянства получениявысококачественных сварных соединений с применением МХП является стабильность еесостава на всех этапах – от смешивания до укладки в зазор свариваемого стыка.

Главнымпоказателем этого постоянства является прочность сцепления частиц химическойдобавки с поверхностью гранулята. Она зависит от многих факторов: чистоты и рельефаэтой поверхности, конструкции смесителя и режимов смешивания, соотношениякомпонентов при загрузке в смеситель и др. Насколько нам известно, до нашегоисследования не существовало способов непосредственной или косвенной оценкипрочности сцепления частиц химической добавки с поверхностью гранулята. Это непозволяло объективно оценить качество МХП, постоянство ее состава, влияниетехнологии приготовления МХП на это постоянство и т.п.Поэтому возникла необходимость разработки методики количественной оценкипрочности сцепления химической добавки TiO2 с поверхностью гранулята. Внастоящей работе прочность сцепления модифицирующей добавки с гранулятомпредложено косвенно оценивать по увеличению массы гранулята после его смешивания смодифицирующей добавкой (по привесу).

Воспроизводимость величины привеса послестатистической обработки результатов (более 100 взвешиваний для каждого режимасмешивания) оценивали сравнением критерия Кохрена вычисленного по результатамвзвешивания и сравнения его с табличным значением. Полученные результатыподтвердили высокую точность и воспроизводимость разработанной методики.С помощью разработанной методики и полного факторного эксперимента (ПФЭ)было исследовано влияние технологических факторов на прочность сцепления частиц (X1– соотношения масс гранулята и добавки TiO2, X2 – скорости вращения смесителя и X3 –времени смешивания). Выходным фактором эксперимента был выбран привес Y1. На6основании статистической обработки экспериментальных данных было полученоуравнение регрессии:Y1 = 0,7160 + 0,3342 X 1 - 0,0405 X 2 + 0,0348 X 3 + 0,1186 X 12 + 0,0114 X 13 + 0,0077 X 23(1)После проверки значимости коэффициентов регрессии с помощью критерияСтьюдента получено итоговое уравнение регрессии:Y1 = 0, 7160 + 0,3342 X 1 + 0,1186 X 12(2)Регрессионный анализ, полученных результатов показал, что прочность сцепленияувеличивается с возрастанием массы TiO2 в присадке и времени смешивания.

Вместе стем было установлено, что повышение скорости вращения смесителя приводит кувеличению массы частиц, отбрасываемых под действием центробежных сил и неучаствующих во взаимодействии с гранулятом из-за оседания на внутреннюю стенкусмесителя. Это уменьшает концентрацию модифицирующей добавки в составе МХП исвидетельствует о низкой прочности сцепления между частицами. Таким образом,применяемая технология изготовления МХП в низкоэнергетическом смесителе не можетобеспечить надежной прочности сцепления частиц диоксида титана с поверхностьюгранулята.Третья глава посвящена разработке способа получения гранулированныхприсадочных материалов с высокой прочностью сцепления модификаторов счастицами гранулята.

Для этого предложено применять высокоэнергетическоеоборудование – планетарную мельницу. В ней смешивание частиц TiO2осуществляется за счёт высокоэнергетических ударов мелющих шаров в размольныхстаканах, вращающихся на опорном диске в одном направлении, в то время как дискдвижется в противоположном.

Ускорение частиц в процессе смешивания можетдостигать до 60g. В результате такой обработки происходит не только измельчениечастиц TiO2, но и их пластическая деформация, сопровождаемая дроблением частицгранулята. При этом высока вероятность химического взаимодействия междукомпонентами смеси с образованиемпрочных связей.С помощьюполнофакторногоэкспериментабыладанаоценкаэффективности разработанного способаполучения МХП (Рис.

1). Отмеченывысокие значения прочности связей междучастицами (прочность увеличена в 2,5 раза)и высокая стабильность состава МХП(стабильность повышена в 2,77 раз).Эффективность существующей иразработанной технологии изготовленияМХП, оценивали коэффициентом усвоениядиоксида титана (Ky), характеризующимотношение его концентрации в составеМХП после смешивания и встряхивания навибросите в течение 1 минуты (TiO2)мхп кРис. 1. Гистограмма ранжирования исходной (до смешивания) концентрациифакторов и их комбинаций по (TiO2)исх.коэффициентам для привеса приполучении МХП в цилиндрическомсмесителе и в планетарной мельницеKy =(TiO2 ) МХП(TiO2 ) ИСХ(3)Установлено, что при обработке шихты7в смесителе K y = 0,163 , а в планетарной мельнице K y = 0,451 . Высокое значение K yсвидетельствует о том, что прочность сцепления диоксида с гранулятом и,следовательно, стабильность состава МХП в 2,77 раза выше, чем прииспользующейся на данный момент технологии её изготовления.В ходе серии из 32 экспериментов были найдены оптимальные режимыпроизводства МХП для существующей и разработанной технологии получения МХП,при которых получены максимальные величины масс (привесов) модифицирующихчастиц, закрепившихся на поверхности гранулята (Таблица 1).

Определено итоговоеуравнение регрессии для разработанной технологии получения МХП в планетарноймельнице.Y2 = 1,2751 + 1,0397 X 1 + 0,2052 X 2 + 0,6523 X 12 + 0,0975 X 13(4)Согласно полученным уравнениям регрессии (2,4), величина привеса(прочность связей между частицами) увеличивается с возрастанием концентрациихимической добавки в смеси Х1. Величина фактора Х1 больше в 3,11 раза приобработке в планетарной мельнице чем в смесителе. Менее значимым фактором висследуемых пределах является время механической обработки МХП в смесителе(фактор Х3).

Фактор Х2 (скорость вращения цилиндрического смесителя) в уравнениирегрессии имеет знак минус. Это свидетельствует о том, что при обработке в смесителепрочность сцепления модифицирующих частиц с поверхностью гранулята не высока, приэтом очевидно возникает в основном механическое взаимодействие, когдамодифицирующие частицы закрепляются в поверхностных трещинах и различныхнеровностях.Таблица 1.Параметры обработки МХП, при которой получены максимальные значенияПривесКонцентраци СкоростьВремяВремяTiO2, грУстановка дляя исходных вращениявстряхсмешиваполучения МХПкомпонентов, установки,ивания Dmi = mМХПния, мин%об/мин, мин - Dmгранулята,Цилиндрический5603011,3228смесительПланетарная мельница54003013,3412Полученные результаты показали, что для образования устойчивых связей междучастицами МХП необходима более высокая энергия смешивания.

А при существующейконструкции смесителя с увеличением скорости вращения барабана химическая добавкапод действием центробежных сил отбрасывается и оседает на стенках смесителя, неучаствуя в процессе механического синтеза. Этот фактор (Х2) в случае обработки МХПна планетарной мельнице в 5 раз оказывает большее влияние на увеличение прочностисвязей между частицами по сравнению со смесителем. Коэффициент взаимного влияния(Х12), учитывающий концентрацию TiO2 (Х1) и энергию смешивания, незначителен приобработке МХП в смесителе (0,1186), а при обработке в планетарной мельницеувеличивается в 5,5 раза до (0,6523).В результате установлено, что прочность связеймежду частицами в 2,5 раза больше при обработке МХП в планетарной мельнице, чтоподтверждает большую перспективность разработанной технологии для получения МХП.Гранулометрический анализ МХП показал (Рис.