Influence of the basicity index on welding electrode coatings on their welding and technological properties

Full Text

Введение Одной из важнейших характеристик шихты для сварочных флюсов и электродных покрытий является основность, которой называют отношение содержания основных оксидов к содержанию кислых оксидов [1-6]. Это отношение называется основностью, или индексом основности (BО), шихты. Для расчета основности флюсов используют следующую формулу, рекомендованную Международным институтом сварки (МИС) [7], имеет вид: (1) где CaO, MgO и т.д. - массовая доля соответствующего химического соединения во флюсе, %. Также, известна другая формула [8], определения степени основности флюсов, включающая большее количество оксидов и использованное при разработке флюсов для автоматической сварки под флюсом. В соответствии с расчетами по формуле основности все флюсы по их химико-металлургическим свойствам можно разделяют на группы, имеющие температурный интервал плавления, показанный в табл. 1 [9]: Таблица 1 Тип, степень основности ВO и температурный интервал плавления флюсов [Type, basility index ВI and temperature range of fluxes] Тип флюса [Type of electrode coating] Степень основности ВO [Basility index ВI] Температурный интервал плавления, °С [Temperature range, °С] Кислые (К) [Acide (A)] <0,9 1100-1300 Нейтральные (Н) [Neutral (N)] 0,9-1,2 1300-1500 Основные (О) [Basic (B)] 1,2-2,0 >1500 Высокоосновные (ВО) [Highly basic (HB)] >2,0 >1500 Высокоосновные шлаки обладают хорошей сорбционной способностью по отношению к примесям, жидкоподвижны, газопроницаемы, способствуют стабильности электрических дуг. Эти шлаки «короткие», т.е. имеют короткий температурный интервал перехода от жидкоподвижного в твердое состояние. Кислые шлаки («длинные») более вязкие, обладают хорошими изолирующими свойствами, большим интервалом перехода от жидкого к твердому состоянию. Данные об основности во многих случаях необходимы для прогнозирования процессов взаимодействия в тройной системе газ-шлак-металл [10]. Для покрытий сварочных электродов используют различные виды шлаков, отличающиеся степенью основности BO. Например, сварочные электроды кислого вида со степенью основности BO ≤ 0,9 обеспечивают хорошую стабильность дуги; они подходят как для переменного сварочного тока, так и для постоянного. Однако, в связи с чрезмерной жидкотекучестью сварочной ванны этими электродами не возможно выполнять сварку в вертикальном положении. Кроме того, сварка такими электродами может привести к возникновению трещин. Покрытия электродов основных видов со степенью основности BO ≥ 1,2 обеспечивают значительно лучшее качество и механическую прочность металла шва. Эти электроды выдерживают высокую температуру сушки и поэтому не загрязняют сварочную ванну водородом. Сварка этими электродами может сопровождаться неустойчивым горением дуги, что приводит к частым коротким замыканиям и крупнокапельному переносу металла электрода в сварочную ванну. Дуга при сварке этими электродами должна быть очень короткой. Несмотря на большое количество исследований влияния химических составов электродных покрытий на качество и свойства сварочных электродов, изучение степени основности BО шлаков электродных покрытий на сварочно-технологические свойства сварочных электродов не достаточно изучены. Поэтому, целью настоящей работы являлось изучение степени основности рудно-минерального сырья Узбекистана, используемого в составе шихты для покрытий сварочных электродов и влияние степени основности (BO) шлаков электродного покрытия на сварочно-технологические свойства сварочных электродов. Обсуждение результатов На первой стадии настоящей работы проводились исследования влияния степени основности BO шлаковой основы электродного покрытия на сварочно-технологические свойства покрытия сварочных электродов на основе простейшей двухкомпонентной шлаковой системы CaO-SiO2, изучая всю линейку массовых концентраций окиси кальция и кремнезема. Определенная таким образом степень основности может характеризовать химические свойства шлака, так как окись кальция наиболее сильный основной окисел, а кремнезем обладает в шлаке отчетливо выраженными кислотными свойствами. Выражение основности шлака через отношение (%CaO)/(%SiO2) нашло широкое применение в практике сталеплавильного производства [11]. В качестве сварочно-технологических свойств сварочных электродов изучались такие свойства, как стабильность горения дуги сварочного электрода Lрдд, формирование наплавленной точки øс.т, величина козырька или чехла на торце электрода hк. Методы определения указанных сварочно-технологических свойств сварочных электродов описаны в работах [12; 13]. Степень влияния степени основности BO шлака электродного покрытия на сварочно-технологические свойства сварочных электродов оценивали с помощью коэффициента детерминированности R2. Коэффициент детерминированности находится в диапазоне 0 < R2 < 1, и обозначает силу линейной корреляции между сварочно-технологическими свойствами сварочных электродов и степенью основности шлаков электродного покрытия. При этом, величина R2 от 0,81 до 1,0 указывают на очень сильную корреляцию, от 0,49 до 0,81 указывают на сильную коррелируемость, от 0,25 до 0,49 указывают на переменные, которые можно считать умеренно коррелируемыми, от 0,09 до 0,25 указывают на низкую корреляцию и меньше 0,09 не имеют какойлибо (линейной) корреляции [14]. Покрытия на сварочных электродах получали методом окунания в обмазочную массу, полученную в результате смешивания исследуемых оксидов (порошок с гранулометрическим составом менее 100 мкм) с жидким стеклом (плотностью 1,4 г/см3) в соотношении, позволяющем образованию на поверхности металлического стержня слоя обмазки, толщиной 0,8-1,2 мм. После нанесения обмазки электроды провяливались при комнатной температуре в течение суток, а затем прокаливались в течение 60 мин при температуре 200 °С. Наплавка осуществлялась на пластину из стали Ст3сп, толщиной 4 мм, при помощи выпрямителя инверторного типа марки Jasic TIG-200P. Питание сварочной дуги осуществлялось на переменном токе при величине силы сварочного тока 140 А и диаметре стержня электрода 4 мм. Результаты проведенных исследований влияния состава обмазки электродных покрытий, состоящих из двухкомпонентной шлаковой системы CaO-SiO2, на сварочно-технологические свойства сварочных электродов представлены в табл. 2. При этом степень основности BО вычислялась по формуле (1) [7]. Температуры плавления обмазок электродных покрытий в шлаковой системе CaO-SiO2 определялась по диаграмме состояния представленной на рис. 1. и в табл. 3. В соответствии с полученными результатами, представленными на рис. 2, между температурой плавления шихты электродного покрытия и его степенью основности BО имеется сильная корреляционная связь (R2 = 0,533), в соответствии с которой увеличение степени основности шлака способствует повышению его температуры плавления. При этом самые низкие температуры плавления шлаков в этой системе наблюдаются у составов, находящихся в области нейтральных шлаков и приграничных к ней кислых шлаков, что объясняется образованием эвтектик в указанных зонах (см. рис. 1 и табл. 3). Исследования влияния степени основности и температуры плавления шлаков электродных покрытий, состоящих из двухкомпонентной системы оксидов кальция и кремния, на сварочно-технологические свойства сварочных электродов представлены на рис. 3 и 4. Зависимость сварочно-технологических свойств от степени основности BО шлаков двухкомпонентной системы CaO-SiO2 (см. рис. 3) показывает, что имеется сильная корреляционная связь между степенью основности BО с разрывной длины дуги Lрдд (R2 = 0,565), умеренная корреляция с диаметром сварочной точки øс.т (R2 = 0,436) и слабая коррелируемость с формированием козырька на торце электрода hк (R2 = 0,233). При этом все кривые зависимостей имеют параболический характер с максимумами при значениях степени основности BО от 0,5 до 2,5. Рис. 1. Диаграмма двухкомпонентной системы CaO-SiO2 Fig. 1. State diagram of the two-component CaO-SiO2 system Таблица 3 Состав шлака оксидной системы CaO-SiO2 и их степень основности BО и температура плавления Tпл [Slag compositions of oxide systems CaO-SiO2 and their basility index BI and melting temperatures Tm] Состав шлака, % масс. [Slag composition, % mas.] Состав шлака после 900 °C, % масс. [Slag composition after900 °C, % mas.] Степень основности ВO [Basility index ВI] Температура плавления Тпл, °С [Melting temperature Тm, °С] CaCO3* SiO2 CaO SiO2 100 0 * * 100,00 2570 90 10 83,4 16,6 5,02 2400 80 20 69,1 30,9 2,24 2080 70 30 56,6 43,4 1,30 1470 60 40 45,6 54,4 0,84 1520 50 50 35,9 64,1 0,56 1510 40 60 27,2 72,8 0,37 1700 30 70 19,3 80,7 0,24 1940 20 80 12,3 87,7 0,14 1990 10 90 5,9 30,0 0,06 1810 0 100 0,0 100,0 0,00 1610 * При температуре 900-1000 °C CaCO3 разлагается на CaO и CO2 (CaCO3 = 56%CaO + 44%CO2). Также, выявлено, что зависимость сварочно-технологических свойств от температурой плавления Tпл шлаков оксидной системы CaO-SiO2 (см. рис. 4) имеется умеренную корреляционную связь с разрывной длины дуги Lрдд (R2 = 0,239), слабая корреляция с диаметром сварочной точки øс.т (R2 = 0,125) и отсутствие какой-либо коррелируемости с формированием козырька на торце электрода hк (R2 = 0,014). При этом все кривые зависимостей имеют параболический характер с минимумами в диапазоне температур 1800-2100 °С. Согласно полученным результатам сварочно-технологические свойства сварочных электродов имеют более сильную коррелируемость этих свойств со степенью основности BO, чем с температурой плавления Tпл (рис. 5) шлаков электродных покрытий в оксидной системе CaO-SiO2. Образование эвтектик и перитектик, связанные с образованием комплексных соединений CaSiO3, Ca2SiO4 и Ca3Si2O7 в шлаковой системе CaO-SiO2 (см. рис. 1), которые влияют на коррелируемость между температурой плавления шлаков и сварочно-технологическими свойствами сварочных электродов в сторону ослабления. Поэтому, между сварочно-технологическими свойствами электродов и степенью основности шлаков корреляционные связи более сильные, чем с температурой плавления этих шлаков. Рис.2. Зависимость температуры плавления Tпл шлака покрытия от степени основности BО Fig.2. Dependence of the melting temperature Tm of the coating slag on the basility index BI Рис. 3. Зависимость сварочно-технологических свойств шлака покрытия от степени основности BО Fig. 3. Dependence of the welding-technologies properties of the coating slag from the basility index BI Рис.4. Зависимость сварочно-технологических свойств шлака покрытия от температуры плавления Tпл Fig. 4. Dependence of the welding-technologies properties of the coating slag from the melting temperature Tm Рис. 5. Корреляция (R2) между сварочно-технологическими свойствами сварочных электродов (Lрдд, øс.т., hк) и степенью основности BО и температурой плавления Tпл шлаков электродного покрытия Fig. 5. Correlation (R2) between welding and technological properties of welding electrodes (Lbla, ødp, hv) and the basicity index BI and melting temperature Tm of electrode coating slags С целью изучения влияния степени основности BО шлаков электродных покрытий, состоящих из многокомпонентных шлаковых систем, на сварочно-технологические свойства сварочных электродов, проводились исследования с использованием в качестве электродных покрытий из рудно-минерального сырья Республики Узбекистан. В табл. 4 приведены некоторые минералы, использованные в качестве обмазок сварочных электродов, название месторождений и значения степени основности BО, рассчитанные по формуле (1). Результаты этих исследований приведены на рис. 6. Как показывают графики зависимостей сварочно-технологических свойств сварочных электродов от степени основности минералов BO, наибольшая коррелируемость BO наблюдается c разрывной длиной дуги Lрдд (R2 = 0,300). При этом шлаки покрытий с высокой основностью способствуют повышению стабильности дуги и увеличению разрывной длины дуги (см. рис. 6). Рис. 6. Зависимость сварочно-технологических свойств шлака покрытия от степени основности BO минерального сырья Fig. 6. Dependence of the welding-technologies properties of the coating slag from the basility index BI of mineral raw materials Таблица 4 Рудное и минеральное сырье Республики Узбекистан и их степень основности BО [Ore and mineral raw materials of the Republic of Uzbekistan and their basicity index BI] Наименование минерала [Name of mineral raw materials] Месторождение [Location] Степень основность ВO [Basility index BI] Мрамор [Marble] Чангали [Changali] 24,80 Мусковит [ Muscovite] Алтынтау [Altyntau] 0,15 Бентонитовая глина [Bentonitic clay] Бештюбе [Bestube] 0,13 Кургалы [Kurgaly] 0,15 Волластанитовый концентрат [Wollastonite concentrate] Койташ [Koitash] 0,05 Кварц (обогащенный) [Quartz (enriched)] Джерой [Jeroy] 0,02 Титаномагнетит [Titanomagnetite] Тебинбулаг [Tebinbulak] 0,17 Титаномагнетит (сплошная руда) [Titanomagnetite] Султануиздаг [Sultanuizdag] 0,58 Известняк [Limestone] Карахтай [Karahtay] 23,40 Хилково [Khilkovo] 18,80 Пироксен [Pyroxene] Койташ [Koitash] 0,05 Полевой шпат [Feldspar] Каргалы [Kargaly] 0,22 Доломит [Dolomite] Хилково [ Khilkovo] 8,10 Тальковая порода [Talc rock] Зинельбулак [Zenelebuli] 0,80 Мелоподобная порода [Chalk-like rock] Каттакурган [Kattakurgan] 4,60 Выявлена низкая корреляционная связь между BO и формированиями козырька или чехла на торце электрода hк (R2 = 0,191) и наплавленной точки øс.т (R2 = 0,106). Установлено, что с повышением степени основности до определенных значений (BO до 9) происходит снижение высоты козырька торца электрода, а последующее его повышение вызывает увеличение hк, которое способствует ухудшению повторного возбуждения сварочной дуги. С другой стороны, повышение BO приводят к увеличению диаметра наплавленной точки øс.т, что благоприятно воздействует на формирование сварного шва. Также, авторами настоящей работы проведены исследования влияния степени основности минералов BО на сварочно-технологические свойства сварочных электродов в области кислых (рис. 7) и высокоосновных (рис. 8) минералов, представленных на рис. 6. Зависимость сварочно-технологических свойств от степени основности обмазок из кислых минералов (BО = 0-0,9), представленная на рис. 7, показывает, что между этими показателями имеется умеренная корреляционная связь (R2 = 0,315 для Lрдд, R2 = 0,489 для øс.т и R2 = 0,436 для hк). При этом кривые зависимости от разрывной длины дуги Lрдд и диаметра сварочной точки øс.т имеют параболических характер с максимумом при значениях степени основности BО от 0,2 до 0,6. Напротив, кривая зависимости формирования козырька на торце электрода hк от степени основности минералов имеет параболический профиль с минимумом в области BО от 0,3 до 0,5. Рис. 7. Зависимость сварочно-технологических свойств шлака покрытия от степени основности BО минерального сырья кислого типа Fig. 7. Dependence of the welding-technologies properties of the coating slag from the basility index BI of asid type mineral raw materials Рис. 8. Зависимость сварочно-технологических свойств шлака покрытия от степени основности BО минерального сырья высокоосновного типа Fig. 8. Dependence of the welding-technologies properties of the coating slag from the basility index BI of basic type mineral raw materials В области высокоосновных минералов (см. рис. 8) наблюдается умеренная коррелируемость степени основности BО с формированием козырька на торце электрода hк (R2 = 0,430), величина которой возрастает с повышением степени основности минералов. Также, полученные результаты показали слабую коррелируемость степени основности BО с разрывной длиной дуги Lрдд (R2 = 0,191) и диаметром сварочной точки øс.т (R2 = 0,170), величины которых возрастают с повышением степени основности «BО. В данном случае, для высокоосновных минералов чем выше степень основности BО тем лучше показатели разрывной длины дуги Lрдд и диаметра сварочной точки øс.т, а для получения минимального козырька на торце электрода hк степень основности BО не должен превышать 10. Таким образом, полученные результаты позволяют установить рекомендации к степени основности BО минералов, используемых в качестве шлаков электродных покрытий, которые могут быть использованы при разработке составов покрытий электродов для их эффективного воздействия на сварочно-технологические свойства сварочных электродов. Заключение В соответствии с полученными данными, выявлено влияние степени основности BО и температуры плавления Tпл шлаков электродных покрытий, состоящих из двухкомпонентной оксидной системы CaO-SiO2 на сварочно-технологические свойства сварочного электрода и установлена взаимосвязь между этими показателями, со степенями корреляции (коэффициент детерминированности R2), представленными на рис. 5. Согласно полученным результатам, сварочно-технологические свойства сварочных электродов имеют более сильную коррелируемость со степенью основности BО, чем с температурой плавления Tпл шлаков электродных покрытий в оксидной системе CaO-SiO2. При этом, наиболее благоприятное влияние на сварочно-технологические свойства сварочных электродов оказывают шлаки электродных покрытий при значениях степени основности BО от 0,5 до 2,5 и температура плавления Tпл до 1800 °С. Также, установлено влияние степени основности BО шлаков электродных покрытий, состоящих из рудно-минерального сырья Республики Узбекистан на сварочно-технологические свойства сварочного электрода и установлена взаимосвязь между этими показателями. Выявлено, что наилучшие сварочно-технологические свойства сварочных электродов наблюдаются при степени основности BО от 0,2 до 0,6 для кислых шлаков и BО от 8 до 14 для высокоосновных шлаков.

About the authors

Rustam M. Saidov

Institute of Materials Science, SPA “Physics-Sun”, Academy of Science of Uzbekistan

Email: saidov_r@yahoo.com
Cand. Sci. (Eng.); leader research Tashkent, Republic of Uzbekistan

Song Yong-Won

Korea Polytechnic University (KPU) of the Republic of Korea

Email: ywsong@kpu.ac.kr
professor at the Department of Nano-Optical Engineering

Fatima M. Rakhimova

Institute of Materials Science, SPA “Physics-Sun”, Academy of Science of Uzbekistan

Email: rakhimova@imssolar.uz
senior research Tashkent, Republic of Uzbekistan

Muzafar M. Abralov

Tashkent State Technical University

Email: abralov1978@mail.ru
Cand. Sci. (Eng.); acting assistant professor Tashkent, Republic of Uzbekistan

References

Supplementary files