CC BY
9
В1 СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип.№11
2001 р.
УДК 621.791.92:621.762
Кассов В.Д.*
РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРНМЕНТАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА, НАПЛАВЛЕННОГО ПОРОШКОВЫМ ЭЛЕКТРОДОМ
Разработана расчетно-эксперименталъная модель комплексного легирования металла, наплавленного порошковыми электродами различной конфигурации, сердечник которых предварительно импрегнирован синтетической углеродсодержащей композицией, позволяющая с достаточной точностью прогнозировать химический состав металла шва.
Содержание легирующих элементов в металле наплавки при отсутствии окислительно-восстановительных реакций определяется концентрацией этих присадок в порошковом электроде.
Известно [1,2], что в реакционной области сварки одновременно протекают два противоположных процесса: прямое растворение в каплях или сварочной ванне металлических добавок из сердечника порошкового электрода и окисление этих добавок в твёрдой фазе газообразными окислителями, выделяющимися из сердечника порошкового электрода при его нагреве (например, в результате разложения карбонатов), а также окисления жидкого металла после перехода легирующих добавок из шихты в металл капель и сварочной ванны образующимся шлаком и кислородом газовой фазы. Установленные закономерности влияния различных материалов и легирующих присадок на характеристики макропереноса электродного металла и переход легирующих элементов позволили выявить комплекс статистически значимых факторов, определяющих физико-химические условия взаимодействия фаз и состав металла при наплавке порошковыми электродами. Это содержание легирующих элементов металла, газошлакообра-зующих компонентов Сгш в порошковом электроде, основность К0 исходного шлака, которая характеризует металлургические свойства шлака и определяется составом шлакообразующих материалов, и окислительный потенциал газовой фазы.
Зависимость химического состава наплавленного металла от состава порошкового электрода определяетя [1]
М< = Me1 (Ъ0 + Ь1СС" +Ь2Мпа2 +b3Si"3 +b4Cra4 +b5Vas +
+ b6Tia6 + b7Mo"7 +bsWas +Ь9СГШ +b10lnK0 +bnC02), где Мен' и Me1 - концентрация легирующих элементов С, Mn, Si, Cr, V, Ti, Mo, W соответственно в наплавленном металле и порошковом электроде.
Параметры ак в уравнении (1) взяли равными 0,5 и 1,0. Для получения зависимостей (1) было изготовлено 132 порошковые ленты, в которых изменяли содержание легирующих, газо-шлакообразующих компонентов и основность шлака. В табл. 1 приведены выборочные данные по некоторым из них.
Основность шлака в исследованных порошковых лентах изменяли путём введения в состав шихты наряду с традиционными газошлакообразующими компонентами [1] ранее запатентованных ингредиентов - как правило, отходов производства (нефелин-полевошпатового продукта, отходов титаномагниевого производства, марганцевого шлама, конверторного ванадиевого шлака и др. [3]) в различных соотношениях. Их утилизация позволяет эффективно вовлечь в промышленный оборот дополнительные сырьевые источники кальция, магния, марганца, титана и др., которые в настоящее время практически не используются, нанося ущерб окружающей среде. Состав газовой фазы изменяли путём введения в шихту сердечника мрамора, магнезита и синтетической углеродсодержащей композиции, которой предварительно обрабатыва-
ПГТУ, канд. техн. наук, докторант
лась шихта экспериментальных порошковых лент [4].
Таблица 1 - Расчётное содержание легирующих, газошлакообразующих компонентов и основности шлака исследованных порошковых лент
Индекс Содержание легирующих элементов в порошковой ленте, % Характеристики газошлакообразующих
ленты материалов
С Мп 81 Сг V Л Мо \¥ г ^ГШ Ко со2
ПЛ-08 0,2 0,5 0,5 0 0 1,2 0 0 1,0 0,2 0
ПЛ-84 3,0 5,4 1,7 17,0 0 1,2 0 7,8 1,0 20,0 0
ПЛ-Б7 0,2 1,8 0,5 5,0 0 1,2 0 2,5 1,0 4,0 0
ПЛ-ЬО 3,0 7,8 1,7 12,0 2,6 1,2 2,8 10,0 1,0 30,0 0
ПЛ-\¥3 0,2 4,6 0,5 0 0 1,2 2,8 5,6 1,0 9,0 0
ПЛ-\¥6 3,0 0,5 3,0 5,0 2,6 1,2 2,8 0 1,0 0,2 0
ПЛ-Ы9 0,2 5,4 0,5 17,0 2,6 1,2 2,8 7,8 1,0 20,0 0
ПЛ-У2 3,0 1,8 3,0 5,2 5,0 1,2 2,8 2,5 1,0 4,0 0
пл-г5 0,2 7,8 1,7 12,5 2,6 1,2 2,8 10,0 1,0 30,0 0
пл-г8 3,0 4,6 3,0 0 5,0 1,2 2,8 5,6 1,0 9,0 0
ГОКИ 0,2 0,5 3,0 16,8 5,0 1,2 0 2,5 1,0 0,2 0
Геометрические размеры порошковых лент были следующие: ширина 19,8 мм, толщина 4,1 мм, толщина оболочки 0,4 мм. Ленты изготавливали с силой обжатия 15 кН. При этом коэффициент заполнения составлял 0,55... 0,60.
Наплавку образцов в три-четыре слоя для химического анализа металла производили открытой дугой обратной полярности на пластины из стали СтЗ с применением сварочного аппарата АДС-1000-2 с токоподводящей приставкой для наплавки порошковыми лентами. Режимы наплавки: сварочный ток 700...750 А, напряжение 29...31 В, скорость наплавки 20 м/ч, вылет электрода 60 мм.
Коэффициент перехода г| определяли по формуле
Ме
Л = ~гг~' Ю0%, (2)
Ме
где Мен, Ме - содержание элемента в наплавленном металле (в третьем-четвёртом слое наплавки) и порошковой ленте, рассчитанном по формуле (1). Результаты экспериментов приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Коэффициент перехода элементов в зависимиости от состава порошковых лент
Индекс ленты Коэффициент перехода легирующих элементов, %
С Мп 81 Сг V Л Мо \¥
ПЛ-(38 60,3 66,1 62,2 - - 64,1 - -
ПЛ-84 87,3 94,8 73,3 91,5 - 66,3 - 98,4
ПЛ-Б7 69,3 78,1 60,4 88,2 - 60,2 - 96,2
ПЛ-ЬО 90,7 92,4 75,6 90,5 89,3 72,4 97,5 98,4
ПЛ-\¥3 65,4 80,2 55,6 - - 63,4 97,6 98,2
ПЛ-\¥6 77,2 78,3 82,4 86,5 83,2 11,4 97,2 -
ПЛ-Ы9 82,6 92,6 65,0 91,3 87,4 67,2 97,:3 96,8
ПЛ-У2 86,4 92,1 78,4 88,2 91,6 73,8 97,:3 98,4
пл-г5 85,4 92,4 71,8 90,7 90,2 68,3 94,6 97,8
пл-г8 84,3 94,7 72,8 - 91,6 74,8 96,4 98,8
ШЮ! 80,4 85,6 77,3 86,4 82,6 72,8 - 95,6
Высокие коэффициенты перехода легирующих при наличии синтетической углеродсо-держащей композиции обусловлены [5] менее интенсивным их окислением на стадии нагрева. Обработка экспериментальных данных методами многомерного регрессионного анализа с последовательным отсеиванием незначимых на уровне 5% переменных привела к системе нелинейных уравнений, которая базируется на полученных закономерностях и учитывает физико-химические условия взаимодействия фаз при дуговой наплавке порошковыми электродами и имеет вид уравнений (3):
Сн = 0,01С(50,5 + 3,94с + 2,5у[Мп + + 0,6Сг + 3,О4У + 6,64Й -
- 2,5^СГШ +1,31п К0 - 2,2СО2 );
Мпн = 0,01Мп( 62,4 + 2,54С + 4,2^Мп + 5, з4ы + 1,5Сг + 1,2У + 3,54т1 -
- + 2,41п К0 - 3,2С02);
= 0,0181(43,3 + 4,84С + 3,74Мп + 7,24& + 1,54Сг + 0,5У + 3,84^ +
,--(3)
+ 1,5^1 Сгш - 2,11п Кд - 3,6С02 );
Сгн = 0,01Сг(82,3 + 0,5С + 1,4^1 Мп +1,24Ы + 0,2Сг + 0,8П -
- „и +0,31пК0- 1,6С02 );
Ун = 0,01У(79,4 + 2,14Мп +1,24$1 + 1,2У + 0,6П - 0,7^Сгш + 0,31пК0 -1,5С02);
Мон = 0,01Мо(98,3 + 0,15Мо - 0,ЗСгш - 0,5С02 );
1¥н = О,ОШ(97,6 + 0,21¥ - 0,2СГШ - 0,4С02 );
где Сн, ... \¥н - концентрация легирующих элементов в наплавленном металле, %;
С, ... Сгш, С02 - концентрация легирующих элементов, газошлакообразующих компонентов и углекислого газа в порошковом электроде при полном разложении карбонатов, %;
К0- основность исходного шлака, рассчитанная по формуле:
СаО + МёО + ВаО + №20 + К 20 + СаР2 + 0,5(МпР + РеО) 0 ~ 8Ю2+0,5(ТЮ2+гг02+АЮ3)
Значения множественного коэффициента корреляции К, дисперсии адекватности 82, остаточного среднеквадратичного отклонения 8, средней относительной погрешности расчёта А, число степеней свободы f для этих уравнений, дисперсии воспроизводимости опытов с2 (для числа степеней свободы fa=20) и расчётная величина критерия Фишера Б приведены в табл. 3.
Таблица 3 - Результаты статистического анализа уравнений (3)
Расчётные величины Уравнение для определения в наплавленном металле содержания
С Мп 81 Сг V Т1 Мо \¥
Я 0,872 0,834 0,808 0,838 0,826 0,792 0,894 0,885
82 0,0067 0,0083 0,0335 0,0818 0,0041 0,0243 0,0046 0,00220
8 0,082 0,091 0,183 0,286 0,064 0,156 0,068 0,045
А, % 6,8 5,6 10,4 4,4 3,8 7,3 3,7 3,2
Б 130 130 130 131 132 131 136 136
а2 0,0041 0,0047 0,0191 0,0693 0,0028 0,0141 0,0029 0,0011
Б 1,63 1,77 1,75 1,18 1,46 1,72 1,59 1,82
Для всех уравнений системы (3) Р<Р0)05(£, ^)=1-88, что не противоречит гипотезе адекватности.
Как видно из системы уравнений (3), изменение концентрации легирующих элементов в наплавленном металле от основности исходного шлака происходит по логарифмическому закону, от содержания газошлакообразующих материалов в электроде и окислителя СО2 в газовой фазе - по обратнопропорциональной зависимости, от содержания легирующих элементов в порошковом электроде - по степенной зависимости (линейной или параболической).
Полученные данные подтверждают, что наибольшее влияние на переход легирующих элементов в наплавленный металл оказывают химические свойства шлака, в частности его основность, и окислительный потенциал газовой фазы. Коэффициент корреляции уравнений (3) R<0,9. Это свидетельствует о том, что наряду с химическими свойствами шлака, которые учитываются этими уравнениями, на переход легирующих элементов оказывают влияние его физические свойства (температура плавления и затвердевания, вязкость в жидком состоянии и её изменение с температурой, жидкотекучесть, газопроницаемость, плотность в жидком состоянии), обуславливающие защитное действие шлака.
В то же время, поскольку система уравнений (3) адекватно описывает экспериментальные данные, то для практических расчётов состава металла при легировании через сердечник порошкового электрода, физическими свойствами шлака, как не оказывающими статистически значимого влияния, можно пренебречь.
Выводы
При исследуемых режимах наплавки (сварочный ток 700...75О А, напряжение 29...31 В, скорость наплавки 20 м/ч, вылет электрода 60 мм) система уравнений (3) позволяет:
- прогнозировать химический состав металла, наплавленного порошковым электродом, с содержанием (%): С 0,2...4,0; Мп 0,5...8,0; Si 0,5...3,0; Cr 0...17;V 0...5; Ti 0...2;Mo 0...6; W 0...10; Сгш 1...10, в том числе СО2 0...2, при основности исходного шлака Ко=0,2...30%;
- рассчитывать состав порошкового электрода по известному содержанию легирующих элементов в наплавленном металле.
Перечень ссылок
1. Кассов В.Д., Билык Г.Б. Полиномиальная модель оптимизации сварочно-технологических свойств порошковой проволоки. Часть 1. Трехкомпонентная система.// Сб. науч. статей. Вып. 3,- Краматорск: ДГМА, 1996. - С.377-383.
2. Билык Г.Б., Кассов В.Д. Влияние состава материала сердечника самозащитной порошковой проволоки на параметры переноса и потери электродного металла // Сварочное производство. - 1988,-№2. -С. 7-9.
3. A.c. 1371981 СССР, МКИ С21 С7/00. Композиционная проволока для модифицирования стали / В.Д.Кассов, В.Т.Катренко, А.В.Грановский и др.- Опубл. 07.02.88.-Бюл. №5.
4. A.c. 1632715 СССР, МКИ В23К 35/368. Состав электродного покрытия / В.Д.Кассов, А.А.Кузнецов, В.В.Зайцева, А.В.Бондаренко.- Опубл. 07.03.91,- Бюл. №9.
5. Кассов В.Д., Чигарев В.В., Кадава В.В. Высококачественные порошковые электроды для восстановления штамповой оснастки/Удосконалення процсав та обладнання обробки тис-ком в машинобудуванш i металургн: 36. наук, пр.- Краматорськ-Слов'янськ, 2000,- С. 487-491.
Кассов Валерий Дмитриевич. Канд. техн. наук, ст. преподадатель каф. сварки ДГМА, окончил Краматорский индустриальный институт в 1971 г. Основные направления научных исследований - прикладные и теоретические проблемы создания электродных материалов для дуговой наплавки с улучшенным комплексом служебных свойств, технологических процессов их изготовления.
Статья поступила 12.01.2001.
