Сварочные электроды из минерального сырья Восточной Сибири, полученные на основе результатов физико-химического моделирования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 532.13+532.14

СВАРОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ ИЗ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

А.А.Матафонов1, В.А.Бычинский2, Е.А.Руш3

1,3Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского,15. 2Институт геохимии им. А.П.Виноградова СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.

Разработана физико-химическая модель процессов плавления сварочных электродов, изготовленных на основе минерального сырья Восточной Сибири. Приведены результаты исследований влияния различных компонентов в составе покрытия на качественные характеристики электродов на основе применения программного комплекса «Селектор», предназначенного для исследования физико-химических процессов, протекающих в условиях высоких температур. Табл.7. Библиогр.6 назв.

Ключевые слова: физико-химическое моделирование; сварочные электроды; фазовый состав; компоненты покрытия.

WELDING ELECTRODES FROM THE MINERAL RAW MATERIALS OF EASTERN SIBERIA OBTAINED ON THE BASIS OF RESULTS OF PHYSICOCHEMICAL MODELING A.A. Matafonov, V.A. Bychinsky, E.A. Rush

Irkutsk State University of Railway Engineering,

15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.

Institute of Geochemistry named after A.P. Vinogradov, SB RAS,

1a, Favorsky St., Irkutsk, 664033.

The authors developed a physicochemical model of the fusion processes of welding electrodes made on the basis of mineral raw materials from the Eastern Siberia. They present the study results of the effect of various components in the coating composition on the qualitative characteristics of the electrodes based on the application of the software package "Selector", which is intended to study physicochemical processes occurring at high temperatures. 7 tables. 6 sources.

Key words: physicochemical simulation; welding electrodes; phase composition; components of coating.

Покрытие сварочного электрода служит для защиты сварочной ванны от контакта с воздухом, раскисления и легирования металла, а также для стабилизации дугового разряда. С этой целью в состав покрытия вводится целый ряд компонентов, выполняющих различные функции. Шлакообразующими компонентами могут служить мрамор, магнезит, рутил, кремнезем, каолин, слюда; газообразующими - мрамор, оксицел-люлоза, крахмал; раскислителями - алюминий, марганец, кремний, титан (в виде металлического порошка или ферросплавов); стабилизирующими - поташ, кальцинированная сода, слюда, полевой шпат, мел, мрамор, углекислый барий, селитра калиевая, гранит, силикаты натрия и калия; связующими - натриевое, калиевое или натриево-калиевое жидкое стекло, лаки, порошкообразные пластмассы. Легирующие добавки вводятся в зависимости от требований, предъявляемых к химическому составу и механическим свойствам

металла шва. В качестве формовочных добавок (пластификаторов) используются: бентонит, декстрин, слюда, тальк, целлюлоза [1].

На территории Восточно-Сибирского региона имеются практически все необходимые источники минерального и нерудного сырья, пригодного для использования в составе покрытий сварочных электродов. В данной работе приведены результаты исследований влияния таких компонентов, как мрамор, плавиковый шпат (флюорит), магнезит, периклазовый концентрат в составе покрытия, на качественные характеристики электродов.

При проведении исследований в лабораторных условиях, на постоянных в пределах экспериментов материалах (проволока, растворы связующего стекла, ферросплавов), с помощью физико-химического моделирования производили корректировку химического состава шихты покрытия. После этого изготавливали

1Матафонов Алексей Андреевич, аспирант, тел.: (3952) 638352. Matafonov Alexey, Postgraduate student, tel.: (3952) 638352.

2Бычинский Валерий Алексеевич, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования.

Bychinsky Valery, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Senior researcher of the Laboratory of Physicochemical Modeling.

3Руш Елена Анатольевна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой безопасности жизнедеятельности и экологии, тел.: (3952) 638352.

Rush Elena, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the chair of Life Safety and Ecology, tel.: (3952) 638352.

опытные электроды и сопоставляли экспериментальные данные с расчетными.

став магнезитовых руд представлен в табл. 1.

Савинского месторождения

Таблица 1

Химический состав магнезитовых руд Савинского месторождения_

Руды Содержания, в числителе - пределы, в знаменателе - среднее,%

Мд0 0а0 бю2 Ре203+Л!203 П.п.п.

Полосчатые среднезер-нистые 36,12-45,24 40,71 0,28-3,40 1,63 6,10-25,77 10,18 1,61-10,15 4,86 26,16-44,56

Мелкозернистые 36,18-47,51 45,19 0,32-8,10 1,87 0,16-16,10 2,17 0,83-12,54 1,81 23,15-50,90

Мраморовидные средне-зернистые 34,18-46,59 44,76 0,41-9,10 1,82 0,71-14,11 2,68 1,10-11,10 1,89 21,98-50,30

Звездчатые 38,76-47,46 45,23 0,01-6,60 1,37 0,58-17,68 2,97 0,96-9,14 1,78 22,68-51,20

Шестоватые и ланцентовидные 46,10-47,59 46,31 0-0,75 0,62 0,12-4,62 1,47 1,10-2,14 1,53 49,86-50,81

Гигантокристаллические 46,01-47,59 46,20 0-0,82 0,54 0,14-14,47 1,31 0,9-2,31 1,41 49,90-51,00

В качестве эталона использовали наплавочные электроды АНП-13, предназначенные для восстановления геометрических параметров деталей и узлов вагонов железнодорожного транспорта, изготовленные с применением традиционного сырья.

При изготовлении сварочных электродов применяется флюоритовый концентрат следующих видов: кусковой сварочный (ФКС) и флюоритовый флотационный сварочный (ФФС) марок ФФС-97А, ФКС-95А, ФФС-97Б, ФФС-95, ФКС-95Б с содержанием основного компонента фтористого кальция (ОаР2) более 95 %. Содержание БЮ2 для перечисленных марок не должно превышать 2,5 %, 002 -2,0 %, Б - 0,07 %, Р- 0,03% [2].

Ближайшие доступные источники флюоритового сырья находятся в Забайкалье, северной части Монголо-Забайкальской флюоритоносной провинции, где известно несколько десятков флюоритовых месторождений, сотни рудопроявлений и пунктов минерализации [2]. ОАО Калангуйский плавикошпатовый комбинат «Забайкалплавик» имеет подземные рудники -Калангуйский и Солнечный. Базой этих рудников являются месторождения: Жетковское, Оцелуйское, Абагайтуйское, Солнечное, Брикачанское. Магнезит на территории Иркутской области имеется в районе Соснового Байца (Восточный Саян), к юго-западу от г.Черемхово расположено Савинское магнезитовое месторождение, а к юго-востоку от г. Черемхово -Онотское тальк-магнезитовое месторождение.

Магнезит для изготовления сварочных электродов должен отвечать следующим требованиям: Мд0> 45,0 %; СаО<0,5 %; БЮ2=0,5-1,5 %; АЮ2-0,5-1,5 %; Рэ203=0,7-!,5 %; Б<0,08 %; Р<0,05 % [3].

Выделяются несколько типов магнезитовых руд, среди которых есть руды с содержанием магнезита 75-95 % и 50-65 %. Руды крупно- и гигантозернистые, ланцентовидные и шестоватые содержат кристаллический магнезит на уровне 97-100 %. Химический со-

С 2002 года на производственных мощностях ликвидированного «Восточно-Сибирского огнеупорного завода» организовано предприятие ООО «Сибирские порошки», которое реализует различную продукцию для огнеупорной промышленности. Исходным сырьем для производства является магнезит Савинского месторождения и огнеупорные глины Трошковского месторождения. В целях удовлетворения спроса металлургических производств Иркутской области и Республики Бурятия в периклазовых порошках предприятие «Сибирские порошки» в 2006 году освоило выпуск такой продукции марки ППЭ-88 по ГОСТ 2486281. Периклазовые порошки получают в результате обжига природного магнезита. В сварочном производстве при добавлении в шихту покрытия электрода порошка ППЭ-88 он выполняет стабилизирующие функции горения дуги.

Для изготовления сварочных материалов наибольший интерес представляют разновидности мрамора, не содержащие магнезиальных минералов, амфиболов, а также кварца и апатита, химический состав которых соответствует требованиям ГОСТ 441694 «Мрамор для сварочных материалов» [4].

В образцах, отобранных на месторождении «Перевал» (г. Слюдянка), встречаются крупные гнезда мраморов с гигантозернистой структурой. Породы имеют серую или голубовато-серую окраску с редкими примесями диопсида, апатита и других минералов. Средние составы мраморов месторождения «Перевал» представлены в табл. 2.

Химический анализ этих пород выполнен в Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (табл. 3).

Массовые доли составляют: карбоната кальцита (СаСО3) -91,8-94,9 %, окиси магния (Мд0) - 3,6-6,6 %, диоксида кремния (БЮ2) - 0,4-1,2 %. Мраморы являются высокомагнезиальными (>3 % Мд0), поэтому требуются дополнительные исследования для оценки возможности использования их в качестве компонента сварочных электродов.

Таблица 2

Средние составы мраморов месторождения «Перевал» (в объемных %)

Минералы Диапазон концентраций Кальцитовые Доломитовые С силикатными примесями в прослоях

Карбонатные 80-98 91 82 80

Кальцит 10-90 81 10 <46

Доломит 0-80 10 72 >34

Кварц 2-15 2 - 3

Форстерит 0-10 - 2 6

Монопироксены 1-9 5 8 6

Амфиболы 0-5 1 4 4

Флогопит 0-3 <1 <1 -

Прочие 0-3 <1 3 <1

Таблица 3

Химический состав (%) проб мраморов^месторождения «Перевал» _

Проба бю2 СаО МдО РеО МпО СО2

1 0,4 50,7 4,8 0,2 0,8 43,4

2 0,7 51,2 3,6 - 0,1 43,7

3 1,2 49,6 6,4 0,3 0,4 42,2

В состав покрытий традиционных сварочных электродов - МР-3, УОНИ-13/45, а также электродов, предназначенных для восстановления геометрических параметров деталей и узлов вагонов железнодорожного транспорта - АНП-13, входят вышеперечисленные виды минералов. Состав покрытий указанных электродов приведен в табл. 4.

Замена традиционного сырья на сырье, полученное из руд других месторождений, является сложной теоретической и прикладной задачей, требующей подробного исследования, изучения свойств различных фазовых состояний соединений, образующихся в процессе сварки, создания технологий получения сварочных материалов, включающих процесс их кондиционирования до требований потребителей.

Решение такой задачи предполагает проведение систематических исследований и модельных испытаний по наработке оптимальных составов компонентов сварочного покрытия электродов и формированию на их основе новых рецептур.

Большинство сварочных материалов имеют ограничения по содержанию в них вредных примесей, таких как сера и фосфор, ухудшающих качество сварного шва. В большинстве случаев требуется, как минимум, корректировка рецептуры. Поэтому одним из перспективных направлений реализации указанных процессов является применение программного комплекса «Селектор», предназначенного для исследования физико-химических процессов, протекающих в условиях высоких температур. В качестве объекта исследования был выбран электрод АНП-13.

Следует отметить, что замена традиционных компонентов на местное минеральное сырье Восточной Сибири должна обеспечивать выполнение целого ряда требований, предъявляемых к покрытиям сварочных электродов: хорошую комбинированную газошлаковую защиту сварочной ванны от воздействия внешней среды; устойчивое горение сварочной дуги; необходимые условия для качественного формирования шва, легкого отделения шлаковой корки, минимально-

го разбрызгивания металла на угар; свойства наплавленного металла, не ниже свойств, получаемых при наплавке электродами типа Э-10Г2СХ по ГОСТ 1005275 и ТУ-1272-035-01124328-96.

Таблица 4

Состав покрытий электродов МР-3[6], УОНИ-13/45[1], АНП-13 [5]

Одним из перспективных подходов к оценке соответствия указанным требованиям является согласование результатов экспериментальных исследований и физико-химического моделирования.

Процесс плавления в физико-химической модели рассматривали при температурах от 1000 до 2400 °С с шагом 100 °С. В этих интервалах температур протекают основные процессы плавления сварочных электродов, включающие диссоциацию газообразующих компонентов, раскисление, окисление, рафинирование.

Наименование материалов Содержание в %

МР-3 УОНИ-13/45 АНП-13

Мрамор 7 53 10-18

Рутил 50 - 12-17

Плавиковый шпат - 18 4-8

Полевой шпат - - 2.5-4.5

Кремнезем - 9 -

Ферросилиций - 3 3.2-5.0

Ферротитан - 15

Ферромарганец 15.5 2 5.5-7.5

Феррохром - - 0.6-1.1

Феррованадий - - 0.05-0.15

А1-Мд порошок - - 0.3-1.0

Каолин 14 - -

Оксицеллюлоза 1.5 - -

Тальк 10 - -

Органические пластификаторы - - 1.0-1.9

Железный порошок - - 40-60

Охлаждение производили путем создания дополнительной многорезервуарной модели. Под резервуаром понимается равновесное состояние системы при заданной температуре и составе. Процесс охлаждения расплава электрода рассматривали в интервале температур от 2500 °С до 1500 °С.

Установлено, что оптимальной температурой, позволяющей с помощью физико-химической модели контролировать компонентный состав наплавленного металла и основных фаз шлака, является величина 1500 °С. Температура 300 °С рассматривается как завершение затвердевания шлаковой фазы, что позволяет точно определить её химический состав.

Рабочий список потенциально возможных компонентов, характеризующих систему процесса плавления электродов АНП-13 в равновесии, включает 19 независимых компонентов А!-81-Ре-Са-Т1-№-Си-Мд-Мп-Сг-У-2г-0-Н-С-К-Р-8-Р; 75 компонентов газовой фазы, 193 компонента твердых фаз и 49 компонентов расплавленной фазы. Зависимые компоненты модели представлены в табл. 5

Результаты физико-химического моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. На основе физико-химической модели процесса плавления электрода, тестированной по результатам плавления АНП-13, построена модель плавления ВСЭ-1 (Восточная Сибирь электрод 1), в которой

стандартные компоненты шихты, мрамор и плавиковый шпат, были заменены на региональные, а вместо полевого шпата был использован периклазовый концентрат.

В выполненных с помощью физико-химического моделирования расчетов установлено, что химической состав наплавленного металла удовлетворяет предъявляемым требованиям. Шлаковая фаза по химическому составу отличается от обычных шлаков незначительно, в то время как газовая фаза характеризуется более низким содержанием СО, по сравнению с электродом АНП-13.

Были изготовлены экспериментальные образцы электродов ВСЭ-1. Наплавка пробных образцов подтвердила наличие незначительных скоплений пор и шлаковых включений. Согласно результатам моделирования, это связано с использованием некачественных мраморов.

Результаты физико-химического моделирования и химический состав металла, наплавленного электродами АНП-13, представлены в табл. 6. Результаты анализов химического состава шлаков представлены в табл. 7. Последующая корректировка, выполненная за счет введения добавки магнезита в шихту, позволила добиться получения газовой фазы более качественного состава.

Таблица 5

Зависимые компоненты модели А1-31-Ге-Са-Т1-Ыа-Си-Мд-Мп-Сг-У-1г-0-И-С-К-Г-3-Р

Газовая фаза: Н, Н2, ОН, Н2О, НР, 0, СО, СО2, Р2О5, 80,802, 8О3, №20, К2О

Шлаковая фаза

Влага - Н20 Двухкальцевый феррит - СаРе204

Кварц - 8Ю2 Родонит - Мп8Ю3

Рутил - ТЮ2 Силикат - №28Ю3

Корунд -А1203 Перовскит - СаТЮ3

Вюстит - РеО Калиевый полевой шпат - К2А!28Ю6

Гематит - Ре203 Альбит - №2А!28Ю6

Периклаз - МдО Железный кордиерит - 2Ре2А!268Ю6

Окись кальция - СаО Сфен - СаТ18Ю5

Сульфид марганца - Мп8 Сульфат кальция - Са804

Сульфид железа - Ре28 Сульфид кальция - Са8

Двуокись циркония - 2г02 Манганозит - МпО

Плавиковый шпат - СаР2 Ранкенит - Са381207

Карбонат кальция - СаС03 Авгит - СаА!28Ю6

Волластонит - Са8Ю3 Герценит - РеА!204

Двухкальцевый феррит - 2РеМп02 Фосфат кальция - СаР206

Пироксен - Ре8Ю3 Калиофелит - К2Ре8Ю4

Дисиликат калия - К28Ю3 Марокит - СаМп204

Клиноэнстатит - Мд8Ю3 Ранкенит- Са381207

Ильменит - РеТЮ3 Герцинит - РеА!204

Расплав: С, Ре,У,Сг,А!,Мд,Мп,81,Р,8, 8Ю2, РеО, Ре28Ю4, Ре3С, Ре8, УО, А!203, МдО, Са, СаО, СаР2,

ТЮ2, Т1203, Т1305

Массовая доля элементов,%

С 81 Мп Сг V 8 Р

АНП-13 < 0,15 0,50-0,90 1,8-2,5 0,4-0,6 < 0,08 <0,030 <0,030

ФХМ 0,08 0,92 3,01 0,84 0,07 0,019 0,024

Таблица 6

Результаты физико-химического моделирования и химический состав металла, наплавленного

электродами марки АНП-13

Таблица 7

Химический состав шлаков (%)

TiO2 SiO2 CaO MnO MgO Fe2O3 Al2O3 Na2O K2O Cr2O3 SO3

АНП-13 26.33 24.65 22.07 9.77 0.43 4.22 5.56 4.04 2.68 0.26 0.04

ФХМ АНП-13 27.27 28.04 21.2 5.9 1.06 5.3 2.4 2.1 1.42 0.2 0.04

ВСЭ-1 29.04 21.29 16.43 13.71 4.78 5.97 2.92 1.93 3.48 0.45 0.06

ВСЭ-2 29.31 21.63 12.68 12.10 11.18 4.04 3.31 1.92 3.38 0.47 0.10

В заключение отметим, что существенной особенностью современных научных методов исследования сварочных процессов является необходимость формализации их анализа на основе законов равновесной термодинамики и математических соотношений, описывающих изменение состояния исследуемой системы. Такая формализация возможна только на основе экспериментальных данных, являющихся первичной информацией об исследуемом объекте. Только в этом

случае возможно модельное описание параметров технологического процесса, сопровождающихся физико-химическими превращениями компонентов сварочных электродов и шихтовых материалов. Эффективным инструментом формализации таких процессов является физико-химическое моделирование - математическое моделирование, основанное на законах химической термодинамики.

Библиографический список

1. Крюковский Н.Н. Производство электродов для дуговой сварки. М.: Машгиз., 1956. 276 с.

2. Мальцева Г.Д., Семинский Ж.В., Филонюк В.А. Потенциальные источники минерального сырья для использования в качестве композитных материалов при производстве сварочных электродов.// Рациональное использование минеральных ресурсов и продуктов утилизации отходов горнообогатительных, химических, металлургических и конверсируемых предприятий Восточно-Сибирского региона для производства сварочных электродов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999.

3. Думов С.И.. Технология электрической сварки плавлением. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987. 461 с.

4. Иванов А.Н., Мальцева Г.Д., Шульга А.Я. О возможности использования мраморов Прибайкалья для сварочных ма-

териалов // Рациональное использование минеральных ресурсов и продуктов утилизации отходов горнообогатительных, химических, металлургических и конверсируемых предприятий Восточно-Сибирского региона для производства сварочных электродов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999.

5. Электрод для ручной дуговой наплавки сталей средней твердости. Патент № 2104140 от 10.02.1998. Авторы: Павлов Н.В., Лозинский В.Н., Кирьяков В.М., Клапатюк А.В..

6. Нестеренко Н.А. Покрытые электроды для ручной дуговой сварки. // Рациональное использование минеральных ресурсов и продуктов утилизации отходов горно-обогатительных, химических, металлургических и конверсируемых предприятий Восточно-Сибирского региона для производства сварочных электродов. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999.

УДК 577.15

ВЛИЯНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА СОЛОМЫ НА СКОРОСТЬ ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Е.А.Привалова1, Е.С.Фомина2, С.Н.Евстафьев3

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты изучения влияния компонентного состава соломы на реакционную способность целлюлозы к ферментолизу. Показано, что степень конверсии лигноцеллюлозного комплекса соломы ферментным комплексом «Целлолюкс-А» зависит, прежде всего, от содержания воска и лигнина и в меньшей степени - от степени упорядоченности макромолекул целлюлозы. Существенное влияние на реакционную способность целлюлозы оказывает также используемый метод делигнификации. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 11 назв.

Ключевые слова: солома; ферментативный гидролиз; делигнификация; целлюлоза; лигнин.

1Привалова Елена Андреевна, кандидат химических наук, доцент кафедры органической химии и пищевой технологии, тел.: (3952) 405122.

Privalova Elena, Candidate of Chemistry, Associate professor of the chair of Organic Chemistry and Food Technology, tel.: (3952) 405122.

2Фомина Елена Сергеевна, старший преподаватель кафедры органической химии и пищевой технологии. Fomina Elena, Senior lecturer of the chair of Organic Chemistry and Food Technology.

3Евстафьев Сергей Николаевич, доктор химических наук, заведующий кафедрой органической химии и пищевой технологии, тел.: (3952) 405123, e-mail: esn@istu.edu

Yevstafiev Sergey, Doctor of Chemistry, Head of the chair of Organic Chemistry and Food Technology, tel.: (3952) 405123, e-mail: esn@istu.edu