ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ РУЧНОЙ СВАРКИ

Требования к гранулометрическому составу измельченных материалов

Гранулометрический состав компонентов сухой шихты — это важнейший и часто определяющий фактор технологичности элект­родов при изготовлении и применении. Рациональные требования к составу должны учитывать: способность рудоминеральных ком­понентов при их перемешивании с жидким стеклом обеспечивать получение обмазочных масс с необходимыми пластическими свой­ствами; химическую активность ряда металлов и ферросплавов в среде жидкого стекла; особенности тугоплавких металлов и ферро­сплавов, предназначенных для легирования наплавленного металла.

Грануляция рудоминеральных компонентов. Молекулы из­мельченных рудоминеральных компонентов, расположенные на плоских поверхностях кристаллов или на поверхностях с малой кривизной, взаимодействуют с жидким стеклом, главным образом, за счет сил поверхностного натяжения. Молекулы, находящиеся на
ребрах кристаллических частиц некоторых компонентов, могут иметь валентную ненасыщенность, знак и величина которой опре­деляется видом компонента. Часть поверхности, занимаемая таки­ми молекулами, невелика и зависит от степени измельчения. Чем тоньше помол компонентов, тем более заметную часть суммарной поверхности занимают молекулы с валентной ненасыщенностью. Можно полагать, что если частицы компонентов имеют участки, за­ряженные отрицательно, то прочность их связи с жидким стеклом (рН=11,0—11,8) будет ослаблена. (Напомним, что символом pH обозначают водородный показатель — величину, характеризую­щую характер среды: при рН=7 среда нейтральна, при меньших значениях — кислая, при больших — щелочная). По мере снижения значения отрицательного заряда до нуля и возникновения положи­тельного заряда прочность связей будет возрастать.

Знаки и относительные значения зарядов основных рудомине­ральных компонентов, определенные по значению pH их водных суспензий, приведены ниже.

Средние значения pH водных суспензий рудоминеральных компонентов

Компонент Магнезит сырой..

Мрамор....................

Тальк.........................

Слюда-мусковит..

Полевой шпат___

Рутил........................

Кварц.......................

Двуокись титана.

Силикагель..............

Плавиковый шпат

Высокие значения pH суспензий магнезита и мрамора объясня­ют низкие пластические свойства обмазочной массы электродов с основным покрытием, характеризующимся большим содержанием карбонатов. Возможно, что это частично связано с небольшой рас­творимостью карбонатов в воде и последующей их диссоциацией (pH фильтрата магнезита 8,7, мрамора 7,6).

Повышенное значение pH слюды, казалось бы, противоречит ее применению в качестве пластифицируюшей добавки. Однако на­личие плоскостей скольжения и относительно малая протяжен-

*

ность острых валентно-ненасыщенных границ листовой слюды, по­вышая pH суспензии, мало снижает действие сил поверхностного натяжения. Известно, что переизмельчение слюды приводит к рез­кому снижению ее пластифицирующих свойств.

Значение pH суспензий рутила и кварца, незначительно превы­шающее 7,0, очевидно связано с наличием примесей.

Из всех суспензий рудоминеральных компонентов, применяе­мых в электродном производстве, значение рН<7 имеет измельчен­ный кусковой плавиковый шпат. Это говорит о его способности к образованию более прочной связи с жидким стеклом по сравнению с другими компонентами и особенно — с карбонатами. Чем прочнее связь, тем тоньше может быть измельчен компонент. Например, сухая шихта электродов типа УОНИ-13 должна содержать тонко- измельченные плавиковый шпат и кварц. Мрамор должен в основ­ном иметь сравнительно крупные фракции размером 0,15-0,30 мм. Тонкие фракции мрамора следует вводить в ограниченном количе­стве, достаточном для беспрепятственного послойного течения мас­сы с толщиной слоя, равной диаметру крупных частиц (см. гл. 9).

Специального рассмотрения заслуживает вопрос о применении флотированного плавикового шпата — плавиковошпатового кон­центрата для производства электродов. Наличие на его поверхно­стях частиц флотореагентов отрицательно влияет на смачивае­мость водой и жидким стеклом. Наблюдались случаи, когда в гото­вой обмазочной массе имелись мелкие слипшиеся комочки концен­трата, затруднявшие ее течение. По данным МОСЗ, количество флотореагентов, контролируемое содержанием углерода, изменяет­ся в различных партиях и даже в различных упаковочных местах одной поставки в самых широких пределах: от 0,06 до 0,26%.

Для разрушения органических флотореагентов плавиковошпа­товый концентрат следует прокалить при температуре 500 600°С. Это резко снижает содержание в нем углерода (в 3 6 раз) и оста­точной щелочности (в 2-3 раза) в пересчете на NaOH, что незначи­тельно снизит модуль жидкого стекла. Прокаленный концентрат хорошо смачивается не только жидким стеклом, но и водой. Его тонкая фракция (-0,05 мм) при достаточном количестве обладает высокими пластифицирующими свойствами. Прокалка улучшает и сварочно-технологические свойства электродов [36].

Грануляция металлических материалов. Требования к разме­рам металлических порошков, вводимых в покрытие, зависят, глав­ным образом, от их физических свойств и выполняемых при сварке

функций. Для лучшего выполнения функций раскислителя тре­буется увеличение поверхности взаимодействия, т. е. как можно меньшие размеры частиц порошка. Однако переизмельчение ме­таллических материалов может привести к сквозному окислению частиц уже на стадии хранения готовых порошков или на техно­логических операциях цикла изготовления электродов (рис. 52). В табл. 45 приведены данные по относительной окисленности по­рошков ферромарганца в зависимости от крупности зерен [37].

Для уменьшения потерь на окисление материалов, выполняю­щих функцию легирующих компонентов, необходимо увеличение размеров их частиц. В то же время чрезмерное увеличение приво­дит к технологическим трудностям при изготовлении электродов, снижает их сварочно-технологические свойства и может ухудшить свойства металла шва. В связи с этим требования к одному и тому же материалу по грануляции могут быть принципиально различны в зависимости от выполняемых в покрытии функций.

Грануляция активных металлов и ферросплавов. К таким материалам в первую очередь относят наиболее распространенные ферромарганец, ферросиликомарганец и ферросилиций. Они должны иметь возможно меньшее содержание пылевидных фрак­ций, способных взаимодействовать с жидким стеклом с выделени­ем газов. Однако содержание крупных фракций должно быть также ограничено, так как последние, повышая переход элементов в шов, одновременно снижают степень его раскисленности.

Грануляция тугоплавких металлов и сплавов. Тугоплавкие металлы и ферросплавы (хром, молибден, вольфрам, феррована­дий и др.) имеют температуру плавления, превышающую темпера­туру плавления стержня и основного металла. При их введении в сухую шихту следует учитывать возможность перехода частиц, в первую очередь расположенных на периферии электродного по­крытия, в ванну, минуя высокотемпературную плазму дуги. В ре­зультате они не растворяются полностью в расплавленном металле и остаются в виде включений (рис. 53), снижая механические свой­ства сварных соединений [38]. Поэтому рекомендации по грануля­ции таких металлов и ферросплавов необходимо особо тщательно соблюдать.

Для электродов малого диаметра требуются более мелкие мате­риалы. Требования к гранулометрическому составу подготовлен­ных порошков компонентов в общем виде приведены в табл. 46. При анализе требований к гранулометрическому составу следует иметь в виду, что при промышленных способах измельчения всегда получается полидисперсная система — комплекс частиц различно­го гранулометрического состава. Принципиально распределение

частиц по размерам имеет вид кривой (рис. 54), близкой к кривой нормального распределения, но деформированной в области круп­ных частиц [39]. Последние отсеивают на ситах и направляют на повторный размол. При использовании многодечных сит возможно избирательное выделение нужных фракций, однако такая операция часто бывает весьма трудоемка. Для электродов диаметром 1,6- 2,5 мм гранулометрический состав отличается отсутствием остатка на сите № 0315 по ГОСТ 6613-86. Контрольный просев компонен­тов для электродов диаметром 3-8 мм производят через сито № 04.

На каждом предприятии требования к грансоставу компонентов конкретизируют с учетом специфики производства.

Соответствие гранулометрического состава компонентов, под­готовленных к дозировке, нормам постоянно контролируют. Ни один из известных методов определения гранулометрического со­става (гранулометрический или дисперсионный анализ) не охваты­вает весь диапазон дисперсности. Наиболее точен и оперативен ме­тод лазерной дифракции. Для порошков, используемых в электрод­ном производстве, наиболее применяем ситовой анализ, позволяю­щий определять частицы размером более 40 мкм. Дополняя этот анализ определением удельной поверхности, можно получить до­статочную информацию об интересующем материале. Соотноше­ние, связывающее диаметр частиц с удельной поверхностью, для частиц сферической формы имеет вид:

А=6/4 5,

где S — удельная поверхность; d^ — плотность компактного материала.

Ситовой анализ проводят, например, на наиболее распростра­ненном и простом приборе модели 029 («Ротап»), Прибор позволя­ет просеивать навески компонента через систему вращающихся и встряхиваемых сит (рис. 55).

Прибор представляет собой аппарат, на котором просеивают на­вески компонента при вращении эксцентрикового вата 9 со скоро­стью 300 об/мин и при 180 .ударах рычага 5 в минуту. На станине 10 смонтирован электродвигатель 1, который через муфту сцепле­ния 2 передает движение эксцентриковому валу и встряхивающему механизму. Сита 4 устанавливают на столике 8, накрывают сверху крышкой 7 и закрепляют гайками 6. Помимо вращательного движе­ния столик производит возвратно-поступательное движение с по­мощью кулисы 3. Сита комплектуют сетками по ГОСТ 6613-86 контрольной точности изготовления.

Контролируемый материал отбирают после операции класси­фикации из бункера. Пробу массой около 300 г отбирают щупом или совком с глубины 100-200 мм в нескольких местах: в центре и четырех углах на расстоянии более 150 мм от стенок.

Отобранную пробу передают в лабораторию, где ее предвари­тельно обрабатывают. Пробу тщательно перемешивают методом перекатывания на листе бумаги и высыпают в форме конуса на ровную площадку. Далее этот конус раздавливают сверху плоской поверхностью так, чтобы получился равномерный по толщине (примерно 5 мм) слой материала, который делят на квадраты па­раллельными линиями на расстоянии 2 см друг от друга во взаим­ноперпендикулярных направлениях. Из квадратов, расположенных в шахматном порядке, для проведения анализа берут материал в количестве 100 г.

В зависимости от вида материала и наличия в его грануломет­рическом составе частиц размером менее 50 мкм ситовой анализ проводят сухим или мокрым способом. Сухому ситовому анализу подвергают компоненты, в гранулометрическом составе которых преобладает материал, имеющий остаток на сите № 005, и плот­ность которого сравнительно велика. Материалы же, которые со­держат в преобладающих количествах частицы, проходящие через сито № 005, во избежание забивания сит с мелкими ячейками под­вергают мокрому ситовому анализу.

Рекомендуемый способ ситового анализа для различных мате­риалов:

• мокрый способ — гематит, доломит, магнезит обожженный, мар­ганцеворудный концентрат, мрамор, никелевый порошок, пла­виковошпатовый концентрат, полевой шпат, слюда мусковит, молотый тальк;

• сухой способ — алюминиевый порошок, глинозем, кристалличе­ский графит, железный порошок, ильменитовый концентрат, кварцевый песок, лигатура железохромбор, металлический мар­ганец, рутиловый концентрат, ферробор, феррованадий, ферро­вольфрам, ферромарганец, ферромолибден, феррониобий, фер - росиликомарганец, ферросилиций, ферротитан, феррохром, металлический хром.

Методика определения зависит от применяемого способа ана­лиза. '

При сухом способе комплект сит собирают сверху вниз в после­довательности, указанной в табл. 47. Внизу устанавливают тазик, обозначаемый минус 005.

На верхнее сито № 2,5 помещают навеску испытуемого материа­ла. Набор сит устанавливают на поддон прибора, плотно накрыва­ют крышкой и укрепляют гайками. Включают мотор прибора на 10 мин. После остановки набор сит высвобождают и снимают с поддона. Поочередно сверху вниз снимают сита и опорожняют в отдельные емкости. Частицы, застрявшие в отверстиях сита, вы­свобождают с помощью мягкой кисточки и помещают туда же. Ма­териалы с каждого сита, а также остаток в тазике, прошедший через самое мелкое сито, взвешивают на одночашечных весах марки

ВЛМК 220 или аналогичных с точностью до 0,05 г. Результаты (%) заносят в журнал. Результаты достоверны, если общие потери компонента при анализе не превышают 2% (2 г).

При мокром способе навеску переносят на сито № 005 и промы­вают рассеянной струей холодной воды. При этом материал с круп­ностью менее 50 мкм вместе с водой проходит через сито. Промыв­ку продолжают до тех пор, пока выходящая из-под сита вода не ста­нет прозрачной. После этого материал, оставшийся в сите, сушат вместе с ситом при температуре 100 °С. Затем взвешивают сито с материалом и без материала. Разность определений даст массу ма­териала крупнее 50 мкм. Вычтя из исходной навески полученную цифру, находят массу более мелкого материала в исходном компо­ненте, совпадающую по абсолютному значению с его процентным содержанием. Просушенный материал крупнее 50 мкм анализиру­ют по сухому методу.

Для проведения ситового анализа могут быть использованы также многофункциональный вибрационный универсальный стенд СВУ-2, анализатор А-20 и др. Более современные автоматические приборы (сканирующий фотоседиментограф или лазерный ди­фракционный анализатор размера частиц) позволяют оперативно получать готовые данные в табличном и графическом виде.