Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.,. Ц
Анализ свойств аустенитных хромоникелевых сталей, применяемых для изготовления сварных конструкций 11
Анализ сварочных материалов и способов сварки аустенитных хромоникелевых сталей .21
Особенности металлургических процессов при сварке коррози-онностойких аустенитных хромоникелевых сталей., 33
Цель и задачи исследования 41
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГАЗОНАСЫЩЕННОСТИ
МЕТАЛЛА ШВА ПРИ СВАРКЕ АУСТЕНИТНЫХ ХЮМОНИКЕЛЕВЫХ
СТАЛЕЙ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТАВА ШИХТЫ САМОЗАЩИТНОЙ
ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ ,42
Термодинамическая активность компонентов хромоникелевых сталей в условиях дуговой сварки 42
Растворимость азота в сварочной ванне при сварке аустенитных хромоникелевых сталей ,47
Расчет растворимости азота в системах на основе сплавов железо-хром-никель 47
Метод расчета распределения азота между металлическим ц шлаковым расплавами ,54
2.3 Растворимость водорода в хромоникелевых сталях в условиях элек
тродуговой сварки 60
Растворимость кислорода в хромоникелевых сталях 68
Регулирование парогазовой защиты при сварке аустенитных хромоникелевых сталей самозащитной порошковой проволокой .72
Влияние термодинамических свойств сварочных шлаков на технологические свойства самозащитной порошковой проволоки для сварки аусте-нитных хромоникелевых сталей 74
Расчет состава шихты самозащитнои порошковой проволоки для сварки аустенитных хромоникелевых сталей .80
Расчет легирующей и раскисляющей составляющих шихты само-защитной порошковой проволоки г80
Расчет шлаковой и газовой составляющей самозащитной порошковой проволоки .85
Выбор рационального состава шихты для производства новой экспериментальной самозащитнои порошковой проволоки с учетом коэффициента заполнения 91
Выводы по главе 2 100
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОРОШКОВОЙ
ПРОВОЛОКИ 101
Разработка установки производства экспериментальных вариантов порошковых проволок различного назначения 101
Испытание ленты из аустенитной хромоникелевой стали в процессе деформации при изготовлении новой самозащитной порошковой проволоки для сварки аустенитных хромоникелевых сталей 106
Выбор рационального процесса волочения порошковой проволоки 122
Определение сечения ленты и параметров проволоки Л 22
Выбор скорости волочения и размеров формирующих роликов 125
3.4 Разработка механизма плавной подачи порошковой проволоки
в зону сварки (Патент №2197363) |2Я
Выводы по главе 3 133
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА СВАЮЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ САМОЗАЩИТНОЙ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ (ПАТЕНТ 2281843)..134
Методика оценки сварочно-технологических свойств самозащитной порошковой проволоки (патент №2281843) J34
Методика расчета показателей сварочно-технологических свойств самозащитной порошковой проволоки 136
Результаты оценки сварочно-технологических свойств самозащитной порошковой проволоки (патент №2281843) 138
Выводы по главе 4 145
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛИ ТИПА 18-9 ВЫПОЛНЕННЫХ НОВОЙ
САМОЗАЩИТНОЙ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ (ПАТЕНТ № 2281843
от 20.08.06 г.) 146
5.1 Методика и результаты исследований механических свойств
сварных соединений сталей типа 18-9 146
Методики испытаний 146
Результаты исследований механических свойств сварных соединений стали 08X18Н9Т J51
5.2 Химический и структурный анализ сварного соединения стали типа
18-9, определение содержания ферритной фазы в наплавленном металле
(шве) 154
Методика отбора проб для определения химического состава металла шва и основного металла (ГОСТ 7122-81) .154
Методика структурного анализа сварного соединения стали типа 18-9 по ГОСТ 10243, ГОСТ 5638-82 155
Результаты химического, спектрального и структурного анализа сварных швов и основного металла 156
Исследование качества сварного соединения физическими методами 159
5.3 Исследование коррозионной стойкости сварного соединения стали
типа 18-9 159
5.3.1 Основные требования к исследованию стойкости к общей,
точечной коррозии и коррозионному растрескиванию 159
5.3.2' Методика исследования стойкости сварного соединения к
МКК 162
Метод AM 163
Метод АМУ 165
Результаты исследования сварного соединения на стойкость
к общей, точечной коррозии и коррозионному растрескиванию и стойкость к
МКК ^65
5.4 Экономическая целесообразность и практическое применение новой
самозащитной порошковой проволоки для сварки аустенитных хромоникеле-
вых сталей (патент №2281843) 168
« 5.5 Требования безопасности и охраны окружающей среды 170
Выводы по главе 5 174
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 176
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Самозащитная порошковая проволока для сварки аустенитных хромоникелевых сталей. Патент на изобретение № 2281843 от 27.12.06 г. Описание изобретения. Формула изобретения.
Описание изобретения 202
* ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Механизм подачи сварочной проволоки.
Патент на изобретение № 2197363 от 27.01.2003 г. Описание изобретения.
Формула изобретения , 205
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 - Акты внедрения и опробования в производственных
условиях самозащитной порошковой проволоки 210
#
Введение к работе
Актуальность темы. Аустенитные хромоникелевые стали (стали типа 18-10, 18-9, 18-8) получили широкое распространение при изготовлении, монтаже, ремонте и реконструкции опасных производственных объектов. Качественная сварка монтажных соединений трубопроводов, сосудов, резерь вуаров из этих сталей является основой работоспособности ответственных конструкций. В связи с этим актуальной задачей является разработка новых сварочных материалов для сварки аустенитных хромоникелевых сталей, обеспечивающих необходимые прочностные, коррозионные и ТЄХНОЛОГИЧЄт ские свойства сварных соединений при длительной эксплуатации конструкций в различных климатических условиях.
Тенденция увеличения доли строительства ответственных объектов и, в особенности, крупногабаритных изделий выдвигают технические задачи, направленные на повышение качества, производительности сварки и экономии средств, которые достигаются механизацией производства сварных конструкций с применением новых высокопроизводительных сварочных материалов для механизированной сварки взамен ручной дуговой сварки покрытыми электродами.
Одним из ведущих и перспективных направлений механизации сварочных работ является применение механизированной сварки порошковой про волокон. Имея целый ряд преимуществ по сравнению с ручной дуговой сваркой, а также другими механизированными способами, таких как высокая производительность, простота выполнения, маневренность, возможность сварки в условиях открытых монтажных площадок, объемы производства и применения порошковой проволоки растут из года в год.
В наши дни основными направлениями исследований, связанных с повышением качества сварки аустенитных хромоникелевых сталей порошковой проволокой являются исследования, направленные на возможность сварки щ монтажных условиях во всех пространственных положениях без дополнительной защиты, улучшение условий формирования сварных швов с опти-
7 мальными показателями геометрических размеров, формы, чешуйчатости,
вязкости и отделимости шлака; получение сварных соединений, отвечающих высоким требованиям, предъявляемым к их механическим, физико-химическим, структурным и коррозионным свойствам (в том числе требованиям стойкости к МКК).
В СССР первые самозащитные порошковые проволоки были разработаны в ИЭС им. Е.О. Патона. Большой вклад в исследования и разработку проволок внесли академик НАН Украины Походня И.К. с сотрудниками, д.т.н. Брохин А.А., д.т.н. Мазель А.Г., д.т.н. Шлепаков В.Н., д.т.н. Потапов Щі, д.т.н. Мойсов Л.П., д.т.н. Бурылев Б.П., д.т.н. Иоффе Й.С.
Однако, несмотря на значительные успехи в этой области сварочного производства, не решены многие задачи научного и практического плана, связанные с разработкой самозащитных порошковых проволок для сваркц аустенитных хромоникелевых сталей.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой 4.3.01-5, 47 по приоритетному направлению «Ресурсосберегающие технологии и материа? ловедение» Северо-Кавказского отделения Академии технологических наук РФ.
Цель работы. Создание научно и экспериментально обоснованной методики расчета состава шихты самозащитной порошковой проволоки для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях.
Объектом диссертационного исследования являются сварочные присадочные материалы.
Предметом исследования является разработка самозащитной порошковой проволоки, обеспечивающей необходимое качество сварного соединения и снижение стоимости сварочных работ при производстве изделий из аустенитных хромоникелевых сталей.
Научная новизна и теоретическое значение заключается в следующем:
1. На основе анализа свойств двойных систем Fe-Cr, Fe-Ni, Cr-Ni, полу-? чены термодинамические модели расчета избыточной энергии Гиббса
8 и активностей компонентов тройной системы Fe-Cr-Ni в условиях дуговой сварки плавлением. Показано, что значения активностей химических элементов в трехкомпонентных системах понижаются по сравнению с бинарными, это позволяет получать большую сходимость результатов расчетов с экспет риментальными данными.
Предложена термодинамическая модель расчета растворимости и активности газовой и шлаковой составляющих шихты, которая позволяет оценить константу распределения азота между металлом и шлаком, термодинамические активности компонентов в шлаке системы Ti02-CaF2-Si02, СаО Si02-Al203.
На основании полученных математических зависимостей для избыточной энергии Гиббса и активностей компонентов тройной системы Fe-.Or Ni предложены термодинамические модели расчета растворимости и активт ности водорода и кислорода в многокомпонентных расплавах системы Fe-Cr-Ni для условий дуговой сварки плавлением.
Теоретически обоснована методика расчета состава шихты самозаг полных порошковых проволок, учитывающая влияние активностей компонентов металлической, газовой и шлаковой составляющих в многокомпонентных системах Fe-Cr-Ni.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
На базе проведенных исследований разработаны:
Новая самозащитная порошковая проволока для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях (патент № 2281843 от 2(Х авг густа 2006 г.).
Усовершенствованный механизм плавной подачи сварочной проволоки (патент № 2197363 от 27 января 2003 г.).
Технология и оборудование для производства порошковых проволок различного назначения.
9 Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 9 (девяти)
научных статьях (в том числе 7 - в центральных рецензируемых изданиях), 6
(шести) докладах в сборниках трудов международных конференций, 2 (двух)
патентах и использовано при разработке следующих документов:
«Инструкция по сварке самозащитной порошковой проволокой аусте-нитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях», ОАО «НИИМонтаж», г. Краснодар, 2006 г.
Учебное пособие «Контроль качества и диагностика сварных соедит нений», КубГТУ, г. Краснодар, 2005 г.
Результаты работы внедрены в организациях ООО «Металлургпро-катмонтаж», ОАО «Научно-исследовательский институт по монтажным работам», ЗАО «Второе Краснодарское монтажное управление специализирог ванное», КРУМН ОАО «Черномортранснефть», КубГТУ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных источников, 3 приложений.
В первой главе проведен анализ свойств аустенитных хромоникелевых сталей, способов их сварки и сварочных материалов для сварки аустенитных хромоникелевых сталей в монтажных условиях. Анализ особенностей металлургических процессов при сварке сталей типа 18-9.
Вторая глава посвящена исследованиям по разработке:
термодинамической модели прогнозирования газонасыщенности сварного шва и термодинамической активности компонентов системы Fe-Cr-Ni при сварке самозащитной порошковой проволокой;
методики расчета состава газовой, шлаковой и металлической составляющих шихты самозащитной порошковой проволоки для сварки аустенитных хромоникелевых сталей;
расчету состава шихты самозащитной порошковой проволоки при выборе рационального коэффициента заполнения (К3);
10 В третьей главе произведена разработка оборудования для производству
и экспериментальных исследований порошковой проволоки диаметром
0,8+3,6 мм. Проведены исследования механических и структурных свойств
ленты из аустенитной хромоникелевой стали для производства порошковой
проволоки. На основании этого произведен выбор оптимального процесса,
волочения порошковой проволоки, с учетом расчета рационального состава
шихты-наполнителя порошковой проволоки. Разработан новый механизм
плавной подачи сварочной проволоки.
В четвертой главе оценивались сварочно-технологические свойства, гит гиенические показатели, экономическая целесообразность и практическое применение новой самозащитной порошковой проволоки.
В пятой главе представлены экспериментальные исследования свойств сварных соединений стали типа 18-9 выполненных предлагаемой самозащитной порошковой проволокой. Приведена методика и результаты испытаний механических, химических, структурных и коррозионных свойств сварных соединений и наплавленного металла.
В выводах изложены основные научные результаты проведенных исследований по теме диссертационной работы.
В приложении представлены патенты на изобретение:
самозащитная порошковая проволока для сварки аустенитных хромог никелевых сталей в монтажных условиях, патент № 2281843 от 20 августа 2006 г.
механизм плавной подачи сварочной проволоки, патент № 2197363 от 20 августа 2006 г.
акты внедрения и опробывания в производственных условиях самозащитной порошковой проволоки.
Настоящая работа выполнена на кафедре «Машиностроения и автомобильного транспорта» (МСАТ) в соответствии с госбюджетной темой 4.3.01-547 «Совершенствование технологических процессов производства и ремонта машин».
