Введение к работе
Актуальность работы. Важным фактором подъема экономики страны является развитие ресурсосберегающих технологий и создание новых материалов комплексной переработкой минерального сырья и использование отходов различных производств. Одним из ключевых направлений развития промышленности является создание новых сварочных материалов, обладающих высокими физико- механическими и технологическими свойствами, а также разработка экономичных и экологически чистых технологий их получения.
В настоящее время эта проблема решается путем использования дорогостоящих легирующих элементов. Однако в связи с истощением минеральных ресурсов и ухудшением экологической обстановки перед материаловедением поставлена задача использования рудного сырья без глубокой технологической переработки и создания предприятий, территориально приближенных к его добыче.
Для Дальнего Востока эта проблема является наиболее актуальной в силу отсутствия развитой промышленной базы для переработки и производства материалов. Дальневосточный регион, обладая уникальными сырьевыми запасами, отправляет их в Центральные регионы страны, а готовую продукцию (в том числе сварочно-наплавочные материалы) закупает по высокой стоимости. Это требует поиска новых методов и технологий создания материалов, учитывающих как экономические, так и экологические аспекты. Наиболее остро эта проблема ощутима в сварочно-наплавочных технологиях, широко используемых в промышленности, строительстве, на транспорте, а также при создании, эксплуатации и ремонте технических устройств.
Для получения материалов на основе многокомпонентных ассоциаций применяют преимущественно три метода:
-
термический метод, основанный на исследовании взаимосвязи «состав- свойство» между шлаком и металлом с помощью диаграмм плавкости;
-
метод расчета термодинамических и физико-химических свойств сварочных шлаков;
-
метод, основанный на технической кибернетике, при котором сварочная ванна представлена в виде сложной системы, в которой множество элементов находится между собой и окружающей средой в тесной взаимосвязи. Задача решается экспериментально-статистическими методами, позволяющими при неполном знании механизмов, явлений, происходящих в исходном минеральном сырье, подвергнутом воздействию высоких температур, давлений, электрических полей и т.д., создать математические модели, позволяющие установить оптимальный состав компонентов шлаковой системы.
В данной работе предлагается комбинированный метод, включающий анализ физико-химических свойств компонентов шлаковой системы, исследование влияния электрической дуги на состав структуру и свойства минерального сырья Дальневосточного региона, а также экспериментальные исследования, обеспечивающие выбор его рационального состава и получение сварочно-наплавочных материалов с требуемыми характеристиками.
Тематика выполненных и описанных в работе исследований соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации («Энергосберегающие технологии», «Технологические совмещаемые модули металлургических мини-производств»), утвержденным Президентом Российской Федерации 30 марта 2002 года № 577 и № 578.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка новых сварочных материалов на основе минерального сырья Дальневосточного региона путем совершенствования методологии процесса создания шлаковых систем.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1) усовершенствовать процесс создания сварочных материалов путем разработки новой методологии, на основе изучения физико-химических свойств шлаковых систем и результатов экспериментальных исследований;
-
-
выполнить термодинамический анализ и описать физико-химические процессы в шлаковых системах, содержащих минеральное сырье Дальневосточного региона;
-
исследовать возможность восстановления сырья и фазообразования при энергетическом воздействии дугового разряда;
-
исследовать влияние новых шлаковых систем на физико-механические и технологические характеристики наплавленного металла;
-
разработать новые составы самозащитных порошковых проволок для сварки и наплавки углеродистых и легированных сталей, обеспечивающих высокие механические и эксплуатационные свойства;
-
на основе полученных результатов создать износостойкие и ударностойкие материалы в целях восстановления деталей железнодорожного транспорта и горнодобывающего оборудования;
-
на основе разработанной методологии создать Научно-исследовательский центр по разработке и производству сварочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона.
Научная новизна работы .
-
-
-
Разработана методология создания сварочно-наплавочных материалов, включающая методику выбора компонентов шихты, термодинамический анализ шлаковых систем, основанных на Дальневосточном минеральном сырье и исследования воздействия дугового разряда на минеральное сырье. Это позволило не только получить новые материалы из многокомпонентного минерального сырья без глубокой технологической переработки, но и сократить объем экспериментальных исследований в 8-10 раз. Предложен алгоритм выбора компонентов шлаковых систем, основанный на комплексном учете технологических требований сварочного процесса, свойств, качества наплавленного металла, экологических и экономических аспектов.
-
Выполнен комплекс физико-химических расчетов, позволивший создать новые основные и кислые шлаковые системы из минерального сырья Дальневосточного региона. Термодинамическим расчетом доказана возможность диссоциации концентратов в зоне дуги, приводящей к выделению легирующих элемен-
тов, двуокиси углерода и других веществ. Установлено, что наиболее высокие сварочно-технологические характеристики обеспечиваются при взаимодействии циркониевого концентрата с гранодиоритом, флюоритом, мрамором (при этом цирконий является заменителем титана). Показано, что процесс разложения оксида циркония в данной шлаковой системе происходит при температуре 5700 ...6300 К, однако при взаимодействии с углеродом восстановление идет при температуре 2300... 2400 К.
3. Выявлены преимущества применения циркониевого концентрата, заключающиеся в диссоциации минералов, выделении углекислого газа для защиты от окружающей среды, восстановлении циркония для эффективного модифицирования, образовании термостойких карбидов и нитридов, а также других соединений, упрочняющих металл шва.
4. На основе полученных результатов анализа физико-химических свойств, проведены экспериментальные исследования, получены математические модели и построены диаграммы, позволившие установить рациональные режимы, обеспечивающие требуемые технологические характеристики шлаковых систем (стабильность технологического процесса, качество наплавленной поверхности, химический состав и структуру металла шва), а также прогнозирование состава шихты порошковых проволок в зависимости от требуемых свойств.
5. Установлено, что порошковые проволоки, полученные с использованием местного минерального сырья, не уступают аналогам по технологическим и физико-механическим характеристикам, а для Дальневосточного региона экономически более выгодны, так как их стоимость ниже типовых на 25...30 %.
Практическая значимость работы.
-
-
-
-
На основе анализа физико-химических свойств и экспериментальных исследований разработаны новые шлаковые системы и получена серия опытных порошковых проволок для наплавки углеродистых и низколегированных сталей, позволяющих получать твердость формируемых покрытий НВ 200-500.
-
Создана порошковая проволока для наплавки легированных высокомарганцовистых сталей, обеспечивающая высокую твердость и износостойкость наплавленного металла, превышающую в 1,5.2 раза износостойкость исходной поверхности.
-
Разработаны технология, оборудование и материалы, позволяющие получать формируемые покрытия с высокими механическими свойствами (А.с. № 1297363, А.с. № 1381866, патенты РФ № 55319, № 60808, № 2316608.
-
На основе разработанной методологии создан при Дальневосточном государственном университете путей сообщения «Научно-исследовательский центр по производству сварочных материалов» из минерального сырья Дальневосточного региона.
Личный вклад автора. Материалы, обобщенные в диссертации, являются результатом исследований, выполненных лично автором или под его руководством, а также при непосредственном участии автора в лабораторных исследованиях, проводимых в Дальневосточном государственном университете путей сообщения, Институте материаловедения ХНЦ ДВО РАН и Институте химии ДВО РАН. Диссертационная работа формировалась по результатам исследований, а также в про-
цессе руководства работой аспирантов и студентов по выполняемым научным темам. Кроме того, в работу включены некоторые результаты исследований Д.В. Строителева и И.О. Романова, выполненных под руководством и непосредственным участием автора.
Автор выражает признательность коллективу кафедры «Технология металлов» ДВГУПС, лично профессору А.Д. Верхотурову и профессору Э.Г. Бабенко за оказанную помощь при выполнении диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены:
-
на 43-й научно-практической конференции учёных транспортных вузов «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 22...23 октября 2003 г.);
-
4-й международной научной конференции творческой молодёжи «Научно- техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 12.14 апреля 2005 г.);
-
6-й международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 5.7 октября 2005 г.);
-
44-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 25. 26 января 2006 г.);
-Joint China-Russia symposium on advanced materials processing technology (Harbin, P.R. China, 21. 22 August 2006);
-
6-й региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования. Образование» (Благовещенск, 6.28 сентября 2006 г.);
-
международной конференции «Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы» (Украина, Киев, 27.29 мая 2008 г.);
-
IV Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 22.25 сентября 2008 г.);
-
международной научной конференции «Проблемы комплексного освоения георесурсов (Хабаровск, 16.18 сентября 2009 г.);
-
заседаниях кафедр: «Технология металлов» ПГУПС (г. Санкт-Петербург, 2005 г.); «Технология сварки, материаловедение, износостойкость деталей машин» МИИТ (г. Москва, 2005 г.); «Сварочное производство» МГТУ им .Н.Э. Баумана (г. Москва, 2009, 2010 гг.); «Малый бизнес в сварочном производстве» АлтГТУ им. И.И. Ползунова (г. Барнаул, 2009 г.), «Технология металлов» ДВГУПС (г. Хабаровск, 2009, 2010 гг.); а также в Институте материаловедения ХНЦ ДВО РАН (г. Хабаровск, 2007 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 49 научных работах, в числе которых одна монография, 15 статей в периодических журналах перечня ВАК. Получены два авторских свидетельства и четыре патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 319 страницах. Текст содержит 180 рисунков, 122 таблицы, 4 приложения и библиографический список из 230 наименований.
Похожие диссертации на Совершенствование процессов создания шлаковых систем и получение сварочных материалов с использованием минерального сырья Дальневосточного региона.
-
-
-
-
-
-
