Актуальность работы. В настоящее время стратегическое развитие страны во многом определяется социально-экономическим становлением сварочной отрасли уральского региона. Чтобы регион был конкурентоспособным и независимым, одной из важнейших задач его развития является создание базисной шлаковой основы из минерального сырья Урала для разработки плавленых, керамических флюсов и покрытий сварочных электродов, которая также стимулирует и импортозамещение составляющих сварочных материалов. Поскольку сварочные компоненты поступают в основном из Украины, то уже сейчас ощущается дефицитность сырья и сварочных материалов в связи со сложившейся ситуацией. Поэтому разработка шлаковой основы из минерального сырья Урала является проблемой своевременной и актуальной.
В ПНИПУ на основании Программы социально-экономического развития и использования минерально-сырьевой базы Пермского края (программа от 2008 г. и Закон от 20.12.2012 №140-ПК), автором с указанных позиций проведён комплекс научно-исследовательских работ, по разработке технологических процессов изготовления сварочных материалов на шлаковой основе из минерального сырья Урала и их апробации в сварных соединениях, направленных на реализацию одного из важнейших направлений сварочного производства - создание высококачественных и экономически выгодных сварочных материалов.
Цель диссертационной работы. В связи с этим целью настоящей работы является разработка шлаковой основы для сварочных материалов широкой номенклатуры на базе габброидной группы минерального сырья Урала. Для реализации поставленной цели были выдвинуты следующие задачи:
- выбор и обоснование объектов, материалов, оборудования и методик исследования;
- мониторинг доступности и пригодности минерального сырья Урала для создания шлаковой основы современных импортозамещенных сварочных материалов;
- исследование минералообразования в продуктах минерального сырья Урала в условиях кратковременных высокотемпературных воздействий;
- оценка применимости шлаковой основы из минерального сырья и техногенных образований Урала на примере создания покрытия сварочных электродов, плавленых флюсов для дуговой сварки низкоуглеродистых сталей.
Методология исследования включала разработку функциональной схемы - модернизированной схемы последовательности исследований по применимости минерального сырья и техногенных образований Урала от оценки доступности месторождений до технологических характеристик наплавленного металла. В работе использован комплекс научно-технологического оборудования (печи графитовые, шамотные, электродуговые опытно-промышленные печи). Для исследования полученных шлаковых основ материалов использовались современные методы и отечественная и зарубежная аппаратура.
Научная новизна работы:
1. На основании исследований свойств и составов минерального сырья и техногенных образований Уральского региона определен набор характеристик, обеспечивающих принципиальную возможность применения указанных компонентов в качестве шихты основы сварочных материалов:
- коэффициент однородности (1-1,5);
- минимальное содержание оксида железа (до 15 мас.%);
- экономические показатели (доступность, трудозатраты).
2. Для минерального сырья и техногенных образований, выбранных в качестве основы шихты при производстве сварочных материалов, уточнены данные по физико-химическим свойствам, которые близки соответственно к характеристикам плавленых оксидных флюсов.
3. На основе анализа физико-химических свойств минерального сырья и техногенных образований с учетом их происхождения и назначения подобрано количественное соотношение компонентов (кварцевого песка, плавикового шпата, хромистой руды), обеспечивающее необходимые сварочно-технологические свойства и качественное формирование сварного шва.
4. Установлены закономерности взаимодействия компонентов шлаковой основы сварочных материалов, обеспечивающие образование шпинелей, сложных оксидных соединений в процессе затвердевания шлаковой корки, уменьшение окислительной способности основы, хорошую отделимость шлаковой корки и низкое содержание серы и фосфора в металле шва.
Практическая значимость работы:
1. Из минерального сырья и техногенных образований Уральского региона получена основа для производства сварочных флюсов, обеспечивающих уровень свариваемости низкоуглеродистых сталей не ниже импортных аналогов, которые в настоящее время занимают более 80% отечественного рынка.
2. На основе полученных новых данных физико-химических свойств минерального сырья и техногенных образований разработаны методические и технологические рекомендации для получения шлаковой основы сварочных материалах при дуговой сварке низкоуглеродистых сталей.
3. Проведена апробация разработанных материалов по приведенному комплексу методик и оборудования исследований с положительным заключением по качеству наплавленного металла и сварных соединений.
4. Разработан технологический регламент изготовления покрытых электродов и сварочных флюсов на шлаковой основе минерального сырья и техногенных образований Уральского региона.
5. Предложены способы изготовления и составы покрытий электродов, шихт сварочных флюсов, на которые получили патенты РФ №2448824, №2494847, №2497646, №2504465.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов подтверждается статистикой многочисленных экспериментальных и аналитических исследований и их хорошей сходимостью с существующими аналогами, а также опытно-промышленной апробацией модернизированной схемы изготовления сварочных материалов и высокими эксплуатационными характеристиками сварных соединений. Кроме того, положительными испытаниями, проведёнными на базе ганноверского университета и фирмы Кельберг (Германия) в рамках международного совместного проекта.
На защиту выносятся:
1. Набор характеристик на основании исследований свойств и составов минерального сырья и техногенных образований Уральского региона, обеспечивающих принципиальную возможность применения указанных компонентов в качестве шихты основы сварочных материалов (коэффициент однородности 1-1,5, минимальное содержание оксида железа до 15 мас.%, экономические показатели).
2. Обоснование выбора комплекса оборудования и методик исследования шлаковой основы для разработки сварочных материалов на базе минерального сырья Урала.
3. Закономерности взаимодействия компонентов шлаковой основы сварочных материалов, обеспечивающие образование шпинелей, сложных оксидных соединений в процессе затвердевания шлаковой корки, уменьшение окислительной способности основы, хорошую отделимость шлаковой корки и низкое содержание серы и фосфора в металле шва.
4. Разработанные шлаковые основы для сварочных материалов из минерального сырья Урала, обеспечивающие требуемые сварочно-технологические свойства, чистоту и высокие физико-механические свойства наплавленного металла сравнимые с известными аналогами.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных, всероссийских, региональных, межотраслевых и областных научно-технических конференциях, форумах и семинарах:
Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии и материалы», I международная научно-практическая конференция ШЫОТЕСН 2009, I международная научно-практическая конференция «Молодые ученые Прикамья - 2011» (Пермь 2008-2011); 6-ая международная научно-практическая конференция «Качество науки - качество жизни» (Тамбов 2010); 5 международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиностроения» (Томск 2010).
Международная конференция «Исследование материалов с использованием методов термического анализа, калориметрии и сорбции газа» (Санкт-Петербург 2012); Всероссийская молодежная научно-практическая конференция с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (Екатеринбург 2012); Межвузовская мобильность «Научные и научно¬педагогические кадры инновационной России» (Новосибирск 2012). Научная техническая конференция «Сварка и диагностика» в рамках специализированной выставки «Сварка. Контроль и диагностика» (Екатеринбург 2012); XIX рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск 2012); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск 2012).
Международная научно-техническая конференция «Сварка и контроль - 2013» посвященная 125-летию изобретения Н.Г. Славяновым электродуговой сварки, плавящимся электродом (Пермь 2013). Юбилейный научно-практический семинар «Металлургия сварки и сварочные материалы» посвященный 100-летию со дня рождения ученого Георгия Львовича Петрова (Санкт-Петербург 2013). Семинары и доклады по результатам совместных работ и исследований в Ганноверском университете им. Лейбница (Германия, Ганновер 2010-2011).
За совокупность работ по разработке высококачественных и экономически выгодных сварочных материалов автор награжден медалью победителя Приволжского Федерального округа «Ульяновск - 2010» (Ульяновск 2010), медалью в номинации «Лучшая научно-исследовательская работа аспиранта» (Санкт- Петербург 2012), являлся лауреатом в номинации конкурса «Молодые ученые» (Металл-Экспо, Москва 2012), лауреатом в номинации конкурса научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых (МФТИ, Москва 2012), лауреатом конкурса «Молодой ученый года ПНИПУ» (Пермь, 2013).
Личный вклад автора. Все экспериментально-теоретические исследования и разработанные технические решения, полученные как в лабораторных, так и в опытно-промышленных условиях, а также обработка и анализ их выполнены лично автором. Автор работы совместно с руководителем установили актуальность работы, определили цель и задачи исследования.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ, в том числе 7 в журналах рекомендованных ВАК, 4 патента РФ, 24 статей, 5 тезисов международных, всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 109 страниц, среди них 42 рисунка, 32 таблиц. Список литературы содержит 123 наименований.
1. На основании исследований свойств и составов минерального сырья и техногенных образований Уральского региона по определенному набору характеристик установлено, что шлаковая основа сварочных материалов из габбро- диабаза Ломовского м/р (Кобщ=1,19, Кп<2, до 15% оксида железа), горнблендита Первоуральского м/р (Кобщ=1,5, Кп<2, до 15% оксида железа), и техногенных образований на их базе соответствуют выбранным критериям пригодности.
2. Для минерального сырья и техногенных образований, выбранных в качестве основы шихты сварочных материалов, уточнены данные по физико-химическим свойствам (вязкость 2-2,5 Пуаз, Тпл=1350 °С, а=1,19-9,94*10-6/°С), которые близки соответственно к характеристикам плавленых оксидных флюсов.
3. На основе анализа физико-химических свойств минерального сырья и техногенных образований с учетом их происхождения и назначения подобрано количественное соотношение компонентов (кварцевого песка 2%, плавикового шпата 2%, хромистой руды 3%), обеспечивающее необходимые сварочно-технологические свойства и качественное формирование сварного шва (5 балл).
4. Установлены закономерности взаимодействия компонентов шлаковой основы сварочных материалов, обеспечивающие образование шпинелей МдГеСг2О4 и других сложных оксидных соединений в процессе затвердевания шлаковой корки, уменьшение окислительной способности основы, хорошую отделимость шлаковой корки (5 балл по РД 03-613-03) и низкое содержание примесей в металле шва (серы и фосфора до 0,002-0,024, мас. %).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
