Какова роль флюсов в доменном процессе при сварке: основательный взгляд на вопрос

Металлургия — одно из важнейших ремесел для современного человека. Зная основы и особенности этой области производства можно получить необходимые металлы или изменить их свойства, сварить детали любого размера или получить металлические сплавы.

Общая информация

Доменное производство — это совокупность промышленных процессов, в результате которых изготавливается чугун. Для этих целей используют метод восстановительной плавки железной руды или ее концентратов. Плавка происходит в большой печи, называемой доменной. Такой тип производства относится к черной металлургии и является одной из важнейших отраслей в современном производстве.

Помимо железной руды при производстве используют дополнительные материалы, называемые шихтой. Зачастую это руда из марганца, окатыши, агломерат, специальное горючее для печи. Наиболее распространенное горючее — угольный кокс. Иногда кокс заменяют на газовое или жидкое топливо, которое вдувается в верхнюю часть (так называемый горн) доменной печи. В качестве защиты используют металлургический флюс. О нем мы и поговорим в этом материале.

Принцип действия

Типовая сварочная зона при установившейся стадии процесса включает в себя следующие области:

1. Зону дугового столба с внутренней температурой не менее 4000…5000 °С.
2. Зону газового пузыря, которая образуется вследствие интенсивного атомарного испарения компонентов в кислородной среде.
3. Шлаковый расплав, который, будучи легче металла, располагается в верхней части газовой полости.
4. Слой расплавленного металла в нижней части полости.
5. Шлаковую корку, которая образует верхнюю, твёрдую границу сварочной зоны.

Кроме того, свой вклад в поведение свариваемого металла вносит также сварочная проволока. Таким образом, при всех разновидностях сварки в миниатюре моделируется обычный металлургический процесс получения металла, но без защитного покрытия и чёткой протяжённости, которые в первом случае ограничиваются объёмом мартеновской или электропечи.



Обезопасить свариваемый металл от окисления и шлаковой корки, ухудшающей качество готового шва можно, применив непрерывную подачу в сварочную зону легкоплавких и в то же время – химически инертных компонентов. Ими и являются сварочные флюсы. Они могут применяться также для целей поверхностной наплавки. Применение флюсов снижает уровень пыли, которая всегда образуется при сварке.

При использовании данных материалов должны обеспечиваться следующие условия:

• Сварочный флюс не должен снижать производительность сварки, а, наоборот, стабилизировать её;
• Материал не должен вступать в химические реакции, как с основным металлом, так и с металлом сварочной проволоки;
• На протяжении всего рабочего цикла должна обеспечиваться изолированность зоны сварочного пузыря от окружающей среды;
• После окончания процесса остатки флюса, связываясь со шлаковой коркой, должны легко удаляться из зоны обработки. При этом до 70…80% материала флюса можно, после соответствующей очистки, вновь использовать при сварке.

Эти требования довольно сложны и противоречивы, поэтому оптимальный состав и технология подачи сварочных флюсов определяется под конкретный вид сварки, конфигурацию соединяемых частей металла и производительность процесса.

Разновидности флюсов

Для начала нужно разобраться в разновидностях промышленного флюса. Опытные мастера говорят, что металлургический флюс может быть основным, кислым и глиноземистым. Тип флюса выбирается исходя из состава пустой породы, которую вносят в печь. В нашем случае пустая порода — это, по сути, та же железная руда. В широком смысле пустой называют ту породу, которая не привносит в производственный процесс существенных изменения и используется только в качестве основы.

Наибольшее распространение получил основной металлургический флюс. Это связано с тем, что пустая порода в большинстве случаев уже содержит кремнезем, а отношение суммарного содержания основных оксидов к суммарному содержанию кислотных должно составлять примерно 0,9-1,4. Всеми этими свойствами обладает основной флюс, поскольку содержит в своем составе оксид кальция.

В доменном производстве в качестве основного флюса используют известняковый камень. Его месторождения есть во многих странах мира и запасы очень большие. С химической точки зрения известняк — это минерал кальцита, синтезируемый природой. Чистый лабораторный кальцит наполовину состоит из оксида кальция и на половину из диоксида кремния, это идеальный металлургический флюс, но он не встречается в природе.

Производство искусственного флюса — это слишком сложный и дорогостоящий процесс, поэтому используется природный кальцит (он же известняк). В отличие от чистого кальцита, известняк содержит в своем составе примеси кремнезема, что не критично. Важно, чтобы камень не содержал фосфор. Допускается небольшое содержание серы в пределах допустимой нормы.

Помимо обычного известняка также можно использовать доломитизированный известняк или реже доломит. Химически такой камень — это так же смесь кальцита и доломита, но с содержанием магния. Чем магния больше, тем больше доломитизированный известняк превращается в доломит. Применение таких камней в качестве флюса оправдано в случае, когда нужно получить чугун с повышенной стабильностью физико-химических характеристик. Для этого в шлаке нужно повысить содержание оксида магния до 5-10%, чтобы при изменения температуры плавления сохранить ту самую стабильность свойств, о которой мы писали выше.

Большинство известняка, добываемого на территории бывшего СССР, имеет белый или светло-серый цвет, но в мире встречаются и другие вариации (от бежевого до темно-серого). Известняк приобретает более темный цвет, если в его составе содержатся органические вещества, или становится коричневым при повышенном содержании окислов железа.

Известняковый камень — это чрезвычайно прочный и плотный материал. Перед загрузкой в печь его просеивают, извлекая мелкие фракции. Но сейчас все чаще мелкая фракция используется в производстве, не смотря на свою непрочность и повышенное дробление. Мелкую фракцию известняка просто запускают в печь вместе с агломератом и такую смесь уже можно использовать в качестве флюса.

Не смотря на это, на большинстве производств установлен четкий контроль размера фракций, попадаемых в печь. Наиболее крупный допустимый размер составляет не более 130 мм, а наименьший до 25 мм. Даже если на завод поступают более крупные частицы, их подвергают дроблению.  Ведь на карьерных месторождениях известняка крупные камни просто дробят на фракции произвольного размера и транспортируют в цех.

Важно учитывать, что известняк бывает разного качества. При плавлении часть свободных оксидов кальция и магния, содержащихся в составе, будет израсходована на шлакование собственной пустой породы, или, говоря проще, на образование нерастворимого остатка, который никак не применим при производсте. Поэтому, чтобы определить качество известняка, достаточно узнать количество основных оксидов в составе той или иной партии флюса. Чем их меньше, тем лучше.

Наиболее распространённые марки флюсов, их состав и область применения

Флюсы используют для газовой сварки цветных металлов, чугуна и сварки высоколегированных сталей отдельных марок, а также при выполнении различных наплавок. Флюсы не используют при сварке низкоуглеродистых сталей, т.к. в процессе их сварки формируются легкоплавкие оксиды железа, которые скапливаются на поверхности расплавленного металла.

Состав флюса выбирается, исходя из характера оксидов, которые формируются в процессе сварки. Если в расплавленном металле преобладают щелочные (основные) оксиды, то флюс должен быть кислым. И наоборот.

Флюсы для газовой сварки меди, латуни и бронзы

При сварке меди, а также при сварке латуни и сварке бронзы, в большинстве случаев используют кислые флюсы. В их состав ходят борсодержащие химические соединения, такие как бура Na2B4O7, борная кислота H3BO3 и других. Перед сваркой буру прокаливают, иначе при сварке бура пузырится, и выделяет кристаллизационную воду. Это отрицательно влияет на качество сварных швов.

Хорошее качество сварки обеспечивается при помощи флюса марки БМ-1. В его состав входят 25% метилового спирта СН3(ОН) и 75% метил бората В(СН3О)3. Используют, также, флюс МБ-2, в состав которого входит только метил борат.

Смесью ацетилена и парообразных флюсов воздействуют на расплавленный металл через специальный флюсопитатель, через который ацетилен проходит прежде, чем поступить в сварочную горелку. В сварочном пламени происходит сгорание флюса:

2В(СН3О)3 + 2О2 = В2О3 + 2СО2 + 3Н2О

Более подробно о флюсах для меди изложено на странице: «Флюсы для газовой сварки меди».

Флюсы для газовой сварки чугуна

При сварке чугуна применяют основные флюсы в состав которых входят соединения натрия и калия: едкий натр NaOH, карбонат натрия Na2CO3, гидрокарбонат натрия NaHCO3, карбонат калия K2CO3 и другие.

Кроме этого, часто использую прокаленную буру Na2B4O7 в чистом виде или её смесь с солями щелочных металлов. При сгорании, бура распадается на оксид натрия Na2O и оксид бора В2О3, которые вступают в реакцию с образующимися в жидком металле оксидами и, переводя их в шлак, способствуют их удалению. Подробнее об этом и многом другом изложено на странице «Газовая сварка чугуна».

Флюсы для газовой сварки алюминия и го сплавов

Для сварки алюминия и его сплавов подбирают флюсы, являющиеся раскислителями и способные растворять тугоплавкие оксиды свариваемого металла. В их состав входят хлориды и фториды щелочных металлов (калия, натрия и лития), а также криолит Na3AlF6. Хлорид лития LiCl лучше других флюсов растворяет оксиды.

Наибольшее применение при газовой сварке алюминия получил флюс марки АФ-4А. В его состав входят 50% хлорида калия KCl, 14% хлорида лития LiCl, 8% фторида натрия NaF, 28% хлорида натрия NaCl. Сухие компоненты разбавляют дистиллированной водой до пастообразного состояния. Слой пастообразного флюса наносят на свариваемый металл и присадочную проволоку или пруток.

При этом следует учитывать разъедающее действие этого флюса, т.к он состоит из соединений химически-активных металлов. Поэтому, необходимо тщательно промыть сварные швы после сварки 2%-ным раствором азотной кислоты HNO3, а затем смыть кислоту тёплой водой и ещё раз промыть уже холодной водой. Подробнее об этом и многом другом изложено на странице «Газовая сварка алюминия и его сплавов».

Дополнительные материалы по теме:

Классификация сварочных флюсов

Все разновидности сварочных флюсов характеризуются следующими параметрами:

1. Своим внешним видом – могут быть порошковидными, зернистыми/кристаллическими, пастоподобными и даже газовыми. Например, для целей электросварки или наплавки оптимальными считаются сварочные флюсы в виде порошка или мелких гранул (при этом материал должен обладать ещё и соответствующими показателями электропроводности). В то же время при газосварке или пайке лучше применять флюсы в виде паст, порошка или газа.
2. Химическим составом, к которому предъявляются требования химической инертности при весьма высоких температурах, а также способности к эффективной диффузии некоторых составляющих флюсов в металл сварного шва.
3. Способом получения. Различают плавящиеся и неплавящиеся флюсы. Первые эффективнее при наплавке, когда поверхность металла должна быть эффективно дополнена иными химическими элементами (например, для улучшения внешнего вида и повышения антикоррозионных свойств). Неплавящиеся флюсы призваны улучшить механические показатели готового шва, поэтому их используют при сварке высокоуглеродистых сталей и цветных металлов, например, алюминия, которые в обычных условиях плохо свариваются.
4. По своему назначению. Например, легированная сварочная проволока с флюсом позволяет улучшить химсостав, и повысить уровень механической прочности исходного металла. Особо ценятся флюсы универсального применения, которые можно использовать не только для сварки стали, но также для сварки цветных металлов и сплавов.

Типовыми составляющими любого сварочного флюса являются кремнезём и марганец. Однако для целей легирования в состав флюсов могут включаться различные ферросплавы и металлы.

Классификацию рассматриваемых материалов часто производят также и по их марке. Она определяется предприятием-разработчиком. Например, все марки флюсов, которые были разработаны Институтом электросварки имени Патона, в своём обозначении обязательно имеют буквы АН (академия наук). Своё «фирменное» обозначение ФЦ имеют и флюсы, разработанные Центральным НИИ транспортного машиностроения. Несмотря на то что рецептура практически всех флюсов стандартизирована (например, флюсы, предназначенные для автоматической сварки под флюсом сварочными тракторами, выпускаются по требованиям ГОСТ 9087), единой маркировки данных материалов нет.

Роль флюсов

Что такое флюс в металлургии и какова его роль? Давайте обратимся к понятию флюса в целом. Итак, флюс — это специальная добавка, используемая при любительской и профессиональной сварке, а также на крупномасштабном производстве. При сварке флюс выполняет защитную функцию. Также с его помощью формируется качественный ровный шов.

Как вы понимаете, в доменном производстве нет сварочного процесса, поэтому здесь флюсы играют несколько другую роль. С их помощью можно добиться снижения температуры плавления руды и придать расплавленной массе необходимые физико-химические свойства. Кроме того, флюсы в процессе плавки очищают чугун от излишнего количества серы и стабилизируют работу доменной печи.

Технология получения

Она определяется химическим составом сварочного флюса.

Неплавленые флюсы имеют керамическую основу, и получаются механическим измельчением компонентов на шаровых мельницах. В зависимости от размера фракций такие флюсы подразделяются на мелкие с размером зерна 0,25…1,0 мм, и нормальные, с размером зерна до 3…4 мм. Первые применяются при сварке проволокой небольших диаметров, не превышающих 1,0…1,5 мм; в обозначение таких флюсов добавляют букву М. В случае значительного количества компонентов в марке неплавленого флюса, их предварительно связывают между собой склеиванием, а затем уже размалывают до требуемого размера частиц.

В состав неплавленых флюсов входят, кроме кремнезёма, марганцевая руда, ферросплавы, металлические порошки и оксиды некоторых элементов. Критерием отбора считается способность этих компонентов усиливать металлургические процессы, которые протекают в зоне сварки. В результате улучшаются условия для поверхностного легирования и раскисления металла, сварной шов приобретает более мелкозернистую структуру, а количество вредных примесей в шве уменьшается. Легирующие способности неплавленых флюсов позволяет применять более дешёвую сварочную проволоку.

Вместе с тем, неплавленые флюсы имеют и свои недостатки. Например, их упаковка должна быть гораздо более тщательной, поскольку все компоненты таких флюсов гигроскопичны и легко впитывают влагу, ухудшающую качество материала. Неплавленые флюсы более требовательны к соблюдению технологического процесса сварки, поскольку при этом могут существенно измениться условия легирования.

К неплавленым флюсам относят также магнитные. По своей эффективности они подобны керамическим, но содержат дополнительно ещё железный порошок, что увеличивает производительность сварки.

Плавленые флюсы используются преимущественно в технологиях автоматической сварки всех разновидностей. Технология их получения более сложная, и включает в себя следующие этапы:

• Подготовку, и размол всех компонентов, которые должны быть в составе флюса (кроме тех, что используются в неплавленых флюсах, туда включают также плавиковый шпат, глинозём, мел и ряд других);
• Перемешивание механической смеси в специальных вращающихся мельницах;
• Плавку в газопламенных печах с защитной атмосферой или в электродуговых печах;
• Гранулирование, которое выполняется для того, чтобы итоговые фракции имели нужных размер зёрен. Для этого расплав флюса выпускается в воду, где и затвердевает в шарообразные частицы;
• Сушку во вращающихся сушильных барабанах;
• Окончательное просеивание и упаковку.

Плавленые сварочные флюсы состоят из оксида марганца и кремнезёма SiO2. Марганец обеспечивает восстановление оксидов железа, которые постоянно образуются в процессе сварки, а также связывает находящуюся в шлаках серу в сульфид, который впоследствии легко удаляется с поверхности сварного шва. Кремний, в свою очередь, повышает сплошность металла в зоне шва, поскольку препятствует росту концентрации окиси углерода при сварке. Хорошие раскисляющие свойства кремния способствуют увеличению однородности химического состава металла при сварке под флюсом.

Плавленые флюсы имеют прозрачную или светло-жёлтую окраску. Их плотность не превышает 1,6…1,8 г/см3.

Вместо заключения

Теперь вы знаете, какова роль флюсов в доменном производстве. Это цепочка производственных этапов со множеством нюансов, на первый взгляд все может показаться чем-то сложным. Но зная, как работают флюсы в доменном процессе, можно понять и остальные особенности производства чугуна. Делитесь этим материалом в социальных сетях и оставляйте свои . Желаем удачи в работе!

Литература

• Линчевский Б. В., Соболевский А. Л., Кальменев А. А. Металлургия черных металлов. — Москва: Металлургия, 1986. — 360 с.
• Пожидаев Ю. В., Кривошеина Н. Г. Подготовка и переработка минерального сырья: учеб. пособие. — Москва: СибГИУ, 2005. — 187 с. — ISBN 5-7806-0215-8.
• Флюс, в металлургии // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...