Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.03.06. - Зварювання та споріднені процеси і технології

УДК 621.791.75

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ СКЛАДУ І ТЕХНОЛОГІЇ НАПЛАВЛЕННЯ ПОРОШКОВОЮ ПЛЮЩЕНКОЮ ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛУРГІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ

ШЕВЧЕНКО

ОЛЕКСАНДР

ВАЛЕРІЙОВИЧ

Мариуполь - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Приазовському державному технічному університеті Міністерства освіти та науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Чигарьов Валерій Васильович, Приазовський державний технічний університет МОН України, завідувач кафедри «Металургія і технологія зварювального виробництва»

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Харченко Геннадій Костянтинович, провідний науковий співробітник Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ доктор технічних наук, професор Кассов Валерій Дмитрович, Донбаська державна машинобудівна академія МОН України, завідувач кафедри «Підйомно-транспортні машини», м. КраматорськЗахист відбудеться 30 жовтня 2009 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті: 87500, м.Маріуполь Донецької обл., вул. Універси-тетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Апатова, 115.

Автореферат розіслано 28 вересня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д12.052.01 доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В сучасних умовах розвитку промисловості, пов`язаних із виходом на міжнародний ринок, перед виробниками вітчизняної промислової продукції постає проблема зниження трудомісткості виробництва, його собівартості, економії матеріальних та енергетичних ресурсів. Як свідчить досвід розвинених країн, успішність вирішення цієї проблеми багато в чому визначається рівнем розвитку зварювального виробництва.

Актуальність теми. Можливості підвищення технологічних параметрів металургійного виробництва визначаються експлуатаційною стійкістю окремих деталей металургійного обладнання, зокрема барабанів моталок, від якості та роботоздатності яких залежить продуктивність металургійних агрегатів, термін їх служби, якісні характеристики продукції, що випускається. Застосування дугового наплавлення порошковою плющенкою, при якому на зношену поверхню наносять шар необхідної товщини, що має заданий рівень робочих характеристик, дозволяє вирішувати задачу продовження нормативного терміну служби технологічних вузлів. Однак технологічні можливості наплавлення порошковою плющенкою реалізуються не повною мірою. Це пов`язане з тим, що з точки зору показників якості при виготовленні порошкової плющенки методи прогнозування стабільності їх коефіцієнтів заповнення, геометричних параметрів, які визначають ефективність подальших наплавлювальних операцій, надано на емпіричному рівні. Використання в якості газошлакоутворюючого компоненту традиційних мінералів не відповідає зростаючим вимогам до зварювально-технологічних властивостей, що викликає необхідність пошуку нових матеріалів, які активно впливають на ці властивості. Відсутність даних щодо впливу складу нових компонентів на характеристики переносу електродного металу, його втрати та коефіцієнти переходу легуючих елементів в наплавлений метал ускладнює розробку високоефективних порошкових плющенок. Згадані обставини визначили вибір теми дисертаційного дослідження, його актуальність і науково-практичне значення.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до тематики кафедри «Металургія і технологія зварювального виробництва» Приазовського державного технічного університету. Висновки і пропозиції дисертаційного дослідження використано у держбюджетній науково-дослідній роботі «Підвищення довговічності деталей машин за рахунок розробки зносостійкого наплавлювального матеріалу і нових технологій зміцнення» (номер державної реєстрації 0106U001401). Внесок автора як виконавця полягає у розробленні складу та технології виготовлення порошкової плющенки, в оптимізації технологічних параметрів, у розробленні технологічних рекомендацій.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення експлуатаційної стійкості деталей металургійного обладнання за рахунок оптимізації складу порошкової плющенки для зносостійкого наплавлення та підвищення техніко-економічних показників технології її виробництва.

Для досягнення поставленої мети сформульовано такі основні завдання:

розробити на основі математичного моделювання оптимальний технологічний режим виготовлення порошкових плющенок та засоби для автоматизованого його розрахунку;

визначити можливість застосування в якості газошлакоутворюючої складової шихти осердя карбонатно-сільової суміші лужних металів;

дослідити вплив газошлакоутворюючих компонентів сердечника на втрати наплавленого металу та коефіцієнти переходу легуючих елементів;

розробити порошкову плющенку для наплавлення барабанів моталок, яка забезпечуватиме підвищення їх експлуатаційної стійкості;

реалізувати розроблену порошкову плющенку та технологічні рекомендації в промислових умовах при наплавленні деталей металургійного обладнання.

Об`єкт дослідження. Механізоване дугове наплавлення зносостійких сплавів порошковою плющенкою.

Предмет дослідження. Технологічні режими виготовлення порошкової плющенки та характеристики процесу наплавлення.

Методи дослідження. Методичною і теоретичною базою дослідження є основні положення теорії зварювальних процесів, методи теорії планованого експерименту і математичної статистики. Експериментальні дослідження виконано на вимірювальних і моделюючих установках у лабораторних, а натурні дослідження - у промислових умовах; містять методи визначення зварювально-технологічних, фізико-механічних характеристик, хімічного складу наплавленого металу. Математичне оброблення результатів дослідження виконувалось з використанням існуючого прикладного програмного забезпечення, а також спеціально розробленого пакету програм для оптимізації режимів виготовлення порошкової плющенки.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи становлять наступні основні результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень:

- вперше розроблено комплексну математичну модель напружено-деформованого стану порошкової плющенки в процесі її виготовлення, яка враховує реальний характер розподілу геометричних параметрів, механічних властивостей і умов контактного тертя по довжині осередку деформації, реалізація якої дозволяє визначити енергосилові параметри процесу при заданих значеннях щільності осердя та кінцевих розмірів порошкової плющенки;

- вперше встановлено, що нанесення на внутрішню поверхню оболонки гідрофобного компоненту, який містить вуглець, підвищує корозійну стійкість фероскладових компонентів до 68,2-68,9%, знижує гігроскопічність шихти до 2,7%, підвищує ступінь ущільнення осердя на 8-12%;

- удосконалено спосіб оцінювання зварювально-технологічних властивостей порошкових електродів (патент України 19256), який враховує зовнішні механічні збурювання, що вносяться у вихідний стан системи «оболонка - осердя», і дозволяє об`єктивно оцінити якість порошкової плющенки, яку виготовлено з різними енергосиловими параметрами та технологічними схемами;

- набула подальшого розвитку математична модель комплексного легування наплавленого металу через осердя порошкової плющенки, за допомогою якої оптимізовано склад газошлакоутворюючої частини шихти порошкової плющенки для наплавлення деталей металургійного обладнання, який забезпечує мінімальні втрати легуючих елементів: 25-30% карбонатно-сільової суміші, 40-50% перовскітового концентрату при загальній кількості газошлакоутворюючих компонентів в плющенці не більше 8-10%.

Практичне значення одержаних результатів. Проведені автором і за його участю дослідження і розробленні рекомендації дозволили розробити склад порошкової плющенки із покращеним комплексом службових характеристик для відновлювального наплавлення контактних клинових поверхонь барабанів моталок прокатних станів. Розроблені рекомендації в частині використання компонентів осердя можуть бути застосовані при виробництві іншого призначення. Результати роботи у вигляді технологічних рекомендацій впроваджено на ВАТ «Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча» (м. Маріуполь), ЗАТ «Краматорський завод металевих конструкцій» (м. Краматорськ) з економічним ефектом 374 тис. грн.

Результати наукових розробок впроваджено в навчальний процес Приазовського державного технічного університету для студентів спеціальності 7.092.0303 «Технологія відновлення та підвищення зносостійкості машин і конструкцій», використовуються в науково-дослідній роботі студентів і аспірантів кафедри «Металургія і технологія зварювального виробництва».

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно проведено аналіз ефективності способів відновлення роботоздатності зношеного механічного обладнання з урахуванням сучасних вимог до виробничих умов, обрано методику досліджень. Взяв участь у розробці методики оцінювання зварювально-технологічних властивостей порошкових електродів, створенні складу порошкової плющенки, а також у проведенні експериментальних досліджень, обробці і аналізі їх результатів. Впровадження результатів роботи виконувалось автором спільно з працівниками кафедри і підприємств. Основні наукові положення, розробки, висновки і рекомендації, що виносяться на захист, одержані автором самостійно.

Результати дисертації одноособово викладено автором у 2 опублікованих роботах і в 13 роботах участь автора складає не менше 35%; захищено 2 патентами. Особистий внесок автора дисертації в наукові праці, опубліковані в співавторстві, конкретизовано у списку публікацій за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на IV міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки» (м. Харків, 2005); IV міжнародній науково-практичній конференції «Интеллект молодых - производству 2005» (м. Краматорськ, 2005); ІІ міжнародній науково-методичній конференції «Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров» (м. Маріуполь, 2006); IV міжнародній науково-технічній конференції «Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку» (м. Краматорськ, 2006); IV міжнародній науково-технічній конференції «Нові технології, методи обробки та зміцнення деталей енергетичних установок» (м. Запоріжжя, 2006); VII міжнародній конференції «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» (м. Харків, 2006); VIIІ регіональній науково-технічній конференції «Университет - городу» (м. Маріуполь, 2006); V міжнародній науково-технічній конференції «Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку» (м. Краматорськ, 2007); науковому семінарі «Проблеми та перспективи розвитку підйомно-транспортних, будівельних та дорожніх машин» (м. Краматорськ, 2007); VІ міжнародній науково-технічній конференції «Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку» (м. Краматорськ, 2008); міжнародній науково-технічній конференції «Достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением в металлургии и машиностроении» (м. Краматорськ, 2009).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи викладено у 15 роботах, з них 7 опубліковано у фахових виданнях за науково-технічною тематикою (згідно з рекомендаціями ВАК України), нові технічні рішення захищено 2 патентами.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи 168 сторінок, у тому числі 135 сторінок машинописного тексту, 84 рисунки і 17 таблиць, перелік використаних джерел із 123 найменувань, додатки на 3 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи і намічено шляхи її досягнення, показано зв`язок роботи з науковими програмами, темами. Наведено характеристику наукової новизни і практичного значення одержаних результатів, а також їх апробації та впровадження.

Розділ 1. Сучасний стан питання.

Підвищення техніко-економічних показників металургійного комплексу України в умовах інтеграції у світове промислове виробництво нерозривно пов`язане з підвищенням термінів служби механічного обладнання, зокрема, барабанів моталок прокатного стану, важкі умови експлуатації яких призводять до швидкого вичерпання запасу довговічності. Клинові деталі (клини, вали, сегменти барабанів моталок), що мають контактні поверхні, через малий термін їх служби, складність виготовлення та великі розміри є дефіцитними. Нестача їх, як запасних частин, ускладнює роботу прокатних станів, призводячи до частих ремонтів, а інколи навіть простоїв. Існуючі конструктивні та деякі технологічні заходи (застосування спеціального змащення, термообробка) не вирішують задачі в цілому, тобто термін служби даних деталей недостатній і значно нижчий за інші вузли. Застосування дугового наплавлення порошковою плющенкою, при якому на зношену поверхню наносять шар необхідної товщини, що має заданий рівень робочих характеристик, дозволяє ефективно вирішувати задачу продовження нормативного терміну служби технологічних вузлів. Технологія виготовлення порошкової плющенки істотно впливає на її зварювально-технологічні властивості, формування і склад шлаків, на хімічний склад наплавленого металу та його механічні властивості. Однією з найбільш важливих передумов удосконалення технологічного процесу виробництва цього виду металопродукції, знання якої надало б уявлення щодо поведінки оболонки і осердя при волочінні та плющенні, є: вивчення впливу напружень деформацій, що виникають при виготовленні порошкової плющенки, на зміну щільності осердя і геометричні параметри оболонки трубчатої напускної конструкції при різних складах шихти та коефіцієнтах заповнення; оптимізація умов плющення і розмірів вихідної порошкової заготівки. Це дозволить покращити якість готового електроду, знизити витрати на його виробництво, а також систематизувати вибір маршруту протяжки.

Композиції осердя порошкової плющенки багатокомпонентні, складні та, як правило, являють собою оптимум, який у тій чи іншій мірі задовольняє сукупності вимог, що пред`являються до наплавлювальних матеріалів. Обмежена кількість газошлакоутворюючих у складі порошкової плющенки при зростаючих вимогах до зварювально-технологічних властивостей визиває необхідність пошуку нових матеріалів, які активно впливають на ці властивості. Проведений аналіз дозволив визначити напрямок наукового дослідження.

Розділ 2. Вибір напрямку і методів дослідження

Удосконалення складу порошкової плющенки, що забезпечує досягнення високої надійності та довговічності деталей і вузлів машин при відновлювальному наплавленні зносостійкими сплавами, нерозривно пов`язане з розробкою конкретних практичних рішень, виконаних на основі комплексних теоретичних і експериментальних досліджень з використанням сучасних методів теоретичного аналізу та експериментальних установок. Методичною та теоретичною базою досліджень було обрано основні положення теорії зварювальних процесів, методи теорії планованого експерименту і математичної статистики. Застосування основних положень зварювального виробництва і суміжних галузей науки стосовно галузі дугового наплавлення відкритою дугою порошковими плющенками дозволяє забезпечити подальше вдосконалення технологічних процесів з метою підвищення якості, надійності та довговічності наплавлених виробив. Експериментальні дослідження виконано на вимірювальних і моделюючих установках в лабораторних, а натурні дослідження - в промислових умовах і містили методи визначення зварювально-технологічних, фізико-механічних характеристик, хімічного складу наплавленого металу. Математична обробка результатів дослідження виконувалась з використанням існуючого прикладного програмного забезпечення, а також спеціально розробленого пакету програм для оптимізації режимів виготовлення порошкової плющенки. Застосування результатів чисельної реалізації одержаних математичних моделей і відповідних їм програмних засобів дозволяє раціонально проектувати технологію виготовлення порошкових плющенок і коректувати режими наплавлення у більш вузькій зоні пошуку для забезпечення оптимальних зварювально-технологічних характеристик і якості металу шва. Результати досліджень використано для оцінювання ефективності запропонованих технічних рішень і розроблених практичних рекомендацій.

Розділ 3. Удосконалення технології виробництва порошкової плющенки

Технологія виготовлення порошкових електродів і порошкової плющенки, зокрема, істотно впливає на зварювально-технологічні властивості, на хімічний склад металу шва і його механічні показники. Якісні показники процесу наплавлення багато в чому визначаються характеристиками порошкової плющенки, які формуються на стадії її виготовлення. Використовуючи ефект магнітного структурування порошкоподібної шихти осердя досягнуто підвищення стабільності коефіцієнта заповнення плющенки на 2,3-2,5%, при цьому схильність шихти до просипання знижується до 3,2%, а однорідність наплавленого металу підвищується (VCr = 2,68-1,99%) при магнітній індукції 0,9-1,1 Тл. Однією з важливих характеристик, що використовуються при розрахунку технологічного процесу виготовлення порошкового електроду, є функціональний зв`язок коефіцієнту тертя в зоні контакту порошкоподібного осердя та металу оболонки з параметрами процесу. Установлено, що використання в якості антифрикційного вуглецевмісного компоненту шихти сажі, яку нанесено на внутрішню поверхню стрічки, зменшує коефіцієнт тертя до 0,18, підвищує ступінь ущільнення осердя на 8-12% при однакових зусиллях обтиснення. Отримані дані використано при реалізації чисельної математичної моделі процесу виготовлення порошкової плющенки.

Математичну модель напружено-деформованого стану в осередку деформації при волочінні і при плющенні порошкового дроту було засновано на спільному аналізі умови пластичності та диференційного рівняння рівноваги виділеного елементарного об`єму (рис.1).

Розрахункова схема виділеного елементарного об`єму при волочінні (а) і плющенні (б)

При цьому геометричні характеристики, а саме поточні значення діаметра дроту dх (при волочінні) та товщини стрічки hx (при плющенні), було визначено на основі статечних залежностей:

; ,

де х - геометрична координата, яка має свій початок на виході з осередку деформації; L - довжина осередку деформації; бd, бh - статечні показники, які враховують реальну форму волоки та валка.

Енергосилові параметри процесів визначали шляхом чисельного інтегрування компонентів напруженого стану. Характер розподілу таких інтегральних характеристик процесу як зусилля плющення Р, момент плющення М, кінцева відносна щільність осердя г1 і ширина плющенки b у залежності від величини обтиснення h1/d0 (рис.2) свідчить про актуальність врахування максимальної кількості факторів при проектуванні технологічних режимів плющення. Моделі враховують реальний характер розподілу геометричних параметрів, механічних властивостей і умов контактного тертя по довжині осередку деформації; дозволяють прогнозувати та оптимізувати параметри електродного матеріалу, які визначають ефективність подальших наплавлювальних операцій. Було виконано автоматизоване проектування технологічних параметрів волочіння і плющення. В якості критеріїв проектування при цьому було обрано необхідні значення [h1], [b1], [1].

В якості параметрів проектування обрано діаметр вихідного порошкового дроту з неущільненим осердям d0 і діаметр порошкового дроту після волочіння d1. В якості цільової функції - розроблені математичні моделі. Власне рішення містило два цикли, заснованих на ітераційному визначенні d0 і d1. Перший, внутрішній, цикл забезпечує отримання необхідної ширини плющеної порошкової стрічки:

.

Другий, зовнішній, цикл забезпечує отримання необхідної щільності плющеної порошкової стрічки:

де sign - функція знаку.

В якості прикладу на рис.3 надано розрахункові розподіли, які дозволяють визначати необхідний діаметр порошкового дроту після волочіння в залежності від кінцевої відносної щільності сердечника і ширини плющенки при фіксованих значеннях ширини сталевої стрічки, з якої формується порошковий дріт, і товщини готової плющенки.

Результати автоматизованого проектування процесів виготовлення порошкової плющенки товщиною 3,0 мм, яку отримано зі стрічки шириною 20 мм

Розроблено програмні засоби з автоматизованого проектування технологічних режимів, які забезпечують розширення сортаменту та підвищення якості отриманої порошкової плющенки.

Розділ 4. Розробка і дослідження порошкової плющенки для відновлювального наплавлення

Основним критерієм при виборі хімічного складу зносостійкого сплаву служила його протизадирна зносостійкість. Експериментально встановлено, що для забезпечення максимальної протизадирної стійкості наплавлений метал повинен мати наступний склад (%): С 0,25; Mn 9,65; Si 1,19; Cr 9,49; Ti 0,18. Характерним є підвищення сили тертя на початку випробовувань (притирання) без різких стрибків з наступним переходом у плавний характер незначних змін, зберігаючи сталість на тривалому проміжку. Зразки витримували навантаження до 147000 кН/м2, а з попереднім наклепом - більше 196000 кН/м2 (рис.4). На зразках із наплавлення 2Х13 при навантаженні 32340 кН/м2 з`являються суцільні задири одразу після випробовувань. На зразках зі сталі 34ХН3М з`являються задири при навантаженні 39200 кН/м2, зі сталі 40Х - при навантаженнях не більше 29400 кН/м2, теж і для наплавлення 20Х9Г9Т.

Було проаналізовано можливість використання багатокомпонентної системи NaCl-KCl-Na2CO3-K2CO3 у складі шихти осердя порошкових плющенок. У даній частині роботи фазовий склад системи та температурно-концентраційні області існування фаз було розглянуто з використанням методу термодинамічного моделювання. Усі розрахунки було проведено в рамках CALPHAD-методу (Calculation of Phase Diagrams). У CALPHAD-методі експериментальна інформація про систему конвертується в оптимізовані параметри термодинамічних моделей відповідних фаз. Розрахунок фазової рівноваги в системі вимагає мінімізації суми значень вільної енергії Гіббса всіх фаз, які входять до її складу. Термодинамічні властивості кожної фази, яка бере участь у рівновазі, було описано відповідними моделями, які для чистих речовин враховували температурну залежність, а для фаз, які мали область гомогенності, - температурно-концентраційну залежність енергії Гіббса. Розрахунки показали, що мінімум температури ліквідус четвертної системи NaCl-KCl-Na2CO3-K2CO3 знаходиться в області трикомпонентної системи NaCl-KCl-Na2CO3 та відповідає 573°С при складі хNa2CO3 = 0,31, хKCl = 0,35 і хNaCl = 0,34. Перерахунок даного складу в масові відсотки дає 41,7 мас. % Na2CO3, 33,1 мас. % KCl, 25,2 мас. % NaCl. В якості об`єктів для подальших досліджень було прийнято відходи титаномагнієвого виробництва і залишок виробництва соди кальцинованої, враховуючи доцільність використання у складі шихти інгредієнтів, які являють собою складні хімічні з`єднання різних оксидів і карбонатів, що дозволяють змінювати фізико-хімічні властивості шлаків у широких межах, забезпечуючи тим самим необхідні зварювально-технологічні характеристики та можливість розширення сировинної електродної бази за рахунок залучення в промисловий оборот відвальних шлаків хімічного, металургійного і гірничорудного виробництва. Розроблено багатокомпонентну шлакову систему CaF2 - CaO - TiO2 - FeO-KCl - - NaCl - MnCl2 - MgCl2 - CaCl2 - FeCl2 - Na2O - K2O - MgO - SiO2, яка має температуру плавлення 1150°С, а інтервал плавлення - 50-70°С. В`язкість розплавленого шлаку при 1500°С складає з = 0,058 Н·с/м2, поверхневий натяг шлаку у = 0,331 Н/м.

На основі симплексно-ґратчастого планування досліджень впливу кількості та співвідношення плавикового шпату, карбонатно-сільової суміші і перовскітового концентрату в шихті комполекснолегованої порошкової плющенки на втрати електродного металу і коефіцієнти переходу легуючих елементів встановлено, що на втрати електродного металу в основному впливає дисоціація карбонатно-сільової суміші в зоні плавлення електроду. Зменшення загальної кількості газошлакоутворюючих компонентів у плющенці від 14,1 до 3,5% призводить до скорочення втрат металу (рис.5).

х3 - перовскітовий концентрат) при Iзв = 300-350А, Uд = 32-34В,

Сгшу = 3,5% (а) та Iзв = 250-280А, Uд = 32-34В, Сгшу = 14,1% (б)

Особливо інтенсивно це виявляється при вмісті карбонатно-сільової суміші в газошлакоутворюючій частині шихти понад 40-50%; якщо до складу осердя входять плавиковий шпат, карбонатно-сільова суміш і перовскітовий концентрат, то втрати мінімальні при вмісті 15-25% карбонатно-сільової суміші в газошлакоутворюючій частині шихти; для забезпечення високих коефіцієнтів переходу легуючих елементів у наплавлений метал вміст карбонатно-сільової суміші в газошлакоутворюючій частині шихти порошкової плющенки повинен бути не вище 25-30%, перовскітового концентрату - не вище 40-50%, при загальній кількості газошлакоутворюючих в плющенці не більше 8-10%.

Зниження зварювального струму від 400 до 250 А та підвищення напруги на дузі від 25 до 36 В призводить до зростання втрат електродного металу при будь-якому співвідношенні газошлакоутворюючих компонентів шихти і особливо інтенсивно при вмісті карбонатно-сільової суміші у газошлакоутворюючій частині сердечнику вище 40-50%. При одночасному легуванні кількома елементами перехід кожного з них у наплавлений метал залежить від вмісту у плющенці інших елементів.

Найбільший вплив на перехід С, Mn, Si, Cr і Ti чинить вміст у плющенці вуглецю і кремнію. Спільне оброблення експериментальних даних методом багатомірного регресійного аналізу привела до математичної моделі легування у вигляді системи нелінійних рівнянь.

Модель дозволяє розрахувати склад наплавленого металу за відомим вмістом легуючих елементів в порошковій плющенці. Застосовуючи розроблену методику визначено наступний вміст феросплавів у шихті порошкової плющенки для наплавлення деталей металургійного обладнання (мас.%): FeMn 23,8; FeSi 9,6; FeCr 24,1; FeTi 0,75; графіт 0,8. Плющенка (перетином 2,56 мм, Кз = 0,38) забезпечує отримання мінімальних втрат легуючих елементів і хороші зварювально-технологічні властивості (н = 17,3 гА/г, Ккр = 0,98-1,0) при наплавленні на режимах Iзв=380-400А, Uд = 26-28В, Vн = 19 м/г. У другому шарі наплавлення отримано наступний вміст легуючих елементів (%):С 0,25; Mn 9,65; Si 1,19; Cr 9,49; Ti 0,18.

Встановлено, що нанесення на внутрішню поверхню стрічки після профілювання її у вигляді жолобу шару сажі не тільки зменшує коефіцієнт тертя в зоні контакту порошкоподібного осердя з металом оболонки, підвищуючи щільність упакування шихти, але й сприяє також мікрокапсулюванню у приграничному шарі гідрофільних компонентів шихти гідрофобними частками сажі та закупорюванню негерметичного стику плющенки. Це запобігає надходженню вологи з навколишнього середовища, підвищуючи тим самим корозійну стійкість фероскладових шихти та знижуючи її гігроскопічність.

У випадку поверхневої обробки стрічки розбризкування зменшується і горіння дуги стабілізується. Це особливо актуально при використанні великої кількості плавикового шпату.

Розділ 5. Удосконалення технології наплавлення порошковою плющенкою

Розроблено технологічні рекомендації, які забезпечують одержання заданих характеристик металу наплавлення за умови мінімального припуску на подальшу механічну обробку та шорсткості поверхні шару в межах від 180 мкм (на оптимальних режимах) до 420 мкм.

Запропоновано експериментальний спосіб визначення товщини та розташування межі наплавленого шару і пристрій для його реалізації, який дозволяє одночасно контролювати декілька наплавлених валиків. Товщина наплавлених валиків визначається як різниця між границею графічного зображення наплавленого шару і графічним зображенням поверхні деталі, підготовленої до наплавлення. Даний пристрій використовували при наплавленні зношених поверхонь деталей металургійного виробництва різної складності форми, зокрема гіперболоїдальних роликів правильної машини і барабанів станів холодного волочіння середньо- та маловуглецевих сталевих дротів. газошлакоутворюючий шихта порошковий стійкість

Наплавлення деталей металургійного обладнання виконувалось порошковою плющенкою перетином 2,5Ч6 мм. Режим наплавлення: сила зварювального струму - 380-400 А, напруга дуги - 26-28 В, швидкість наплавлення - 19 м/г. Струм постійний зворотної полярності.

Після відновлювального наплавлення експлуатаційна стійкість моталок валкових станів збільшилась у 1,8 разів і склала в середньому 980 робочих змін. Результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень у вигляді розробленого складу порошкової плющенки, нових технічних рішень і технологічних рекомендацій впроваджено в промислових умовах ВАТ «Маріупольський завод ім. Ілліча» та ЗАТ «Краматорський завод металевих конструкцій». Отримано реальний економічний ефект у сумі 374 тис. грн. у цінах 2008р. Залучення в промисловий обіг нових сировинних джерел, які є відходами виробництва, сприяло вирішенню екологічних проблем.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації виконано нові науково обґрунтовані розробки в галузі технології процесу наплавлення порошковими плющенками, що забезпечують вирішення важливої науково-технічної проблеми - підвищення продуктивності наплавлювальних робіт, якості наплавленого металу, забезпечення необхідної зносостійкості та економії матеріальних ресурсів на основі розроблення технологічних рекомендацій при відновленні деталей металургійного обладнання, що має істотне значення для металургійної галузі.

2. Підвищення техніко-економічних показників наплавлення порошковими плющенками залежить від підвищення рівня наукової обґрунтованості прийнятих рішень, які реалізуються на основі теоретичних і експериментальних досліджень, направлених на розвиток методів розрахунку процесу виготовлення порошкової плющенки, складу наплавленого металу та регулярізації геометрії наплавлення.

3. Розроблені на основі спільного чисельного вирішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги та умови пластичності для порошкового осердя математичні моделі напружено-деформованого стану при волочінні порошкової заготівки і подальшому її плющенні, які враховують реальний характер розподілу геометричних параметрів, механічних властивостей і умов контактного тертя по довжині осередку деформації дозволяють прогнозувати та стабілізувати якісні параметри електродного матеріалу, які визначають ефективність подальших наплавлювальних операцій, на 3,4-3,8%.

4. Запропоновано та реалізовано на практиці удосконалену методику оцінювання зварювально-технологічних властивостей порошкових електродів (патент України 19256), яка дозволяє об`єктивно оцінити якість порошкової плющенки, яку виготовлено з різними енергосиловими параметрами і технологічними схемами.

5. Розроблено технологію виготовлення порошкової плющенки, склад осердя якої містить компоненти з різними фізико-механічними властивостями, що забезпечує покращений комплекс службових характеристик: підвищення стабільності коефіцієнту заповнення плющенки на 2,3-2,5% і ступеня ущільнення осердя на 8-12% при зменшенні коефіцієнту тертя між оболонкою і осердям до 0,18. При цьому схильність шихти до просипання знижується до 3,2%, а однорідність наплавленого металу підвищується (VСr = 2,68-1,99%), корозійна стійкість залізного порошку складає 68,2-68,9%, а гігроскопічність шихти - 2,7%.

6. Термодинамічний аналіз показав ефективність використання в якості технологічної шихтової добавки карбонатно-сільової суміші лужних металів, яка при співвідношенні Na2СO3:KCl:NaCl=41,7:33,1:25,2 мас.% має температуру плавлення Tmin=573С.

7. На основі теоретичних і експериментальних досліджень впливу ряду систем на перехід легуючих елементів при наплавленні порошковою плющенкою розроблено математичну модель комплексного легування і на її основі запропоновано методику розрахунку складу металу та порошкової плющенки для наплавлення складнолегованого сплаву.

8. З урахуванням стабільності протікання дугового процесу, належної криючої здатності (Ккр = 0,98-1,0) та віддільності шлакової кірки при багатошаровому наплавленні, хорошого формування шву, високих значень коефіцієнтів переходу легуючих елементів, мінімальних втрат ( = 8,3%,рб = 4,3%) установлено оптимальне співвідношення газошлакоутворюючих компонентів осердя - плавиковий шпат : перовскітовий концентрат : карбонатно-сільова суміш = 5:3:2, при загальній кількості газошлакоутворюючих матеріалів у порошковій плющенці не більше 8-10%, при якому утворюється багатокомпонентна шлакова система CaF2 - CaO - TiO2 - FeO - KCl - NaCl - MnCl2 - MgCl2 - CaCl2 - -FeCl2 - Na2O - K2O - MgO - SiO2 з температурою плавлення 1150°С, інтервалом плавлення - 50-70°С. В`язкість розплавленого шлаку при 1500°С складає з = 0,058 Н·с/м2, поверхневий натяг шлаку у = 0,331 Н/м.

9. При наплавленні на режимах Iзв=380-400 А, Uд = 26-28 В, Vн = 19 м/г порошковою плющенкою перетином 2,56 мм, Кз = 0,38 у другому шарі наплавлення отримано наступний вміст легуючих елементів (%): С 0,25; Mn 9,65; Si 1,19; Cr 9,49; Ti 0,18.

10. Впровадження результатів роботи у вигляді розробленого складу порошкової плющенки та технологічних рекомендацій на ВАТ «Маріупольський завод ім. Ілліча» та ЗАТ «Краматорський завод металевих конструкцій» дозволило отримати економічний ефект у сумі 374 тис. грн. у цінах 2008р.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Грибкова С.Н. Математическое моделирование напряжений и деформаций при производстве электродной плющенки / С.Н.Грибкова, А.И.Дворжак, А.В.Шевченко // Вісник Харківського національного технічного університету ім. П.Василенка. - Харків: ХНТУСГ, 2005. - Вип. 40. - С.138-143.

Особистий внесок здобувача: провів теоретичне дослідження енергосилових параметрів процесу плющення.

2. Грибков Э.П. Изготовление порошковой плющенки для восстановительной наплавки / Э.П.Грибков, А.В.Шевченко // Вісник двигунобудування. - 2006. - №4. - С.13-15.

Особистий внесок здобувача: розробив математичну модель процесу плющення порошкового дроту в металевій оболонці.

3. Чигарев В.В. Оптимизация геометрии наплавленного слоя порошковой плющенкой / В.В.Чигарев, А.В.Шевченко // Захист металургійних машин від поломок: Зб. наук. праць. - Маріуполь: ПДТУ, 2006. - Вип. 9. - С.208-212.

Особистий внесок здобувача: дослідив умови наплавлення порошковою плющенкою, участь у проведенні досліджень і узагальненні результатів.

4. Грибков Э.П. Оптимизация технологических режимов изготовления порошковой плющенки / Э.П.Грибков, А.В.Шевченко // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. - 2008. - №8. - Ч.2. - С.123-127.

Особистий внесок здобувача: оптимізував технологічні параметри процесу виготовлення порошкової плющенки.

5. Чигарев В.В. Исследование влияния углеродсодержащих компонентов шихты на сварочно-технологические характеристики порошковой плющенки для восстановительной наплавки [електронний ресурс] / В.В.Чигарев, А.В.Шевченко // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії: Зб. наук. праць. - Краматорськ: ДДМА, 2008. - № 3Е(14). - С.170-174.

Особистий внесок здобувача: розробив технологію введення до складу шихти порошкової плющенки компонентів, що містять вуглець, участь у проведенні досліджень та узагальненні результатів.

6. Чигарев В.В. Автоматизированное проектирование технологических режимов производства порошковой плющенки / В.В. Чигарев, А.В. Шевченко, С.Н. Грибкова // Обробка матеріалів тиском: Зб. наук. праць. - Краматорськ: ДДМА, 2009. - №1. - С.205-209.

Особистий внесок здобувача: розробив алгоритм автоматизованого проектування технологічних режимів виготовлення порошкової плющенки.

7. Грибкова С.Н. Совершенствование технологии изготовления порошковой плющенки для наплавки прокатных валков / С.Н.Грибкова, А.В.Шевченко // Интеллект молодых - производству 2005: IV міжнародна науково-практична конференція, 16-17 листопада 2005 р. - Краматорськ: АТ «Новокраматорський машинобудівний завод», 2005. - С.64-66.

Особистий внесок здобувача: отримав уточнені залежності для визначення силового режиму деформування порошкової заготівки.

8. Шевченко А.В. Повышение эффективности износостойкой наплавки деталей металлургического оборудования порошковой плющенкой / А.В. Шевченко // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов: VII міжнародна конференція, 24-28 квітня 2006 р. - Харків: ННЦ ХФТІ, 2006. - Т.3. - С. 156-157

9. Шевченко А.В. Автоматическая наплавка порошковой плющенкой / А.В. Шевченко, В.В. Чигарев // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку: IV міжнародна науково-технічна конференція, 5-8 червня 2006р. - Краматорськ: ДДМА, 2006р. - С. 101.

Особистий внесок здобувача: дослідив особливості легування металу при наплавленні порошковою плющенкою.

10. Способы регулирования геометрических параметров плющенной проволоки для механизированной наплавки / А.В. Шевченко, С.Н. Грибкова, А.И. Дворжак, Е.С. Давыденко // Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров: II міжнародна науково-методична конференція, 11-14 вересня 2006 р. - Маріуполь: ПДТУ, 2006. - С. 80-82.

Особистий внесок здобувача: визначив енергосилові параметри та результуючі геометричних характеристик процесу плющення.

11. Чигарев В.В. Исследование химической неоднородности при наплавке порошковой плющенкой / В.В. Чигарев, А.В. Шевченко // Университет - городу: XIII регіональна науково-технічна конференція. - Маріуполь: ПДТУ, 2006. - С. 89-90.

Особистий внесок здобувача: виконав експериментальні дослідження.

12. Гавриш А.П. Шаблон для визначення товщини наплавленого шару / А.П. Гавриш, О.В. Шевченко // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку: V міжнародна науково-технічна конференція, 4-7 червня 2007р. - Краматорськ: ДДМА, 2007р. - С. 17.

Особистий внесок здобувача: розробив пристрій для визначення товщини наплавленого шару.

13. Чигарев В.В. Исследование вероятности просыпания порошкообразных компонентов шихты сердечника при наплавке порошковой плющенкой / В.В. Чигарев, А.В. Шевченко // Проблеми та перспективи розвитку підйомно-транспортних, будівельних та дорожніх машин: науковий семінар, 17-20 вересня 2007 р. - Краматорськ: ДДМА, 2007р. - С. 45-46.

Особистий внесок здобувача: дослідив фізико-механічні характеристики порошкових сировинних компонентів шихти. Визначив фактори, що впливають на підвищення показників міцності шихтової композиції сердечника.

14. Чигарев В.В. Выбор и разработка наплавочных материалов для восстановления барабанов моталок / В.В. Чигарев, А.В. Шевченко // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку: VI міжнародна науково-технічна конференція, 2-5 червня 2008р. - Краматорськ: ДДМА, 2008р. - С. 134.

Особистий внесок здобувача: дослідив причини зниження терміну служби основних деталей барабанів моталок, визначив вид зношування, провів експериментальні дослідження.

15. Патент 19256 Україна, МПК В23К 35/40. Спосіб оцінки зварювально-технологічних властивостей порошкових електродів / О.В. Шевченко, В.К. Лисак (Україна). - № 200605534; Заявл. 22.05.06; Опубл. 15.12.06; Бюл. №12. - 1с.

Особистий внесок здобувача: провів експериментальні роботи, участь в розробці формули виноходу.

16. Висновок про видачу деклараційного патенту на корисну модель, МПК В23К 35/30. Склад порошкового електрода / О.В. Шевченко, Є.І. Донченко, В.К. Лисак (Україна). - № 200814105; Заявл. 08.12.08.

АНОТАЦІЯ

Шевченко А.В. Совершенствование состава и технологии наплавки порошковой плющенкой деталей металлургического оборудования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - «Сварка и родственные процессы и технологии» - Приазовский государственный технический университет Министерства образования и науки Украины, Мариуполь, 2009.

Диссертация посвящена вопросу улучшения технологических характеристик процесса изготовления, наплавки и состава порошковой плющенки для механизированной дуговой наплавки деталей металлургического оборудования, обладающих высокой противозадирной стойкостью.

Проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на развитие методов расчета, уточнение исходных данных, решение оптимизационных задач и, как следствие, совершенствование состава порошковой плющенки для электродуговой наплавки деталей металлургического оборудования, улучшение технологических характеристик процессов ее изготовления и наплавки.

Разработана технология изготовления порошковой плющенки, состав сердечника которой содержит компоненты с различными физико-механическими свойствами, обладающей улучшенным комплексом служебных характеристик. Разработан состав металла наплавленного слоя (0,25%С; 9,65%Mn; 1,19%Si; 9,49%Cr; 0,18Ti) для восстановления деталей металлургического оборудования с оптимальным сочетанием технологичности и износостойкости. Термодинамический анализ показал эффективность использования в качестве технологической шихтовой добавки карбонатно-солевой смеси щелочных металлов, которая при соотношении Na2СO3:KCl:NaCl=41,7:33,1:25,2 масс.% имеет температуру плавления Tmin=573С. На основе теоретических и экспериментальных исследований влияния ряда систем на переход легирующих элементов при наплавке порошковой плющенкой разработана математическая модель комплексного легирования и на ее основе предложена методика расчета состава металла и порошковой плющенки для наплавки сложнолегированного сплава. С учетом стабильности протекания дугового процесса, надлежащей кроющей способности (Ккр = 0,98-1,0) и отделимости шлаковой корки при многослойной наплавке, хорошего формирования шва, высоких значений коэффициентов перехода легирующих элементов, минимальных потерь ( = 8,3%, рб = 4,3%) установлено оптимальное соотношение газошлакообразующих компонентов сердечника - плавиковый шпат : перовскитовый концентрат : карбонатно-солевая смесь = 5:3:2, при общем количестве газошлакообразующих материалов в порошковой плющенке не более 8-10%, обеспечивающее получение многокомпонентной шлаковой системы CaF2 - CaO - TiO2 - FeO - KCl - -NaCl - MnCl2 - MgCl2 - CaCl2 - FeCl2 - Na2O - K2O - MgO - SiO2 с температурой плавления 1150°С, интервалом плавления - 50-70°С. Вязкость расплавленного шлака при 1500°С составляет з = 0,058 Н·с/м2, поверхностное натяжение шлака у = 0,331 Н/м.

Разработана порошковая плющенка с содержанием газошлакообразующих в количестве 8-10%, обеспечивающая хорошие сварочно-технологические свойства.

Разработанный технологический процесс и порошковая плющенка прошли промышленные испытания в условиях ОАО «Мариупольский завод им. Ильича» и ЗАО «Краматорский завод металлоконструкций» и рекомендованы для наплавки деталей металлургического оборудования. Внедрение результатов работы позволило получить годовой экономический эффект в сумме 374 тыс. грн. (в ценах 2008г.).

Ключевые слова: порошковая плющенка, сварочно-технологические свойства, газошлакообразующие компоненты, математические модели, режимы наплавки, технологии, плавление.

Шевченко О.В. Удосконалення складу і технології наплавлення порошковою плющенкою деталей металургійного обладнання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за фахом 05.03.06 - «Зварювання та споріднені процеси і технології» - Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Маріуполь, 2009.

Дисертацію присвячено питанню покращення технологічних характеристик процесу виготовлення, наплавлення та складу порошкової плющенки для механізованого дугового наплавлення деталей металургійного обладнання, які мають високу протизадирну стійкість.

Проведено комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на розвиток методів розрахунку, уточнення вихідних даних, вирішення оптимізаційних задач і, як наслідок, покращення технологічних характеристик процесу виготовлення, наплавлення та складу порошкової плющенки для електродугового наплавлення деталей металургійного обладнання.

Розроблено склад металу (0,25%С; 9,65%Mn; 1,19%Si; 9,49%Cr; 0,18Ti) для відновлення деталей металургійного обладнання з оптимальним сполученням технологічності та зносостійкості. Було розроблено порошкову плющенку із вмістом газошлакоутворюючих (плавіковий шпат : перовскітовий концентрат : карбонатно-сільова суміш = 5 : 3 : 2) у кількості 8-10% у порошковій плющенці, що забезпечує хороші зварювально-технологічні властивості.

Розроблений технологічний процес і порошкова плющенка пройшли промислові випробовування в умовах ВАТ «Маріупольський завод ім. Ілліча» та ЗАТ «Краматорський завод металевих конструкцій» і рекомендовані для наплавлення деталей металургійного обладнання. Впровадження результатів роботи дозволило одержати річний економічний ефект у сумі 374 тис. грн. (у цінах 2008р.)

Ключові слова: порошкова плющенка, зварювально-технологічні властивості, газошлакоутворюючі компоненти, математичні моделі, режими наплавлення, технології, плавлення.

Shevchenko A.V. Improvement of the composition and technologies of the fusion with powdered strip of the metallurgical equipment's details. - Manuscript.

The dissertation for receiving the scientific degree of the candidate of technical science in specialty 05.03.06 - «Welding and related processes and technologies» - Priasovskiy state technical university, Ministry of education and science of Ukraine, Mariupol, 2009.

The dissertation is dedicated to question of the improvement of the technological features of the fabrication and fusion processes and composition of powdered strip for mechanized arc fusion of the metallurgical equipment's details, that has high stability against burrage.

The complex of theoretical and experimental studies, directed on development of the methods of calculation, revision of the raw datas, decisions of optimization problems and, as effect, improvement of the technological features of the fabrication and fusion processes and composition of powdered strip for electric arc fusion of the metallurgical equipment's details, is organized.

The composition of the metal (0,25%С; 9,65%Mn; 1,19%Si; 9,49%Cr; 0,18Ti) for recovering of the metallurgical equipment's details with optimum combination of manufacturing and wear capability is designed.

The powdered strip with contents of components, that forms gas and slag (hydrofluoric spar : perovskit`s concoction : carbonate-saline mixture = 5 : 3 : 2), in amount 8-10% in powdered strip, providing good welding-technological characteristic, is designed.

The designed technological process and powdered strip are passed industrial tests in conditions of ОJC "Mariupoliskiy plant im. Iliicha" and СJC "Kramatorskiy plant of metal constructions" and are recommended for the fusion of the details of the metallurgical equipment. Introduction of result of the work are allowed to get the annual economic effect in amount of 374 thous. grn. (in the prices of 2008y.).

Key words: powdered strip, welding-technological features, components, that forms gas and slag, mathematical models, modes of the fusion, technologies, melting.

Размещено на Allbest.ru

...