А.С.Завёрткин
Институт геологии Карельского научного центра РАН

В работе рассмотрены различные составы электродных покрытий и флюсов, а также новые источники минерального сырья Карело-Кольского региона для их производства.

Основными разработчиками отечественных технологий приготовления покрытий для электродов и флюсов при электродуговой сварке, включая теоретические разработки по данному вопросу, следует считать отечественных учёных и испытателей К.В.Петраня и академика Б.Е.Патона. Исследования и внедрение в производство научных достижений в технологии сварки, разработки составов и технологии нанесения электродных покрытий в нашем отечестве и за рубежом в значительной мере предопределили распространение сварочных процессов в области судостроения, машиностроения, строительства, где прежде безраздельно господствовали другие способы соединения металлов.

В 1939 г. К.В.Петранем вместе со своими сотрудниками из НИИ - 13 завершили начатые в 1932 г. работы по изысканию и созданию универсальных электродов с фтористо-кальциевым покрытием для ручной дуговой сварки углеродистых низко и среднелегированных сталей (авторское свидетельство №65424). С использованием новой шлаковой системы CaCO₃-CaF₂-SiO₂ и применением для раскисления и деазотирования комплекса различных ферросплавов, содержащих марганец, кремний, титан и алюминий на базе низкоуглеродистого электродного стержня была создана серия электродов УОНИ - 13/45; 13/55; 13/65; 13/85, обеспечивающих предел прочности наплавленного металла от 441 до 833 МПа [1].

В настоящее время в Республике Карелия большое число минералов и горных пород может быть использовано в сварочном производстве.

По химическому и минералогическому составу эти виды сырья могут являться альтернативным источником при производстве флюсов, покрытий для электродов, формовочных смесей, применяемых при исправлении дефектов литья методом заварки. Такими видами сырья в Республике Карелия могут быть: кварциты, мусковит, кианиты, серпентиниты, оливин, высокоуглеродистые шунгиты, доломиты, мрамор, кварц, полевой шпат и др.

Целью работы является расширение номенклатуры компонентов сварочных материалов и использование для их производства ресурсов минерального сырья Республики Карелия, включающих кварциты, кианиты, тальк-хлориты, геллефлинты, серпентиниты, флюоридсодержащие породы Северного Приладожья. В числе новых компонентов покрытий сварочных электродов могут быть пригодны природно-легированное магнезиальное сырьё Хаутоварского месторождения, а также высокоуглеродистые шунгиты, как функциональный углеродсодержащий композиционный материал, содержащий наноразмерные продукты.

Химический и минеральный состав природного сырья, входящего в состав электродных покрытий и сварочных флюсов, является одним из основных факторов, оказывающих влияние на качество сварных соединений и мест исправления дефектов литья методом электродуговой сварки на отливках из чугуна.

Для исследований было выбрано магнийкальциевое сырьё Карело-Кольского региона.

Для этой цели из известных материалов могут быть представлены в качестве рекомендуемых для сварочного производства породы следующих месторождений:

оливинит Ковдорского месторождения со средним содержанием оксида магния в количестве 40%; доломит Хибинского месторождения со средним содержанием MgO 18%, СаО 25.3%; форстерит Ковдорского месторождения с содержанием оксида магния 51.9%; дунит Сопчезерского месторождения с содержанием оксида магния 46%; диопсид Ковдорского месторождения с содержанием MgO 14.5% и СаО - 24.5 %, магнезиальное сырье Хаутоварского месторождения (пробы Х-014, Х-030) с содержанием MgO 27-30%; базальт Койкарского месторождения (проба К-276) с содержанием MgO 10%, Al₂O₃ - 12-13%, СаО - 4%. В пробах Х-014 и Х-030 положительным фактором является содержание легирующих элементов никеля, кобальта и меди.

Используемые материалы в технологии приготовления сварочных электродных покрытий и флюсов традиционного состава: мрамор - СаСО₃; магнезит - MgCO₃; MgO; плавиковый шпат - СаF₂; рутил - TiO₂; ферросплавы - FeTi, FeSi, FeMn; металлические порошки: марганца, алюминия; мусковит; кварцит.

Типовая рецептура электродных покрытий УОНИИ13/55Р: мрамор + плавиковый шпат + кварцит - 80%, FeTi, FeSi, FeMn - 20%. Связующее - натриевое среднемодульное жидкое стекло - 12% сверх 100%.

Возможные составы нетрадиционных электродных покрытий и технология их приготовления с применением сырья Карельских месторождений.

Cостав 1. ИГ КарНЦ РАН, АО «Петрозаводскмаш»:

доломиты или мрамор Рускеальского месторождения - СаСО₃, МgСО₃, кварциты Шокшинского месторождения - SiO₂; серпентинит или тальк-хлорит - (Mg Fe)₂ [SiO4]; карельский плавиковый шпат (Северное Приладожье), содержание CaF₂ - от 15 до 25%; кианит Хизоваарского месторождения - Al₂SiO₅.

Состав 2. ИХТРЭМС КНЦ РАН, ЦНИИ КМ «Прометей»:

нефелин - Nа₃ K[AlSiO]₄, примеси - оксиды - Rb, Cs, Ga; кианит (силлиманит) - Al₂SiO₅; ильменит - FeTiO₃.

Состав 3 (для исправления дефектов чугунного литья). АО «Турбостроения», ИГ КарНЦ РАН:

карбонатные породы Карелии (Виданское месорождение); шунгит (Зажогинское месторождение); ферросилиций ФС - 75; глина (Ивенское месторождение); жидкое стекло плотностью 1300-1400 кг/м³.

Отношение массы покрытия к массе стержня выдерживали в количестве 30-35%. Прокалку электродов после воздушной сушки производили при температуре 350°С в течение 2 ч. При этом период воздушной сушки составлял 4 ч.

Для заварки дефектов в отливках из серого чугуна с предварительным подогревом применялись электроды марки 4ЭС-4.5 Сварку выполняли на постоянном токе обратной полярности. В качестве электродных стержней применяли чугунные прутки диаметром от 8 до 12 мм, длиной 400-450 мм. Химический состав прутков соответствовал химическому составу дефектных отливок. Содержание: углерода от 3.0 до 3.5%, кремния от 3.5 до 4.5%, марганца от 0.5 до 0.6%. Содержание серы и фосфора составляло 0.08 и 0.3% соответственно.

Использование в электродных покрытиях кианита, нефелина, диобсида, форстерита и отчасти сфена приводит к повышению склонности металла шва к образованию пор и ухудшению отделимости шлаковой корки, что ограничивает применение новых компонентов в промышленных масштабах. Необходимо также отметить, что прямая замена традиционных компонентов электродных покрытий практически невозможна.

При использовании шунгита в каплях металла сварочного шва создаются условия для модифицирования его кремнием, карбидом кремния, карбидами магния, ванадия, хрома, никеля и других элементов, что является условием более широкого зарождения шаровидного графита (ремонт дефектов отливок из высокопрочного чугуна) без введения в состав электродного покрытия мрамора или плавикового шпата.

В ходе исследования была показана возможность комплексного использования нетрадиционных видов минерального сырья карельских месторождений для производства электродных покрытий, формовочных смесей и флюсов, не уступающих по свойствам составам, приготовленным на основе традиционных материалов.

Данное направление исследований базируется на использовании структурных особенностей и свойств пород, сформировавшихся в ходе природных процессов.

Задача использования минеральной базы и научного потенциала Карело-Кольского региона России для обеспечения производства отечественных сварочных материалов связано с обновлением традиционных видов минерального сырья, поиском более эффективных компонентов, совершенствованием технологии их подготовки и применения сварочных материалов.

Выявление дополнительных областей применения сырья позволит повысить также эффективность использования неметаллических материалов.

ЛИТЕРАТУРА
1. Белов Ю.М., Вихман В.Б. В.К.Петрань - выдающийся русский учёный в области сварки / В сб. «Сварочные материалы» к 70-летию создания электродов УОНИИ-13. Петраньевские чтения. Доклады Международной научно-технической конференции 18-22 мая 2009 г. СПб., 2009. С.2-11.

Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренц-региона в технологии строительных и технических материалов