Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом
Проведена оценка влияния фторидных бескремнистых флюсов АНФ-6, АНФ-25, АНФ-1П и низкокремнистых АН-15, АН-15М на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом (ЭШН ЖМ) штампов. По результатам экспериментов можно сделать вывод о том, что для ЭШН ЖМ штампово...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101283 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом / О.Г. Кузьменко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 9 (713). — С. 57-60. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860077155225960448 |
|---|---|
| author | Кузьменко, О.Г. |
| author_facet | Кузьменко, О.Г. |
| citation_txt | Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом / О.Г. Кузьменко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 9 (713). — С. 57-60. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Проведена оценка влияния фторидных бескремнистых флюсов АНФ-6, АНФ-25, АНФ-1П и низкокремнистых АН-15, АН-15М на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом (ЭШН ЖМ) штампов. По результатам экспериментов можно сделать вывод о том, что для ЭШН ЖМ штампового инструмента предпочтительно использовать флюс АН-15М. Это позволяет быстро и равномерно подплавлять поверхность штампа, а также сохранить состав наплавленного металла практически неизменным в сравнении с исходным металлом стружки стали 5ХНМ при степени десульфурации до 50%.
Assessment of the influence of fluoride no-silicon fluxes ANF-6, ANF-25, ANF-1P and low-silicon fluxes AN-15, AN-15M on thermophysical and physico-chemical processes at electroslag surfacing with liquid metal (ESS LM) of stamping dies was performed. Experimental results lead to the conclusion that application of AN-15M flux is preferable for ESS LM of stamping dies. Its application allows quickly and uniformly melting the die surface, as well as preserving practically unchanged composition of the deposited metal compared to the initial metal of 5KhNM steel chips with the degree of desulphurization of up to 50%.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:14:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.927
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ФЛЮСА НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ
И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКЕ
ЖИДКИМ МЕТАЛЛОМ
О. Г. КУЗЬМЕНКО, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Проведена оценка влияния фторидных бескремнистых флюсов АНФ-6, АНФ-25, АНФ-1П и низкокремнистых
АН-15, АН-15М на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким ме-
таллом (ЭШН ЖМ) штампов. По результатам экспериментов можно сделать вывод о том, что для ЭШН ЖМ
штампового инструмента предпочтительно использовать флюс АН-15М. Это позволяет быстро и равномерно под-
плавлять поверхность штампа, а также сохранить состав наплавленного металла практически неизменным в сравнении
с исходным металлом стружки стали 5ХНМ при степени десульфурации до 50%.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электрошлаковая наплавка, штам-
пы, жидкий металл, теплофизические процессы, науглеро-
живание, десульфурация
Возможность образования качественного соеди-
нения при электрошлаковой наплавке жидким ме-
таллом (ЭШН ЖМ) во многом определяется теп-
лофизическими свойствами используемого флюса,
от которых зависит устойчивость электрошлако-
вого процесса, характер токораспределения в шла-
ковой ванне, интенсивность тепловыделения в ней
и теплопередачи к металлической ванне, продол-
жительность и равномерность нагрева наплавля-
емой поверхности основного металла, степень
очистки ее от оксидов [1].
Кроме того, в период ЭШН ЖМ шлак, нап-
лавляемый металл и графит неплавящихся элек-
тродов, которыми поддерживается электрошлако-
вый процесс, длительное время взаимодействуют
между собой при высоких температурах (до
1900 °С). Это может привести к значительному
изменению состава и свойств как шлака, так и
наплавленного металла, что недопустимо.
Известно, что использование основных флюсов
позволяет рафинировать жидкий металл [2], однако
при этом возможно его науглероживание [3]. Сте-
пень науглероживания возрастает с увеличением
содержания оксида кальция и уменьшается с по-
вышением концентрации кремнезема в шлаке [4,
5]. По данным [4] при введении 1520 % SiO2
в шлак системы CaF2–Al2O3–CaO науглероживание
металла не происходит, а рафинирующие свойства
шлака остаются хорошими. Отмечается также, что
равновесное содержание углерода в жидком метал-
ле зависит от его состава [6].
Поэтому в данной работе была поставлена за-
дача провести оценку влияния различных флю-
сов на теплофизические и физико-химические
процессы при ЭШН, обусловливающие изменение
состава металла и шлака, и определить наиболее
пригодный флюс для процесса ЭШН ЖМ.
Для исследований были выбраны фторидные
бескремнистые флюсы АНФ-6, АНФ-25, АНФ-1П
и низкокремнистые АН-15 и АН-15М (табл. 1).
Температурные зависимости вязкости и электроп-
роводности этих флюсов приведены на рис. 1, 2
[7–9].
Эксперименты проводили в ИЭС им. Е. О. Па-
тона на установке А-550 и на Токмакском кузнеч-
но-штамповочном заводе на установке ОБ-2213 при
© О. Г. Кузменко, 2012
Т а б л и ц а 1. Стандартный химический состав исследуемых флюсов, мас. %
№ п/п
Марка
флюса
CaF2 CaO Al2O3 SiO2 MgO MnO Fe2O3 S C
1 АН-15 20...23 14...18 22...25 24...29 8...11 1,5...2,5 0,85 0,05 —
2 АН-15М 16...20 29...33 36...40 6...10 2 0,9 0,8 0,07 —
3 АНФ-1П 90 5 3 2,5 — — 0,5 0,05 0,1
4 АНФ-6 Основа 8 25...31 2,5 — — 0,5 0,05 0,1
5 АНФ-25 50...60 10...15 12...20 2...7 10...15 — 0,5 0,07 0,1
Пр и м е ч а н и е . В состав флюса АН-15М входит 2,05,5 % NaF.
9/2012 57
наплавке жидкой сталью 5ХНМ заготовок раз-
личных типоразмеров из стали той же марки. На
поверхности твердой заготовки (поковка, изношен-
ный штамп), установленной в медный водоохлаж-
даемый кристаллизатор, заливали предварительно
расплавленный флюс—шлак и с помощью графити-
рованных электродов производили электрошлаковый
нагрев заготовки до подплавления. Затем на подго-
товленную таким образом поверхность через слой
расплавленного шлака заливали выплавленный в
индукционной печи жидкий металл. После заливки
необходимого количества металла его кристалли-
зовали под слоем шлака, постепенно снижая мощ-
ность электрошлакового процесса.
При ЭШН температуру шлака поддерживали
в пределах 15501800 °С при глубине шлаковой
ванны 5060 мм. Температуру шлака измеряли
с помощью вольфрам-рениевой термопары с на-
конечником из карбонитрида бора. Температуру
наплавляемой заготовки измеряли в центре и по
краям такими же термопарами, зачеканенными
под ее поверхностью на глубине 5 мм. Пробы
для химического анализа металла и шлака отби-
рали до и после эксперимента.
Как показали эксперименты, в случае приме-
нения более электропроводных фторидных флю-
сов АНФ-1П, АНФ-6, АНФ-25 электрошлаковый
процесс на тех же режимах, что и при использо-
вании низкокремнистых флюсов — неустойчив и
часто переходит в дуговой. Это явление усили-
вается при повышении напряжения и особенно
проявляется при использовании флюса АНФ-1П,
имеющего наибольшую электропроводность.
Кроме того, вследствие резкого изменения тока
при заглублении электродов в шлаковую ванну
его плавное регулирование затруднено. Поэтому
при использовании фторидных флюсов для обес-
печения плавного регулирования тока, повыше-
ния стабильности процесса его необходимо вести
при более глубокой шлаковой ванне, чем при ис-
пользовании низкокремнистых флюсов.
В сравнении с более электропроводными фто-
ридными флюсами при использовании низкокрем-
нистых флюсов процесс нагрева поверхности
штампов идет быстрее и с меньшим расходом
электроэнергии (рис. 3). Это различие наблюда-
ется при нагреве в широком диапазоне удельных
мощностей (см. рис. 4). Меньшая электропровод-
ность низкокремнистых флюсов обусловливает
Рис. 1. Зависимость вязкости флюсов от температуры: 1–4 —
здесь и далее марки флюсов по табл. 1
Рис. 2. Зависимость электропроводности флюсов от темпе-
ратуры
Рис. 3. Интенсивность электрошлакового нагрева поверхнос-
ти штампов размерами 210210 мм. Удельная мощность
— 150104 Вт/м2, напряжение — 35 В
Рис. 4. Влияние удельной мощности q на продолжительность
электрошлакового нагрева заготовок штампов размерами
400200180 мм до подплавления
58 9/2012
необходимость большего погружения электродов
в шлаковую ванну для прохождения заданного
тока и, следовательно, возможность приближать
зоны активного тепловыделения к поверхности
нагреваемого основного металла.
По равномерности нагрева наплавляемой повер-
хности исследуемые флюсы можно разместить в сле-
дующей последовательности: АН-15М, АН-15, АНФ-
6, АНФ-25, АНФ-1П. Так, разница температур по
поверхности штампа (размером в плане 550380 мм)
при нагреве до начала подплавления под шлаком
АН-15М составляет 240 °С, а под шлаком АНФ-6
— 400 °С. Это связано с тем, что при использо-
вании менее электропроводных низкокремнистых
флюсов достигается более высокая температура
шлаковой ванны и происходит более интенсивное
перемешивание последней, что и обеспечивает по-
вышение равномерности нагрева.
Возможность быстрого и одновременного ус-
тановления электрошлакового процесса на всех
электродах, чем в значительной мере определя-
ется равномерность нагрева наплавляемой заго-
товки, также зависит от теплофизических свойств
и состава применяемого флюса. При использо-
вании тугоплавких флюсов после их расплавления
и заливки в кристаллизатор поверхность шлако-
вой ванны быстро покрывается коркой, что зат-
рудняет заглубление электродов и задерживает ус-
тановление электрошлакового процесса.
При использовании более легкоплавких
флюсов выполнение этих операций облегчает-
ся. Для исследуемых флюсов возможность быс-
трого установления электрошлакового процесса
возрастает в следующем порядке: АНФ-1, АНФ-6,
АН-15М, АН-15.
Анализ наплавленного металла показывает,
что в результате взаимодействия с фторидными
Т а б л и ц а 2. Изменение химического состава наплавленного металла за время процесса ЭШН ЖМ в зависимости
от марки флюса
Тип наплавленного
металла
Марка
флюса
Массовая доля элементов и ее относительное изменение э, %
C C Si Si Mn Mn S S
5ХНМ
АН-15
0,58
0,59
+1,7
0,41
0,53
+29,3
0,48
0,65
+35,4
0,025
0,020
–20
АН-15М
0,55
0,56
+1,8
0,40
0,39
–2,5
0,52
0,53
+1,9
0,023
0,013
–43,5
АНФ-1П
0,55
0,63
+14,5
0,21
0,01
–95,2
0,55
0,19
–65,5
0,019
0,009
–52,6
АНФ-6
0,52
0,58
+11,5
0,37
0,16
–56,8
0,58
0,29
–50
0,025
0,015
–40,0
АНФ-25
0,52
0,55
+5,8
0,33
0,18
–45,5
0,61
0,29
–52,5
0,021
0,009
–57,1
Сталь 5ХНМ
(ДСТУ 3953–2000)
— 0,5...0,6 — 0,1...0,4 — 0,5...0,8 — 0,03 —
Пр и м е ч а н и я . 1. э
[эк] – [эн]
[эн]
100%, где [Эн], [Эк] — содержание элемента соответственно до начала и после окончания
процесса. 2. В числителе приведены значения для [Эн], в знаменателе — для [Эк]. 3. C, S — степень науглероживания и
десульфурации соответственно. 4. Знак «+» означает увеличение содержания элемента, а знак «–» — уменьшение. 5. Поскольку
существенного изменения содержания хрома, никеля, молибдена не произошло, то в таблице они не указаны.
Та б л и ц а 3. Изменение химического состава шлака за время процесса ЭШН ЖМ в зависимости от марки флюса
Марка
флюса
CaF2 CaO Al2O3 SiO2 MgO MnO Fe2O3 S C
АН-15 21,0
18,9
17,3
18,7
22,7
22,4
26,9
24,9
9,5
9,3
2,4
2,3
0,51
0,44
0,007
0,006
0,030
0,025
АН-15М 20,8
19,8
29,2
29,7
39,3
37,5
9,3
9,9
0,6
0,4
0,20
0,16
0,28
0,37
0,008
0,019
0,040
0,035
АНФ-1П 90,1
82,8
5,0
6,7
1,8
1,6
2,6
4,6
—
0,25
0,83
0,11
0,36
0,007
0,014
0,040
0,035
АНФ-6 65,5
62,6
6,8
8,6
28,3
26,1
2,6
5,2
—
0,16
0,30
0,16
0,29
0,008
0,018
0,035
0,030
АНФ-25 55,8
52,6
13,8
19,9
14,2
11,3
2,2
5,2
12,6
11,7
0,29
0,72
0,27
0,45
0,008
0,020
0,040
0,035
Пр и м е ч а н и е . В числителе приведены данные до начала, а в знаменателе — после окончания процесса.
9/2012 59
шлаками АНФ-1П, АНФ-6 и АНФ-25 за время
процесса произошли существенные изменения
химического состава наплавленного металла (см.
табл. 2). Так, содержание серы, кремния, мар-
ганца уменьшилось, а углерода — возросло. На-
ибольшие изменения состава металла по углероду,
кремнию и марганцу отмечены при использовании
флюса АНФ-1П, содержащего 95 % СаF2. При ис-
пользовании флюса АН-15 происходит восстанов-
ление кремния, марганца и их содержание в металле
возрастает на 3035 %. Степень десульфурации и
науглероживания металла не высока, что хорошо
согласуется с известными данными [4].
При использовании флюса АН-15М содержа-
ние углерода, кремния и марганца в наплавленном
металле практически остается неизменным. Од-
новременно примерно на 44 % снижается содер-
жание серы. Описанные изменения химического
состава металла согласуются с соответствующими
изменениями состава шлака за время процесса
наплавки (см. табл. 3).
Так, если при использовании фторидных флю-
сов содержание кремния и марганца в металле
уменьшилось, то в шлаке содержание их оксидов
возросло. Аналогично изменилось содержание се-
ры — в металле оно уменьшилось, а в шлаке —
возросло. Исключение составляет углерод, со-
держание которого в шлаках всегда уменьша-
ется по сравнению с исходным, что связано с
окислением его кислородом воздуха или ком-
понентами шлака [5].
При повышении температуры шлака АНФ-6
до 1800 °С происходит интенсификация процес-
сов науглероживания и десульфурации металла
(табл. 4). Десульфурация металла усиливается
также при повышении температуры шлака АН-
15М, но при этом появляется тенденция к повы-
шению степени науглероживания металла.
Таким образом, при ЭШН ЖМ штампового ин-
струмента предпочтительно использовать флюс
АН-15М, который позволяет быстро и равномерно
подплавлять поверхность штампа, а также сохра-
нять состав наплавленного металла практически
неизменным по сравнению с исходным металлом
стружки стали 5ХНМ при степени десульфурации
до 50 %.
1. Электрошлаковая наплавка / Ю. М. Кусков, В. Н. Ско-
роходов, И. А. Рябцев, И. С. Сарычев. — М.: ООО «Нау-
ка и технологии», 2001. — 180 с.
2. Рафинирование стали синтетическими шлаками / С. Г.
Воинов, А. Г. Шалимов, Л. Ф. Косой, Е. С. Калинников.
— М.: Металлургия, 1970. — 464 с.
3. Пономарев А. Г., Козлов Ю. Е. О растворимости угле-
рода в шлаках // Изв. АН СССР. Сер. Металлы. — 1974.
— № 5. — С. 10–14.
4. Исследование науглероживания металла при электрош-
лаковом процессе с графитированным электродом / А. Е.
Воронин, Ю. В. Латаш, В. А. Николаев и др. // Спец.
электрометаллургия. — 1976. — № 32. — С. 22–27.
5. Особенности процесса науглероживания чугуна при
электрошлаковой обработке / Н. Н. Волкотруб, И. Ю.
Лютый, А. Е. Воронин и др. // Там же. — 1978. — № 37.
— С. 24–30.
6. Биктагиров Ф. К. Поведение углерода при электрошла-
ковой обработке металлов // Пробл. сварки, металлургии
и родственных технологий: Сб. тр. VIII Междунар.
конф., окт. 2003 г., Тбилиси. — Тбилиси: Ассоциация
сварщиков Грузии, 2003. — С. 255–265.
7. Металлургия электрошлакового процесса / Б. И. Медо-
вар, А. К. Цыкуленко, В. Л. Шевцов и др. — Киев: Наук.
думка, 1986. — 248 с.
8. Макара А. М., Мосендз Н. А. Сварка высокопрочных ста-
лей. — Киев: Техніка, 1971. — 140 с.
9. Латаш Ю. В., Фетисова Т. Я., Воронин А. Е. Исследова-
ние электропроводности и вязкости шлаков (флюсов)
системы CaF2–CaO–Al2O3–SiO2, применяемой в элект-
рошлаковой технологии. Сообщение 3 // Спец. электро-
металлургия. — 1985. — № 58. — С. 11–17.
Assessment of the influence of fluoride no-silicon fluxes ANF-6, ANF-25, ANF-1P and low-silicon fluxes AN-15,
AN-15M on thermophysical and physico-chemical processes at electroslag surfacing with liquid metal (ESS LM) of
stamping dies was performed. Experimental results lead to the conclusion that application of AN-15M flux is preferable
for ESS LM of stamping dies. Its application allows quickly and uniformly melting the die surface, as well as preserving
practically unchanged composition of the deposited metal compared to the initial metal of 5KhNM steel chips with the
degree of desulphurization of up to 50%.
Поступила в редакцию 20.05.2012
Т а б л и ц а 4. Влияние температуры и состава шлака на процесс науглероживания и десульфурации металла при
ЭШН ЖМ
Марка
флюса
Температура
шлака, °С
Массовая доля углерода и степень науглероживания
C, %*
Массовая доля серы и степень десульфурации
S, %**
Расстояние от поверхности, мм Расстояние от поверхности, мм
исходное 3 10 90 исходное 3 10 90
АНФ-6
1550 0,52 0,58 (11,5) 0,53 (1,9) 0,52 0,025 0,015 (40,0) 0,018 (28,0) 0,025
1750 0,59 0,72 (22,0) 0,61 (3,4) 0,59 0,021 0,011 (47,6) 0,013 (38,1) 0,023
АН-15М
1550 0,55 0,56 (1,8) 0,55 0,55 0,023 0,013 (43,5) 0,016 (30,4) 0,023
1800 0,58 0,6 (3,4) 0,59 (1,7) 0,58 0,020 0,010 (50,0) 0,012 40,0) 0,020
* В скобках приведены значения степени науглероживания. ** В скобках указаны значения степени десульфурации.
60 9/2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101283 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:14:47Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кузьменко, О.Г. 2016-06-01T18:29:01Z 2016-06-01T18:29:01Z 2012 Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом / О.Г. Кузьменко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 9 (713). — С. 57-60. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101283 621.791.927 Проведена оценка влияния фторидных бескремнистых флюсов АНФ-6, АНФ-25, АНФ-1П и низкокремнистых АН-15, АН-15М на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом (ЭШН ЖМ) штампов. По результатам экспериментов можно сделать вывод о том, что для ЭШН ЖМ штампового инструмента предпочтительно использовать флюс АН-15М. Это позволяет быстро и равномерно подплавлять поверхность штампа, а также сохранить состав наплавленного металла практически неизменным в сравнении с исходным металлом стружки стали 5ХНМ при степени десульфурации до 50%. Assessment of the influence of fluoride no-silicon fluxes ANF-6, ANF-25, ANF-1P and low-silicon fluxes AN-15, AN-15M on thermophysical and physico-chemical processes at electroslag surfacing with liquid metal (ESS LM) of stamping dies was performed. Experimental results lead to the conclusion that application of AN-15M flux is preferable for ESS LM of stamping dies. Its application allows quickly and uniformly melting the die surface, as well as preserving practically unchanged composition of the deposited metal compared to the initial metal of 5KhNM steel chips with the degree of desulphurization of up to 50%. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом Effect of flux composition on thermal-physical and physical-chemical processes occurring in ESSLM Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом Кузьменко, О.Г. Производственный раздел |
| title | Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом |
| title_alt | Effect of flux composition on thermal-physical and physical-chemical processes occurring in ESSLM |
| title_full | Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом |
| title_fullStr | Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом |
| title_full_unstemmed | Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом |
| title_short | Влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом |
| title_sort | влияние состава флюса на теплофизические и физико-химические процессы при электрошлаковой наплавке жидким металлом |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101283 |
| work_keys_str_mv | AT kuzʹmenkoog vliâniesostavaflûsanateplofizičeskieifizikohimičeskieprocessypriélektrošlakovoinaplavkežidkimmetallom AT kuzʹmenkoog effectoffluxcompositiononthermalphysicalandphysicalchemicalprocessesoccurringinesslm |