Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Термитная сварка

Термитами называются порошкообразные горючие смеси металлов с окислами металлов, способные сгорать с выделением значительного количества тепла и развивать при этом весьма высокую температуру. Они применяются для производства некоторых металлов и сплавов.

Главной областью применения термитов - это сварка разных металлов: алюминий, магний, кремний. Источником кислорода в термитных смесях являются окислы металлов: окислы железа, марганца, никеля, меди и т. п. В качестве источника кислорода в сварочных термитах обычно применяется железная окалина, примерно отвечающая по составу магнитной окиси-закиси железа Fe3O4, содержащей 27,6% кислорода и 72,4% железа.

Часто используемым материалом для сварки является алюминиевый термит (рис. 1), который состоит из металлического алюминия в форме грубозернистого порошка или крупы с величиной гранул около 1 мм, и из железной окалины примерно с той же величиной зерна. Он представляет собой сыпучую грубозернистую смесь из белых зерен (алюминий) и черных зерен (железная окалина).

Алюминиевый термит

Рис. 1. Алюминиевый термит: слева – гранулы алюминия, справа - железная окалина

Для зажигания термита его необходимо нагреть хотя бы в одной точке до температуры порядка 1000℃. Начавшееся горение протекает очень бурно и быстро распространяется на весь объем термитной смеси по следующей реакции:

3Fe2О4 + 8Al = 4Al2О3+9Fe

Термит сгорает полностью за 20-30 сек. Время горения зависит от грануляции, т. е. размеров зерен смеси: чем мельче зерно, тем быстрее заканчивается процесс горения. Экзотермическая реакция сгорания 1 кг алюминиевой термитной смеси развивает около 750 ккал. В действительности термитную смесь изготовляют из возможно более дешевых материалов: из технического алюминия низших марок или алюминиевого лома с содержанием алюминия 88—98%. Железную окалину берут обычно из цехов горячей прокатки стали, в которых она является отбросом производства. Такая окалина может содержать различное количество кислорода. Поэтому действительный состав термитных смесей может меняться в широких пределах в зависимости от химического состава применяемых материалов, который следует проверять химическим анализом. Наиболее распространенный состав термитной смеси для материалов среднего качества: 23% алюминия и 77% железной окалины.

Несмотря на то, что алюминиевый термит выделяет небольшое количество тепла 750 ккал на 1 кг смеси, термитная смесь развивает при сгорании весьма высокую температуру. Это объясняется тем, что сгорание термита идет исключительно за счет вещества самой смеси и 1 кг термита при сгорании дает столько же, т. е. 1 кг продуктов сгорания. По теоретическому расчету реакции сгорания термита с учетом теплоемкости продуктов сгорания обеспечивается температура ~ 3000℃. Поэтому продукты сгорания термита — железо (температура плавления около 1500℃) и окись алюминия Аl2O3 (температура плавления 2050℃) получаются в расплавленном, жидком и сильно перегретом виде.

Если сжечь термит в огнеупорном тигле, то по окончании реакции горения продукты реакции — жидкая сталь и шлак, состоящий главным образом из окиси алюминия. В сварочные термитные смеси, кроме алюминия и железной окалины, обычно добавляют различные примеси с целью улучшить состав и повысить прочность термитного металла, увеличить общий выход металла при сжигании смеси, несколько понизить температуру термитной реакции.

Для улучшения химического состава термитного металла и повышения механической прочности в смесь обычно вводят ферросплавы, ферросилиций и ферромарганец. Меняя количество этих присадок, можно изменять в широких пределах химический состав и механические свойства термитного металла. Для увеличения выхода термитного металла и некоторого снижения температуры термитной реакции в термитную смесь для сварки обычно добавляют технически чистое железо в мелких кусочках в количестве 10 - 15% веса термитной смеси. Для этой цели чаще всего применяют обсечку — отход при производстве проволочных гвоздей. Окончательный состав термитной сварочной смеси определяют расчетом в зависимости от характера работы и состава металла, подлежащего сварке.

Определения

Термитная сварка. Сварка заливкой жидкого металла между свариваемыми торцами рельсов, при которой используют энергию экзотермической реакции смеси оксидов металла и измельченного алюминиевого порошка, в результате чего образуется расплавленный присадочный металл.

облив сварного стыка: Выпуклость стыка, определяемая расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии границы сварного шва с основным металлом и поверхностью сварного стыка, измеренным в месте наибольшей выпуклости.

стык рельсовый термитной сварки: Участок рельса в области алюминотермитной сварки протяженностью от 20 до 80 мм в обе стороны от края облива стыка.

разработчик процесса термитной сварки: Организация, разработавшая и испытавшая процесс термитной сварки.

тип рельса: Параметр, характеризующий погонную массу рельса и его геометрические размеры.

технологическая инструкция на процесс термитной сварки: Документально оформленная технология термитной сварки, идентифицирующая все применяемые расходные материалы и оборудование, а также технологический процесс, которому необходимо следовать на всех стадиях сварки.

Границы и область применения

При сварке давлением жидкие продукты выливают через край тигля (рис. 2, а,б,в); при этом место сварки сначала заливается жидким шлаком, смачивающим металл и дающим на его поверхности тонкую пленку, препятствующую прилипанию термитного металла к основному. Жидкий металл поступает в форму вслед за шлаком, но не сваривается с основным металлом и может быть удален по окончании сварки. Жидкий металл используется как носитель тепла для разогрева места сварки. После того как жидкая смесь выпущена в форму и стык достаточно разогрет, приступают к осадке. Для этой цели применяют стяжные прессы, приводимые вручную рычажными ключами. При повороте ключей приходят в действие винтовые стяжки, создающие давление и производящие осадку разогретых деталей. Стяжной пресс (рис. 3) надевают на место сварки до выпуска расплавленной смеси.

Поверхность сварного стыка должна быть защищена от попадания термитного шлака, для этого соединяемые поверхности аккуратно пригоняют, отшлифовывают и перед сваркой стягивают со значительным давлением посредством стяжного пресса. Рельсовая сталь обладает ограниченной свариваемостью в пластическом состоянии и в стык перед сваркой закладывают пластинку по профилю рельса из мягкой низкоуглеродистой стали с тщательно зачищенными и отшлифованными поверхностями. При разогреве стыка термитом усиливают давление, поворачивая стяжные гайки пресса, и производят осадку.

Способ термитной сварки давлением, в настоящее время почти не применяется, так как этот способ сложен и требует очень тщательной пригонки свариваемых поверхностей и дает значительный разброс результатов в отношении прочности стыка. Также трудоемка операция осадки и установки стяжного процесса.

Гораздо дешевле и удобнее сварка плавлением, так называемый способ промежуточного литья (рис. 2, г,д,е). В этом случае рельсы заформовывают со значительным зазором (10—12 мм) в стыке, поэтому особенно тщательной пригонки и шлифования соединяемых поверхностей не требуется. Расплавленную смесь выпускают через дно тигля. Поступающий в форму перегретый расплавленный металл оплавляет основной металл у сварного стыка и сплавляется с ним в одно целое. Термитный шлак, поступающий в форму вслед за металлом, служит лишь для дополнительного подогрева сварного стыка и замедления его охлаждения по окончании сварки. Осадочного давления и применения стяжного пресса не требуется, рельсы остаются неподвижными в процессе сварки. Поэтому возможно, например, сваривать рельсы, уложенные в пути, без расшивки, что позволяет сваривать плети неограниченной длины, вваривать куски рельсов в местах вырезки поврежденных стыков и т. п.

Способы термитной сварки рельсов

Рис. 2. Способы термитной сварки рельсов:

а, б, в - давлением; г, д, е - промежуточного литья; ж, з, и - комбинированный;

1 - рельс; 2 - жидкий шлак; 3 - тигель; 4 - сварочная форма; 5 - термитный металл;

6 - шлаковая корка; 7 - металлический облив; 8 - шлак в верхней части формы; 9 - вкладыш; 10 - канал;

Недостатки способа промежуточного литья:

  • увеличенный расход термита;
  • образование литой структуры металла в сварном стыке, не уплотняемого осадочным давлением и поэтому склонного к образованию пор и раковин;
  • все сечение стыка для надлежащего разогрева получает значительный облив, удаление которого вызывает известные затруднения. Приходится обрубать и шлифовать поверхность катания и боковые грани головки рельса.

При комбинированном способе металл выпускают через дно тигля, заливку жидким металлом ведут лишь до нижней грани головки рельса (рис. 2, ж,з,и), а отшлифованные торцы головок собирают со вкладной пластинкой низкоуглеродистой стали. При выпуске жидкой смеси головку заливают шлаком и сваривают давлением при последующей осадке стяжным прессом, в то время как шейка и подошва рельса оказываются сваренными плавлением по способу промежуточного литья. Комбинированный способ является оптимальным. Результаты термитной сварки рельсовых стыков достаточно удовлетворительны. Сварку легко вести в полевых условиях. Несмотря на это, термитная сварка рельсовых стыков на железных дорогах применяется в ограниченных размерах и в настоящее время почти вытеснена контактной сваркой из-за довольно высокой стоимости термитной смеси, дефицитность металлического алюминия и низкой производительности термитной сварки.

Стяжной пресс для рельсового стыка

Рис. 3. Стяжной пресс для рельсового стыка:

1 - стяжная штанга; 2 - стяжная гайка; 3 - зажимная гайка;

4 – термитный тигель; 5 - крышка тигля

Термитную сварку применяют для ремонта крупных стальных и чугунных деталей, можно приливать отломанные части стальных деталей. При сварке чугуна применяют специальный термит со значительным содержанием ферросилиция. Термитная сварка позволяет изготовлять стальные отливки, даже полевых условиях.

Выбор основных и присадочных материалов

Для группы материалов химический состав присадочных материалов определяют в зависимости от химического состава основного материала.

Присадочный материал состоит из порошкообразного окисла металла и порошкообразного алюминия и расплавляется в тигле. Термитную смесь легируют присадкой ферросплавов, карбидов, окислов и чистых элементов. Присадочные материалы выбирают в зависимости от технологического варианта сварки и от характера износа поверхности при наплавке.

Техника сварки

Термитную смесь сжигают в специальных огнеупорных тиглях (рис. 4). Размер тигля принимают в соответствии с величиной сжигаемой порции термита.

Тигель для сжигания термита

Рис. 4. Тигель для сжигания термита:

а — тигель; б — область днища тигля; 1 — корпус; 2 — футеровка; 3 — стакан; 4 — штепсель-втулка для выпуска расплава;

5 — магнезитовый песок; 6 — термит; 7 — асбестовый кружок; 8 — запорный гвоздь; 9 — стакан

Тигель имеет корпус 1 из листового железа с внутренней огнеупорной магнезитовой футеровкой 2. При сжигании первой порции термита футеровка несколько оплавляется и зашлаковывается окисью алюминия термитной смеси.

В зависимости от размеров изделия, подлежащего сварке, вес термитной порции может меняться от нескольких сотен граммов до нескольких сотен килограммов. Для сварки нормального рельсового стыка профиля 1-А требуется 7 - 8 кг термита. Для сварки используются горячие расплавленные продукты сгорания термитной смеси. Расплавленную смесь выливают на место сварки через край тигля, наклоняя его. Обычно продукты сгорания выпускают через дно тигля. Для возможности выпускания через дно при набивке футеровки тигля в его донную часть вставляют стакан 3 из высококачественного обожженного огнеупорного материала, обычно магнезита. Внутрь стакана вставляют сменный магнезитовый штепсель-втулку. Отверстие штепселя перед засыпкой термитной смеси закрывают запорным гвоздем со стержнем диаметром 5 - 6 мм длиной около 120 мм, с плоской шляпкой диаметром 17 мм. Поверх шляпки гвоздя кладут асбестовый кружок и сверху засыпают небольшим количеством огнеупорного магнезитового песка, который слегка утрамбовывают. После этого в тигель насыпают и тщательно перемешивают термитную смесь. Такое перемешивание необходимо ввиду возможной сепарации частиц термита при хранении.

Зажигание засыпанной в тигель термитной смеси может производиться сварочной дугой или специальным запалом. От обычных источников тепла, от пламени зажженной спички, термит не загорается, что делает его сравнительно безопасным в обращении и хранении. Запальные смеси загораются от пламени спички, развивают высокую температуру и зажигают термит. В состав запальной смеси для термита обычно входит бертолетова соль и тонкий порошок алюминия.

После того как термитная смесь загорелась, тигель накрывают крышкой с отверстием для выхода газов. По окончании реакции горения, через 20 - 30 сек после зажигания, расплавленные продукты готовы к выпуску. Для выпуска расплавленных продуктов выбивают запорный гвоздь ударом по нижнему концу ударником —трубкой с расплющенным концом. Горячая смесь выливается на место сварки. При выпуске через дно тигля сначала выливается металл, затем шлак; при выпуске через край тигля сначала льется шлак, затем металл.

Место сварки должно быть предварительно заформовано таким образом, чтобы осталась полость для термитного металла и шлака. Заформовка производится огнеупорными материалами в коробке из листового железа. При заформовке необходимо оставить каналы и отверстия в стенках железной формы для облегчения удаления газов.

Расплавленные продукты подводят по специальному литниковому канал у в заформовке в нижнюю часть формы, откуда они постепенно поднимаются кверху и заполняют весь объем формы. После окончания заформовки форму сушат и прокаливают, а также подогревают места сварки до красного каления (700 - 800℃). Прокалку и подогрев проводят подогревательными горелками-форсунками, работающими на керосине или нефти. Просушиваются и прокаливаются не только заформовка, но и тигель вместе с крышкой перед засыпкой первой порции термитной смеси. Просушке и прокалке при термитной сварке уделяется большое внимание, так как остатки влаги в заформовке или футеровке тигля могут вызывать разбрызгивание жидкого металла и шлака.

Методы контроля

При контроле термитных стыков применяют визуальный и измерительный контроль для выявления поверхностных дефектов и отклонений геометрических размеров сварного стыка, и ультразвуковой контроль для выявления внутренних дефектов и дефектов основного металла.

Ультразвуковой контроль выполняют после устранения дефектов, выявленных при визуальном и измерительном контроле.

Средства контроля подлежат метрологическому контролю, а специалисты, выполняющие контроль, должны иметь сертификаты соответствия на данный вид работ.

При наличии на термитных стыках предохранительных накладок, перед выполнением контроля состояния стыков, они снимаются.

Учет работ по термитной сварке рельсов, принятых в эксплуатацию, ведут в специальном журнале, находящемся по согласованию и у производителя работ.

На каждый рельсовый стык, сваренный термитным способом, исполнителем работ оформляется сертификат или паспорт.

Требования безопасности и охраны окружающей среды

Требования по обеспечению безопасности проведения термитной сварки рельсов регламентируются действующими правилами и инструкциями, утвержденными для предприятий железнодорожного транспорта.

Выполнение работ по термитной сварке рельсов необходимо производить на закрытом для движения участке пути.

Работники должны пройти медицинское освидетельствование и быть признанными годными по состоянию здоровья.

Сварщик должен быть обеспечен личными защитными средствами: спецодеждой, огнестойкими перчатками, защитными очками, сварочными очками, средствами пожаротушения, сигнальным жилетом при выполнении работ в пути.

Специальных мер по экологической охране окружающей среды не требуется.

Понравилась статья? Всё ли вам понятно? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Так же посмотреть уже готовые проекты на скачивание, среди которых чертежи, схемы и 3D модели.