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铝热焊接钢轨所用的材料
第七章铝热焊接钢轨所用的材料
第一节铝热焊剂
铝热焊接的质量与铝热焊剂有直接关系,优良的铝热焊剂才能得到合乎质量要求的铝热到钢。
铝热焊剂的质量与铝热焊剂组成材料的选择,化学成分,物理状态,加工工艺和铝热焊剂的合理配方有关。
所以应严格按照各项技术规程要求进行。
从事铝热焊接人员必须对铝热焊剂的组成、性能、应用范围与保管方法等有一定的了解,才能更好地保管和使用铝热焊剂,在合理的焊接工艺配合下,避免缺陷的产生,从而获得优良的焊接效果。
一铝热焊剂的组成
铝热焊剂的组成可分为三部分:
1.铝热焊剂的主要组成部分:
铝粉、氧化铁、铁丁头和铁合金,石墨等。
2.铝热焊剂的辅助材料:
镁砂等。
3.铝热焊剂的引燃剂:
高温火柴。
二铝热焊剂的配方计算
铝热焊剂的配方直接影响着铝热焊剂的质量,铝热焊剂的质量又是影响焊接接头质量的重要因素之一,因此,铝热焊剂配方是较重要的问题。
铝热焊剂配方的计算是以钥热化学反应和冶金理论为基础的,同时又根据各种组成材料的化学分析,机械性能检验进行必要的试验,以求得能够满足各项机械性能与化学成分要求的铝热焊剂配方。
铝热焊剂配方主要需确定三个问题:
1.铝粉和氧化铁的配合比
铝粉和氧化铁是铝热焊剂中的主要组成部分,铝热焊剂的计算也主要以这两顶为基础,因此,铝粉和氧化铁的合理配比是铝热焊剂的关键。
从理论上说,铝粉和氧化铁的反应,要使氧化铁中的铁全部被还原出来而无剩余的氧化铁存在。
铝除保证还原氧化铁外,还要求有微量铝过渡到焊缝中去,对钢起细化晶粒的作用。
铝粉以金属铝含量(即铝粉中实际能与氧化铁起作用的部分),氧化铁以氧化铁中三氧化二铁(Fe2O3)和氧化亚铁(FeO)含量为计算基础。
(1)根据化学反应式氧化铁中FeO所需的铝量
根据化学反应式(Ⅰ),可以求出氧化铁中FeO和铝粉起化学反应肘,每克FeO所需铝量d:
3FeO十2Al=3Fe十Al2O3十199.5千卡(I)
215.55克53.96克167.55克101.96克
d=53.96/215.55=0.2503克
即每1克FeO需0.2503克铝。
(2)根据化学反应式氧化铁中Fe2O3所需的铝量
根据化学反应式(Ⅱ),可以求出氧化铁中Fe2O3和铝粉起化学反应时,每克Fe2O3所需铝量f:
Fe2O3十2Al=2Fe十AL2O3十198.3千卡(Ⅱ)
159.7克53.96克111.7克101.96克
f=53.96/159.7=0.3379克
即每l克Fe2O3需0.3379克铝
(3)铝热焊剂中铝粉加入量的近似计算
从上列(I)、(Ⅱ)两式中,可以求出铝热焊剂中FeO和Fe2O3分别所需的铝量(即d和f值)。
但由于铝热焊剂组成材料中的铝粉含金属铝量不同,氧化铁中含FeO和Fe2O3的量在不同处理工艺下也不相同,随着铝热焊剂氧化铁的FeO和Fe2O3含量不同,要求铝粉的加入量也不同。
铝热焊剂中铝粉加入量可按照下列近似简化计算式计算:
(甲)
式中:
Al焊——铝热焊剂中铝粉加入量(克);
b——氧化铁中氧化亚铁(FeO)含量(%);
C——氧化铁中三氧化二铁(Fe2O3)含量(%);
A金——铝热焊剂铝粉中金属铝含量(%);
H——铝热焊剂量(克)(这里仅包括铝粉和氧化铁);
d、f值见上(I)、(Ⅱ)两式。
(4)铝热焊剂中氧化铁加入量
根据铝热焊剂中铝粉加入量的计算式(甲)求得铝粉的加入量后,可以由此求出氧化铁的加入量
F氧=H—AI焊(乙)
式中:
F氧——铝热焊剂氧化铁中(FeO十Fe2O3)总量。
从以上可以看出,铝热焊剂中铝粉和氧化铁的计算,基本上是按照化学反应式,但实际上,由于考虑到铝粉中金属铝含量和氧化铁中杂质等因素,因此上列(甲)、(乙)两计算式仅为近似计算式,所以在计算实际用量时,还应据据试验,找出校正系数,这样,才能使所配制的铝热剂获得最好质量的效果。
2.铁丁头加入量
铁丁头加入的作用是调节铝热焊剂反应时的温度和增加铁水,加入的数量和焊剂数量有关。
预热法铝热焊时,铁丁头加入量占铝粉和氧化铁总量的10%至20%;如果采用不预热铝热焊时,铁丁头加入量应考虑少加或不加,以便于提高铝热钢水温度。
3.铁合金的加入量
铁合金的加入主要是使焊缝金属具有一定的化学成分和机械性能。
铁合金在铝热焊剂中的加入量要根据铝热钢对化学成分的要求、铝热钢水重量、合金元素含量和铁合金的过渡系数而定。
铁合金的过渡系数与其在坩埚中放置高度有关,放置低则过渡系数高,不过在这样的情况下合金元素不能均匀地分布在焊缝金属中。
因此,为了使会金元素能均匀分布于焊缝金属中,应进行多次试验以求得合金放置的理想高度。
铁合金加入量可以按照下式计算:
M=g×m1/G×m2
式中:
M——铁合金加入量;
g——铝热钢水重量;
m1——铝热钢水中该合金元素的含量(%);
G——合金元素过渡系数;
m2——铁合金中该合金元素的含量(%)。
总之,铝热焊剂的配方计算是以上述各项为基础,根据铝热焊剂组成材料的化学成分物理要求,从理论上进行计算外,更重要的是通过科学试验,反复实践,采用优选法等,以求得最好的配合比。
三铝热焊剂的生产
1.铝热焊剂原材料的要求和加工工艺
原材料的化学成分的选择和加工工艺以及加工后材料的化学成分、颗粒度、各项材料的配合比等对铝热焊剂具有特别重要的意义。
(1)铝粉:
铝热焊剂中主要组成之一,它主要起还原氧化铁的作用。
铝在地壳中的含量约占7.5%,比铁在地壳中的储藏量多将近两倍,比其他有色金属储藏量的总和还多数倍。
我国有极其丰富的铝矿资源。
铝是银白色金属,比重小,导电性能高,导热性能良好。
工业用铝(99.5%Al)在658oC熔化,化学纯铝(99.99%Al)熔点为660oC,铝在2000oC沸腾。
①对铝锭化学成分的要求:
铝热焊剂一般要求铝锭有较高的纯度,金属铝含量高,银中有害杂质如铁,硅,铜,杂质总和少。
铝热焊剂所用的铝锭含铝量应大于99.5%。
②对加工后铝粉化学成分的要求:
一般要求铝粉中金属铝含量高,杂质少。
铝热焊剂所用铝粉金属铝含量应大于98%,杂质要少;质量要求稳定。
铝与空气接触很容易被氧化,而铝热焊要求铝粉不被氧化,因为氧化铝不但在反应中延缓了燃烧作用,而且降低了还原能力,影响焊接质量。
所以制成的铝粉应避免潮湿,有时由于储藏或处理不当,可能形成氢氧化铝,在高温反应下,会产生水,分解成氢和氧,以致引起气孔等缺陷,所以铝热焊剂要求铝粉化学成分合适外,应用塑料袋密封好。
③对铝粉粒度的要求:
粒度大小反应速度影晌很大,颗粒度太大反应时间长而且热量损失大,所以铝热焊剂对铝粉粒度有一定的要求范围;一般采用粒度小于0.6mm的铝粉,并且要求不同粒度的铝粉按一定比例进行配制。
④铝粉的加工工艺
按铝热焊剂规定要求的铝锭,经化学分析合格后,置于熔铝坩埚内,待铝熔化后,要继续加热并保持在一定的温度范围内,用环风喷雾器把铝液吹制成细小的铝粉。
在喷制过程中要经常观察铝液流量和吹散情况,并适当调整风压,以保证铝粉粒度在要求范围内。
收集好的铝粉按规定要求进行不同粒度的筛分,筛分后必须分别用塑料袋装好置于专用容器中,密封保存。
铝粉是铝热焊剂主要材料之一,一定要求保证质量,所以对化铝坩埚与工作场地要求十分干净,并应注意防尘,防火,防氧化。
铝粉易受潮,氧化变质,使其金属铝含量降低,直到现在接影响到铝热焊剂质量。
铝粉除在加工后应进行化学分析外,还应定期检查和化验金属铝成分。
铝粉是易燃品严禁与氧化铁粉末、油类等物放在一起,严禁受潮,水浸和过热遇火等,应按照铝热焊剂安全生产规则进行生产。
(2)氧化铁:
铝热焊剂主要材料之一,氧化铁一方面可以供给反应时需要的大量氧产生热量,另一方面,还原的铁可以作为焊接的填充金属。
氧化铁有三种化合物和不同的理论舍氧量:
氧化亚铁(FeO)的理论含氧量(重量百分比)是22.22%,三氧化二铁(Fe2O3)的理论含氧量是30.0%,磁性氧化铁(Fe3O4)的是27.58%。
氧化铁是轧钢厂的废品,最好要求热轧普通碳素钢时,从钢材表面脱落的碎氧化铁皮。
从氧化铁的来源方面,希望能有固定不变的粒度范围和一定的化学成分,氧化铁原料中氧化亚铁(FeO)含量较高,为了达到铝热焊剂要求的FeO和Fe2O3含量,氧化铁皮可以通过回转炉焰烧氧化法增加氧含量。
氧化铁的氧化是从表面氧化逐渐深入到颗粒内部,所以氧化铁颗粒的表层由三氧化二铁组成,而核心部分则由氧化亚铁组成,在表层与核心之间还有一小层磁性氧化铁,大颗粒的氧化铁中氧化亚铁的含量比小颗粒为高,也就是说,氧含量随颗粒大小而变化。
①对氧化铁原材料化学成分的要求:
焊剂一般要求氧化铁原材料合FeO量在60%左右,硫、磷杂质含量都需在0.05%以下,否则影响铝热钢含硫、磷量,所以必须严格选择氧化铁原材料。
②对加工后氧化铁化学成分的要求:
一般要求氧化铁中FeO和Fe2O3控制在一定的稳定范围内,同时要求硫、磷含量都必须在0.05%以下。
氧化铁中主要成分是Fe2O3,其次是FeO,磁性氧化铁含量很少,所以要正确控制FeO和Fe2O3含量。
假如FeO含量高,那么Fe2O3含量就低,同样数量的氧化铁,供给铝粉的氧就要减少,铝热焊剂就不能充分反应,氧化铁就不能完全被还原,就有多余的氧化铁进入焊缝内,使焊缝质量受到影响,所以一定要严格按照铝热焊剂技术规程要求进行之。
③对氧化铁粒度要求:
氧化铁颗粒大小对铝热焊剂反应速度是直接有关的,为了控制反应速度,所以对氧化铁的粒度要有规定,一般要求在一定范围内,过细的氧化铁最好不使用,因为这些小颗粒含硅酸盐最多。
④氧化铁的加工工艺
1)过筛:
入厂的氧化铁皮必须用规定孔径的筛子过筛,以清除大块氧化铁皮、铁块和大颗粒杂质。
2)清洗:
用清洗机清洗,以除去油污、泥土等杂质。
3)烘干:
清洗后的氧化铁皮送进烘干回转炉进行烘干。
4)粗筛:
进行粗筛,粒度合格的进行下道工序。
5)焙烧:
于回转炉内在一定温度范围内进行焙烧,为了严格控制FeO和Fe2O3的含量,每小时进行化学分析一次。
6)细筛:
熔烧化验合格的氧化铁按规定要求经过细筛,然后要确保干燥,妥为保存。
7)磁选:
清除杂质,必须适当调整电流,使磁选能保证效率又能把杂质除去。
磁选加工时应特别注意防止氧化硅和其他杂质混入。
8)化学分析:
磁选后的氧化铁经混匀后取若干今样品进行化验,确定其氧化亚铁(FeO)含量,分析数据在要求范围内的,可留作混合用。
9)混合:
这是很重要的工序,混合均匀后,需再进行化学分析,合格后严封待用。
氧化铁是铝热焊剂中含量最多并起主要作用的材料,因此必须严格按照铝热焊剂技术规程进行。
加工好的氧化铁应该使其氧化亚铁FeO含量、粒度在铝热焊剂要求范围内,要干燥、无杂质、无油污。
合格的氧化铁要贮藏好备用。
如氧化铁存放超过规定的时间,在使用前必须经过化学分析,合格的方可使用。
(3)铁丁头:
为了控制铝热钢水温度和增加钢水生成量,在铝热焊剂中加入适量的铁丁头。
①对铁丁头化学成分的要求:
对低碳或低合金钢焊缝来说,铝热焊剂所用的铁丁头为普通低碳钢材料,一般合碳量在0.2%以下。
②加工后的铁丁头:
其一般合碳量在0.2%以下,要求干燥、无油、无杂质。
③对铁丁头粒度要求:
一般要求粒度在4mm以下。
④铁丁头的加工工艺
收集制钉工厂在制钉过程中切制铁钉尖时的下脚料,经清除杂质,清洗,在一定的温度下加热处理至呈清灰色或兰灰色后再筛分磁选,合格品装入容器内封盖严密,以防受潮。
加工后的铁丁头如为褐色则说明铁丁头合有氢氧化物,这种铁丁头不准投入生产应用,以免造成焊接缺陷。
(4)铁合金:
为了提高焊缝的强度和硬度,在铝热焊剂中,须加入一定数量的铁合金,例如锰铁、硅铁以及其他的铁合金等。
其加入的合金数量主要根据铝热钢的化学成分,以及对焊缝硬度、
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