鋁熱焊接機(jī)車道軌工藝的研究與應(yīng)用

趙永華,呂圣會,李傳軍,王翠芳

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司,山東萊蕪271100)

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鋁熱焊接機(jī)車道軌工藝的研究與應(yīng)用

趙永華,呂圣會,李傳軍,王翠芳

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司,山東萊蕪271100)

摘 要:主要論述TVD鋁熱焊接工藝原理和焊接道軌接頭的過程控制,及鋁熱焊接道軌在焦化機(jī)車應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:鋁熱焊接;鋁熱反應(yīng);機(jī)車;軌道

1 鋁熱焊接的基本原理

鋁熱焊接是將鋁粉、氧化鐵粉、鐵屑及鐵合金或稀土元素等按一定比例配合起來,組成鋁熱焊劑,用高溫火柴點(diǎn)燃后,發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)和冶金反應(yīng),在反應(yīng)過程中Fe被還原,由于鐵比重大于熔渣沉于坩鍋底部,Al氧化成Al2O3,形成熔渣浮于上部,同時產(chǎn)生大量熱量,高溫的鋼水澆入扣在軌縫上和砂型中,將兩軌端熔化,澆注鋼水本身又作為填充金屬,將鋼軌焊接起來(見圖1)。

2 鋁熱焊接化學(xué)反應(yīng)

鋁在足夠高的溫度下與氧有很強(qiáng)的化學(xué)親和力,它可以從很多重金屬的氧化物中把重金屬還原出來,鋁熱焊的主要化學(xué)反應(yīng)式[1]:

以上反應(yīng)放出大量的熱,使得熔渣和鋼液的溫度高達(dá)2 500℃～3 000℃,但為了使鋼的生成率增加,需加入適量的添加劑,將鋼液的實(shí)際溫度降至2 000℃～2 100℃。

圖1　鋁熱焊接鋼軌示意圖

3 鋁熱焊的冶金過程控制

3.1 坩鍋中的渣和鋼反應(yīng)控制

鋁熱反應(yīng)的產(chǎn)物:鋼和渣之間的反應(yīng),與煉鋼過程中的渣和鋼反應(yīng)類似,因此對爐渣成份和狀態(tài)必須加以控制,才能得到符合要求的鋁熱鋼。

根據(jù)上節(jié)式(1)、(2)、(3)鋁熱反應(yīng)的主要產(chǎn)物是純鐵(Fe)和Al2O3渣,為了增加鋼中的含碳量,在焊劑中加入石墨,將發(fā)生以下反應(yīng)[1]:

其中還有部分C冷卻后在鋼中形成固溶體,同樣,為了提高鋼中的含錳、含硅量,在焊劑中加入錳鐵或硅鐵,它們均與FeO發(fā)生反應(yīng)而生成Mn O或SiO2進(jìn)入渣中,使鋼進(jìn)一步脫氧,少部分存于鋼中,對鐵素體有固溶強(qiáng)化作用,能細(xì)化珠光體,提高焊縫的綜合機(jī)械性能。鋁熱鋼的含硫磷量,是通過嚴(yán)格控制原料焊劑中的硫磷含量達(dá)到的。

3.2 鋁熱鋼的脫氧、鎮(zhèn)靜及含鋁量控制

為了防止鋼液在澆入鑄型后產(chǎn)生氣孔等缺陷,必須使鋼水脫氧。鋁熱鋼的脫氧主要是靠鋁來完成的,而加入鋼中的硅、錳等元素也可使脫氧更完全,當(dāng)鋁熱反應(yīng)尚未進(jìn)行完全就澆注時,由于鋁對氧化鐵還原不完全,進(jìn)入鑄型后,游離的氧化鐵會繼續(xù)與鋼中易與氧結(jié)合的元素起作用(例如C、Mu、Si等),使鋼的成份不穩(wěn)定,并且與C作用時生成氣體,會在焊縫內(nèi)形成氣孔。

由于鋁熱反應(yīng)進(jìn)行的程度不同,在反應(yīng)完成前后的不同階段,鋼中的含鋁量也是不同的。鋁熱鋼中的含鋁量一般在0.25％～0.65％為宜,這樣的含鋁量,可以保證鋼的脫氧完全,并有一部分鋁可以起到細(xì)化晶粒的作用,鋼中的含鋁量過高(超過0.7％)則易引起接頭脆斷。

根據(jù)鋁熱反應(yīng)完前后的各階段,鋼中的含鋁量變化,在鋁熱反應(yīng)中的沸騰基本平靜后,在坩鍋內(nèi)鎮(zhèn)靜一定時間是必要的,但過長的鎮(zhèn)靜時間,會使鋼水溫度降低過多,澆鑄后也會在焊縫內(nèi)產(chǎn)生不同的缺陷,根據(jù)實(shí)踐坩鍋內(nèi)鎮(zhèn)靜5s最佳。

3.3 鋁熱焊劑合金元素的控制

為了獲得優(yōu)質(zhì)接頭質(zhì)量還必須在鋁熱焊接劑中加入石墨粉和其他一些合金元素(Mn Si Ti等)以達(dá)到不同性能要求。焊劑化學(xué)成分是影響焊縫硬度的主要因素,其中尤以C、Mn、Si的影響較大。

C元素對焊縫硬度的影響最顯著。為了增加焊縫的含碳量,坩鍋中加入石墨粉,并且加入位置愈低,對軌頭、軌腰提高硬度效果明顯,而對軌底硬度影響較小。

Mn在焊縫中的含量是通過在焊劑中加入錳鐵的方法達(dá)到的,錳鐵在坩堝內(nèi)的位置不同,使得錳鐵在鋼水中的回收率也不同,所得到的焊縫硬度也不同,實(shí)際操作中以中部為宜。

Si的含量是通過在焊劑中加硅鐵(對堿性坩堝內(nèi)襯)達(dá)到的。對于酸性坩堝內(nèi)襯(如石英襯),因高溫下石英砂中的SiO2還原成Si進(jìn)入鋼中,不必另加硅鐵增硅。

焊縫金屬的化學(xué)成分決定了接頭的強(qiáng)度、硬度和沖擊韌性等性能,它應(yīng)與所焊鋼軌的機(jī)械性能相適應(yīng)才不會出現(xiàn)“低接頭”脆斷等弊病。常用焊劑焊縫金屬的主要化學(xué)成分控制見表1。

表1　常用焊劑的主要化學(xué)成分

4 鋁熱焊接焦化機(jī)車的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益

(1)消除了機(jī)車運(yùn)行中的沖擊對道軌基礎(chǔ)的危害。有縫軌道在機(jī)車經(jīng)過接頭處時引起沖擊,由于接縫處鋼軌的變形,產(chǎn)生低接頭危害,而且使用時間越長,這種沖擊越趨嚴(yán)重,這是影響道軌基礎(chǔ)使用壽命的重要因素之一。采用無縫行車軌道后這種危害將不復(fù)存在,將使得按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的道軌基礎(chǔ)使用壽命得到延長,更加安全可靠。

(2)使機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn),避免了許多設(shè)備、安全事故。有縫行車軌道使用年久后,由于輪緣和鋼軌的磨損,以及機(jī)車軌道的接頭錯位,易造成機(jī)車出現(xiàn)蛇行運(yùn)動,嚴(yán)重時發(fā)生大車出軌的重大設(shè)備事故。

特別對易腐蝕速度快的熄焦車來說無縫行車軌道更具有明顯的優(yōu)越性。

(3)延長了機(jī)車和軌道的使用壽命。機(jī)車在有縫軌道上運(yùn)行由于產(chǎn)生沖擊振動,加速了機(jī)械和軸承的損壞,影響機(jī)車結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,常常造成電行軌滑塊脫落,引起斷電,由于有縫接頭的沖擊,縮短了走行輪的壽命,并使鋼軌頭部變形,甚至無法使用。無縫軌道及其機(jī)車比有縫軌道及其機(jī)車的維修費(fèi)用下降了50％左右,修理周期延長了兩倍多,減輕了維修工作量。

(4)可提高生產(chǎn)效率經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明,無縫軌道無接頭沖擊,司機(jī)可放心在高速檔行車,行車運(yùn)行速度可提高25％～40％,特別對熄焦車作業(yè)頻繁,行車距離遠(yuǎn)機(jī)車來說可提高生產(chǎn)效率,其經(jīng)濟(jì)效果十分顯著。原我公司每月因熄焦車導(dǎo)軌影響生產(chǎn)長達(dá)15小時,影響焦炭產(chǎn)量3 000t。每半年更換4個軸承,道軌160米,維修費(fèi)用每月達(dá)1.5萬元,年創(chuàng)效益120萬元。

參考文獻(xiàn):

[1] 鐵道部科學(xué)院金屬合金材料研究所[M]. 2009,8.

Research and Application of Thermite Welding on Locomotive Rails

ZHAO Yong-hua,LV Sheng-hui,LI Chuan-jun,WANG Cui-fang
(Shandong Taishan Steel Group Co.,Ltd.,Laiwu 271100,Shandong,China)

Abstract:TVD Thermite Welding Principle and Welding Process of Rails is introduced.And theeconomic benefit is also analyzed.

Key words:thermite welding;thermit reaction;locomotive;rails

作者簡介:趙永華,工程師,主要從事新技術(shù)、能源發(fā)電方面的工作。

文章編號:1001-5108(2016)01-0042-03

中圖分類號:TG451,U213

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B