铝热焊接钢轨所用的材料

第七章第七章 铝热焊接钢轨所用的材料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 Fe O3 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 可以求出氧化铁中 FeO 和铝粉 起化学反应肘 每克 Fe O 所需铝量 d 3Fe O 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 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 159 7 克 53 96 克 111 7 克 101 96 克 f 53 96 159 7 0 3379 克 即每 l 克 Fe2 O3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 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 金 焊A H cfbd cfbd Al 1 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 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 2000 oC 沸 腾 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 对铁丁头粒度要求 一般要求粒度在 4mm 以下 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 强度等机械性能的要求而定 对铁合金的化学成分要求 主要根据焊缝的化学成 分来定 对铁合金粒度要求 铁合金需粉碎成一定粒度大小 一般要求粒度在 4 毫米以下 对铁合金的加工工艺 按铝热焊剂技术规程要求经化学分析合乎要求的铁合 金要经粉碎 筛分和烘干处理 烘干后的铁合金 需在短 期内用完 并用塑料袋封装 贮存于干燥 洁净的容器中 5 石墨 为了增碳 需加入少量的石墨 对石墨化学成分主要要求具有高的合碳量和低的灰分 和杂质等 并且原料来源要稳定 不要随意变动 用球磨 机对成分合适的石墨进行磨细 然后过筛备用 6 镁砂 用作坩埚封闭口用料 要求镁砂含氧化镁较 高 干燥 洁净无污 粒度不能太粗 太粗不易上浮 一 般粒度要求在 0 1 0 4mm 镁砂经碾碎 筛分 烘干 冷 却后要求密封以免受潮 影响铝热钢水质量 7 铝热焊剂的引燃剂 高温火柴 铝热焊剂的燃烧反应是用特制的引燃剂 高温火柴 点 燃的 高温火柴燃烧温度在 1000 oC 以上 它是由铝粉 镁粉和粘结剂等制成 高温火柴由引燃层和高温层组成 将引燃层擦燃后即 引燃高温层 发生剧烈燃烧 产生高温将铝热焊剂引燃 高温火柴要求化学性能比较稳定 在一般情况下不能燃烧 但在猛烈撞击下或与磷面磨擦时 即能发生燃烧 它容易 受潮 受潮后水分不易去掉 致使燃烧温度降低 甚至擦 不燃 保存时要特别注意 高温火柴属于易燃危险品 必须要为保管 避免受潮 和撞击 不得与铝热焊剂混装和保存 末用完的火柴应放 回塑料袋的火柴盒内 2 焊接钢轨接头用的铝热焊剂的制造 1 配制 铝热焊剂配方经研究试验 在化学成分和各项机械性 能达到要求后 生产工厂要严格按照铝热焊剂技术规程要 求备料配制 2 称量 混合和包装 各种材料的称量要准确 尤其是铝粉 可采用自动称 量装置 分别称量每包铝热焊剂的铝粉 氧化铁 铁丁头 对每包铝热焊剂单独进行混合 混合要求均匀 否则影响 正常的铝热反应和钢水温度的均匀性 不能保证焊接接头 的质量 混匀后把铝热焊剂放入塑料包装袋中 装好后复 查重量 放入总包装袋中 然后把分别包装好的称量准确 的合金剂 坩埚封闭口用料和铁帽等放入总包装袋中 整 个过程应按照铝热焊剂技术规程进行 严防受潮 严禁烟 火 3 铝热焊剂的检验 铝热焊剂原材料和加工制造后的材料必须严格按照各 项技术规定进行必要的化学分析和物理机械性能的试验 配好的铝热焊剂必须按照制订的铝热焊剂产品检验方法进 行检验 铝热焊剂制造厂的检验主要有 正常生产中的检验 产品定期检验 原材料 加工工艺和设备变更时的检验 采用新配方时产品的检验 在进行焊接质量检验时 对于质量上出现的问题 可 以参照第三章铝热焊接钢轨的质量一章中有关影响质量的 因素进行分析 只有在各项检验项目完全合格后 方准出 厂 第二节 砂型 一 砂型应具备的条件 1 足够的强度 型砂制成砂型后应具有一定的湿强度 和干强度 在钢水流人铸型时可以不被冲垮 不变形 并 且保持要求的尺寸 2 耐高温性 可以经受高温钢水的作用 保持不熔化 不粘砂 并不与钢水发生不利的化学反应 3 透气性 型砂应具有足够的透气性 这样可以使钢 中溶解的气体和铸型内的气体在浇注过程中及时排出 防 止形成气孔等缺陷 二 砂型的组成 铝热焊接钢轨所用的湿模砂主要由砂 粘结剂和水组 成 1 造型用砂 铝热焊接钢轨造型用砂使用的是铸造用砂 在用砂选 择上 要注意砂子的化学成分和颗粒形状以及含泥量等 一般造型用砂其 SiO2 含量愈高 型砂的耐火度愈高 在 型砂颗粒形状方面以圆形成近圆形可以获得较好的透气性 砂子的含泥量应该愈少愈好 含泥量过高不仅使型砂的透 气性变坏 而且也使型砂的耐火度降低 造型用砂种类很多 在满足使用要求的性能情况下 应以就地取材为宜 河砂虽然一般颗粒多具圆角形 砂粒 之间可以有较多的空隙 在透气性方面是较有利的 但由 于一般含低熔点杂质较多 因此耐火度较低 在高温钢水 作用下容易造成局部熔化或粘砂 人造石英砂是由天然的石英岩经人工粉碎后并经筛分 按颗粒大小分级编号 这种砂的 SiO2 含量高 因此耐火 度高 并且含泥量极少 因此采用这种砂配砂时需另加粘 结剂或耐火粘士 才能使砂具有所要求的强度 人造石英 砂颗粒呈尖角状 透气性没有圆形砂粒好 这种石英砂由 于经过加工 价格也较贵些 天然硅砂的 SiO2 含量也较高 因此也具有较高的耐 火度 这种砂一般颗粒虽小但多呈圆角状 透气性较好 并且由于不需另外加工 因此成本较低 天然硅砂根据其 粒度分布情况不同 如果细颗粒含量过高影响透气性时 可以筛分一部分后再使用 除此以外 我国有些地区所产红砂的 SiO2 含量低 并且粘土含量较高 耐火度和透气性都不能满足要求 型砂中的水分 湿型砂的水分含量对于铸造质量的影响是很大的 含 水量过多使透气性降低 含水量过少则降低型砂的强度 同时湿型砂中含水分过多也容易引起焊缝形成气孔 因此 要严格控制含水量 型砂中水分的多少要根据型砂粒度 粘结剂用量而定 一般经混砂后要求水分含量在 5 7 重 量比 即可 三 型砂性能和测定方法 铝热焊接钢轨所要求的型砂性能主要有 1 透气性 气体在钢中的溶解度是随着温度的提高而增加的 图 5 l 铝热焊接钢轨所用的钢水温度比一般铸钢温度要高 得多 达 2000oC 以上 因此当高温钢水注入铸型后 在冷 却的过程中将放出气体 此外型腔内的气体以及造型材料 遇到钢水后表面产生的气体 都要在钢水凝固前由焊缝中 排出 因此要求型砂具有较高的透气性 测定型砂透气性的方法一般是使用专门的型砂透气性 测定器 用规定尺寸的型砂试样 一般是 50 50 毫米 由 测定器的表盘直接读出透气性的数值 可以测出型砂在干 态和湿态下的透气性数值 2 型砂强度 铝热焊接钢轨用的型砂应具有足够的强度 这样可以 在工地使用的情况下 经受搬运而不破损 同时应具有一 定购干强度以使钢水浇注后到凝固前不致受到钢水的冲击 而破坏 定量的测定型砂强度是使用型砂强度试验仪 这种试 验仪的型式虽各有不同 但都是使用规定尺寸的型砂试样 在试验仅上加负荷至破坏 由表盘上读出破坏时的负荷值 或单位面积的强度值 试验仪上可以测出型砂的干 湿态 抗压强度值和抗剪强度值 有些型砂强度试验仪也可测出 型砂的抗张强度和抗弯强度值 在工地上由于条件的限制 常常根据经验来估计型砂强度 例如用手取已配好的型砂 捏成一团 然后用拇指自砂团中央分成两半 如果分开后 的砂团弹得较远说明型砂强度较好 如果弹得较近说明型 砂强度低 3 耐火度 铝热焊接钢轨用的型砂是属于酸性耐火材料 其耐火 度主要取决于型砂中的 SiO2含量 砂中 SiO2含量愈高耐火 度愈高 其它低熔点化合物愈少愈好 现举我国天然硅砂 中的一种为例 其化学成分如下 SiO2 96 Fe2O3 0 75 图7 l 氢在铁中的溶解度与温度的关系 K2 O Na2O CaO MgO 1 5 这种化学成分的天然硅砂由于 SiO2含量较高 耐火度 可达 1700 oC 4 其它要求 1 型砂粒度和形状 型砂粒度是指型砂中砂子的颗粒 大小和分布 这些渣接影响到型砂的透气性 粒度集中对 型砂的透气性是有利的 型砂的颗粒形状以圆形成近圆形 可以获得较好的透气性 型砂粒度的测定一般均采用筛分 法 在型砂测定仪器中备有一整套具有不同大小筛孔的筛 盘和振动装置 取一定重量的型砂经过清洗和烘干后倒入 振动