1. Історія розвитку виробництва терміту і термітного зварювання рейок
2. Застосування термітного зварювання в трамвайних господарствах
3. Умови, необхідні для проведення термитной реакції
4. застосування терміту

види зварювання - Термітне зварювання

Термітне зварювання - процес зварювання металевих деталей рідким металом заданого хімічного складу, одержуваного в результаті термитной (алюмінотермічне) реакції. Сутність термитной реакції полягає в тому, що алюміній здатний відновлювати оксиди металів зі значним виділенням тепла, в результаті чого відбувається зміна потенційного стану енергії і рекристалізація компонентів, що беруть участь в процесі:

Значна кількість тепла, що виділяється при термитной реакції, тривалий час зберігає метал в рідкому перегрітому стані і дає можливість використовувати його для технологічних цілей.

На відміну від звичайного процесу горіння терміту реакція може відбуватися в замкнутих системах або навіть у вакуумі, так як реакція відбувається за рахунок кисню, що міститься в окислах металів.

Термітний процес з залізо-алюмінієвим складом протікає у відповідності з наступною залежністю:

Основним висококалорійним пальним, що застосовується в термітною сумішшю, є алюміній. Після кисню і кремнію алюміній є найпоширенішим елементом земної кори і становить близько 8% маси Землі (залізо 4,7%).

Принцип отримання трудновосстанавліваемих металів з їх оксидів вперше був висунутий найбільшим російським вченим-хіміком, основоположником сучасної фізичної хімії Н Н. Бекетовим. У 1865 р в своїй докторській дисертації «Дослідження над явищами витіснення одних елементів іншими» Бекетов перетворив цей принцип в наукову теорію, заклавши основу алюминотермии. Він встановив, що алюміній має дуже великою активністю, з'єднуючись з киснем, і що за певних умов алюміній легко відновлює з оксидів інші метали, що стоять правіше його в таблиці напруг хімічних елементів.

Зварювальний терміт складається з порошкоподібного металевого алюмінію і окислів заліза у вигляді окалини (технологічного відходу гарячої обробки стали), а також різних присадок, що вводяться в шихту для легування одержуваної стали.

Які умови необхідні для початку термитной реакції?

1 Термітна шихта повинна бути розрахована так, щоб в ході реакції виділилося необхідну кількість тепла для розплавлення і перегріву кінцевих продуктів термитной реакції

2. Компоненти термитной шихти: алюмінієвий порошок і оксиди заліза повинні бути дрібних фракцій і ретельно перемішані.

3. Для початку термитной реакції в будь-якій точці термитной шихти необхідно створити температурний поштовх не нижче 1350o. після чого термітна реакція швидко пошириться на всю шихту.

В результаті термитной реакції, яка протягом 15-30 сек. протікає дуже активно, утворюються метал (близько 50% від початкової ваги термитной шихти) і шлак.

В процесі термітної реакції частина тепла витрачається на нагрівання стінок тигля, радіаційний і т. Д. Однак, незважаючи на це, кількість тепла, що виділяється досить для того, щоб розплавити шихту і перегріти продукти реакції - рідкий метал і шлак до 2600-2700o. Це обумовлює можливість отримання чистого металу, так як завдяки значній різниці в питомих вагах рідкий шлак спливає на поверхню, а метал опускається на дно тигля.

Якість термітного металу визначається фізико-хімічними властивостями компонентів шихти.

Для отримання металу (сталі) потрібного хімічного складу в шихту вводять в подрібненому стані легирующие матеріали: феромарганець, ферромолібден, ферротитан, феррованадий, вуглець і т. Д.

Подрібнена легирующая присадка закладається в тигель разом з термітними компонентами.

Участь легуючих елементів в термитной реакції дуже різноманітне: вони легируют термітну сталь, раскисляют і рафінують її. Крім того, вони частково губляться - випаровуються і переходять в шлак.

Цінні феросплави (ферротитан, феррованадий і ін.) Підвищують міцність термитной стали, так як в ході реакції, перебуваючи в рідкому стані, вони утворюють карбідну фазу титану і ванадію. Наявність в стали перерахованих карбідів збільшує її дрібнозернистість, підвищує твердість і т. П.

Тривалість термитной реакції oт моменту запалювання терміту до її закінчення і повного відділення металу від шлаку знаходиться в прямій залежності від кількості палива, що спалюється терміту і коливається від 15 до 40-50 сек.

При одночасному спалюванні великої кількості терміту реакція протікає з відносно невеликими втратами тепла.

Термітні суміші в залежності від їх призначення можна умовно розділити на наступні групи;

1) елементарна термітна суміш - залізна окалина плюс алюмінієвий порошок в стехиометрическом співвідношенні;
2) терміт для зварювання рейкових стиків. У шихту вводиться сталевий наповнювач - дрібні шматочки маловуглецевої дроту або сталева малоуглеродистая стружка, феромарганець і порошкоподібний графіт,
3) терміт для зварювання легованих сталей. Як присадки використовуються ферротитан, феррованадий і ін .;
4) терміт для зварювання чавуну. У присадку вводиться значна кількість кремнію. Марганець виключається. Високий вміст кремнію в термітним металі сприяє виділенню графіту в зварювальної і перехідною зонах і забезпечує отримання досить міцних зварних з'єднань;
5) терміт для зварювання високомарганцовістой сталей. В цей терміт вводиться збільшена кількість марганцю і вуглецю у вигляді феромарганцю і чавунної стружки;
6) спеціальні терміти - піротехнічні, для наварки пода в металургійних печах, зменшення усадочних раковин в злитках, вторинного дроблення мінералів і руд, виготовлення термітних брикетів і т. П.

Історія розвитку виробництва терміту і термітного зварювання рейок

У Москві термітну зварювання вперше застосували в 1915 р .. коли було зварено 126 стиків. У 1918 р зварили ще 151 стик. З 1923 р в трамвайних коліях столиці починають регулярно варити стики термітом. До 1925 р стики зварювали імпортним термітом. У 1925 році на Московському термитно-стрілочному заводі інженером М. Л. Карасьовим було налагоджено промислове виробництво терміту.

М. А. Карасьов вніс великий вклад в розвиток алюминотермии, організувавши на базі вітчизняної технології випуск термітних сумішей для народного господарства. Він запропонував раціональні способи виробництва алюмінієвого порошку і терміту. Йому було видано авторські свідоцтва на «апарат для отримання еерноволокністого алюмінію», «кульового млина для виробництва алюмінієвого порошку», «механічної нагріву котельної печі для випалення залізної Обсічки і окалини при виготовленні терміту» і т. П.

У наступні роки в шляхах московського трамвая було зварено термітом понад 100 000 стиків.

Сварка проводилася двома способами: комбінованим і врасклінку. З огляду на те, що стики, зварюються останнім способом, часто виходили з ладу, до 1931 року цей спосіб перестали застосовувати Замість нього почали впроваджувати спосіб зварювання проміжним литтям. Одночасно почали застосовувати спосіб зварювання «дуплекс» (спосіб проміжних лиття з подальшим пресуванням). Однак цей спосіб не отримав широкого поширення через складність технологічного процесу.

Якість зварювання термітних стиків за перші 10 років щорічно поліпшувалося, і кількість лопнули (протягом року) стиків в середньому не перевищувала 0,8%.

Застосування вітчизняного терміту для зварювання рейкових стиків показало його перевага перед імпортувати термітом. У стиках рейок, зварених вітчизняним термітом, значно менший відсоток браку. Це підтверджують результати експлуатації першої черги Московського метрополітену. Так, наприклад, кожен рейковий стик на ділянці Сокільники-Парк культури в 1938 р, витримав 13,4 млн. Ударів з грузонапряженностью 53 млн. Т-км.

У 1936 р вийшло з ладу 0,17% від кількості експлуатованих в шляхах стиків, в 1937 і 1938 г. - по 0,5%.

З наведеного кількості вибулих з ладу стиків 75% зруйнувалися через наявність болтових отворів в зоні зварювання.

У ці ж роки терміт стали впроваджувати в інші галузі народного господарства. Зокрема, була розроблена і успішно здійснена термітна зварювання стиків легованих труб першого прямоточного котла високого тиску; почали застосовувати також термітну зварювання для ремонту великогабаритних сталевих деталей: валів, колон і т. п.

Застосування термітного зварювання в трамвайних господарствах

Зварювання стиків рейок радикально вирішує проблему боротьби з блукаючими струмами, які завдають значної шкоди підземним металевим комунікацій.

Безстикової шлях дає можливість зменшити економічні витрати з поточного утримання колії, дозволяє збільшити швидкість руху рейкового транспорту, зменшує шум і подовжує термін служби рухомого складу.

Розглядаючи застосовуються в даний час різні способи зварювання стиків рейок - електроконтактні, електрошлаковий, газопрессовая, ванний, електродугової з приварюванням накладок і підкладок і термітний, - не можна не віддати перевагу останньому, у якого такі переваги:

1) зручність, маневреність застосовується оснащення;
2) можливість застосування без електроенергії;
3) висока продуктивність;
4) достатня характеристика міцності характеристика.

Термітне зварювання дозволила до 1953 в Москві і Ленінграді мати в трамвайних коліях безстикові з'єднання.

У трамвайних господарствах багатьох міст віддається перевага термитной зварюванні стиків рейок. За останні 25-30 років термітна зварювання зазнала невеликих якісні зміни.

З усіх способів термітного зварювання - ковальського , Проміжного лиття, комбінованого, «дуплекс» - набув широкого поширення спосіб проміжного лиття.

З 1950 р застосовується модернізований спосіб проміжного лиття - «єдиний» спосіб, який хоча і не дає провару по всьому перетину рейок, але завдяки простоті всього технологічного процесу дозволив розширити впровадження термітного зварювання в трамвайних коліях.

У зв'язку з масовим застосуванням термітного зварювання на транс порті з'явилася потреба як в якісному поліпшенні зварного стику - отримання щільного стику з хорошим проваром і постійністю хімічного складу термитной стали, так і в зміні кількісних характеристик - підвищення продуктивності, зменшення витрат матеріалів і т. Д.

Умови, необхідні для проведення термитной реакції

Щоб здійснити термохімічну реакцію між відновником і окислювачем, необхідна наявність певних умов, як то: хімічної чистоти компонентів термитной шихти, відповідного подрібнення їх, певного співвідношення складових терміту в шихті, доведення термитной суміші до температури початку реакції.

У складі залізо-алюмінієвого терміту відновником є ​​алюміній в порошкоподібному стані, а окислювачем - порошок залізної окалини. Хімічна чистота відновлення і окислювача необхідна для забезпечення певної активності і теплотворної здатності терміту, а також для якості зварювання.

Окислювач - залізна окалина - повинен містити мінімальну кількість кремнію, сірки і фосфору.

Кисневий баланс окалини 24,5-26% О2, що недостатньо для отримання активної висококалорійної термитной реакції. Щоб збільшити вміст кисню в окалині, її піддають спеціальній обробці при високій температурі в окислювальному середовищі.

Великий вплив на хід реакції надає подрібнення складових термитной шихти. Більші компоненти використовуються в реакціях з великими порціями шихти. Для невеликих порцій терміту застосовують більш подрібнені порошки.

Відхилення від зазначених меж в ту чи іншу сторону порушує нормальні співвідношення відновлення і окислювача в терміті, що призводить до зниження його калорійності, підвищує в термітним металі зміст Al або насичує метал киснем, що негативно впливає на якість термітного зварювання.

Щоб здійснювалася реакція між алюмінієм і залізної окалиною, термітна шихта повинна бути нагріта до температури займання, яка для залізо-алюмінієвого терміту при правильно обраному співвідношенні складових досягає 1340-1360o. Це - критична точка початку активної реакції, хоча повільно протікають термохимические процеси вже починаються при нормальній температурі після змішування компонентів термитной шихти.

Повільно протікають термохимические процеси безпечні, але вони знижують теплотворну здатність терміту, внаслідок егого тривале зберігання його небажано.

застосування терміту

Терміт широко застосовується в різних галузях народного господарства. Він використовується Для зварювання великогабаритних сталевих і чавунних конструкцій і арматури залізобетонних вузлів. Термітом можна зварювати труби і дроти контактної мережі, а також дроти високовольтних ліній електропередачі.

Термітний метал має гарні ливарні властивості і може вживатися для пріцезіонного лиття.

У технічній літературі освітлено застосування термітного зварювання при:

а) виробництві великогабаритних деталей, що складаються з декількох елементів: колінчатих валів, рульових рам судів, приварке лопатей до гребним валів судів та ін .;
б) відновлення циліндрів пресів, поршневих штоків, колон ковальських пресів, роторних валів, валків, а також провідних реверсивних шестерень прокатних станів, всіляких станин-клітей прокатних станів, станин пресів і головних станин ковочно-висадочних машин та ін .;
в) ремонті чавунного технологічного обладнання сталеливарних цехів: изложниц, шлакових ковшів, піддонів і т. д.

Термітну зварювання великогабаритних деталей найкраще робити в ливарному цеху, де є необхідне технологічне обладнання, а також вантажопідйомні механізми.

Термітне зварювання великих чавунних деталей дає великий економічний ефект, особливо для відновлення технологічного обладнання металургійного виробництва: різних ковшів, ізложеніц, піддонів, а також всіляких станин.

Приступаючи до термитной зварюванні чавунних деталей, потрібно враховувати підвищену чутливість чавуну до температурних змін. При нагріванні чавуну вище критичної точки і охолодженні зі швидкістю, що перевищує 149o в хв., Він стає крихким.

Одним з найважливіших умов успішного проведення термітного зварювання чавунних деталей є попередній підігрів. При зварюванні чавунних деталей, крім місцевого підігріву в зоні зварювання до 900o, необхідно провести і загальний підігрів всієї деталі до 450-500o.

Вельми ефективним є застосування терміту для зварювання стиків стрижнів великого діаметра безпосередньо в блоках гідроспоруд, де не можна використовувати стикове зварювання. При цьому підвищується економія металу, використовуваного на накладки або технологічні вигини сполучених елементів, а також збільшується продуктивність зварювання в порівнянні з електродуговим або ванним способом. Крім того, обливши покращує роботу арматури в бетонних спорудах, так як, виступаючи за габарити стрижня, він підвищує зчіплюваність арматури з бетоном.

Термітне зварювання стиків арматурних стержнів, як правило проводиться без попереднього підігріву, але з дещо більшим витратою терміту на стик.

При термитной зварюванні стиків арматурних стержнів застосовують універсальні вогнетриви, які є одночасно і тиглем і формою.

На залізничному транспорті широко застосовується термітна приварка електросоедіменіній до рейок. Для цього використовується спеціальний терміт, що складається з оксидів міді, сплаву міді з алюмінієм і феромарганцю. Спалюється цей терміт в тигель-формі з жароміцного графіту, здатного витримувати кілька сот плавок.

На діючих газопроводах для запобігання їх від руйнування грунтової корозією здійснюється електродренажного захист - приварюються сталеві стрижні, які підключаються до джерел постійного струму. Сталеві стрижні приварюють тільки термітом. Використання інших видів зварювання - електричної або газової - неприпустимо, так як в ході зварювання може статися пропал труб, по яких подається горючий газ під тиском. Терміт для приварки стрижнів дренажного захисту складається з залізо-алюмінієвою шихти з введенням в неї додатково магнію і феромарганцю.

Для зварювання сталевих дротів широко застосовують спресований в циліндричні шашки терміт, який складається з 25% металевого магнію і 75% залізної окалини.

Магнієвий терміт застосовується тому, що при згорянні він нe утворює рідких шлаків.

Термітно-магнієві шашки можна використовуват и при пайку. У паяльник закладають шашку и підпалюють ее Звичайно способом. Через кілька хвилин після закінчення процесу горіння Паяльник прогрівається до потрібної температури і стає придатним для пайки.

При будівництві електричних установок високої напруги часто доводиться зварювати стики багатодротяних проводів. Перед зварюванням виробляють механічну підготовку і знежирення стиків, закладають підготовлені кінці проводів в циліндричний термітний патрон і закріплюють їх в зварювальних кліщах.

Стик проводів при підпалюванні термітного патрона і в процесі зварювання повинен бути в горизонтальному положенні.

При зварюванні стале-алюмінієвих і алюмінієвих проводів зі звареного стику необхідно видаляти металевий кокіль-оболонку термітного патрона.

Термітне зварювання стиків вузькоколійних рейок без попереднього підігріву може застосовуватися в гірській і лісовій промисловості. Для цього використовують такі ж сухі форми, як і при термитной зварюванні арматурних стержнів.

Кількість терміту для зварювання стику без попереднього підігріву подвоюється. Це компенсується високою продуктивністю (7-10 хв.) На один стик і компактністю застосовуваної оснастки.

Тріщини в головці, ділянки пробуксовки і інші дефекти рейок усувають термитной наплавленням.

Термітним способом можна отримати термітну перегріту рідку сталь будь-якого складу, яка має високу текучість і хороші ливарні властивості. Це дає можливість отримати з термитной стали всілякі виливки складної конфігурації.

Висока текучість термитной стали дозволяє відливати з неї невеликі складні деталі, які звичайним способом зі сталі відлити можна.

Високі ливарні якості термитной антикорозійного стали дозволяють з успіхом отлипать з неї будь-які скульптурні композиції.

Читати: «Автогенна обробка». Термітне зварювання. Історія розвитку , Короткі рекомендації по техніці безпеки при термитной зварюванні рейкових стиків , Ковальський спосіб термітного зварювання

Джерело: Малкін Б.В. Термітне зварювання