鋁熱焊接機車道軌工藝的研究與應用

趙永華,呂圣會,李傳軍,王翠芳

(山東泰山鋼鐵集團有限公司,山東萊蕪271100)

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鋁熱焊接機車道軌工藝的研究與應用

趙永華,呂圣會,李傳軍,王翠芳

(山東泰山鋼鐵集團有限公司,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車應用的經濟效益。

關鍵詞:鋁熱焊接;鋁熱反應;機車;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,用高溫火柴點燃后,發生激烈的化學反應和冶金反應,在反應過程中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 鋁熱焊接化學反應

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

以上反應放出大量的熱,使得熔渣和鋼液的溫度高達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控制

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

根據上節式(1)、(2)、(3)鋁熱反應的主要產物是純鐵(Fe)和Al2O3渣,為了增加鋼中的含碳量,在焊劑中加入石墨,將發生以下反應[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發生反應而生成Mn O或SiO2進入渣中,使鋼進一步脫氧,少部分存于鋼中,對鐵素體有固溶強化作用,能細化珠光體,提高焊縫的綜合機械性能。鋁熱鋼的含硫磷量,是通過嚴格控制原料焊劑中的硫磷含量達到的。

3.2 鋁熱鋼的脫氧、鎮靜及含鋁量控制

為了防止鋼液在澆入鑄型后產生氣孔等缺陷,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,當鋁熱反應尚未進行完全就澆注時,由于鋁對氧化鐵還原不完全,進入鑄型后,游離的氧化鐵會繼續與鋼中易與氧結合的元素起作用(例如C、Mu、Si等),使鋼的成份不穩定,并且與C作用時生成氣體,會在焊縫內形成氣孔。

由于鋁熱反應進行的程度不同,在反應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。

根據鋁熱反應完前后的各階段,鋼中的含鋁量變化,在鋁熱反應中的沸騰基本平靜后,在坩鍋內鎮靜一定時間是必要的,但過長的鎮靜時間,會使鋼水溫度降低過多,澆鑄后也會在焊縫內產生不同的缺陷,根據實踐坩鍋內鎮靜5s最佳。

3.3 鋁熱焊劑合金元素的控制

為了獲得優質接頭質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)以達到不同性能要求。焊劑化學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到的,錳鐵在坩堝內的位置不同,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(對堿性坩堝內襯)達到的。對于酸性坩堝內襯(如石英襯),因高溫下石英砂中的SiO2還原成Si進入鋼中,不必另加硅鐵增硅。

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

表1　常用焊劑的主要化學成分

4 鋁熱焊接焦化機車的社會效益及經濟效益

(1)消除了機車運行中的沖擊對道軌基礎的危害。有縫軌道在機車經過接頭處時引起沖擊,由于接縫處鋼軌的變形,產生低接頭危害,而且使用時間越長,這種沖擊越趨嚴重,這是影響道軌基礎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存在,將使得按現行設計規范設計的道軌基礎使用壽命得到延長,更加安全可靠。

(2)使機車運行平穩,避免了許多設備、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,以及機車軌道的接頭錯位,易造成機車出現蛇行運動,嚴重時發生大車出軌的重大設備事故。

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越性。

(3)延長了機車和軌道的使用壽命。機車在有縫軌道上運行由于產生沖擊振動,加速了機械和軸承的損壞,影響機車結構的疲勞壽命,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。無縫軌道及其機車比有縫軌道及其機車的維修費用下降了50％左右,修理周期延長了兩倍多,減輕了維修工作量。

(4)可提高生產效率經濟效益。實踐證明,無縫軌道無接頭沖擊,司機可放心在高速檔行車,行車運行速度可提高25％～40％,特別對熄焦車作業頻繁,行車距離遠機車來說可提高生產效率,其經濟效果十分顯著。原我公司每月因熄焦車導軌影響生產長達15小時,影響焦炭產量3 000t。每半年更換4個軸承,道軌160米,維修費用每月達1.5萬元,年創效益120萬元。

參考文獻:

[1] 鐵道部科學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、能源發電方面的工作。

文章編號:1001-5108(2016)01-0042-03

中圖分類號:TG451,U213

文獻標識碼:B