Управление Ростехнадзора по Калужской области

Кулинария: Неожиданно вкусный пирог со шпинатом .
Обеспечение безопасности труда при исправлении поверхностных дефектов стальных деталей термитной наплавкой


Часто на поверхности деталей при отливке или вследствие износа возникают относительно небольшие дефекты. Обычно их исправляют ручной дуговой или газопламенной наплавкой. Такая технология трудоемка, требует тщательной подготовки поверхности, разделки дефектных мест. Наиболее технологична в таких случаях термитная наплавка, не требующая предварительной механической обработки и не нуждающаяся в расходовании энергии. Однако данный способ достаточно хорошо отработан лишь для случаев, когда требуется наплавить достаточно большую массу металла (от 1 кг и более ), тогда как для заварки малых дефектов нужно наплавлять 0,2–0,5 кг металла. Установлено, что такую массу металла можно наплавить термитной сваркой, используя форму в виде перевернутого стакана с полусферическим днищем (крышкой), выполненного из термостойкого материала (например, из формовочной земли, применяемой в литейном производстве), заполненного термитной шихтой 4 и установленного над исправляемым дефектом 1 на поверхности образца 2 (рис. 1). Наружная поверхность крышки 6 может быть сферической (рис. 1, а) или цилиндрической (рис. 1, б). В центре крышки 6 формы 3 должно быть выполнено отверстие 5, через которое поджигается шихта.

При опытно-промышленном опробовании процесса наплавки при исправлении дефектов удалось получить качественное соединение наплавляемого материала с основным. Однако в процессе наплавки раскаленные частицы шлака в виде брызг выбрасывались через отверстие в крышке и разлетались на 5–6 м от формы, что представляло опасность для рабочих, проводивших наплавку, поскольку температура внутри формы в результате экзотермической реакции между компонентами шихты достигает 3000 °C. Во время зажигания термитной шихты сварщик наклоняется над формой и направляет струю пламени газовой горелки в отверстие крышки. Шихта вспыхивает в течение нескольких секунд. За это время трудно отстраниться от формы, сварщик рискует получить первый, наиболее интенсивный выплеск частиц шлака в лицевую часть защитной маски. Также вероятны ожоги слабо защищенных частей тела. Кроме того, сварщик в начале наплавки вынужден вдыхать обильно выделяющийся дым, смешанный с аэрозолями, образующимися при реакции.

Цель данной работы — повышение безопасности процесса термитной наплавки при устранении малых поверхностных дефектов. Исследовался процесс горения во время наплавки термитной шихты, помещенной в форму с крышкой, имеющей сферическую внутреннюю поверхность. В качестве шихты использовали смесь алюминиевого порошка АПВ-4 (30 %) с железной окалиной (70 %), оставшейся после дробеструйной очистки термообработан-ных стальных деталей. Шихту замешивали на натриевом жидком стекле плотностью 1,49–1,52 г/см3. В крышке формы делали отверстие диаметром 5 мм. После сушки форму с шихтой устанавливали на поверхности образца — цилиндре диаметром 120 мм, длиной 50 мм из Ст45. На торце образца газопламенным резаком выплавляли имитатор дефекта в виде лунки диаметром 40–50 мм и глубиной 15–20 мм. Перед наплавкой образец с имитатором дефекта устанавливали на шамотный кирпич и подогревали кислородно-ацетиленовым пламенем до 900 °C. Затем на поверхности образца устанавливали заполненную термитной шихтой 4 форму 3 (см. рис. 1, б), полностью перекрывая имитатор дефекта 1, и поджигали термитную шихту газопламенной горелкой через отверстие 5 в крышке 6. На рис. 2 показано зажигание термитной шихты.

Шихта воспламенялась в течение 2–3 с, экзотермическая реакция продолжалась 18–20 с. Процесс горения шихты разделяется на три стадии. Начальная стадия начинается с момента воспламенения шихты и продолжается 5–7 с (рис. 3, а). Это очень бурная стадия, сопровождающаяся пироэффектом в виде интенсивного разбрызгивания (брызги разлетались на 5–6 м). Можно предположить, что пиро-эффект вызван избытком алюминиевого порошка в термитной шихте. Известно, что пироэффект при хорошо просушенной термитной шихте начинается, когда содержание алюминия в ней превышает 22 %. Однако установлено, что при малой порции шихты реакция горения наиболее устойчива и удовлетворительные результаты наплавки достигаются при 30%-ном содержании алюминия. На второй стадии горения (рис. 3, б) процесс становится более стабильным, количество брызг уменьшается, они разлетаются на 1,5–2 м. Ее продолжительность — 5–8 с, после чего она плавно переходит в конечную, третью стадию, которая протекает спокойно (рис. 3, в). Продолжительность — 3–5 с, разбрызгивание слабое, брызги значительно мельче и разлетаются не более чем на 0,5 м.

Брызги, образующиеся при экзотермической реакции, состоят из оксида алюминия — алюминиевого шлака. Более тяжелые частицы железной окалины и выделяющегося из нее железа, как правило, за пределы формы-ограждения не выходят. Шлак частично выплескивается наружу через отверстие в крышке и частично оседает на внутренней стенке формы. По окончании экзотермической реакции форма не разрушается. После ее удаления на поверхности образца остается полый шлаковый каркас, повторяющий контур внутренней поверхности формы и имеющий толщину стенки 1,5–3 мм. Этот каркас легко разрушается, после удаления его и корки шлака на поверхности образца обнажается поверхность наплавленного металла, полностью залившего полость имитатора дефекта.

Таким образом, наиболее опасный выплеск брызг происходит на первой стадии горения термитной шихты, когда брызги расплавленного шлака в центральной части формы, под отверстием в крышке, не встречают препятствия и интенсивно через него выбрасываются. К началу второй стадии между поверхностью несгоревшей шихты и внутренней поверхностью крышки образуется полость. Большинство брызг шлака, разлетаясь в этой полости и ударяясь о внутреннюю поверхность крышки, теряет кинетическую энергию. В результате через отверстие выходит меньше брызг, и разлетаются они с меньшей скоростью. На третьей стадии расстояние между поверхностью горящей шихты и внутренней поверхностью крышки увеличивается так, что до отверстия долетают лишь отдельные брызги.

Эти особенности горения термитной шихты в форме, обусловливающие стадийность процесса, позволяют предположить, что опасное выделение брызг расплавленного шлака уменьшится, если крышку формы не заполнять шихтой, оставив в ней полость. Однако при разработке технологии исправления малых дефектов было показано, что заполнить полость дефекта жидким металлом, выделяющимся при экзотермической реакции, можно, только если полностью заполнить форму шихтой. Возникает противоречие: форма должна быть заполнена шихтой полностью, чтобы обеспечить качественное формирование металла в полости дефекта, но шихта не должна полностью заполнять форму, чтобы обезопасить работу сварщика.

 

Это противоречие устранено следующим образом. Термитной шихтой полностью заполнили цилиндрическую часть формы, оставив полость крышки свободной. Чтобы в ходе реакции обеспечить давление на реагирующую шихту, которое способствует заполнению полости дефекта жидким металлом, на ее поверхности установили преграду для образующихся при горении газов и брызг шлака. Для этого внутрь формы со стороны крышки вставили перегородку из термостойкого материала в виде диска с центральным отверстием, соосным с отверстием в крышке. Кроме того, в диске выполнили четыре отверстия, расположив их вокруг центрального, чтобы обеспечить выход брызг, направив их в полость крышки и на ее внутреннюю поверхность. Диаметры всех отверстий в перегородке и крышке приняли одинаковыми и равными 5 мм. На рис. 4 представлена схема формы с внутренней перегородкой, где A — разрез.

Экспериментальная проверка формы новой конструкции показала, что с помощью газопламенной сварочной горелки через отверстия в крышке и перегородке термитная шихта зажигается практически так же быстро, как и при использовании формы без перегородки. На начальной стадии горения шихты брызги расплавленного шлака почти полностью оставались внутри полости крышки формы. В первые 2–3 с процесса горения шихты наблюдались вылетающие через отверстие в крышке брызги, которые разлетались не далее чем на 0,5 м. Характер выброса газа и брызг был примерно такой же, как и на третьей стадии горения в полностью заполненной шихтой форме без перегородки. Струя дыма, выходящая через отверстие в крышке, становилась менее интенсивной. Вторая и третья стадии слились. В этот период наблюдались отдельные слабые брызги в виде искр. Качество наплавки при использовании форм старой и новой конструкций было практически одинаковым.

Таким образом, применение формы с внутренней перегородкой для экзотермической наплавки при исправлении поверхностных дефектов стального литья позволяет решить проблему безопасности труда сварщиков.