Термитная сварка

Основным высококалорийным горючим, применяющимся в термитных смесях, является алюминий. После кислорода и крем­ния алюминий является самым распространенным элементом земной коры и составляет около 8% массы Земли (железо 4,7%).

Алюминий в тонкоизмельченном состоянии при нагревании на воздухе быстро окисляется, выделяя большое количество тепла, и образует окись алюминия А1₂Oз—прочное химическое соединение с температурой плавления 2050° и температурой кипения 2980°. Теплота образования окиси алюминия 378 ккал/моль.

Удельный вес алюминия 2,7 г/см^ъ при 20°; в расплавленном состоянии, при температуре 1000^°C - 2,35 г/см^г. Температура плав­ления технически чистого алюминия (99,5%)—659,8°; температу­ра кипения—2400°. Для окисления алюминия на 1,12 г металла требуется 1 г кислорода. При этом алюминий, сгорая, выделяет 714 кал тепла и развивает температуру до 3000°.

Принцип получения трудновосстанавливаемых металлов из их окислов впервые был выдвинут крупнейшим русским ученым-химиком, основоположником современной физической химии Н. Н. Бекетовым. В 1865 г. в своей докторской диссертации «Ис­следования над явлениями вытеснения одних элементов другими» Бекетов превратил этот принцип в научную теорию, заложив ос­нову алюминотермии. Он установил, что алюминий обладает очень большой активностью, соединяясь с кислородом, и что при опре­деленных условиях алюминий легко восстанавливает из окислов другие металлы, стоящие правее его в таблице напряжений хими­ческих элементов.

Сварочный термит состоит из порошкообразного металличе­ского алюминия и окислов железа в виде окалины (технологиче­ского отхода горячей обработки стали), а также различных при­садок, вводимых в шихту для легирования получаемой стали.

Какие условия необходимы для начала термитной реакции?

1. Термитная шихта должна быть рассчитана так, чтобы в ходе реакции выделилось необходимое количество тепла для расплавления и перегрева конечных продуктов термитной реакции.

2. Компоненты термитной шихты: алюминиевый порошок и оки­слы железа должны быть мелких фракций и тщательно переме­шаны.

3. Для начала термитной реакции в любой точке термитной шихты необходимо создать температурный толчок не ниже 1350°, после чего термитная реакция быстро распространится на всю шихту.

В результате термитной реакции, которая в течение 15—30 сек. протекает очень активно, образуются металл (около 50% от пер­воначального веса термитной шихты) и шлак.

В процессе термитной реакции часть тепла расходуется на на­гревание стенок тигля, лучеиспускание и т. д. Однако, несмотря на это, количество выделяющегося тепла достаточно для того, чтобы расплавить шихту и перегреть продукты реакции—жидкий металл и шлак—до 2600—2700°. Это обусловливает возможность получения чистого металла, так как благодаря значительной раз­нице в удельных весах жидкий шлак всплывает на поверхность, а металл опускается на дгго тигля.

Качество термитного металла определяется физико-химически­ми свойствами компонентов шихты.

Для получения металла (стали) нужного химического состава в шихту вводят в измельченном состоянии легирующие матери­алы: ферромарганец, ферромолибден, ферротитан, феррованадий, углерод и т. д.

Измельчзнная легирующая присадка закладывается в тигель вместе с термитными компонентами.

Участие легирующих элементов в термитной реакции—очень многообразно: они легируют термитную сталь, раскисляют и ра­финируют ее. Кроме того, они частично теряются—испаряются и переходят в шлак.

Ценные ферросплавы (ферротитан, феррованадий и др.) повышают прочность термитной стали, так как в ходе реакции, находясь в'" жидком состоянии, они образуют карбидную фазу ти­тана и ванадия. Наличие в стали перечисленных карбидов уве­личивает ее мелкозернистость, повышает твердость и т. п.

Длительность термитной реакции от момента зажигания тер­мита до ее окончания и полного отделения металла от шлака на­ходится в прямой зависимости от количества сжигаемого тер­мита и колеблется от 15 до 40—50 сек.

При одновременном сжигании больших количеств термита ре­акция протекает с относительно небольшими потерями тепла.

Термитные смеси в зависимости от их назначения можно ус­ловно разделить на следующие группы:

1) элементарная термитная смесь — железная окалина плюс алюминиевый порошок в стехиометрическом соотношении;

2) термит для сварки рельсовых стыков. В шихту вводится стальной наполнитель—мелкие кусочки малоуглеродистой прово^ локи или стальная малоуглеродистая стружка, ферромарганец и порошкообразный графит;

3) термит для сварки легированных сталей. В качестве при­садки используются ферротитан, феррованадий и др.;

4) термит для сварки чугуна. В присадку вводится значитель­ное количество кремния. Марганец исключается. Высокое содер­жание кремния в термитном металле способствует выделению графита в сварочной и переходной зонах и обеспечивает получе­ние достаточно прочных сварных соединений;

5) термит для сварки высокомарганцовистых сталей. В этот термит вводится увеличенное количество марганца и углерода в виде ферромарганца и чугунной стружки;

6) специальные термиты — пиротехнические, для наварки пода в металлургических печах, уменьшения усадочных раковин в слит­ках, вторичного дробления минералов и руд, изготовления термитных брикетов и т. п.

1. История развития производства термита и термитной сварки рельсов

В Москве термитную сварку впервые применили в 1915 г., когда было сварено 126 стыков. В 1918 г. сварили еще 151 стык. С 1923 г. в трамвайных путях столицы начинают регулярно варить стыки термитом. До 1925 г. стыки сваривали импортным терми­том. В 1925 г. на Московском термитно-стрелочном заводе инже­нером М. А. Карасевым было налажено промышленное производ­ство термита.

М. А. Карасев внес крупный вклад в развитие алюминотер­мии, организовав на базе отечественной технологии выпуск тер­митных смесей для народного хозяйства. Он предложил рацио­нальные способы производства алюминиевого порошка и термита. Ему были выданы авторские свидетельства на «аппарат для по­лучения зерноволокнистого алюминия», «шаровой мельницы для производства алюминиевого порошка», «механической нагрева­тельной печи для обжига железной обсечки и окалины при изго­товлении термита» и т. п.

В последующие годы в путях московского трамвая было сва­рено термитом свыше 100 000 стыков.

Сварка производилась двумя способами: комбинированным и врасклинку. Ввиду того, что стыки, свариваемые последним спо­собом, Часто выходили из строя, к 1931 г. этот способ перестали применять. Вместо него начали внедрять способ сварки промежу­точным литьем. Одновременно начали применять способ сварки «дуплекс» (способ промежуточного литья с последующим прессо­ванием). Однако этот способ не получил широкого распростране­ния из-за сложности технологического процесса.

Качество сварки термитных стыков за первые 10 лет ежегод­но улучшалось, и количество лопнувших (в течение года) стыков в среднем не превышало 0,8%.

Применение отечественного термита для сварки рельсовых стыков показало его превосходство перед импортировавшимся тер­митом. В стыках рельсов, сваренных отечественным термитом, значительно меньше процент брака. Это подтверждают резуль­таты эксплуатации первой очереди Московского метрополитена. Так, например, каждый рельсовый стык на участке Сокольники— Парк культуры в 1938 г. выдержал 13,4 млн. ударов с грузона­пряженностью 53 млн. т-км.

В 1936 г. вышло из строя 0,17% от количества эксплуатируе­мых в путях стыков, в 1937 и 1938 г. — по 0,5%.

Из приведенного количества выбывших из строя стыков 75% разрушились из-за наличия болтовых отверстий в зоне сварки.

В эти же годы термит стали внедрять в другие отрасли народ­ного хозяйства. В частности, была разработана и успешно осу­ществлена термитная сварка стыков легированных труб первого прямоточного котла высокого давления; начали применять также термитную сварку для ремонта крупногабаритных стальных де­талей: валов, колонн и т. п.