RU2835060C1 - Method of preparing aluminothermic mixture for welding rails by intermediate casting and aluminothermic mixture produced by this method - Google Patents
Method of preparing aluminothermic mixture for welding rails by intermediate casting and aluminothermic mixture produced by this method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2835060C1 RU2835060C1 RU2024109678A RU2024109678A RU2835060C1 RU 2835060 C1 RU2835060 C1 RU 2835060C1 RU 2024109678 A RU2024109678 A RU 2024109678A RU 2024109678 A RU2024109678 A RU 2024109678A RU 2835060 C1 RU2835060 C1 RU 2835060C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixture
- aluminothermic
- scale
- reaction mixture
- iron
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области алюминотермитной сварки стальных элементов и может быть использована в различных областях техники для жесткого, прочного, долговременного соединения всех видов рельсов, в частности, рельсов железнодорожных и трамвайных путей, контактных рельсов в метрополитенах, рельсов подкрановых путей и рельсов другого назначения.The group of inventions relates to the field of aluminothermic welding of steel elements and can be used in various fields of technology for rigid, strong, long-term connection of all types of rails, in particular, rails of railway and tram tracks, contact rails in subways, rails of crane tracks and rails for other purposes.
Известен способ приготовления термитной смеси для сварки рельсов методом промежуточного литья, включающий подготовку компонентов смеси, содержащей окалину заданной фракции, фасовку всех компонентов термитной смеси в соответствии с рецептурой, их смешивание и вакуумную упаковку доз термитной смеси, при этом при подготовке окалины осуществляют ее дробление, магнитное сепарирование и окислительный обжиг в проходных барабанных печах, при этом перед дроблением окалины ее подвергают грубой очистке с последующей сушкой и охлаждением, а после дробления проводят ее фракционное разделение с выделением фракций 0,26-1,00 и 0,10-0,25 мм и последующее магнитное раздельное сепарирование упомянутых фракций, после чего осуществляют окислительный обжиг отдельно каждой фракции окалины, причем обжиг фракций 0,26-1,00 мм проводят при температуре 800-950°С, а обжиг фракций 0,10-0,25 мм - при температуре 700-750°С, затем производят охлаждение окалины и ее подачу на фасовку всех компонентов термитной смеси в соответствии с рецептурой, при этом требуется раздельный обжиг каждой фракции окалины 0,10-0,25 мм и 0,26-1,00 мм, при разном температурном режиме (см. патент на изобретение RU №2685453, МПК B23K 23/00 (2006.01), 08.04.2019 г.).A method is known for preparing a thermite mixture for welding rails by the intermediate casting method, including preparing the components of the mixture containing scale of a given fraction, packaging all the components of the thermite mixture in accordance with the recipe, mixing them and vacuum packing the thermite mixture doses, wherein during the preparation of the scale it is crushed, magnetically separated and oxidatively roasted in continuous drum furnaces, wherein before crushing the scale it is subjected to rough cleaning with subsequent drying and cooling, and after crushing it is fractionally separated with the allocation of fractions of 0.26-1.00 and 0.10-0.25 mm and subsequent magnetic separate separation of the said fractions, after which oxidative roasting is carried out separately for each fraction of the scale, wherein the roasting of fractions of 0.26-1.00 mm is carried out at a temperature of 800-950 ° C, and the roasting of fractions 0.10-0.25 mm - at a temperature of 700-750 °C, then the scale is cooled and fed to the packaging of all components of the thermite mixture in accordance with the recipe, while separate firing of each fraction of scale 0.10-0.25 mm and 0.26-1.00 mm is required, at different temperature conditions (see patent for invention RU No. 2685453, IPC B23K 23/00 (2006.01), 08.04.2019).
Данный способ имеет низкий выход готового продукта, не более 30%, значительное спекание мелкой фракции окалины, что не обеспечивает необходимую прочность сварного шва.This method has a low yield of the finished product, no more than 30%, significant sintering of the small fraction of scale, which does not provide the necessary strength of the weld.
Известна алюминотермитная смесь для сварки металлических элементов, содержащая железную окалину, предварительно измельченную и прокаленную для перевода оксидов металлов в высшие степени окисления, порошок алюминия и легирующие присадки, выбранные из группы, содержащей: ферромарганец, ферромолибден, ферроникель, феррохром, феррованадий, которая дополнительно содержит легирующие присадки, выбранные из группы, содержащей ферросплавы кремния, вольфрама, селена, титана, ниобия, кобальта, циркония, при этом легирующие присадки введены в количествах, обеспечивающих их суммарное содержание не свыше 10% от массы алюминотермитной смеси, при этом использованы железная окалина, содержащая не свыше 2,5% неметаллических примесей и с размером частиц не свыше 0,50 мм, а порошок алюминия размером не свыше 0,5 мм, при этом смесь имеет мелкий фракционный состав менее 0,5 мм и требуется повторное прокаливание окалины после дробления крупной фракции из-за снижения кислородного баланса (см. патент на изобретение RU №2797469, МПК B23K 35/24 (2006.01), МПК B23K 23/00 (2006.01), 06.06.2023 г.).An aluminothermic mixture is known for welding metal elements, containing iron scale, preliminarily crushed and calcined to convert metal oxides to higher oxidation states, aluminum powder and alloying additives selected from the group containing: ferromanganese, ferromolybdenum, ferronickel, ferrochrome, ferrovanadium, which additionally contains alloying additives selected from the group containing ferroalloys of silicon, tungsten, selenium, titanium, niobium, cobalt, zirconium, wherein the alloying additives are introduced in quantities that ensure their total content of no more than 10% of the mass of the aluminothermic mixture, wherein iron scale is used, containing no more than 2.5% of non-metallic impurities and with a particle size of no more than 0.50 mm, and aluminum powder with a size of no more than 0.5 mm, wherein the mixture has a fine fractional composition of less than 0.5 mm and is required re-calcination of scale after crushing of a large fraction due to a decrease in the oxygen balance (see patent for invention RU No. 2797469, IPC B23K 35/24 (2006.01), IPC B23K 23/00 (2006.01), 06.06.2023).
Данная смесь имеет низкий выход готового продукта, значительное спекание мелкой фракции окалины, что не обеспечивает необходимую прочность сварного шва.This mixture has a low yield of the finished product, significant sintering of the small fraction of scale, which does not provide the necessary strength of the weld.
Наиболее близкой к предлагаемой группе изобретений по совокупности существенных признаков является группа изобретений: Алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья и Способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья (см. патент на изобретение RU №2446928 С1, МПК B23K 23/00 (2006.01), МПК С21В 15/02 (2006.01), 10.04.2012 г.), согласно которым:The closest to the proposed group of inventions in terms of the set of essential features is the group of inventions: Aluminothermic reaction mixture for welding railway rails by the intermediate casting method and the Method for preparing an aluminothermic reaction mixture for welding railway rails by the intermediate casting method (see patent for invention RU No. 2446928 C1, IPC B23K 23/00 (2006.01), IPC C21B 15/02 (2006.01), 10.04.2012), according to which:
- способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, включающий смешивание в стехиометрическом соотношении оксидов железа в виде окалины, металлического алюминия в качестве восстановителя, легирующих добавок в виде ферросплавов и стального наполнителя, при этом перед смешиванием окалину модифицируют с продувкой воздухом в зоне прокаливания и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке;- a method for preparing an aluminothermic reaction mixture for welding railway rails by the intermediate casting method, which includes mixing in a stoichiometric ratio iron oxides in the form of scale, metallic aluminum as a reducing agent, alloying additives in the form of ferroalloys and steel filler, whereby before mixing the scale is modified by blowing air into the calcination zone and stabilization of the coherent-dispersed structured system is carried out by vacuuming in an elastic airtight package;
- алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, содержащая в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде окалины, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов и стальной наполнитель, при этом все компоненты смеси перемешаны до равномерного распределения компонентов в объеме смеси и образования связнодисперсной структурированной системы, которая стабилизирована путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке.- an aluminothermic reaction mixture for welding railway rails by the intermediate casting method, containing in a stoichiometric ratio iron oxides in the form of scale, metallic aluminum as a reducing agent, alloying additives in the form of ferroalloys and a steel filler, with all components of the mixture mixed until the components are uniformly distributed throughout the volume of the mixture and a coherent, dispersed structured system is formed, which is stabilized by vacuuming in an elastic, airtight package.
Известные способ и устройство - способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья рельсовый стык и алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов имеют низкий выход готового продукта и значительное спекание мелкой фракции окалины, что сказывается на прочности сварного шва, что обусловлено: диапазоном температуры прокаливания 150-1000°С, т.к. до 450°С процесс окисления FeO→Fe2O3 происходит медленно и не имеет промышленного значения, при 1000°С идет излишнее спекание окалины; кроме того, трудно распределить равномерно легирующие ферродобавки, в общем объеме алюминотермитной смеси, который составляет примерно 4,8 литра (для стандартного стыка 25 мм), гранулометрический состав окалины размером 0,1-5,0 мм и гранулометрический состав легирующих ферросплавов размером 1,0-5,0 мм, (полнотелый шар диаметром 5,0 мм ферромолибдена весит 4,6 грамма), при этом смесь имеет две фракции порошка алюминия, каждая из которых дозируются отдельно.The known method and device - the method of preparing an aluminothermic reaction mixture for welding railway rails by the method of intermediate casting of a rail joint and an aluminothermic reaction mixture for welding railway rails have a low yield of the finished product and significant sintering of the small fraction of scale, which affects the strength of the weld, which is due to: the calcination temperature range of 150-1000 ° C, since up to 450 ° C the oxidation process FeO → Fe 2 O 3 occurs slowly and has no industrial significance, at 1000 ° C there is excessive sintering of scale; In addition, it is difficult to distribute the alloying ferro additives evenly in the total volume of the aluminothermic mixture, which is approximately 4.8 liters (for a standard 25 mm joint), the granulometric composition of the scale is 0.1-5.0 mm in size and the granulometric composition of the alloying ferroalloys is 1.0-5.0 mm in size (a solid ball of ferromolybdenum with a diameter of 5.0 mm weighs 4.6 grams), while the mixture has two fractions of aluminum powder, each of which is dosed separately.
Известные способ и устройство - способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья рельсовый стык и алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов имеют низкий выход готового продукта, значительное спекание мелкой фракции окалины, что не обеспечивает необходимую прочность сварного шва.The known method and device - a method for preparing an aluminothermic reaction mixture for welding railway rails by the method of intermediate casting of a rail joint and an aluminothermic reaction mixture for welding railway rails have a low yield of the finished product, significant sintering of the small fraction of scale, which does not provide the necessary strength of the weld.
Задача группы изобретений заключается в повышении прочности сварного шва за счет увеличения кислородного баланса окалины для алюминотермитной реакционной смеси.The objective of the group of inventions is to increase the strength of the weld seam by increasing the oxygen balance of the scale for the aluminothermic reaction mixture.
Техническим результатом при использовании предлагаемой группы изобретений является повышение прочности алюминотермитного сварного шва за счет увеличения кислородного баланса окалины для алюминотермитной реакционной смеси и увеличение теплотворной способности алюминотермитной реакционной смеси.The technical result of using the proposed group of inventions is an increase in the strength of the aluminothermic weld seam due to an increase in the oxygen balance of the scale for the aluminothermic reaction mixture and an increase in the calorific value of the aluminothermic reaction mixture.
Указанный технический результат в части способа достигается тем, что в способе приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, включающего смешивание в стехиометрическом соотношении оксидов железа в виде окалины, металлического алюминия в качестве восстановителя, легирующих добавок в виде ферросплавов, при этом перед смешиванием окалину модифицируют с продувкой воздухом в зоне прокаливания и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки смесь дополнительно содержит углерод в виде графита, а в качестве наполнителя смесь содержит шарики диаметром 1,8 мм из чистого железа с содержанием железа не менее 98%, при модификации окалины одновременно с продувкой воздухом осуществляют непрерывную подачу перегретого водяного пара и получают алюминотермитную реакционную смесь со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe2O3 не менее 75%, ингредиенты которой имеют одинаковый гранулометрический состав с разветвленной структурой, при этом насыпная плотность алюминотермитной смеси не превышает 2,3 кг/дм3.The specified technical result in terms of the method is achieved in that in the method for preparing an aluminothermic reaction mixture for welding railway rails by the intermediate casting method, including mixing in a stoichiometric ratio iron oxides in the form of scale, metallic aluminum as a reducing agent, alloying additives in the form of ferroalloys, wherein before mixing the scale is modified with air blowing in the calcination zone and stabilization of the coherent-dispersed structured system is carried out by vacuuming in an elastic airtight package, characterized in that as an alloying additive the mixture additionally contains carbon in the form of graphite, and as a filler the mixture contains balls with a diameter of 1.8 mm made of pure iron with an iron content of at least 98%, during modification of the scale simultaneously with air blowing, a continuous supply of superheated water vapor is carried out and an aluminothermic reaction mixture is obtained with an oxidation state of divalent iron FeO to trivalent Fe 2 O 3 not less than 75%, the ingredients of which have the same granulometric composition with a branched structure, while the bulk density of the aluminothermic mixture does not exceed 2.3 kg/dm 3 .
Предпочтительно, кроме того, что используют перегретый водяной пар температурой до 150°С, давлением до 0,45 МПа, расход пара составляет до 15 кг/час.Preferably, in addition to using superheated water vapor with a temperature of up to 150°C and a pressure of up to 0.45 MPa, the steam consumption is up to 15 kg/hour.
Указанный технический результат в части смеси достигается тем, что в алюминотермитной реакционной смеси для сварки рельсов методом промежуточного литья, содержащей в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде окалины, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов, при этом все компоненты смеси перемешаны до равномерного распределения компонентов в объеме смеси и образования связнодисперсной структурированной системы, которая стабилизирована путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке, отличающаяся тем, в качестве легирующей добавки смесь дополнительно содержит углерод в виде графита, а в качестве наполнителя смесь содержит шарики диаметром 1,8 мм из чистого железа с содержанием железа не менее 98%, что все ингредиенты алюминотермитной смеси имеют одинаковый гранулометрический состав с разветвленной структурой, степень окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe2O3 составляет не менее 75% и насыпная плотность алюминотермитной смеси не превышает 2,3 кг/дм3. Предпочтительно, кроме того, что гранулометрический состав смеси составляет 0,16-1,8 мм. Предпочтительно, кроме того, что насыпная плотность модифицированной окалины составляет 1,35-1,45 кг/дм3.The specified technical result in terms of the mixture is achieved by the fact that in the aluminothermic reaction mixture for welding rails by the intermediate casting method, containing in a stoichiometric ratio iron oxides in the form of scale, metallic aluminum as a reducing agent, alloying additives in the form of ferroalloys, wherein all components of the mixture are mixed until the components are uniformly distributed in the volume of the mixture and a coherent dispersed structured system is formed, which is stabilized by vacuuming in an elastic airtight package, characterized in that the mixture additionally contains carbon in the form of graphite as an alloying additive, and as a filler the mixture contains balls with a diameter of 1.8 mm made of pure iron with an iron content of at least 98%, that all ingredients of the aluminothermic mixture have the same granulometric composition with a branched structure, the degree of oxidation of divalent iron FeO to trivalent Fe 2 O 3 is at least 75% and the bulk density of the aluminothermic mixture does not exceed 2.3 kg/ dm3 . It is preferable, in addition, that the granulometric composition of the mixture is 0.16-1.8 mm. It is preferable, in addition, that the bulk density of the modified scale is 1.35-1.45 kg/ dm3 .
Модификация окалины с продувкой воздухом и одновременно с непрерывной подачей перегретого водяного пара ускоряет процесс окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe2O3. Подача перегретого водяного пара привела к увеличению выхода трехвалентного оксида железа со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe2O3 не менее 75% и гранулометрический состав Fe2O3 с разветвленной структурой. Разветвленная структура образующийся окалины позволяет вести процесс окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe2O3 не только на поверхности частиц окалины, но и внутри, поэтому при последующим дроблении кислородное соотношение не падает и не требуется повторное прокаливание.Modification of scale with air blowing and simultaneously with continuous supply of superheated water vapor accelerates the process of oxidation of divalent iron FeO to trivalent Fe 2 O 3 . Supply of superheated water vapor led to an increase in the yield of trivalent iron oxide with an oxidation degree of divalent iron FeO to trivalent Fe 2 O 3 of at least 75% and a granulometric composition of Fe 2 O 3 with a branched structure. The branched structure of the resulting scale allows for the oxidation of divalent iron FeO to trivalent Fe 2 O 3 not only on the surface of the scale particles, but also inside, therefore, during subsequent crushing, the oxygen ratio does not drop and re-calcination is not required.
Водяной пар активизирует процесс окисления, способствует образованию Fe2O3 нужного фракционного состава с получением стабильной, химически однородной модифицированной железной окалины, при этом повышается производительность печей на 30%.Water vapor activates the oxidation process, promotes the formation of Fe 2 O 3 of the required fractional composition with the production of stable, chemically homogeneous modified iron scale, while increasing furnace productivity by 30%.
Кроме того, подача перегретого водяного пара снизила спекание мелкой фракции - при прокаливании мелкая фракция не спекается, что увеличило выход готового продукта более чем на 30%.In addition, the supply of superheated water vapor reduced the sintering of the fine fraction - during calcination, the fine fraction does not sinter, which increased the yield of the finished product by more than 30%.
Алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, имеет окалину со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe2O3 не менее 75%, гранулометрический состав 0,16-1,2 мм с разветвленной структурой, причем насыпная плотность окалины модифицированной прокаливанием с подачей перегретого водяного пара составляет 1,35-1,45 кг/дм3.Aluminothermic reaction mixture for welding railway rails by the intermediate casting method, has a scale with a degree of oxidation of divalent iron FeO to trivalent Fe 2 O 3 of at least 75%, a granulometric composition of 0.16-1.2 mm with a branched structure, and the bulk density of the scale modified by calcination with the supply of superheated water vapor is 1.35-1.45 kg/dm 3 .
Увеличение плотности, свыше 1,45 кг/дм3, ведет к замедлению реакции в результате мы теряем энергию (из-за остывания и рассеивания в окружающую среду), что приводит к не сплавлению металла промежуточного литья и металла рельса и снижению прочности сварного шва.An increase in density, above 1.45 kg/ dm3 , leads to a slowdown in the reaction, as a result of which we lose energy (due to cooling and dissipation into the environment), which leads to non-fusion of the intermediate casting metal and the rail metal and a decrease in the strength of the weld.
Уменьшение плотности, меньше 1,35 кг/дм3, приводит к очень бурной реакции и разбрызгиванию металла и продуктов реакции, шлак не успевает отделиться от металла, что приводит к неоднородности металла сварного шва и снижению прочности сварного шва.A decrease in density, less than 1.35 kg/ dm3 , leads to a very violent reaction and splashing of metal and reaction products, the slag does not have time to separate from the metal, which leads to heterogeneity of the weld metal and a decrease in the strength of the weld.
При сварке всех видов рельсов, в частности, рельсов железнодорожных и трамвайных путей, контактных рельсов в метрополитенах, рельсов подкрановых путей и рельсов другого назначения получаем однородную мелкокристаллическую, без вкрапления дефектов в виде шлака и других неоднородностей, структуру металла сварного шва.When welding all types of rails, in particular, railway and tram rails, contact rails in subways, crane track rails and rails for other purposes, we obtain a homogeneous fine-crystalline structure of the weld metal, without inclusions of defects in the form of slag and other inhomogeneities.
Результаты испытаний контрольных образцов сварного рельса на прочность больше чем в ГОСТ 34664-2020 и требования ОАО РЖД по ТУ 24.10.75-337-01124323-2019 на 10% (не менее 1400 кН по ТУ 24.10.75-337-01124323-2019 и более 1540 кН результаты испытаний контрольных образцов).The results of testing control samples of welded rails for strength are greater than those specified in GOST 34664-2020 and the requirements of JSC Russian Railways according to TU 24.10.75-337-01124323-2019 by 10% (not less than 1400 kN according to TU 24.10.75-337-01124323-2019 and more than 1540 kN test results of control samples).
Алюминотермитная реакционная смесь для сварки рельсов методом промежуточного литья содержит в стехиометрическом соотношении оксиды железа в виде окалины, металлический алюминий в качестве восстановителя, легирующие добавки в виде ферросплавов и стальной наполнитель в виде чистого железа в виде шариков диаметром 1,8 мм, в котором содержание Fe составляет не менее 98,0%, при этом все компоненты смеси перемешаны до равномерного распределения компонентов в объеме смеси и образования связнодисперсной структурированной системы, которая стабилизирована путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке.The aluminothermic reaction mixture for welding rails by the intermediate casting method contains, in a stoichiometric ratio, iron oxides in the form of scale, metallic aluminum as a reducing agent, alloying additives in the form of ferroalloys and a steel filler in the form of pure iron in the form of balls with a diameter of 1.8 mm, in which the Fe content is at least 98.0%, while all components of the mixture are mixed until the components are uniformly distributed in the volume of the mixture and a coherent dispersed structured system is formed, which is stabilized by vacuuming in an elastic airtight package.
Основное назначение алюминотермитной реакционной смеси при сварке рельсов состоит в обеспечении протекания трех процессов: 1 - химической реакции, продуктом которой является железо для промежуточного литья, 2 - металлургического процесса плавки стали заданного химического состава, 3 - сварки, в результате заполнения формы между свариваемыми концами рельсов, происходить образование сварного шва, обеспечивающего повышение прочности сварного соединения рельсов.The main purpose of the aluminothermic reaction mixture in rail welding is to ensure the occurrence of three processes: 1 - a chemical reaction, the product of which is iron for intermediate casting, 2 - a metallurgical process of melting steel of a given chemical composition, 3 - welding, as a result of filling the mold between the ends of the rails to be welded, a weld seam is formed, ensuring an increase in the strength of the welded joint of the rails.
Алюминотермитная химическая реакция основана на восстановлении железа из его оксидов путем окисления алюминия и относится к экзотермическим реакциям. Выделившееся в результате химической реакции избыточное тепло обеспечивает:The aluminothermic chemical reaction is based on the reduction of iron from its oxides by oxidation of aluminum and is an exothermic reaction. The excess heat released as a result of the chemical reaction provides:
- процесс варки стали, при котором происходит плавление железа с равномерно распределенными легирующими добавками- a steel making process in which iron is melted with uniformly distributed alloying additives
- разделение образовавшегося шлака, состоящего в основном из оксидов алюминия и других продуктов реакции;- separation of the resulting slag, consisting mainly of aluminum oxides and other reaction products;
- высокую температуру стали, необходимую для промежуточного литья.- high temperature of steel required for intermediate casting.
Алюминотермитная реакционная смесь представляет собой полидисперсную систему, вещества, входящие в состав алюминотермитной реакционной смеси, находятся в диспергированном состоянии с частицами разных размеров и форм. Основная сложность в проведении термитной реакции с последующей стадией выплавки стали заключается в получении стабильности и повторяемости ее параметров: скорости, равномерности, времени протекания реакции, температуры металла и получение прочного сварного соединения рельсов. Количества выделившегося тепла и температура расплавленной стали, должно хватать для возможности управления процессом и изменения параметров. Возможность управления реакцией алюминотермии достигается путем изменения кислородного баланса между Fe2O3 и FeO, от которых зависит скорость и температура реакции, качество образующегося термитного расплавленного металла и прочность сварного соединения.The aluminothermic reaction mixture is a polydisperse system, the substances included in the aluminothermic reaction mixture are in a dispersed state with particles of different sizes and shapes. The main difficulty in carrying out the thermite reaction with the subsequent stage of steel smelting is to achieve stability and repeatability of its parameters: speed, uniformity, reaction time, metal temperature and obtaining a strong welded joint of the rails. The amount of heat released and the temperature of the molten steel must be sufficient to control the process and change the parameters. The ability to control the aluminothermic reaction is achieved by changing the oxygen balance between Fe 2 O 3 and FeO, on which the speed and temperature of the reaction, the quality of the resulting thermite molten metal and the strength of the welded joint depend.
Алюминотермитная реакционная смесь для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья, изготовленная по способу по п. 1, имеет окалину со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe2O3 не менее 75%, одинаковый гранулометрический состав 0,16-1,8 мм, модифицированная окалина имеет разветвленную структуру, причем насыпная плотность окалины модифицированной прокаливанием с подачей перегретого водяного пара составляет 1,35-1,45 кг/дм3.An aluminothermic reaction mixture for welding railway rails by the intermediate casting method, manufactured according to the method of paragraph 1, has a scale with a degree of oxidation of divalent iron FeO to trivalent Fe 2 O 3 of at least 75%, the same granulometric composition of 0.16-1.8 mm, the modified scale has a branched structure, and the bulk density of the scale modified by calcination with the supply of superheated water vapor is 1.35-1.45 kg/dm 3 .
Одинаковый гранулометрический состав 0,16-1,8 мм с разветвленной структурой обеспечивает стабильность протекания алюминотермитной реакции, что повышает прочность сварного шва, причем оптимальное время протекания реакции составляет 10±1 секунд с временем автоматического открытия литникового затвора на 26±5 секунде.The same granulometric composition of 0.16-1.8 mm with a branched structure ensures the stability of the aluminothermic reaction, which increases the strength of the weld, and the optimal reaction time is 10±1 seconds with an automatic opening time of the sprue gate at 26±5 seconds.
Весовые пропорции термитной смеси (мас. %): 66,0% смесь оксидов железа двухвалентного FeO и трехвалентного Fe2O3, при этом смесь оксидов железа содержит не менее 75% трехвалентного оксида железа Fe2O3, 22,0% порошок алюминия. Остальные легирующие добавки: ферромарганец ≤3,0%; ферромолибден ≤0,5%; ферротитан ≤0,5%; феррованадий ≤0.5%; углерод в виде графита ≤0,7%; чистое железо, в виде металлических шариков диаметром 1,8 мм ≤10,0%.The weight proportions of the thermite mixture (wt. %): 66.0% mixture of divalent iron oxides FeO and trivalent iron oxide Fe 2 O 3 , wherein the iron oxide mixture contains at least 75% trivalent iron oxide Fe 2 O 3 , 22.0% aluminum powder. Other alloying additives: ferromanganese ≤3.0%; ferromolybdenum ≤0.5%; ferrotitanium ≤0.5%; ferrovanadium ≤0.5%; carbon in the form of graphite ≤0.7%; pure iron, in the form of metal balls with a diameter of 1.8 mm ≤10.0%.
Весовые пропорций термитной смеси, используемые при сварке, позволяют получать стабильный химический состав металла сварного шва, что подтверждают результаты спектрального анализа образцов, представленные в примерах:The weight proportions of the thermite mixture used in welding allow obtaining a stable chemical composition of the weld metal, which is confirmed by the results of spectral analysis of the samples presented in the examples:
Пример 1.Example 1.
Пример 2.Example 2.
Пример 3.Example 3.
Алюминотермитная реакционная смесь, полученная из железной окалины, обработанной таким способом, имеет следующие преимущества: прочность сварного шва и его механические характеристики соответствуют требованиям РЖД, обеспечиваем стабильное протекание реакции, равномерное распределение легирующих добавок в металле шва, более высокая калорийность, что позволяет путем добавления чистого железа (содержание Fe не менее 98,0%) в виде шариков диметром 1,8 мм регулировать температуру жидкого метала и скорость протекания реакции.The aluminothermic reaction mixture obtained from iron scale processed in this way has the following advantages: the strength of the weld and its mechanical characteristics meet the requirements of the Russian Railways, we ensure a stable reaction, uniform distribution of alloying additives in the weld metal, higher calorific value, which allows by adding pure iron (Fe content of at least 98.0%) in the form of balls with a diameter of 1.8 mm to regulate the temperature of the liquid metal and the reaction rate.
Способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки железнодорожных рельсов методом промежуточного литья осуществляется следующим образом.The method for preparing an aluminothermic reaction mixture for welding railway rails using the intermediate casting method is carried out as follows.
Смешивают в стехиометрическом (3:1) соотношении (мас. %) оксиды железа в виде окалины 66,0%, металлический алюминий 22,0% в виде порошка в качестве восстановителя, легирующие добавки - ферромарганец ≤ 3,0%; ферромолибден ≤ 0,5%; ферротитан ≤ 0,5%; феррованадий ≤ 0.5%; углерод в виде графита ≤0,7%; чистое железо (содержание Fe не менее 98,0%), в виде металлических шариков диаметром 1,8 мм ≤ 10,0%Mix in a stoichiometric ratio (3:1) (wt.%) iron oxides in the form of scale 66.0%, metallic aluminum 22.0% in the form of powder as a reducing agent, alloying additives - ferromanganese ≤ 3.0%; ferromolybdenum ≤ 0.5%; ferrotitanium ≤ 0.5%; ferrovanadium ≤ 0.5%; carbon in the form of graphite ≤0.7%; pure iron (Fe content not less than 98.0%), in the form of metal balls with a diameter of 1.8 mm ≤ 10.0%
При этом перед смешиванием окалину модифицируют с продувкой воздухом в зоне прокаливания в электропечи при температуре 600-850°С, и осуществляют стабилизацию связнодисперсной структурированной системы путем вакуумирования в эластичной воздухонепроницаемой упаковке, при модификации окалины одновременно с продувкой воздухом осуществляют непрерывную подачу перегретого водяного пара температурой до 150°С, давлением до 0,45 МПа, при этом расход пара составляет до 15 кг/час, что увеличивает скорость окисления FeO→Fe2O3 и производительность печей.In this case, before mixing, the scale is modified by blowing air in the calcination zone in an electric furnace at a temperature of 600-850°C, and the coherent-dispersed structured system is stabilized by vacuuming in an elastic airtight package; during scale modification, simultaneously with blowing air, superheated water vapor is continuously supplied at a temperature of up to 150°C, under a pressure of up to 0.45 MPa, while the steam consumption is up to 15 kg/hour, which increases the oxidation rate of FeO→ Fe2O3 and the productivity of the furnaces.
В результате получают алюминотермитную реакционную смесь со степенью окисления двухвалентного железа FeO в трехвалентное Fe2O3 не менее 75%, ингредиенты которой имеют одинаковый гранулометрический состав с разветвленной структурой, при этом насыпная плотность алюминотермитной смеси не превышает 2,3 кг/дм3.As a result, an aluminothermic reaction mixture is obtained with a degree of oxidation of divalent iron FeO to trivalent Fe 2 O 3 of at least 75%, the ingredients of which have the same granulometric composition with a branched structure, while the bulk density of the aluminothermic mixture does not exceed 2.3 kg/dm 3 .
Оптимальное время протекания алюминотермитной реакции для сварки рельсов методом промежуточного литья составляет 9-11 секунд, за это время реакция проходит полностью, и температура расплавленного металла достаточна для сплавления с металлом рельса.The optimal time for the aluminothermic reaction to weld rails using the intermediate casting method is 9-11 seconds, during which time the reaction is complete and the temperature of the molten metal is sufficient for fusion with the rail metal.
Реакция протекает полностью, в металле шва содержание остаточного алюминия Al ниже 0,14%, что подтверждается результатами спектрального анализа.The reaction proceeds completely, the content of residual aluminum Al in the weld metal is below 0.14%, which is confirmed by the results of spectral analysis.
В результате проведения прочностных испытаний контрольных образцов сварных швов, изготовленных с применением алюминотермитной реакционной смеси (примеры 1, 2, 3), получены следующие результаты:As a result of strength tests of control samples of welded seams manufactured using an aluminothermic reaction mixture (examples 1, 2, 3), the following results were obtained:
Образец 1Sample 1
Образец 2Sample 2
Образец 3Sample 3
Следовательно, прочность сварного шва больше на 10% прочности, предусмотренной требования ОАО РЖД, согласно ТУ 24.10.75-337-01124323-2019 и ГОСТ 34664-2020.Consequently, the strength of the welded seam is 10% greater than the strength stipulated by the requirements of Russian Railways, in accordance with TU 24.10.75-337-01124323-2019 and GOST 34664-2020.
Заявленный способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки рельсов методом промежуточного литья и смесь, изготовленная этим способом, обеспечивает повышение прочности сварного шва, что сказывается на безопасности движения поездов, т.к. на протяжении всего периода существования железных дорог велись поиски конструкций рельсовых стыков, которые обеспечили бы такую же надежность пути в местах соединения рельсов, как и вне стыков. Стыки остаются основными возбудителями динамических, а нередко и ударных воздействий подвижного состава на путь. Регулярные динамические нагрузки на рельсовый стык приводят к интенсивному износу как ходовых частей подвижного состава, так и к дефектам рельсов, а в долгосрочном периоде к просадкам в балласте и болезням земляного полотна.The claimed method of preparing an aluminothermic reaction mixture for welding rails by the intermediate casting method and the mixture prepared by this method ensures an increase in the strength of the weld, which affects the safety of train traffic, since throughout the entire period of existence of railways, searches were conducted for rail joint designs that would ensure the same reliability of the track at the points of connection of the rails as outside the joints. Joints remain the main exciters of dynamic, and often impact effects of rolling stock on the track. Regular dynamic loads on the rail joint lead to intensive wear of both the running gear of the rolling stock and to rail defects, and in the long term to subsidence in the ballast and diseases of the roadbed.
Заявленная группа изобретений позволяет повысить прочность алюминотермитного сварного шва, тем самым улучшить комфорт и безопасность перевозок, увеличить скорость движения железнодорожных составов.The claimed group of inventions makes it possible to increase the strength of the aluminothermic weld, thereby improving the comfort and safety of transportation and increasing the speed of railway trains.
При использовании заявленной группы изобретений - способ приготовления алюминотермитной реакционной смеси для сварки рельсов методом промежуточного литья и алюминотермитная реакционная смесь для сварки рельсов, каждый отличительный существенный признак формулы изобретений влияет на достижение технического результата, т.к. выявлена и описана причинно-следственная связь между техническим результатом и совокупностью отличительных существенных признаков формулы изобретений.When using the claimed group of inventions - a method for preparing an aluminothermic reaction mixture for welding rails using the intermediate casting method and an aluminothermic reaction mixture for welding rails, each distinctive essential feature of the formula of inventions affects the achievement of the technical result, since a cause-and-effect relationship between the technical result and the set of distinctive essential features of the formula of inventions is identified and described.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2835060C1 true RU2835060C1 (en) | 2025-02-21 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2850940C1 (en) * | 2025-10-03 | 2025-11-17 | Общество с ограниченной ответственностью "КОВЧЕГ" | Method for preparing alumothermic mixture for welding steel elements |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2102495C1 (en) * | 1992-08-14 | 1998-01-20 | Электро-Термит Гмбх | Metallothermal reaction mixture |
| DE10108597A1 (en) * | 2001-02-22 | 2002-09-05 | Friedrich-Wilhelm Sobbe | Igniting thermite mixture involves electrically igniting ignition element having closed container sleeve filled with ignition mixture, and subjecting to slight pressure and corresponding hot flame and/or hot gas |
| RU2446928C1 (en) * | 2010-08-10 | 2012-04-10 | Закрытое акционерное общество "СНАГА" | Aluminothermic reaction mix for welding railway rails by intermediate casting |
| RU2578271C1 (en) * | 2014-10-08 | 2016-03-27 | Александр Сергеевич Козлов | Aluminium thermite mixture for welding steel elements and method for aluminium thermite welding of steel elements |
| RU2783435C1 (en) * | 2022-02-25 | 2022-11-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет", ФГБОУ ВО "СибГИУ" | Thermite reaction mixture for railway rail welding |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2102495C1 (en) * | 1992-08-14 | 1998-01-20 | Электро-Термит Гмбх | Metallothermal reaction mixture |
| DE10108597A1 (en) * | 2001-02-22 | 2002-09-05 | Friedrich-Wilhelm Sobbe | Igniting thermite mixture involves electrically igniting ignition element having closed container sleeve filled with ignition mixture, and subjecting to slight pressure and corresponding hot flame and/or hot gas |
| RU2446928C1 (en) * | 2010-08-10 | 2012-04-10 | Закрытое акционерное общество "СНАГА" | Aluminothermic reaction mix for welding railway rails by intermediate casting |
| RU2578271C1 (en) * | 2014-10-08 | 2016-03-27 | Александр Сергеевич Козлов | Aluminium thermite mixture for welding steel elements and method for aluminium thermite welding of steel elements |
| RU2783435C1 (en) * | 2022-02-25 | 2022-11-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет", ФГБОУ ВО "СибГИУ" | Thermite reaction mixture for railway rail welding |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2850940C1 (en) * | 2025-10-03 | 2025-11-17 | Общество с ограниченной ответственностью "КОВЧЕГ" | Method for preparing alumothermic mixture for welding steel elements |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TW201919792A (en) | Continuous casting method for steel and method for manufacturing thin steel plate | |
| JPH06145836A (en) | Production of alloy utilizing aluminum slag | |
| RU2835060C1 (en) | Method of preparing aluminothermic mixture for welding rails by intermediate casting and aluminothermic mixture produced by this method | |
| CN105734201A (en) | Aluminum and iron alloy and preparing method and application thereof | |
| CN105414797B (en) | A kind of bainitic steel and pearlitic steel exothermic welding welding material and welding procedure | |
| JPH0115571B2 (en) | ||
| RU2244025C2 (en) | Sintered agglomerates and method for producing the same | |
| RU2446928C1 (en) | Aluminothermic reaction mix for welding railway rails by intermediate casting | |
| US4526613A (en) | Production of alloy steels using chemically prepared V2 O3 as a vanadium additive | |
| RU2578271C1 (en) | Aluminium thermite mixture for welding steel elements and method for aluminium thermite welding of steel elements | |
| Grigorovich et al. | Prospects of the application of barium-bearing master alloys for the deoxidation and modification of a railroad metal | |
| CN109694936B (en) | A kind of deoxidizing alloying agent capable of purifying molten steel and preparation method thereof | |
| US4009023A (en) | Method for the refining of molten metal | |
| US3841861A (en) | Addition agent for deoxidizing and recarburizing degassed steel and method employing the same | |
| US3649390A (en) | Alumino-thermic reaction mixture | |
| CN102827999B (en) | Magnesium deoxidation composite powder for molten steel deoxidation and preparation method thereof | |
| CA1090626A (en) | Aluminothermic welding of austenitic manganese steel | |
| US3892561A (en) | Composition for treating steels | |
| US3865578A (en) | Composition for treating steels | |
| SU908843A1 (en) | Process for steel production | |
| US2861879A (en) | Method for the production of iron from steel scrap | |
| RU2797469C1 (en) | Aluminothermic mixture for welding metal elements | |
| US3203783A (en) | Process of incorpoation of correctives in the manufacture of iron by the method of fusion with a consumable electrode | |
| SU1186682A1 (en) | Exothermic briquette for alloying and deoxidizing cast iron | |
| RU2026404C1 (en) | Master alloy for deoxidation and modifying of rail steel |