Prednosti uporabe novih sintetičnih repromaterialov pri izdelavi dodajnih materialov za varjenje Advantages using the new synthetic materials in the manufacture of filler materials for vvelding R. Kejžar, ZRMK Ljubljana Idealne komponente aglomeriranih praškov so sintetični repromateriali: volastonit, monticelit, enstatit, Ca-aluminat in podobno. So nehigroskopični ter brez vlage in komponent, ki bi pri segrevanju do taljenja sproščale pline. Na osnovi sintetičnega volastonita smo razvili posebne aglomerirane praške za enostransko zvarjanje pločevin ter legirane aglomerirane praške za enoslojna navarjanja. Sintetični repromateriali so zelo uporabni tudi kot dodatki aglomeriranim praškom in elektrodni oblogi. S sintetičnim volastonitom s povišano vsebnostjo alkalij zmanjšamo občutljivost bazičnih elektrod na pokljivost plašča pri sušenju ter izboljšamo variino tehnične lastnosti elektrode — vžig in stabilnost obloka. Posebno sintetični volastonit z dodatkom K20 se je izkazal kot zelo zanimiva izhodna surovina pri izdelavi dodajnih materialov, ker zelo ugodno vpliva na izboljšanje varilnotehničnih lastnosti ter omogoča delno, v nekaterih primerih pa tudi popolno zamenjavo dragega K-vodnega stekla s cenejšim domačim Na-vodnim steklom, kar bo pocenilo proizvodnjo dodajnih materialov. Ključne besede: aglomerirani praški, elektrodne obloge, novi sintetični materiali, sintetični volastonit s K20 Ideal components of agglomerated fluxes are synthetic materials for processing: wollastonite, monticellite, enstatite, Ca-aluminate etc. They are non-hydroscopic, vapourless and without components which would develop gases during the heating to the melting point. On the basis of synthetic wollastonite, special agglomerated fluxes have been developed for one-side welding of plates, as vvell as alloyed agglomerated fluxes for single-layer building-up. The synthetic materials for processing are highly applicable also as additions to agglomerated fluxes and electrode coating. Synthetic vvollastonite vvith increased alkali content reduces the susceptibility of basic electrodes to coat cracking during drying and technical and welding characteristics of the electrode are improved, vvhich leads to a better are ignition and are stability. Especially the synthetic vvollastonite vvith K20 addition proved to be a very prospeetive raw material in the manufacturing of filler materials due to its favourable influence on the improvement of vvelding properties and because it permits a partial, sometimes even a complete substitution of the expensive K-water glass vvith the cheaper domestic Na-water glass vvhich will reduce the manufacturing costs of filler materials. Key vvords: agglomerated fluxes, electrode coatings, new synthetic materials, synthetic vvollastonite vvith K20 1 Sestava sintetičnih repromaterialov Sintetične repromateriale uporabljamo pri pripravi keramičnih mas za elektrodno oblogo in aglomerirani varilni prašek. Sestavljene so iz različnih sestavin, ki jih lahko razvrstimo v naslednje skupine: 1. sestavine, ki določajo sestavo varilne žlindre, 2. sestavine, ki povečujejo izkoristek varjenja, 3. dezoksidanti in legirni elementi, 4. plinotvorne komponente in plastifikatorji ter 5. veziva. Sintetični repromateriali spadajo v skupino 1), to je med sestavine, ki določajo sestavo in s tem lastnosti varilne žlindre. S sestavo sintetičnih repromaterialov se lahko skoraj poljubno prilagodimo zahtevam dodajnih materialov glede varilnotehničnih lastnosti, ki jih v veliki meri določa sestava varilne žlindre in so zato močno odvisne od sestave mineralnega dela elektrodne obloge oz. varilnega praška1-7. Sintetični repromateriali, ki jih uporabljamo pri proizvodnji dodajnih materialov, so izdelani s taljenjem izbranih surovin (apna, kalcita, dolomita, glinice...) pri temperaturi okoli 1500°C tako, da so vse higroskopične surovine (npr.: CaO) vezane v nehigroskopične silikate in aluminate. V TD Ruše (Nekovine) smo polindustrijsko pripravili že vrsto zelo zanimivih sintetičnih repromaterialov za proizvodnjo oplaščenih elektrod in varilnih praškov. Posebno sintetični valostoniti in monticeliti, ki smo jih pripravili tudi z dodatki alkalijskih oksidov (glej tabeli 1 in 2 ter sliki 1 in 2) so v praksi zelo uporabni. Navadni sintetični volastonit, ki ga izdeluje TD Ruše, je že postal običajna surovina pri proizvodnji dodajnih materialov v Železarni Jesenice. Tabela 1. Kemična sestava sintetičnih volastonitov in monticelitov (polindustrijsko smo jih izdelali v TD Ruše) Sintetični Si02 CaO MgO ai2o3 FeO Na?0 KiO mineral (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Volastonit 45 36 1 16 2 _ Volastonit z Na?0 43 43 1 9 1 3 - Volastonit z K20 47 46 3 - 4 Monticelit 35 30 15 19 1 _ Monticelit z. NaiO 34 26 19 16 1 4 - Monticelit s K20 28 24 16 27 1 - 4 Tabela 2. Rezultati navlaževanja polindustrijsko izdelanih fino zmletih (pod 0.5 mm) sintetičnih volastonitov in monticelitov Sintetični % vlage (vsebnost H20) mineral -po mletju -po navlaž.* -po sušenju 105° C 300° C Volastonit 0.09 0.14 0.05 0 Volastonit z Na20 0.05 0.10 0.02 0 Volastonit s K:0 0.07 0.08 0 0 Monticelit 0.08 0.09 0.02 0 Monticelit z Na->0 0.05 0.05 0.03 0 Monticelit s K20 0.08 0.09 0.02 O * 2 dni v vlažni komori Iz. tabele 2 je razvidno, da so polindustrijsko izdelani lino zmleti sintetični volastoniti in monticeliti praktično povsem nehigroskopični in zato zelo primerni za proizvodnjo dodajnih materialov za varjenje. Tudi v vlažni komori se praktično ne navlažijo - so idealni repromate-rial za proizvodnjo visokoproduktivnih in legiranih varilnih praškov. Iz slik 1 in 2 je razvidna mineraloška sestava polindustrijsko izdelanih sintetičnih volastonitov in monticelitov. Vzorce smo preiskali z rentgensko analizo v difraktometrski tehniki na Philips aparaturi z žarkovjem CuK. 2 Uporaba sintetičnih repromaterialov pri proizvodnji oplaščenih elektrod in varilnih praškov Osnovna naloga mineralnega dela elektrodne obloge in varilnega praška je tvorba žlindrine in plinske zaščite odtal-jenih kapljic in raztaljene kopeli vara pred oksidacijo. Pri varjenju pod varilnimi praški ščitita zvar pred oksidacijo le prašek in varilna žlindra. Mesto varjenja je popolnoma pokrito. Razvijanje plinov pod praškom je nezaželjeno, ker bi povzročilo odkrivanje taline zvara in vdor kisika (zraka) pod varilni prašek'. Pri varjenju z oplaščenimi elektrodami pa tvorijo zaščito zvara pred oksidacijo in preprečujejo nastanek poroznosti: Figure 1. Diffraction pattem of wollastonites. Slika 2. Difraktogrami monticelitov. Figure 2. Diffraction pattem of monticellites. 1. plini • preprečujejo dostop kisika oz. zraka (plini nastajajo zaradi razpada kalcita — CaCOi — CaO +COi, zgorevanja celuloze — (C6H10O5)x +3X0: — 5XH20 + 6XC0...) Tabela 4. Vpliv uporabe Na- in K-sintetičnih mineralov pri izdelavi legiranega aglomeriranega praška "0-7 SM" na njegove varilno tehnične lastnosti Žica: EPP 2, 3 mm Varilni prašek: 0-7 SM (različne sestave) Varilni parametri Teoretična sestava žlindre Opombe j (A) u (V) V (%) vt (g/s) Si02 (%) AI2O3 (%) CaO (%) MgO (%) Na20 (%) k2o (%) CaF2 (%) -osnovni 470 32 127 2.57 37.6 27.5 24.7 6.3 2.4 - - -vari lepo -žlindra dobro odstopa -z več Na?0 490 33 123 2.47 38.3 17.5 31.2 7.1 5.0 - -vari zelo lepo -žlindra dobro odstopa - z več NajO in MgO 480 33 122 2.47 32.3 26.7 23.7 11.5 4.8 -navar je ožji in višji -žlindra dobro odstopa - z več Na20 in dod. CaF2 470 34 119 2.40 29.3 27.2 20.6 11.9 4.6 5.5 -vari ostreje -pojavi se zapekanje žlindre - z dod. I<20 500 33 130 2.63 36.0 17.3 34.1 6.0 2.4 3.3 -vari zelo lepo (mehko) -žlindra dobro odstopa - z dod. KtO in več MgO 510 33 127 2.52 27.7 27.4 28.7 9.7 2.4 3.2 -navar je ožji in višji -žlindra dobro odstopa - z dodatkom K2O in CaFi 500 33 121 2.39 24.4 28.1 25.8 9.8 2.4 3.1 5.5 -vari zelo lepo in mehko -žlindra zelo lepo odstopa Tabela 3. Delež oksidirane kovine (v odstotkih) po aglomeraciji izbrane kovine ali kovinske zlitine (2h na temperaturi) Kovina oz. 200 300 450 650 kovinska zlitina °C °C °C °C Fe (W 40.37) 0.3 1.1 7.0 28 FeSi 0 0 0 0 FeMnaff 0.03 0.7 9.6 38 FeCrcarb -0.27* -0.49* -0.70* (1) FeMo 0.03 0.7 3.0 33 FeW 0 0.2 1.2 21 FeV 0 0.1 1.5 70 * Zmanjšanje teže je posledica odgorevanja ogljika • zvišani parcialni tlak ogljikovega monoksida (CO) zavira oz. prepreči oksidacijo ogljika in s tem nastanek plinske poroznosti zvarov. 2. žlindra • prepreči dostop kisika (vdor zraka do raztaljenih kapljic in kopeli vara — s pokrivanjem tudi oblikuje zvar). Dosedanje raziskave so pokazale, da so sintetični minerali zelo uporaben material pri izdelavi oplaščenih elektrod. Delna zamenjava kalcita s sintetičnim volastonitom zelo ugodno vpliva na zmanjšanje občutljivosti oplaščenih elektrod na pokljivost obloge pri sušenju, kar pomeni zmanjšanje izmeta pri proizvodnji. Hiba zamenjave kalcita s sintetičnim volastonitom pa je zmanjšanje plinske zaščite kapeli vara pred oksidacijo ter znižanje parcialnega tlaka ogljikovega monoksida nad talino vara, kar vpliva na potek reakcije: C + O — CO in pojav plinske poroznosti. Pri zamenjavi kalcita s sintetičnim volastonitom moramo paziti, da z zamenjavo ne spremenimo bistveno tudi plinske zaščite kopeli vara med varjenjem. Pri proizvodnji visoko produktivnih in legiranih aglomeriranih varilnih praškov pa so postali sintetični minerali praktično nepogrešljiv repromaterial. Zaradi kovinskih dodatkov, ki jih ti aglomerirani varilni praški vsebujejo, jih smemo sušiti pri temperaturah okoli 350 do 650°C, da kovin v prašku ne oksidiramo (glej tabelo 3). To pa pomeni ostrejše zahteve pri izbiri surovin — repromaterialov, ki morajo biti nehigroskopni in brez. vlage ter komponent, ki bi pri segrevanju do taljenja sproščale pline8-10. 3 Prednosti dodatka alkalij Med najpomembnejše naloge elektrodne obloge in varilnega praška spada poleg zaščite odtaljenih kapljic dodajne-ga materiala in kopeli vara pred oksidacijo tudi ionizacija obločne atmosfere, ki mora zagotoviti stabilen oblok med varjenjem. Na stabilnost varjenja vpliva prisotnost alkalij v obločni atmosferi. Prisotnost alkalij v elektrodni oblogi in varilnem prašku je običajno posledica uporabe Na- ali K-vodnega stekla kot veziva pri izdelavi omenjenih dodajnih materialov. Potrebne alkalije za ionizacijo in izboljšanje stabilnosti varjenja pa lahko dovedemo v dodajni material tudi s sintetičnimi repromateriali, ki vsebujejo alkalijske okside8-10. Z uporabo sintetičnega volastonita z dodatkom K2O pri izdelavi dodajnih materialov lahko vplivamo tudi na prisotnost večje količine kalijevih ionov v obloku med varjenjem, kar zelo ugodno vpliva na varilno tehnične lastnosti — oblok gori manj ostro in verjetnost zapekanja žlindre na zvar je manjša (glej tabelo 4). Z uporabo K-sintetičnega volastonita pri izdelavi aglomeriranih varilnih praškov želimo že s sintetičnim repromate-rialont vnesti v aglomerirani prašek zadosti kalijevega oksida, kar bo omogočilo, da pri izdelavi varilnih praškov uporabljamo samo ceneno domače Na-vodno steklo. 4 Zaključek Dosedanje reziskave so pokazale, da so sintetični minerali zelo uporaben repromaterial pri izdelavi oplaščenih elektrod in varilnih praškov. Delna zamenjava kalcita s sintetičnim volastonitom ugodno vpliva na zmanjšanje občutljivosti oplaščenih elektrod na pokljivost obloge pri sušenju, kar pomeni zmanjšanje izmeta pri proizvodnji. Hiba zamenjave kalcita s sintetičnimi minerali pa je zmanjšanje plinske zaščite vara. Zmanjšanje količine kalcita v oblogi bazično oplaščene elektrode je zato omejeno. Pri proizvodnji visokoproduktivnih in legiranih aglomeriranih varilnih praškov pa so postali sintetični minerali praktično nepogrešljiv repromaterial. Ker niso hi-groskopični in ne vsebujejo komponent, ki bi pri segrevanju do taljenja sproščale pline, so idealne sestavine aglomeriranih praškov, ki jih zaradi kovinskih dodatkov sušimo pri temperaturah okoli 350 do 650°C. Posebno zanimivi so sintetični minerali z dodatkom al-kalijskih oksidov. Izboljšajo stabilnost obloka. Najbolj perspektivni pa so K-sintetični minerali. Že prvi poizkusi so pokazali, da izboljšajo kvaliteto aglomeriranim varilnim praškom (preprečijo zapekanje žlindre) ter omogočijo delno, v nekaterih primerih pa tudi popolno zamenjavo dragega K-vodnega stekla, ki ga je težko dobiti na tržišču, z bistveno cenejšim Na-vodnim steklom. 5 Literatura 1 R. Kejžar in sodelavci: Razvoj novih sintetičnih repromaterialov za industrijo dodajnih materialov — 1.. II. in III. faza. Poročilo 7.RMK za RP Sodobni anorganski materiali m tehnologije. Ljubljana 1987. 1988 in 1989. " J. Savanovič: Varilne žlindre kot osnova za razvoj varilnih praškov. Magistrsko delo na Univerzi E.K. v Ljubljani, FNT VTOZD Montanistika. Odsek za metalurgijo (1990). 3 R. Kejžar: Vpliv elektrodne obloge na prenos kisika pri obločnem varjenju. Varilna tehnika 23 (Ljubljana 1974). št. 3/4, str. 49-55. 4 R. Kejžar: Vpliv de/oksidantov na vsebnost kisika v čistem varu in izkoristek Cr iz plašča pri elektroobločnem varjenju. Žel. zb. 9 (1975). št. 1. str. 19-27. 11 W. Hummitzsch: Temperatur. Metalliibergang und Eigen-schaften der Schlacken von unlegierten Schweisselektro-den. Schvveissen und Schneiden 13 (1961), št. 5. str. 187-195. 6 Becken: NVerkstoffiibergang bei Schweisselektroden. Schweissen und Schneiden 22 (1970), št. U. str. 47K-479. Koch: Handbuch der Schweisstechnologie Lichtbogen-schweissen (Dusseldorf 1961). * R. Kejžar: Perspektive aglomeriranih praškov. XXXVIII. Posvet o metalurgiji in kovinskih gradivih, Portorož/Ljubljana 1987. str. 87-9N. 9 R. Kejžar: Sintetični minerali — idealne surovine aglomeriranih varilnih praškov. 41. posvet o metalurgiji in kovinskih gradivih, Portorož/Ljubljana 1990. str. 201-224. 111 R. Kejžar: Legirani aglomerirani praški /a posebna navarjanja. Rudarsko-metalurški zbornik, Ljubljana 38 (1991). št. 2. str. 275-290.