Thermit Hàn: Vận hành, Cài đặt và Biến thể
Sau khi đọc bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về: - 1. Giới thiệu về hàn Thermit 2. Nguyên tắc hoạt động của hàn Thermit 3. Thiết bị, thiết lập và vận hành 4. Các biến thể.
Giới thiệu về hàn nhiệt:
Đó là một quá trình trong đó hỗn hợp bột nhôm và oxit kim loại, được gọi là Thermit, được đốt cháy để tạo ra lượng kim loại nóng chảy cần thiết bằng một phản ứng không bạo lực tỏa nhiệt. Kim loại quá nóng được sản xuất được đổ tại vị trí mong muốn mà trên quá trình hóa rắn dẫn đến mối hàn. Đó là một quá trình đúc kiêm hàn.
Quá trình này đã được sử dụng từ năm 1895 để tham gia đường ray tại công trường và để sửa chữa và trục vớt vật đúc nặng. Tuy nhiên, quá trình này dần dần bị sử dụng do chi phí cao và do sự phát triển của các quy trình hiệu quả hơn, cơ giới hóa cao và ít tốn kém hơn như hàn mông flash và hàn điện.
Nguyên lý hoạt động của hàn nhiệt:
Phản ứng nhiệt hóa xảy ra khi đánh lửa thermit dựa trên phương trình cơ bản sau:
Kim loại oxit + Al (bột) → Kim loại + Al oxit + nhiệt. (15.1)
Phản ứng này chỉ có thể được bắt đầu nếu hỗn hợp được đánh lửa bằng bột đánh lửa đặc biệt hoặc một thanh đánh lửa. Nhiệt độ đánh lửa cho hỗn hợp thermit chứa oxit sắt là khoảng 1200 ° C.
Mặc dù oxit kim loại được sử dụng trong hàn Thermit thường là oxit sắt, tuy nhiên oxit của đồng, niken, crom và mangan cũng có thể được sử dụng để đưa ra các phản ứng sau và nhiệt độ lý thuyết tương ứng đạt được.
(i) Với sắt:
(ii) Với đồng:
(iii) Với Niken:
(iv) Với Chromium :
(v) Với Mangan :
Các phản ứng đầu tiên được sử dụng phổ biến nhất cho hàn nhiệt. Một hỗn hợp như vậy thường chứa 3 phần trọng lượng của oxit sắt và một phần bột nhôm. Khi đốt cháy, nó tạo ra nhiệt độ lý thuyết là 3090 ° C và không phù hợp vì hơi nhôm ở khoảng 2500 ° C. Do đó, bắt buộc phải giảm nhiệt độ này xuống giới hạn làm việc khoảng 2480 ° C bằng cách bổ sung các thành phần không phản ứng như thép phế liệu.
Tuy nhiên, nhiệt độ kim loại nóng chảy không được hạ xuống dưới khoảng 2100 ° C vì Al 2 O 3 đông cứng ở khoảng 2040 ° C. Các nguyên tố hợp kim, ở dạng ferroalloys có thể được thêm vào hỗn hợp thermit để có được thành phần mong muốn của kim loại nóng chảy.
Tuy nhiên, trong việc tính toán trọng lượng của hỗn hợp thermit để hàn, chỉ có trọng lượng của oxit sắt và bột nhôm được xem xét. Bổ sung được thực hiện để điều chỉnh thành phần và nhiệt độ không được bao gồm trong tính toán hỗn hợp thermit. Do đó, 50 kg hỗn hợp oxit kim loại và bột nhôm mà 15kg kim loại và hợp kim đã được thêm vào được gọi là 50 kg nhiệt.
Phản ứng Thermit là không nổ và được hoàn thành trong vòng chưa đầy hai phút bất kể số lượng liên quan.
Ngoài độ tinh khiết cao của vật liệu nhiệt, sự hiện diện của nhôm thúc đẩy quá trình tạo mầm nhanh và kích thước hạt nhỏ; tuy nhiên, lượng nhôm tối đa trong thép bị giới hạn ở khoảng 0, 7%
Thiết bị, thiết lập và vận hành hàn nhiệt:
Việc sử dụng chính của hàn nhiệt là để nối các đường ray tại chỗ, và hàn sửa chữa các thành phần nặng. Các ứng dụng khác của quy trình bao gồm hàn các thanh cốt thép và nối các dây dẫn điện không chứa sắt.
Các thiết bị và thiết lập được bao gồm ở đây theo cung dành riêng cho các ứng dụng này:
1. Hàn đường ray:
Hình 15.1 cho thấy thiết lập tiêu chuẩn để nối đường ray tại công trường, để giảm tiếng ồn do đầu máy xe lửa tốc độ cao. Trong các mỏ than, đường vận chuyển thường được hàn để giảm lượng than đổ do đường ray không bằng phẳng. Tương tự đường ray cần trục được hàn để giảm thiểu bảo trì khớp và rung động của các tòa nhà do sự di chuyển của các bánh xe chịu tải nặng trên các khớp.
Hỗn hợp Thermit có sẵn để hàn tất cả các loại đường ray, phần lớn được làm bằng thép C-Mn mặc dù đường ray thép Cr, Cr-Mo, Cr-V và Si-hợp kim cũng được sử dụng. Đối với phản ứng tiêu chuẩn, một lượng điện tích 1000 gm thermit tạo ra 476 gm xỉ, 524 gm thép và 181500 calo nhiệt.
Ôxít sắt thu được theo quy mô nhà máy được thêm vào bột nhôm và các thành phần khác để kiểm soát phản ứng cũng như thành phần cuối cùng của vật liệu nóng chảy.
Thành phần của kim loại lắng đọng để nối đường ray thường được phân tích sau đây:
Lượng nhiệt cần thiết, thường có sẵn trong túi vải, được đặt vào chén nung được kẹp vào một trong các đường ray và có thể được di chuyển đến vị trí mong muốn bằng cách di chuyển dọc theo một vòng tròn.
Mối nối được hàn được đặt trong khuôn đất sét có thiết kế tách được sản xuất trước để hàn các kích thước đường ray tiêu chuẩn với khoảng cách gốc từ 20- 35 mm. Khuôn được căn chỉnh sao cho có tâm của nó trùng với tâm của khoảng cách giữa các đầu đường ray. Các phần khác nhau của khuôn được liên kết với nhau bằng đất sét được chuẩn bị tại chỗ.
Khuôn được chuẩn bị xung quanh khớp có lỗ thông hơi, riser và cổng theo thông lệ đúc thông thường; ngoài ra một cổng làm nóng trước cũng được cung cấp, như được hiển thị. Làm nóng sơ bộ đường ray được thực hiện với sự trợ giúp của một ngọn đuốc được thiết kế đặc biệt hoạt động bằng dầu hỏa hoặc xăng kết hợp với không khí điều áp. Các đường ray thường được làm nóng trước ở nhiệt độ 600 đến 1000 ° C thường được kiểm tra từ màu của đường ray hoặc chính xác hơn với sự trợ giúp của các que nhiệt.
Khi đạt được nhiệt độ nung nóng mong muốn, ngọn đuốc được rút ra và lỗ nung nóng được đóng lại bằng phích cắm cát; vật liệu chịu lửa lót lót có chứa điện tích nhiệt được di chuyển đến vị trí phía trên khuôn.
Điện tích sau đó được đốt cháy bằng cách sử dụng một thanh sắt nung nóng hoặc thuận tiện hơn bằng cách nhúng một bánh quy lửa (Phuljhari) vào hỗn hợp thermit. Đôi khi hỗn hợp thermit được đánh lửa bằng cách đặt một nửa muỗng cà phê bột đánh lửa đặc biệt bao gồm chủ yếu là bari peroxide.
Hỗn hợp khi được đánh lửa bằng thanh nóng đạt nhiệt độ 1100 - 1300 ° C, đủ để đốt cháy hỗn hợp thermit. Không có bột đánh lửa được thêm vào thermit cho đến trước thời điểm đánh lửa. Đốt cháy theo cách này, phản ứng tỏa nhiệt không phải là bạo lực. Bất kể kích thước của điện tích, phản ứng được hoàn thành trong 30 giây đến 2 phút. Do sự khác biệt đáng kể giữa trọng lượng riêng của kim loại nóng chảy và xỉ, hai loại được tách ra với xỉ nổi trên đỉnh do đó bảo vệ kim loại nóng chảy khỏi các phản ứng với khí quyển.
Sau khi phản ứng kết thúc, khai thác được thực hiện bằng cách nhanh chóng nâng chốt khai thác lên trên bằng một thanh thép phẳng. Tuy nhiên, đôi khi, một con dấu tự khai thác được sử dụng ở dưới cùng của nồi nấu kim loại. Trong đó dễ dàng, kim loại nóng chảy thu được sau khi đánh lửa điện tích làm tan niêm phong và đổ ra khỏi đáy của chén nung vào mầm mầm để chảy vào khoảng trống giữa các đường ray được nối.
Xỉ ở trên kim loại nóng chảy trong dòng chảy nồi nấu cuối cùng và không đến được khoang khuôn và do đó vẫn ở trên đầu mối hàn nơi nó đông cứng. Khi kim loại đã đông cứng, khuôn bị vỡ và bị loại bỏ. Kim loại dư thừa trong khớp được loại bỏ bằng cách mặc quần áo với sự trợ giúp của máy nén khí hoặc tay, và khớp được tạo hình dạng mong muốn trong khi vẫn còn nóng. Các mối hàn được làm mịn, nếu cần, bằng cách mài bằng tay.
2. Đúc sửa chữa:
Sửa chữa hàn đúc nặng là một lĩnh vực quan trọng khác của ứng dụng cho hàn nhiệt. Các ứng dụng như vậy không lặp lại trong tự nhiên, do đó, khuôn mẫu tiền chế thường không thể được sử dụng. Vì vậy, khuôn phải được thực hiện cho mỗi mối hàn để phù hợp với hình dạng của các thành phần.
Bước thiết yếu đầu tiên trong việc chuẩn bị mối hàn để hàn nhiệt là làm sạch hoàn toàn bằng ngọn lửa oxy-axetylen, sau đó làm nguội để tách các vật liệu lạ ra khỏi phôi. Một khu vực lên đến khoảng 15 cm ở cả hai bên dọc theo vết nứt được hàn phải được làm sạch hoàn toàn. Một khoảng trống được để lại giữa các phần được hàn, được tính bằng mối quan hệ thực nghiệm của (7 A) 1/3 mm, trong đó A là diện tích bề mặt của mỗi thành phần được hàn.
Sau khi các bộ phận hồ quang được làm sạch và cách đều nhau, sáp màu vàng được chuẩn bị để tạo ra một mô hình để lấp đầy khoảng trống và đưa ra hình dạng chính xác cho mối hàn đã hoàn thành. Sáp nóng ở trạng thái dẻo được sử dụng để tạo ra mô hình này. Một khuôn cát sau đó được xây dựng xung quanh mô hình bằng cách đặt một hộp đúc phù hợp để chứa cát đúc.
Các mẫu gỗ cần thiết được sử dụng để cung cấp các cổng rót và chữa bệnh, và riser tại tất cả các điểm cao trên khớp Khi hai mảnh của vòng cung có cùng kích thước được hàn lại với nhau thì gat sưởi nằm ở trung tâm trên mẫu sáp Tuy nhiên, khi các phần không bằng nhau sẽ được nối với cổng sưởi được hướng vào phần lớn hơn để cung cấp, càng nhiều càng tốt, sưởi ấm đồng đều của hai phần.
Một phần rỗng được cung cấp ở trên cùng của khuôn để thu thập xỉ. Phải cẩn thận để ram cát tốt để cung cấp sự tiếp xúc cao giữa cát đúc và sáp. Cát đúc được sử dụng để làm khuôn được yêu cầu phải có độ khúc xạ cao, độ thấm cao, cường độ cắt thích hợp và không được có các thành phần đất sét có điểm nóng chảy thấp.
Làm nóng sơ bộ được thực hiện với sự trợ giúp của một ngọn đuốc được thiết kế đặc biệt có thể được đặt ở vị trí mong muốn một cách thuận tiện thông qua cổng sưởi. Mục đích của sưởi ấm ở giai đoạn ban đầu là làm tan chảy mô hình sáp đó là lý do tại sao nhiệt được áp dụng dần dần. Khi sáp đã bay ra khỏi khuôn, nhiệt được tăng dần để làm nóng trước các mặt được hàn và làm khô khuôn hoàn toàn để tránh độ xốp. Làm nóng sơ bộ được tiếp tục cho đến khi các bộ phận được hàn được nung nóng đến nhiệt độ 815 đến 980 ° C.
Sau khi quá trình làm nóng hoàn tất, ngọn đuốc được rút ra và cổng sưởi được chặn bằng một thanh thép được chống lại bằng cát đúc.
Hỗn hợp Thermit được đặt trong nồi nấu kim loại hình nón chịu lửa được đốt cháy như mô tả trong phần hàn đường sắt. Đấm thép carbon thấp đôi khi được thêm vào điện tích để tăng số lượng kim loại nóng chảy được sản xuất.
Lượng hỗn hợp thermit cần thiết cho khớp có thể được tính bằng cách sử dụng mối quan hệ sau:
Q = M / 0, 5 + 0, 01 Siêu từ. (15.2)
Ở đâu:
Q = số lượng nhiệt cần thiết, kg,
M = kim loại nóng chảy cần thiết để lấp đầy khoảng trống khớp cộng với tổn thất 10%, kg,
S = phần trăm của các cú đấm thép được bao gồm trong phí.
Cần khoảng 25 kg thermit cho mỗi kg sáp trong mẫu.
Hỗn hợp Thermit có thể được thiết kế để tạo ra các mỏ kim loại hàn cụ thể.
Các phân tích bình thường của thermit được sử dụng để hàn thép nhẹ và thép carbon trung bình là:
C = 0, 20 Trò chuyện0, 30%
Mn = 0, 5 Tập0, 60%
Si = 0, 2 .50, 50%
Al = 0, 07 vo0, 18%
Fe = phần còn lại
Thermit cũng có thể được thiết kế cho thép chống mài mòn và hàn thép carbon. Các tính chất cơ học của hồ quang nhiệt được sử dụng thông thường gần giống như của thép nhẹ. Để hàn gang, thermit có thể được chế tạo phù hợp bằng cách thêm ferro-silicon vào nó.
Hỗn hợp Thermit có thể được đánh lửa bằng một trong hai phương pháp được mô tả trước đó trong phần hàn đường ray, bằng cách sử dụng bột khởi đầu có thể được đánh lửa bằng que diêm, bật lửa hoặc que sắt nóng hoặc thay thế bằng cách sử dụng bánh quy lửa.
Kim loại nóng chảy được gõ, sau khi phản ứng lắng xuống, bằng cách đánh vào chốt khai thác bằng một cú đánh mạnh lên. Các kim loại nóng chảy chảy vào khuôn để điền vào khớp.
Khuôn thường được loại bỏ bằng cách phá vỡ nó và mối hàn được mặc bằng cách loại bỏ các cổng và riser với sự trợ giúp của mỏ hàn oxy-acetylene sau đó gia công hoặc mài. Bất cứ khi nào có thể, toàn bộ mối hàn được ủ để giảm căng thẳng.
Hàn Thermit được sử dụng chủ yếu trong việc sửa chữa các thành phần lớn, ví dụ, khung bánh lái, trục chân vịt, bánh răng cán thép, trục và thanh chống. Nó cũng được sử dụng để sửa chữa khuôn phôi bằng cách cắt đáy khuôn và xây dựng lại hoàn toàn bằng kim loại nhiệt.
3. Thanh cốt thép hàn:
Để hàn các thanh cốt thép, một khuôn thành hai nửa, được sản xuất trước bằng phương pháp đúc vỏ hoặc quá trình CO 2, được định vị để bao quanh các đầu của các thanh được hàn như trong hình 15.2. Khuôn sau đó được thu nhỏ bằng amiăng và cát để tránh rò rỉ kim loại nóng chảy.
Lỗ khai thác trong nồi nấu được phủ một đĩa đóng ngang trước khi sạc bằng hỗn hợp thermit. Sau khi phản ứng kết thúc, thép nóng chảy qua đĩa đóng để lấp đầy khoảng trống giữa các thanh. Các thanh cốt thép có thể được hàn ở bất kỳ vị trí nào trong quá trình này và thiết lập để hàn các thanh như vậy trong cấu hình nằm ngang được hiển thị trong Hình 15.3.
4. Dây dẫn điện hàn :
Hàn alumin nhiệt được sử dụng để nối các dây dẫn hoặc dây cáp đồng bằng cách sử dụng một thiết lập như trong hình 15.4. (a). Hỗn hợp khi đốt cháy cho ra khoảng 98% đồng nguyên chất bằng các phản ứng được đưa ra bởi các phương trình (15, 5) và (15, 6).
Phản ứng được hoàn thành sau 1 đến 5 giây và đồng nóng chảy được tạo ra bị quá nhiệt với xỉ trên nó. Thành phần của kim loại nóng chảy có thể được thay đổi để phù hợp với các kim loại được nối bằng cách bổ sung phù hợp, dưới dạng bột hoặc sên, vào hỗn hợp thermit. Mối hàn hoàn thành được thể hiện trong hình 15.4. (b).
Ngoài việc nối các dây dẫn điện, quá trình này có thể được sử dụng để nối các dây dẫn đồng với các thanh ray thép để cung cấp các kết nối mặt đất. Đối với một ứng dụng như vậy, một khuôn than chì được làm ẩm cho đường ray ở phần mong muốn. Khuôn có thể được tái sử dụng sau khi hoàn thành công việc, bằng cách loại bỏ xỉ khỏi nó.
Các biến thể của quá trình hàn Thermit :
Ngoài các ứng dụng đã được mô tả, hàn nhiệt cũng được sử dụng để lắp ráp các bộ phận của các công trình có kích thước lớn, đóng tàu, chế tạo trục khuỷu lớn và trục chân vịt bằng cách sử dụng điện tích nhiệt lên tới 3000 kg. Tuy nhiên, việc kiểm tra một số lợi thế nhất định mà quy trình đang dần được sử dụng và được thay thế chủ yếu bằng hàn mông flash để nối đường ray và hàn Electroslag cho xây dựng nặng.
Biến thể duy nhất của hàn Thermit thông thường là cái được gọi là hàn Thermit hàn.
Hàn nhiệt áp lực:
Trong quá trình này, chỉ nhiệt được tạo ra bởi phản ứng thermit được sử dụng để làm nóng các đầu của các thành phần được nối bằng hàn pha rắn; không phải các sản phẩm còn lại của phản ứng được yêu cầu đưa vào giao diện chung. Do đó, quy trình xử lý được lên kế hoạch để giữ cho các sản phẩm phản ứng tránh khỏi phôi mà không làm giảm quá nhiều hiệu quả nhiệt.
Trong quá trình này, hai chiều dài đồng nhất của vật liệu có diện tích bằng nhau tại giao diện khớp được căn chỉnh theo trục; các đầu của chúng được nung nóng đến nhiệt độ mong muốn bằng các sản phẩm của phản ứng nhiệt và sau đó được đẩy vào nhau dưới áp suất được kiểm soát để tạo ra mối hàn mông pha rắn. Hình. 15, 5 cho thấy đường ống được hàn áp lực bằng cách bọc khớp với khuôn cố định, do đó cho phép thép và xỉ quá nhiệt chảy tiếp xúc xung quanh ống để làm nguồn nhiệt hàn.
Một cơ cấu kẹp được thiết kế phù hợp được sử dụng để buộc các đầu ống lại với nhau, sau khi gia nhiệt, để hoàn thành mối hàn. Sự sắp xếp hệ thống sưởi này, tuy nhiên, chỉ phù hợp cho các phôi có diện tích mặt cắt nhỏ. Các mặt của các khớp lớn hơn có thể được đặt cách nhau một khoảng nhỏ với một khuôn có thể tháo rời được giữ xung quanh chúng.
Không gian giữa các mặt và phần còn lại của khuôn được lấp đầy bằng nhiệt và phản ứng bắt đầu. Các sản phẩm phản ứng được phép giữ nguyên vị trí cho đến khi đủ nhiệt được truyền đến các mặt được nối. Khuôn và các sản phẩm phản ứng hồ quang sau đó được loại bỏ và hai mặt được đẩy với nhau để thực hiện một mối hàn trạng thái rắn.
Cả hai phương pháp này đều không thể tạo ra các mối hàn có chất lượng đồng đều và do đó hiếm khi được sử dụng; thậm chí không cho vật liệu có khả năng hàn cao như thép nhẹ. Ngoài ra, chi phí hàn áp lực là nghiêm ngặt, do đó nó thường được tránh.
