Процесс алюминотермитной сварки рельсов

Одним из способов сварки рельсов является алюминотермитная сварка (АЛТС), основанная на базовых положениях физической химии.

По данным [7] алюминотермитная сварка рельсов имеет ряд преимуществ перед стыковой электроконтактной сваркой: возможность изготовления стыков в районе стрелочных переводов, нет необходимости использовать сложное дорогостоящее оборудование, большое количество обученного персонала и продолжительные «окна» в движении поездов. Однако следует учитывать тот факт, что качество сварного соединения и соблюдение технологии сварки зависит от профессионализма сварщика [9].

В [7] дается определение, что такое алюминотермитная сварка (АЛТС) – это сварка металлических деталей жидким металлом заданного химического состава, получаемого в результате алюминотермической реакции. Как известно алюминий способен восстанавливать окислы металлов со значительным выделением тепла, в результате чего изменяется потенциальное состояние энергии и рекристаллизуются компоненты, участвующие в процессе [7].

Исходная порошкообразная смесь для получения расплава металла находится внутри тигля, имеющего вид воронки. Первоначальный нагрев термитной смеси до 1100 – 1200 °С приводит к химической реакции между ее компонентами. В результате реакции металлический алюминий начинает соединяться с кислородом окалины и превращается в окись алюминия, а окалина, отдавая кислород алюминию, превращается в железо. Расплавленный металл прожигает защитную пробку и вытекает из тигля, заполняя пространство между соединяемыми рельсами. Эта реакция идет с большим выделением тепла причем внутренняя поверхность тигля разогревается до температуры 2700 – 3000 °С, поэтому если она уже началась, то далее продолжается произвольно нарастающими темпами [6, 15].

Химическая реакция записывается следующим образом [15]:

(1);

(2).

Термитная смесь содержит по весу 23,7 % алюминия и 76,3 % окалины. При сгорании 1,0 кг термитной смеси выделяется 762 ккал тепла, что и позволяет разогреть металл до высоких температур, но продолжительность воздействия температуры на материал тигля невелика – порядка 30 секунд. После слива металла наступает резкое охлаждение внутренней поверхности тигля до температуры окружающего воздуха [6, 15, 16].

Окалина и алюминий могут содержать различные примеси. Поэтому процент содержания алюминия и окалины в термитной смеси рассчитывается с учетом чистоты алюминия и содержания кислорода в окалине. Практика термитной сварки показала, что окалины в термитной смеси должно быть на 7 - 8 % больше расчетного содержания. Тогда термитный металл получается плотнее и лучше сваривается с металлом рельса [15].

Чтобы лучше использовать образующееся при реакции тепло и увеличить выход металла, в термитную смесь для сварки рельсов при изготовлении добавляют мелко измельченные кусочки стали – отходы гвоздильного производства. При расплавлении сталь увеличивает выход термитного металла и понижает начальную температуру продуктов реакции термита. В зависимости от массы порции термита в термитную смесь добавляют этих отходов (называемых обсечкой) от 12 до 20 % к весу предполагаемого выхода термитного металла, чем больше будет масса порции термита, тем необходимо больше добавлять обсечки. Для улучшения механических свойств металла сварного шва в тсрмитную смесь вводят ферросплавы, в большинстве случаев ферромарганец, ферросилиций, ферромолибден, ферротитан, феррованадий. Ферросплавы помогают получить термитный металл с механическими свойствами, соответствующими металлу свариваемых рельсов [15, 16].