Производство сварочных электродов 
С применением сварочных технологий производится более половины валового национального продукта промышленно развитых стран. Сварка является незаметной, но ключевой технологией в ведущих отраслях мировой индустрии. К началу XXI века затраты на сварку только в девяти ведущих отраслях машиностроения и строительства США превысили $ 35 млрд., а в Германии произведено сварных конструкций и выпущено сварочной техники на сумму более 30 млрд. евро. В 2000 г. в мировом сварочном производстве было занято более 5,0 млн. человек; в США более 1,5 млн. рабочих мест были связаны со сваркой, в Германии — более 800 тыс., в России – более 200 тыс. При этом с помощью сварки перерабатывается около 2/3 мирового и национального объемов всего производимого стального проката.
Рынок сварочной техники в целом включает два основные сектора: сварочно-присадочные материалы и сварочное оборудование. Последний сейчас доминирует, но значительной остается и доля расходных материалов. В настоящее время она составляет около $5,5 млрд., а по прогнозу маркетинговой фирмы «Frost&Sullivan» к 2006 г. объем выпуска сварочных электродов и присадочных материалов в мире превысит $6,2 млрд. При этом их продажа на европейском рынке достигнет 1,3 млрд. евро, а лидером по темпам роста останется Азия (прежде всего Китай).
На мировом рынке быстро растет доля нового оборудования, механизированной, аргонно-дуговой и других новых видов сварки. Но автоматическая и специальная сварка лидирует в развитых странах только по количеству наплавляемого металла. В общем объеме технологических операций доля ручной дуговой сварки выше. Тем более это относится к России, заметно сдавшей за десятилетие свои индустриальные позиции.
Структура мирового рынка сварочных материалов для электродуговой сварки по состоянию на 2000 год приведена на рис.2
Достоверной статистики по России сейчас нет, однако по сравнению с мировым уровнем наша доля ручной сварки выше. Поэтому у нас сварочные электроды составляют до 50% рынка расходных материалов для сварки. Российская доля на мировом рынке сварочных материалов сейчас составляет около 4%, а общий ее объем близок к $200 млн. в год.
Ежемесячное российское производство электродов, по данным Госкомстата РФ, приведено на Рис.3. Однако думается, что фактически оно выше, поскольку под государственную отчетность не попадают многие предприятия-производители «новой волны», возникшие в 90-е годы.
Причин заметного интереса новой рыночной экономики России к производству электродов несколько.
Во-первых, потеря (при распаде СССР) и спад на ряде промышленных производств, т.е. некоторое освобождение рыночной ниши.
Во-вторых, ценовая устойчивость и рентабельность производства сварочных электродов. Рынок привлекла их высокая ликвидность как товарной группы расходных материалов, запасы которых требуют постоянного возобновления.
В-третьих, сравнительно низкие капитальные затраты на создание промышленных электродных производств.
Ранее, в СССР, производство покрытых электродов формировалось в едином плановом комплексе на общей нормативно-технической базе. Неплохое сопровождение этих работ велось со стороны Академии наук СССР и ряда отраслевых институтов, среди которых отметим Институт электросварки им. Е.О.Патона (Украина).
С середины 90-х годов именно отсутствие научно-технического сопровождения производств и нараставшие проблемы с сырьем привели к массовой деградации качества электродов у многих российских производителей.
Чаще всего это обусловлено:
- необоснованными вариациями в рецептуре сырьевых материалов;
- запуском в производство недостаточно апробированных разработок;
- снижением контроля продукции и технологических переделов.
Почему это недопустимо – см. врезку «Обманчивая простота электродов»,
Именно эта практика во многом привела к утрате доверия потребителей и заметному уходу рынка электродов к зарубежным товаропроизводителям, а у производителей – к закупке «западных» технологий, оборудования, сырья и «know-how».
Это тем более обидно, что именно Россия (Николай Николаевич Бенардос) является основоположником дуговой сварки металлов, а первой в мире была российская сварочная фирма «Электрогефест» (Санкт-Петербург, 1886 год).
Впрочем, вернемся к реалиям.
В принципе производственная линейка для выпуска классических покрытых электродов весьма проста. Набор оборудования, как правило, включает:
- дробильно-мельничное оборудование;
- дозатор/смеситель сырья (для обмазочной массы);
- пресс брикетировочный;
- пресс электродообмазочный;
- машину для зачистки торцов электродов;
- устройство маркировки электродов;
- печи сушильно-обжиговые (камерные или тоннельные);
- правильно-отрезной станок;
- упаковочное оборудование.
Аналогичный набор, например, использован на муниципальном(?) предприятии по производству сварочных электродов, открытом в 2001 году в поселке Железнодорожный Борского района Нижегородской области. Сообщается, что ЧП «Бараусов А.К» провело реализацию проекта в кратчайшие сроки (за 3 месяца). Для создания производства, реконструкции производственного корпуса, монтажа и пуско-наладки оборудования привлечен долгосрочный кредит на сумму 3 млн.руб. в Борском филиале Сбербанка РФ.
Производство размещено на площади 1500 м2 в здании бывшего ж/д депо. При численности работников в 35 человек предприятие производит сварочные электроды с месячным объемом выпуска 250 тонн, т.е. порядка 4 тыс. тонн в год.
Это типовое предприятие «новой волны», причем весьма крупное. Оборудование на него закуплено самое дешевое, поэтому на удовлетворительное качество его продукции можно только надеяться.
Значительные поставки комплексов оборудования среднего качества на российский рынок проведены украинской фирмой «Велма». Его оборудование работает у таких производителей электродов, как «Череповецкий сталепрокатный завод», «Орловский сталепрокатный завод», АО «Спецэлектрод» (Москва), «Уралхиммаш» (Екатеринбург), «Электродный завод» и АО «СВЭЛ» (Санкт-Петербург) и др.
Отметим, что с 2000 года «СВЭЛ» (ранее Электродное производство Ленинградского судостроительного завода им. Жданова) реорганизован в ЗАО «ЭСАБ-СВЭЛ», контролируемое шведским концерном ЭСАБ, оборудование которого преимущественно установлено на совместном предприятии.
Крупное производство электродов на холдинге ММК (электродный цех №1 Магнитогорского метизно-металлургического завода) развивается с 2000 года также на базе оборудования концерна ЭСАБ. Сейчас его выпуск превысил 500 тонн в месяц, а сортамент электродов – более 10 типов.
Помимо удовлетворения своих потребностей (до 2 тыс. т/год), завод осуществляет значительные рыночные поставки. А потенциал его мощностей составляет более 10 тыс. т/год. Отметим успешное сотрудничество этого производства МММЗ с ЗАО «Уральские электроды» (Уральским институтом сварки), освоение новых недорогих и качественных электродов, например марки МР-3М с ильменитовым покрытием, и работы по сертификации продукции.
Среди металлургических заводов активно развивает электродное производство «Запсиб», ООО «СиМ-Электрод» (при Московском металлургическом заводе «Серп и Молот») и другие.
Помимо перечисленных предприятий заметны на российском рынке «СИБЭС» (Тюмень), «Ротекс» (Краснодар), «Курганхиммаш», «СТАКС» (Сулинский метзавод), Сычевский электродный з-д, Зеленоградский электродный з-д (Москва), Раменский механической з-д (Моск. обл.), «Ярославский электрод», «Химмаш-электрод» (Пенза), «Межгосметиз» (Мценск), «Среднеуральский завод металлоконструкций» (Среднеуральск), «Артемовский машзавод», «Строймонтажконструкция» (Каменск-Уральский), «Металлургический холдинг» (Ревда), «Завод сварочных материалов» (Березовский), «ВЭЛ» (Вишневогорск). Отметим серьезную производственную базу и широкую номенклатуру изделий вплоть до заказных, выпускаемых НПО «Спецэлектрод» (Москва).
В целом в России промышленное производство электродов ведет уже более 90 предприятий различных отраслей. Недорогие технологические мини-линии по производству электродов ныне предлагают десятки фирм, поэтому количество российских производителей быстро растет.
Российские производственные мощности этого производства оцениваются в 400 тыс. тонн в год, а средняя их производственная загрузка – 30-40%.
Предприятия конкурируют ныне не только между собой. На российском рынке активно продвигается продукция ESAB (Швеция), Kobe Steel (Япония), Schwarz и ThyssenKrupp (Германия) и других зарубежных изготовителей. На Рис.3 приведена таблица соответствия наиболее массовых российских электродов электродам ESAB.
На рынке электродов (для простых конструкционных сталей и малоответственных конструкций) пока российские изделия успешно находят своего потребителя. Для более серьезных применений (в нефтегазовом комплексе, энергетике и химической промышленности и т.д.) ситуация сложнее.
Ключевым для конкурентно успешного развития российской электродной промышленности является соотношение цена/качество производимой ею продукции.
Если по цене мы имеем «необходимый запас», то с качеством проблем более чем достаточно. Не вполне решает ее сертификация образцов электродов (Госстандартом РФ, Морским Регистром Судоходства, БелСТ, УкрСепро, ISO 9000-2000, DVS ZERT и т.д., и т.п.). Вновь ссылаемся на врезку «Обманчивая простота электродов».
В настоящее время основную массу электродов, потребляемых в России, составляют электроды МР-3, ОЗС-4, УОНИ 13/55 и их аналоги, предназначенные для сварки основной массы конструкционных сталей (малоуглеродных и малолегированных). Типовые их цены в зависимости от объемов и условий поставки сейчас находятся в диапазоне 16-18 тыс. руб./т. Это в 2-2,5 раза дешевле, чем цены аналогов (ОК 46.00, ОК 48.00 по классификации ЭСАБ), причем даже российского производства (на импортном оборудовании и сырье).
В чем же секрет такой огромной разницы цен?
Что бы иное ни обещала реклама, дело, конечно, в качестве продукции.
Эксперты по сварке и сварочным материалам просто кричат, что большинство российских разработчиков и изготовителей сварочных электродов не располагают оборудованием, измерительными приборами, аналитическими средствами, квалифицированным персоналом и нормативной документацией, необходимыми для осуществления многосторонних, подчас уникальных испытаний. Для преодоления негативных тенденций они, в частности, предлагают:
- сохранить единую нормативную базу электродного и сварочного производства и усовершенствовать ее в соответствии с международными стандартами;
- ужесточить контроль продукции и технологических переделов;
- ввести систему экспертной оценки известных, модернизированных и новых сварочных электродов.
В части контроля считается недостаточным анализ химического состава наплавленного металла, части механических характеристик металла шва и сварочно-технологических свойств электродов. До начала производства новых или модернизированных электродов целесообразно сравнить их с известными прототипами по целому ряду следующих важнейших характеристик:
- параметры стабильности горения дуги и переноса электродного металла;
- содержание в наплавленном металле водорода (диффузионного и остаточного), азота и кислорода;
- стойкость металла шва против кристаллизационных, горячих (подсолидусных) и холодных трещин;
- хладостойкость и циклическую прочность (при различных видах нагрузки);
- стойкость против межкристаллитной коррозии, коррозии в морской воде и атмосферной коррозии;
- структура металла шва и околошовной зоны;
- стойкость наплавленного металла при различных видах износа;
- гигиенические характеристики и др.
Есть также группа параметров, характеризующих удобство и качество работы данными электродами сварщика. Наиболее широкими возможностями для полной оценки качества электродов и процесса сварки располагают: ЦНИИТМАШ, ЦНИИКМ, ЦНИИТС, МГТУ им.Н.Э.Баумана, ИМЕТ им.А.А.Байкова, ВНИИСТ, ВНИИМОНТАЖ, С-П. ГТУ-ЛПИ, УПИ-Уральский институт сварки, ИЭС им. Е.О.Патона. Именно эти организации или их компетентные подразделения нужно привлекать в качестве экспертов и исполнителей отдельных сложных или комплексных испытаний.
Обосновано ли требование такого резкого поворота производителей к отраслевой науке в вопросе сварки?
Лично у нас никаких сомнений в этом нет. Сварочный шов, как зона слабой прочности и коррозионной стойкости, может быть мощной миной с часовым механизмом.
Пока речь идет о сварке торговых киосков, рыночных или складских навесов – проблем для МЧС РФ не будет. Но если некачественный сварной шов лег в конструкцию многоэтажного здания, трубопровода или реактора – жди беды!
Не поможет и попытка “списать” все на сварщика.
Однако экономические потери техногенных катастроф так серьезны, что большая часть российской индустрии вполне может повернуться к стабильным западным производителям.
Не хотелось бы!
Обманчивая простота электродов
Сварку по праву относят к наукоемким и высокоинновационным технологическим процессам. Хотя в календарь ЮНЕСКО уже включен 100-летний Юбилей открытия электросварки, она до сих пор задает немало научных и технологических вопросов.
Хотя приоритет открытия этой технологии и российский, признаемся, что главный прорыв был сделан в Швеции. Изобретатель сварочного электрода Оскар Кьельберг (1870-1931) реализовал идею снабдить сам сварочный элемент – плавящийся электрод – веществами, способствующими стабилизации дуги и улучшению качества сварного шва. В 1904 г. О. Кьельберг основал в Гетеборге фирму «ESAB» («Elektriska Svetsningo Aktien Bologet»), намереваясь применить сварку на верфях Гетеборга. Однако обеспечить удовлетворительное качество известными способами дуговой сварки было весьма проблематично и сложно, тем более, что швы находились во всех пространственных положениях. Газовая сварка также не давала нужных результатов.
Выход нашелся неожиданно просто. Дуговую сварку выручила газовая, точнее, ее отходы. О.Кьельберга заинтересовало наблюдение сварщиков, пытавшихся использовать стальную проволоку, зажатую в держатель вместо угольного электрода. Они заметили, что качество шва улучшается в тех случаях, когда стальные электроды или место соединения испачканы илом, который образуется после получения ацетилена из карбида кальция. Тот же эффект получился и от следов загрязнения, оставшихся на поверхности проволоки после ее волочения, проводившегося с применением извести. В результате исследований О.Кьельберг установил возможность стабилизации процесса и защиты зоны дуговой сварки с помощью покрытия. В историю техники он вошел как человек, реализовавший идею снабдить сам сварочный элемент – плавящийся электрод – веществами, способствующими улучшению качества сварного шва. Эта идея легла в основу ручной дуговой сварки покрытыми электродами – наиболее распространенного способа соединения металлов.
Первый патент Швеции был получен в 1906 г. (заявлен 14.06.1905 г.). Затем «Процесс электрической сварки и электроды для этих целей» был запатентован в ряде других стран. Электрод представлял собой отрезок проволоки, покрытый (с помощью клея) порошком силикатов и оксидов. Как сказано в патенте, цель покрытия - «защитить расплавленный металл от кислорода и азота, а также обеспечить физические и химические свойства шва и сделать возможной сварку во всех пространственных положениях». В 1907 г. Кьельберг получил патент Великобритании (№ 16952), а в 1908 г. – патенты Германии (№ 231733) и Франции (№ 391079). Изобретатель защищал идею «обработки” (покрытия) металлических электродов «проводниками второго класса в виде оксидов, гидроксидов и силикатов циркония, кальция и т. п.»
Именно простейший по конструкции покрытый электрод привел к стремительному распространению ручной электрической сварки во все отрасли мирового производства. Уже первые, разработанные О.Кьельбергом составы покрытий позволили резко сократить попадание азота и кислорода в сталь, снять проблему хрупкости, пористости и неоднородности сварного шва.
Для защиты металла от воздействия воздуха и для улучшения структуры металла шва, а также для облегчения ведения процесса сварки электродная проволока покрывается обмазками. Обмазка, или покрытие электрода, представляет собой слой смеси определенной толщины из неметаллических и металлических компонентов, нанесенный и закрепленный на поверхности электрода. Обмазки применяются двух родов: тонкие или стабилизирующие (ионизирующие), и толстые или качественные.
Стабилизирующие обмазки покрывают электрод тонким слоем (по весу не более 10% от веса электрода) и предназначены в основном для облегчения процесса дуговой сварки путем ионизации дугового промежутка. Обычной стабилизирующей обмазкой является покрытие из мела (углекислого кальция), разведенного в жидком стекле. Стабилизирующие обмазки не влияют на металлургические процессы при сварке и не представляют серьезной защиты металла от вредного воздействия воздуха, но все же дают более плотный металл с более постоянными механическими характеристиками шва, хотя и уступающими основному металлу.
Качественные обмазки служат для регулирования металлургических процессов при сварке, а также для улучшения качеств наплавленного металла. Эти обмазки покрывают электродную проволоку слоем 1-1,5 мм и составляют примерно 20-30% от веса электрода.
Состав качественных обмазок весьма сложен и содержит следующие основные компоненты:
* шлакообразующие (марганцевая руда, титановый концентрат, полевой шпат и др.) – защищают жидкий металл от соприкасания с воздухом и от воздействия кислорода и азота.
* газообразующие (крахмал, торф и др. органические элементы) – защищают расплавленный металл от воздействия кислорода и азота.
* раскисляющие (ферромарганец и др.) – имеют большое сродство с кислородом, связывают кислород и рафинируют наплавленный металл.
* легирующие (графит, различные ферросплавы) – входят в металл в виде компонентов, улучшающих его основные свойства.
* стабилизирующие (мел и др.) – ионизируют дуговой промежуток.
* стальные порошки – повышают производительность сварки, дают экономию ферросплавов и электродной проволоки, улучшают стабильность дуги.
Металл, наплавленный качественными электродами, получается мелкозернистой структуры, без пор и посторонних включений. По механическим свойствам он не уступает основному металлу и при надлежащем подборе легирующих добавок может соответствовать различным маркам стали.
Обычный (штучный) электрод для ручной сварки позволяет создать защитную среду без привлечения дополнительных средств, а необходимые газы выделяются при испарении внешнего покрытия электрода. В настоящее время наиболее распространены два типа электродов.
* Электроды с целлюлозным покрытием. Выделяют большое количество газа, защищающего металл и сварочную ванну. С ними можно работать на «длинной дуге» (3-6 мм) с большой глубиной проплавления (до 2,5 мм). Такие электроды часто применяют в сочетании с аппаратами, имеющими крутопадающую вольт-амперную характеристику (далее ВАХ). У нас в стране они не получили широкого распространения, в то время как на Западе используются повсеместно.
* Электроды с основным типом покрытия. Имеют кальций-фтористое покрытие (или близкое к нему по свойствам рутиловое). При расплавлении такие электроды образуют флюс, обволакивающий зону расплава. Он-то и выполняет главную защитную функцию, а газы являются лишь ионизаторами и стабилизаторами дуги. Работы производят только на «короткой дуге» (2-3 мм) с относительно небольшой глубиной проплавления (0,5-2,5 мм). Электроды с основным типом покрытия дают шов неплохого качества, хорошо защищенный от водорода – главного врага трещиностойкости.
Основная проблема качества сварных электродов с любым типом покрытия – стабильность их свойств. Очевидно, она заметно связана с разнотолщинностью покрытия, с нестабильностью его плотности (пористости). Однако главная беда для малых российских производств – нестабильность состава обмазки электрода.
Связано это с использованием местных сырьевых материалов нестабильного состава. Крупное производство, потребляющее большие объемы сырья, технологически способно его гомогенизировать (сделать более однородным). Кроме того, оно имеет значительные возможности постоянного (и дорогостоящего) контроля его химического состава и необходимой корректировки свойств. Малые недорогие производства часто лишены не только КИП этого контроля, но даже недостаточно четко разрабатывают исходный состав обмазочного материала. Необходимо четкое взаимодействие с наукой, а возможно – стандартизация и сертификация сырья. Иначе – качество продукции непредсказуемо.
В заключение – типовой пример. В перечне «разработок, готовых к внедрению» вполне авторитетного Уральского государственного технического университета (УПИ) перечислена следующая: «Разработан новый состав обмазки, содержащей отвальные шлаки, для изготовления сварных электродов». Ее основным преимущество снижение расхода ферромарганца, т.е. очередное удешевление. К какому качеству приведет переход на сырье менее стабильного состава, аннотация умалчивает…
Статья была опубликована 30 августа 2003 года в журнале "Металлургический бюллетень" (№ 15-16). |
