热剂焊在焊接过程中使用了热剂反应产物作为填充材料，避免了焊接过程造成的钢轨缩短。4）热剂焊对待焊工件采取整体加热的焊接方式，材料焊接性也具有不同于局部加热方式的一些特点。这些基本原理是直接与铝热焊接工艺密切相关的。因为其他热剂的使用相对铝热剂要少很多，本章主要讨论铝热反应、铝热焊的原理与特点。电力行业使用铝与氧化铜配成热剂，仍然属于铝热剂的范畴。......
2023-06-26
热剂的组成与配方计算
【摘要】：以铝热化学反应和冶金理论为基础进行热剂配方的计算，并根据各种配方组成材料的化学分析、力学性能检验进行必要的试验，以获得能够满足各项力学性能与化学成分要求的热剂配方。热剂配方主要需确定以下三个问题。
热剂由两部分组成，一部分是其主要组成成分，包括铝粉、氧化铁、铁粉和铁合金等；另一部分是引燃材料，如高温火柴。
热剂的配方直接影响着热剂的质量，热剂的质量又是影响焊接接头质量的重要因素之一，因此，设计与确定热剂配方是较重要的问题。以铝热化学反应和冶金理论为基础进行热剂配方的计算，并根据各种配方组成材料的化学分析、力学性能检验进行必要的试验，以获得能够满足各项力学性能与化学成分要求的热剂配方。
热剂配方主要需确定以下三个问题。
1.铝粉和氧化铁的配方比
铝粉和氧化铁是热剂中的主要组成部分，以这两顶为基础进行热剂的计算。从理论上说，铝粉和氧化铁的反应，要使氧化铁中的铁全部被还原出来而无剩余的氧化铁存在。铝除保证还原氧化铁外，还要求有微量铝过渡到焊缝中去，对钢起细化晶粒的作用。铝粉-金属铝含量（即铝粉中实际能与氧化铁起作用的部分），氧化铁以及氧化铁中三氧化二铁（Fe2O3）和氧化亚铁（FeO）含量为计算基础。
（1）根据化学反应式氧化铁中FeO所需的铝量 根据化学反应式，见式（4-5-5），可以求出氧化铁中FeO和铝粉起化学反应时，每克FeO所需含铝量d。
3FeO+2Al=3Fe+Al2O3+199.5kJ （4-5-5）
通过计算，每1g FeO需0.2503g铝。
（2）根据化学反应式氧化铁中Fe2O3所需的铝量 根据化学反应式（式4-5-6），可以求出氧化铁中Fe2O3和铝粉起化学反应时，每克Fe2O3所需含铝量f。
Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3+198.3kJ （4-5-6）
通过计算，每1g Fe2O3需0.3379g铝。
（3）热剂中铝粉加入量的近似计算 从式（4-5-5）和式（4-5-6）中，可以求出热剂中FeO和Fe2O3分别所需的铝量（即d和f值）。但由于热剂组成材料中的铝粉含金属铝量不同，氧化铁中含FeO和Fe2O3的量在不同处理工艺下也不相同，随着热剂氧化铁的FeO和Fe2O3含量不同，要求铝粉的加入量也不同。
热剂中铝粉加入量可按照下列近似简化计算式计算：
式中 Al焊——热剂中铝粉加入量（g）；
b——氧化铁中氧化亚铁（FeO）的质量分数（%）；
c——氧化铁中三氧化二铁（Fe2O3）的质量分数（%）；
A金——热剂铝粉中金属铝的质量分数（%）；
H——热剂量（g）（这里仅包括铝粉和氧化铁）。
d、f值可通过式（4-5-5）和式（4-5-6）求出。
（4）热剂中氧化铁加入量 根据热剂中铝粉加入量的计算式（4-5-6）求得铝粉的加入量后，可以由此求出氧化铁的加入量：
F氧=H-Al焊 （4-5-8）
式中 F氧——热剂氧化铁中（FeO+Fe2O3）总量。
从以上分析可以看出，热剂中铝粉和氧化铁的计算，基本上是按照化学反应式，但实际上，由于考虑到铝粉中金属铝含量和氧化铁中杂质等因素，因此式（4-5-7）和式（4-5-8）仅为近似计算式，所以在计算实际用量时，还应根据试验，找出校正系数，这样，才能使所配制的铝热剂获得最好质量的效果。
2.铁粉加入量
铁粉熔化需要熔化热，铁粉加入的作用是调节热剂反应时的温度和增加铁液，加入的数量和焊剂数量有关。预热法铝热焊时，铁粉加入量占铝粉和氧化铁总质量分数的10%至20%；如果采用不预热铝热焊时，铁钉头加入量应考虑少加或不加，以便于提高铝热钢液温度。
3.铁合金的加入量
铁合金的加入主要是使焊缝金属具有一定的化学成分和力学性能。铁合金在热剂中的加入量要根据铝热钢对化学成分的要求、铝热钢液重量、合金元素含量和铁合金的过渡系数而定。
铁合金加入量可以按照下式计算：
M=gm1/Gm2 （4-5-9）
式中 M——铁合金加入量（g）；
g——铝热钢液重量（g）；
m1——铝热钢液中该合金元素的质量分数（%）；
G——合金元素过渡系数；
m2——铁合金中该合金元素的质量分数（%）。
总之，热剂的配方计算是以上述各项为基础，根据热剂组成材料的化学成分物理要求，从理论上进行计算外，更重要的是通过科学试验，反复实践，采用优选法等，以求得最好的配合比。
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