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摘要：本文通过一组实验分析了还原钛矿中FeO量对普通酸性结构钢焊条性能的影响：（1）随着还原钛铁矿中FeO增加，焊条冶金反应由还原性偏强→氧化还原反应平衡→氧化性偏强，焊条熔滴过渡粗化，飞溅增大，渣中FeO量增加脱渣性变差；但随着氧化性增加，冶金反应热增加，焊条熔化速度加快。（2）随着还原钛铁矿中FeO量增加，电弧吹力增大，但渣中FeO增加，熔渣变长变稀，立仰焊性能变差。（3）还原钛铁矿中FeO量较少，还原性能偏强，此时合金过渡系数较高，但焊缝中含H量增加，故强度偏高，塑韧性一般；随着FeO量增加，氧化还原反应趋于平衡，此时脱氧充分，焊缝力学性能最好；当FeO量过高时，由于脱氧过甚，合金过渡系数下降，焊缝中含氧量增加，严重时出现CO气孔，焊缝韧性最差。（4）当还原钛铁矿中FeO控制在3—7%时，酸性结构钢焊条具有优异的性能。
关键词：还原钛铁矿；FeO；酸性结构钢焊条；焊接性能；焊缝力学性能
前言
目前，我国普通酸性结构钢焊条年产量近80万吨，约占电焊条总量的90%。其中主要为高钛型及钛钙型药皮的结421及结422焊条。这两类焊条均采用CaO—TiO2—SiO2渣系，其主要成分大至如下（表1）
TiO2是该渣系最主要的组成成分。对普通酸性结构钢焊条来说，熔渣中TiO2主要来源于药皮中常见原材料：1、金红石（包括天然金红石和人造金红石）；2、钛白粉；3、还原钛铁矿。其次，一些是为改善焊条性能，在药皮中加入少量钛铁矿或含钛复合料，也是熔渣中TiO2来源之一。
我国最早的普通酸性结构钢焊条含TiO2原材料主要采用天然金红石和钛白粉，而且钛白粉一般在10%以上。由于钛白粉价格昂贵，加入量较多时将使焊条成本大幅度增加同时使焊条抗大电流能力下降，飞溅增大[1]。此外，我国天然金红石资源储量很少，远不能满足需求，因此一度出现供货紧张，不得不依赖进口。相反，我国钛铁矿资源却异常丰富，为充分利用我国丰富的钛铁矿资源，降低普通酸性结构钢焊条成本，天津电焊条厂等国内焊材生产厂家率先在国内应用并推广了采用还原钛铁矿生产钛钙型结422焊条的技术，完全取代了结422药皮中金红石及钛白粉，使焊条成本降了15%以上，取得了良好的社会及经济效益。
还原钛铁矿是以天然钛铁矿为原料，以碳或一氧化碳作还原剂，在1150℃左右焙烧，经过下列反应制成。
Fe2O3+3C→2Fe+3CO↑ （式1）
FeTiO3+C→TiO2+Fe+CO↑ （式2）
2FeTiO3+C→2Fe+2TiO2+CO2↑ （式3）
FeTiO3+CO→Fe+TiO2+CO2↑ （式4）
Fe2O3+3CO→2Fe+TiO2+3CO2↑ （式5）
反应产物中除了约55%～60的TiO2外，还含有30～36%左右铁粉及部分FeO。由于还原钛铁中含在一定量的铁粉，当将其加入焊条药皮中时，不仅可改善焊条焊接工艺性能而且可提高焊条熔敷效率。但是，由于各还原钛铁矿生产厂家制造设备、生产方法及工序控制等有所不同，導致不同厂家或同一厂家生产的不同批次还原钛铁矿质量不一样。衡量还原钛铁矿质量的主要指标是其含FeO量。下面我们将通过对比试验对还原钛铁矿中FeO含量对普通酸性结构钢焊条性能的影响作以介绍。
1试验条件
1.1试验用酸性结构钢焊条配方
试验采用的焊条药皮原材料配比见表2：
焊芯采用H08A-Ф4.0Х400mm，药皮外径为Ф6.40～6.60mm。
粘结剂采用K：Na2：1，模数3.0M，浓度43～45Be的钾钠水玻璃，加入量23～25%。
1.2试验用还原钛铁矿
为便于对比，我挑选了五组TiO2含量相当，但FeO含量不一样的还原钛铁矿，分别编号如下：
各组还原钛铁矿含TiO2、C、S、P量相当，FeO含量逐渐递增。为便于比较，我们都将其约成整数。
2试验结果
将五种还原钛铁矿按规定配方压成五种焊条，然后在同一交流焊机上采用同等电流进行对比试验。通过对其脱渣性、飞溅大小、焊条熔化速度、立仰工艺及焊缝力学性能对比（表4、图1），我们发现随着还原钛铁矿中FeO量增加，焊条工艺性能及内在性能产生明显变化：
（a）飞溅：当FeO〈8%时，飞溅 变化不大；超过了8%，焊条飞溅明显增大，且爆声加大。
（b）脱渣：随着还原钛铁矿中FeO 量增加，焊条脱渣性尚可，但渣边变得参差不齐。当FeO〈8%时，脱渣性较好，渣能自动翘起，且渣边很齐。FeO含水量量最少的1#脱渣最好，含量最高的5#脱渣最差。
（c）熔化速度：随还原钛铁矿中FeO量增加，焊条熔化速度明显加快。
（d）立仰焊工艺：当还原钛矿中FeO量增多时，焊条电弧吹力及挺度增加，但熔渣变稀，超过11%时立仰焊工艺明显恶化。
（e）焊缝力学性能：由表4及图1不难看出，随着还原钛铁矿中FeO量增加，焊缝强度略呈下降趋势，但延伸率和-20℃冲击功在1#和3#间略有上升；当还原钛铁矿中FeO超过11%时，则又很快下降。
3结果分析
FeO是一种较强的氧化剂，也是一种较低熔点的熔渣稀释剂，其含量的变化将直接影响焊条的工艺性能：
a、对飞溅的影响
焊条飞溅的主要由两个因素决定：一是焊接冶金反应的平衡程度，二是熔滴的过渡形态。当焊接冶金反应平衡时，电弧柔和且爆声小；相反，冶金反应剧烈，电弧较爆。FeO是一种较强的氧化剂，在某一范围内它对冶金反应影响不是很明显，在飞溅上反应亦不很明显。但当超过某一范围时，氧化反应加剧，冶金反应严重失衡，剧烈的氧化反应将使电弧变爆，产生大颗粒的爆炸飞溅，从而使焊条总飞溅增大。一般情况下还原钛铁矿中FeO量控制在8%以内，焊条飞溅不会明显增大。 酸性焊条熔滴过渡形态大致有三种：喷射过渡、附壁过渡及爆炸过渡。当FeO量超过一定范围（8%）时，将加剧冶金反应，使熔滴部分呈现爆炸过渡，因而飞溅增大。
b、对脱渣性影响
在各种原材料配比相同情况下，酸性结构钢焊条脱渣性与冶金反应平衡有较大关系：反应平衡时，脱渣性好；反之，若氧化性偏强，焊缝表面易形成一层氧化膜，该氧化膜与熔渣结合较紧，使焊条脱渣困难。还原钛铁矿中FeO在一定范围内（8%）对氧化还原反应影响不是很大，故焊条仍具有较好的脱渣性。但当FeO量过多时，将使冶金反应失衡，熔渣氧化性偏强，在焊缝表面形成氧化膜，同焊缝表面结合在一起使脱渣困难。
c、对熔化速度的影响
在焊接电流及焊机型号一定的情况下，焊条熔化速度主要与焊接冶金热有关。焊接冶金热一方面来源于电弧热，一方面来源于冶金反应热。随着还原钛铁矿中FeO量增加，冶金反应加剧，冶金反应热量增加，焊条熔化速度加快，从这一点来说，还原钛铁矿中含有一定时的FeO有利于提高焊条效率。
d、对焊缝力学性能影响
前面说过，还原钛铁矿中FeO多少将直接影响焊接冶金反应平衡。脱氧剂一定，当FeO含很少量，冶金反应还原性稍偏强，合金元素烧损相对较少，合金过渡系数较高，因此焊缝强度较高。但此时由于脱氧过甚，焊缝中含氢量相对增加，焊缝塑韧性相对较差；当FeO含量达到5%左右时，冶金反應基本平衡，由于合金元素烧损率相对增加，强度则略有下降；当FeO含量过高时，氧化性偏强，此时合金元素过渡系数更低，强度下降较多，同时由于脱氧不足，焊缝中含氧量显著增加，严重时还会在焊缝中形成CO内气孔。此时，焊缝塑韧性最差。因此，为保证普通酸性结构钢焊条具有较好的内在性能，还原钛铁矿中FeO含量应予以严格控制。
综上所述，当还原钛铁矿中FeO含量控制在3-7%时，普通酸性结构焊条具有良好的焊接工艺及焊缝金属内在性能。
4结论
（1）、随着还原钛铁矿中FeO含量增加，酸性结构钢焊条飞溅增大，脱渣性变差，熔化速度加快；
（2）、随着还原钛铁矿中FeO含量增加，焊缝强度下降，塑韧性在3-4%间出现一个高峰值，然后下降；
（3）、为保证普通酸性结构钢焊条具有优异的综合性能，还原钛铁矿中FeO量应控制在3-7%范围之内。
参考文献：
[1]唐伯钢等：《低碳钢及低合金焊接材料》，机械工业出版社，1987；
{2}天津电焊条厂，用还原钛铁矿生产钛钙型（结422）焊条总结，1987；
作者简介：
孙红宇，女，1973年9月8日，助理工程师，研究方向：冶炼 采选矿。
关键词：还原钛铁矿；FeO；酸性结构钢焊条；焊接性能；焊缝力学性能
前言
目前，我国普通酸性结构钢焊条年产量近80万吨，约占电焊条总量的90%。其中主要为高钛型及钛钙型药皮的结421及结422焊条。这两类焊条均采用CaO—TiO2—SiO2渣系，其主要成分大至如下（表1）
TiO2是该渣系最主要的组成成分。对普通酸性结构钢焊条来说，熔渣中TiO2主要来源于药皮中常见原材料：1、金红石（包括天然金红石和人造金红石）；2、钛白粉；3、还原钛铁矿。其次，一些是为改善焊条性能，在药皮中加入少量钛铁矿或含钛复合料，也是熔渣中TiO2来源之一。
我国最早的普通酸性结构钢焊条含TiO2原材料主要采用天然金红石和钛白粉，而且钛白粉一般在10%以上。由于钛白粉价格昂贵，加入量较多时将使焊条成本大幅度增加同时使焊条抗大电流能力下降，飞溅增大[1]。此外，我国天然金红石资源储量很少，远不能满足需求，因此一度出现供货紧张，不得不依赖进口。相反，我国钛铁矿资源却异常丰富，为充分利用我国丰富的钛铁矿资源，降低普通酸性结构钢焊条成本，天津电焊条厂等国内焊材生产厂家率先在国内应用并推广了采用还原钛铁矿生产钛钙型结422焊条的技术，完全取代了结422药皮中金红石及钛白粉，使焊条成本降了15%以上，取得了良好的社会及经济效益。
还原钛铁矿是以天然钛铁矿为原料，以碳或一氧化碳作还原剂，在1150℃左右焙烧，经过下列反应制成。
Fe2O3+3C→2Fe+3CO↑ （式1）
FeTiO3+C→TiO2+Fe+CO↑ （式2）
2FeTiO3+C→2Fe+2TiO2+CO2↑ （式3）
FeTiO3+CO→Fe+TiO2+CO2↑ （式4）
Fe2O3+3CO→2Fe+TiO2+3CO2↑ （式5）
反应产物中除了约55%～60的TiO2外，还含有30～36%左右铁粉及部分FeO。由于还原钛铁中含在一定量的铁粉，当将其加入焊条药皮中时，不仅可改善焊条焊接工艺性能而且可提高焊条熔敷效率。但是，由于各还原钛铁矿生产厂家制造设备、生产方法及工序控制等有所不同，導致不同厂家或同一厂家生产的不同批次还原钛铁矿质量不一样。衡量还原钛铁矿质量的主要指标是其含FeO量。下面我们将通过对比试验对还原钛铁矿中FeO含量对普通酸性结构钢焊条性能的影响作以介绍。
1试验条件
1.1试验用酸性结构钢焊条配方
试验采用的焊条药皮原材料配比见表2：
焊芯采用H08A-Ф4.0Х400mm，药皮外径为Ф6.40～6.60mm。
粘结剂采用K：Na2：1，模数3.0M，浓度43～45Be的钾钠水玻璃，加入量23～25%。
1.2试验用还原钛铁矿
为便于对比，我挑选了五组TiO2含量相当，但FeO含量不一样的还原钛铁矿，分别编号如下：
各组还原钛铁矿含TiO2、C、S、P量相当，FeO含量逐渐递增。为便于比较，我们都将其约成整数。
2试验结果
将五种还原钛铁矿按规定配方压成五种焊条，然后在同一交流焊机上采用同等电流进行对比试验。通过对其脱渣性、飞溅大小、焊条熔化速度、立仰工艺及焊缝力学性能对比（表4、图1），我们发现随着还原钛铁矿中FeO量增加，焊条工艺性能及内在性能产生明显变化：
（a）飞溅：当FeO〈8%时，飞溅 变化不大；超过了8%，焊条飞溅明显增大，且爆声加大。
（b）脱渣：随着还原钛铁矿中FeO 量增加，焊条脱渣性尚可，但渣边变得参差不齐。当FeO〈8%时，脱渣性较好，渣能自动翘起，且渣边很齐。FeO含水量量最少的1#脱渣最好，含量最高的5#脱渣最差。
（c）熔化速度：随还原钛铁矿中FeO量增加，焊条熔化速度明显加快。
（d）立仰焊工艺：当还原钛矿中FeO量增多时，焊条电弧吹力及挺度增加，但熔渣变稀，超过11%时立仰焊工艺明显恶化。
（e）焊缝力学性能：由表4及图1不难看出，随着还原钛铁矿中FeO量增加，焊缝强度略呈下降趋势，但延伸率和-20℃冲击功在1#和3#间略有上升；当还原钛铁矿中FeO超过11%时，则又很快下降。
3结果分析
FeO是一种较强的氧化剂，也是一种较低熔点的熔渣稀释剂，其含量的变化将直接影响焊条的工艺性能：
a、对飞溅的影响
焊条飞溅的主要由两个因素决定：一是焊接冶金反应的平衡程度，二是熔滴的过渡形态。当焊接冶金反应平衡时，电弧柔和且爆声小；相反，冶金反应剧烈，电弧较爆。FeO是一种较强的氧化剂，在某一范围内它对冶金反应影响不是很明显，在飞溅上反应亦不很明显。但当超过某一范围时，氧化反应加剧，冶金反应严重失衡，剧烈的氧化反应将使电弧变爆，产生大颗粒的爆炸飞溅，从而使焊条总飞溅增大。一般情况下还原钛铁矿中FeO量控制在8%以内，焊条飞溅不会明显增大。 酸性焊条熔滴过渡形态大致有三种：喷射过渡、附壁过渡及爆炸过渡。当FeO量超过一定范围（8%）时，将加剧冶金反应，使熔滴部分呈现爆炸过渡，因而飞溅增大。
b、对脱渣性影响
在各种原材料配比相同情况下，酸性结构钢焊条脱渣性与冶金反应平衡有较大关系：反应平衡时，脱渣性好；反之，若氧化性偏强，焊缝表面易形成一层氧化膜，该氧化膜与熔渣结合较紧，使焊条脱渣困难。还原钛铁矿中FeO在一定范围内（8%）对氧化还原反应影响不是很大，故焊条仍具有较好的脱渣性。但当FeO量过多时，将使冶金反应失衡，熔渣氧化性偏强，在焊缝表面形成氧化膜，同焊缝表面结合在一起使脱渣困难。
c、对熔化速度的影响
在焊接电流及焊机型号一定的情况下，焊条熔化速度主要与焊接冶金热有关。焊接冶金热一方面来源于电弧热，一方面来源于冶金反应热。随着还原钛铁矿中FeO量增加，冶金反应加剧，冶金反应热量增加，焊条熔化速度加快，从这一点来说，还原钛铁矿中含有一定时的FeO有利于提高焊条效率。
d、对焊缝力学性能影响
前面说过，还原钛铁矿中FeO多少将直接影响焊接冶金反应平衡。脱氧剂一定，当FeO含很少量，冶金反应还原性稍偏强，合金元素烧损相对较少，合金过渡系数较高，因此焊缝强度较高。但此时由于脱氧过甚，焊缝中含氢量相对增加，焊缝塑韧性相对较差；当FeO含量达到5%左右时，冶金反應基本平衡，由于合金元素烧损率相对增加，强度则略有下降；当FeO含量过高时，氧化性偏强，此时合金元素过渡系数更低，强度下降较多，同时由于脱氧不足，焊缝中含氧量显著增加，严重时还会在焊缝中形成CO内气孔。此时，焊缝塑韧性最差。因此，为保证普通酸性结构钢焊条具有较好的内在性能，还原钛铁矿中FeO含量应予以严格控制。
综上所述，当还原钛铁矿中FeO含量控制在3-7%时，普通酸性结构焊条具有良好的焊接工艺及焊缝金属内在性能。
4结论
（1）、随着还原钛铁矿中FeO含量增加，酸性结构钢焊条飞溅增大，脱渣性变差，熔化速度加快；
（2）、随着还原钛铁矿中FeO含量增加，焊缝强度下降，塑韧性在3-4%间出现一个高峰值，然后下降；
（3）、为保证普通酸性结构钢焊条具有优异的综合性能，还原钛铁矿中FeO量应控制在3-7%范围之内。
参考文献：
[1]唐伯钢等：《低碳钢及低合金焊接材料》，机械工业出版社，1987；
{2}天津电焊条厂，用还原钛铁矿生产钛钙型（结422）焊条总结，1987；
作者简介：
孙红宇，女，1973年9月8日，助理工程师，研究方向：冶炼 采选矿。