Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 46
Текст из файла (страница 46)
930. Завис нсимОс~ь коншан~ы галла н о знн, поэтому ванна жидкого металла находится в спокойном металле н шлаке от температуры процессы совершаются на гравице металл — шлак н в самом шлаке. Однако само раскпсление протекает медленно. При температурах, близких к температуре затвердевания металла, констант распределения Х, велика, но скорость диффузии в жилкой фазе минимальна и общий эффект от раскислення оказывается невысоким. Процесс диффузионного раскнслення ианболес заметен при образовании капли на электроде н ее переносе, так как ему способствует достаточно высокая температура, энергичное псремешивание металла капли и непрерывный контакт свежих порций металла со шлаком. В сварочной ванне диффузионное раскисленне протекает с~або н преимущественно лишь а верхнем тон~о~ слое металла, прилегающем к шлаку. Вследствие отмеченных особенностей диффузионное раскис- ление в сварочных процессах обычно не играет большой роли.
Раскисление стали с помощью кислых н основных шлаков протекает прн контакте шлаковой и металлической фаз как на основе обменных реакций„так и путем лиффузионного раскнслення. Р ассмотрнм раскисление металла кислыми шлаками, в которых есть оксид кремния. В таких шлаках наблюдается реакция связывания РеО в комплексы — сцликаты железа, не растворимые в металле: (РеО) = ЦреО).
Если в уравнение (9.67) подставим (9.68), то получим (РЮ «Од) ЦреО)(ЯО2 ) Решим уравнение (9.69) относительно (РсО): ~Р О БЮ~) с~ где К,' является константой, обратной произведению двух кон- сшит: (. и Кс Таким образом, при использовании квелых шлаков для уменьшения содержания закнси железа в метапле пша следует увеличить содержание кислотного оксида ЯО2 в шлаке, т. е. повысить кислотность шлака н (см, (9.28)) и одновременно уменьшить количество образующихся в нем снликатов железа. Однако повышение содержания ЯО2 в шлаке (л > 1,2) приводит к значительному ухудшению физических„а следовательно, и технологических свойств его.
Шлак становится густым («ллнннымв) его активность резко падает, нарушается н стабильность сварочного процесса. Поэтому для сохранения высокой раскисляющей способности кислых шлаков целесообразнш 1) заменить ЯО2 двуокисью титана Т)Оз полностью илн частично. Этим удается сохранить нужную степень кислотностн шл»- ка, сделать его жндкотекучим (и «коротким»), придать ему требуемую химическую активность; 2) попутно внести в такие шлаки элементы-раскнслнтелн. дающие основные оксиды. Их роль сводится к восстановлению железа из силнката н к уменьшению в шлаке содержания силиката железа ( ГеО ЯО2), например: (РеО ЯО2)+(Мп)~:,"1(МпО ЯО2)+(Ге). (9.71) Следует отметить, что при введении в шлак этих раскислнтелсй уменьшается его кислотность.
Рассмотрим раскисление металла основными шлаками, в которых в отличие от кислых шлаков есть избыток основных оксидов, (С О)+(%Оз)~(Сао Б)О,), с константой равновесия, равной (Ра„О,„)(ре) м (геО)~(Ра)" м (Ра„О„,) (Ра)" наиболее сильным из них является СаО. Такие шлаки не обладают способностью к диффузионному раскнсленню, так как имеющиеся в ннх незначительные количества Б10з (цлн Т)Оз) сразу же будут связываться в комплексные соединения с основными оксндамн шлака, т. е. и шлак не будет извлекать геО из металла. Для раскнсления металла с сохранением в нем полезных легнрующнх элементов в основные шлаки вволят спецнальные добавкн-раскнслнтелн. Они ведут себя так же, как прн осадочном раскисленнн металла шва, но продукты раскнслення переходят в шлак.
Процесс раскнсления стали шлаком можно описать уравнением реакцнн Считая, что в сталях (ге) = 1, решаем уравненце (9.73) относитель- но (геО): Отсюда следует, что для того чтобы снцзнть содержание геО в стали, нужно увеличить в шлаке количество раскнслнтеля (Ра) н уменьшить содержание оксида раскнслнтеля в шлаке (Ра„О„,). Продукты раскислення Ра„Ом перейдуг в шлак, который в результате обогащения этими оксндамц, потеряет свою раскнсляющую способность. Для ее повышения нли поддержания на нужном уровне нужно: — ограничивать количество вводимого раскнслнтеля.
Чтобы повысить эффективность процесса раскнслення, одновременно вносят несколько разных раскнслвтелей; — разбавлять шлаки спецнальнымн добавками, которые уменьшают содержание В шлаках окснда раскнслнтеля. В табл. 9.3 приведены в качестве примера несколько раскнслнтелей, реакцнн раскнслення нмн металл~, равновесные концентрацнн (геО) и уравнения для расчета констант равновесна згнх реакций.
Благодаря своим хнмнческнм свойствам основные шлаки (керамические) обеспечивают лучшее раскнсление металла, чем кнслые 3плакн. гадлива У.З. Прлмеры лействня раскнслнтеяей Проведение раскнслнтельных процессов хотя н снцжает содержание кислорода в металле до минимума, но не восполняет целиком потерю полезных элементов вследствне их частичного выгорання и испарения. Вместе с тем раскисленне не дает возможности обогатить металл специальными легнрующимн элементами, чтобы прндать ему особые свойства. Этн задачн выполюпот во время другой металлургической операции — легировання, осуществляемой одновременно с раскислением металла сварочной ванны. 9.9.2, Легнровацие наплавленнеге металла (МпО) + (Ре) = (РеО) + (Мп) Консганта равновесия этой реакции определяется выражением 1Мп1(ГеО) (МпО)1Ге) (9.75) Так как в стали [Ге] = 1, то 450 Легированне наплавлениого металла осущеспшяется с соблюдением следующих важных требований: 1) в качестве легнруюших следует применять элементы, сродство которых к кцслороду меньше, чем сродство раскнслякицих элементов; 2) наряду с легнрующим элементом целесообразно вносить в зону сварки н его оксид, наличие которого предохраняет легирующий элемент от выгорання.
Принципиально возможно осуществить легнрование металла двумя путями: через металлическую фазу н через шлаковую, (легнрование через газовую фазу также возможно, но этот процесс еще мало изучен). При легнровании через металлическую фазу легнрующий элемент вжщят в электродный стержень нли присадочную проволоку, а также прцменяют проплаяление легированного основного металла, сопровождающееся переходом соответствукицих элементов в сварочную ванну.
Легнрование через шлаковую фазу предполагает введение легирующих элементов в электродное покрытие нли флюсы. Первый путь легирования (через металлическую фазу) более эффективен, так как при згом потери легцрукяцего элемента незначительны и козффпвпвнт перехода П нли усвоения зяеивпта — отношение прироста данного легирующего элемента в сосгаве металла шва к количеству этого элемента, ввеленного в зону сварки, оказывается достаточно выожим. Процесс легировання может пропсходнть как в результате прямого растворения элемента в меилле, так и на основе отдельных реакций. При этом, естественно, ббльшую роль играет отношение взаимодействующих между собой масс металла и шлака, т. е. коэффициент 1). Рассмотрим легирование металла шва в результате марганце- восстановительного процесса при злектродуговой сварке под флюсом.
уравнение реакции имеет внд 1Мп 1(реО) К' ~мп (Мп()) Найдем константу распределения; (% Мп) 0,775(% МпО) (в М.) (%М ) где (% Мп), 1% Мп) — массовые концентрации марганца соответственно в шлаке и металле шва. Используя выражение (9. 7б), запишем (9.77) в виде 0 775(% Р О) (9.78) ('мв "мв Подставляя выражение (9.78) в формулу (9.77), с учетом (9.33) получаем расчетную формулу для определенна концентрации Мп в металле шва: (Мп1,„з)+(М '1 „(1-т))+()(М )Ф 0 775(У,Р,О) 1+ 1) --' — —,— --— Константу равновесия К,' для кислых марганцевых флюсов можно вычпслнть по формуле 18К' =- — +1,8б, (9.80) '" т где 7' — абсолютная температура, К.
Расчеты марганцевосстановительного процесса цо формулам (9.75)-(9.80) дают результаты, хорошо совпадающие с данными химического анализа. Пользуясь коэффициентами перехода з), убж, иенони определены. Применять их можно только для груб~™~, ор тировочных расчетов. Числовые значения коэффициентов перехода приведены в гл. 1О. Следует отметить, что поскольку коэффициент и является фо й величиной, то при его использовании учитываются формально ве только начальное и конечное состояния системы н совер отражшотся разнообразные и часто весьма сложные металлургические процессы, протекающие в реакционной сварочной зоне.
Легирование металла шва происходит во всех участках зоны сварки н на всех ее этапах, однако энергичнее н полнее — в процессе каплеобразования. Наиболее эффективен метод легирования сварочной ванны путем ввода легирующих элементов, минуя стадию капли, в составе дополнительной легнрующей присадочной проволоки при сварке с дополнительной горячей присадкой. 9ЛО. Рафинирование сварочной ванны н модифинироваиие металла шва Третья важная металлургнческая операция, протекакяцая в сварочной ванне одновременно с раскислением н легироваиием металла, — его рафинирование, т.
е. очищение от вредных примесей — серы и фосфора. Полное удаление этих примесей при плавке и сварке стали невозможно (см. гл. 8). Однако для рафинирования металла шва по содержанию серы условия сварочного процесса в общем более благоприятны, чем в сталеплавильном производстве. Наиболее существенными из них являются следующие: 1» более высокая температур» металла н шлака, особенно на стадии образования капель (Т„= 3000 К), что способствует диссоциации сернистых и фосфорных соединений, ослабляет их химические связи и тем самым облегчает удаление серы и фосфора нз металла шва в шлак; 2) интенсивное перемешивание металла со пивком В кипящих каплях и в сварочной ванне увеличивает относительную массу шлака в 100-1000 раз по сравнению с относительной массой шлака при плавке стали; 3) исполкюваиие специальных рафинирующих компонентов: кальция Са, церна Се, лантана Еа, иттрия! и других в электродных покрытиях или сварочных флюсах позволяет провести удаление или связывание вредных примесей.
Таким образом, несмотря на кратковременность взаимодействия металла со шлаком, при сварке плавлением есть возможность получать металл шва с меньшим содержанием серы и фосфора, чем восновном металле. 9ЛОЛ. Влияние серы иа структуру н свойства шва Источниками поступления серы и фосфора в зону сварки служат: флюсы и электродные покрытия, в состав которых входят содержащие примеси серы компоненты„например марганцевые руды, а также расплавленные основной и электродный металлы. 452 Важно отметить, что распределение серы по сечению толсто- листового основного металла может быть крайне неравномерным вследствие ликвации при кристаллизации литых слябов, не подвергающихся при прокатке значительным деформациям.
Поэтому при сварке на некоторых участках шва концентрация серы может Оказаться весьма ВысокОЙ, а мсханические свойства ШВВ Очень низкими даже при ее средней концентрации в металле, удовлетвоГвющей требованиям ГОСТа. Это явление называют металлургической наследственностью в металле. Содержание серы в металле в количестве, превышающем допустимые нормы, резко снижает его механические свойства и является причиной красноломкости металла, а при сварке 1763 приводит к появлению в шве 1725 кристаллизационых трещин. Механизм влияния примесей се!зы на наплаВленный металл состоит в следую1цем. В сталях сера образует с железом 1300 122В К сульфид железа Ге Я, темпера- 30% 5 тура плавления которого составляет 1468 К, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
