Лекции 1-17 (1043960), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

Жидкие шлаки являются растворами-электролитами. Они обладают присущей электролитам ионной проводимостью и подвержены электролизу. Шлаки, богатые основными оксидами, называются основными шлаками, а при большом содержании кислотных оксидов – кислыми шлаками. В первом приближении считается, что простые катионы (Fe²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и др.) и простые анионы (О^2–, F^–) в основных шлаках равноценны в отношении взаимодействия друг с другом и такие шлаки близки к идеальным растворам (по теории М.И. Тёмкина). По мере увеличения в шлаке кислых оксидов его поведение все более отличается от поведения идеального раствора. Жидкие шлаки представляют собой наиболее сложный вид растворов, теоретическое описание которого представляет затруднение. В дальнейшем будем рассматривать сварочные шлаки как молекулярные растворы, а в отдельных случаях – как ионные растворы.

Сварочные флюсы применяют для выполнения следующих
задач:

– защиты жидкого металла от непосредственного контакта с воздухом;

– проведения процессов раскисления, легирования и рафинирования металла;

– улучшения теплового режима сварки путем снижения ско­рости охлаждения;

– поддержания устойчивости дугового разряда;

– высококачественного формирования металла шва и особенно создания плавной зоны перехода к основному металлу, зависящей от смачиваемости твердого металла жидким металлом и растекаемости жидкого металла на поверхности соединения.

Применение сварочных флюсов эффективно только при оптимальных соотношениях химических и физических свойств шлаков и флюсов.

Химические свойства флюса и образующегося из него шлака в зна­чительной мере определяются степенью кислотности или обратной ей величиной – степенью основности (В).

Степенью кислотности n называют отношение сумм молекулярных долей основных и кислотных оксидов данного шлака, выраженных в процентах и не связанных в комплексы:

(9.28)

К кислотным оксидам сварочных флюсов относятся SiO₂, TiO₂, P₂O_5, B₂O₃ и др., к основным – FeO, МnO, NiO, CaO, BaO, MgO, Na₂O, Cu₂O, K₂O и др. Кроме этих двух групп оксидов в сварочных флюсах могут присутствовать и амфотерные оксиды, ведущие себя с сильными кислотами как основные оксиды, а с сильными основаниями как кислотные оксиды. К амфотерным оксидам относятся Al₂O₃, Fe₂O₃, Cr₂O₃, V₂O₃ и др.

Если степень кислотности больше единицы, шлак считается кис­лым, если меньше – основным. Однако такое деление весьма ус­ловно, так как при определении степени кислотности n по формуле (9.28) не учитывается актив­ность каждого из оксидов. Возможны случаи, когда по значению n формально следует отнести шлак к кислым (n > 1), однако вследствие наличия в нем слабых кислотных и сильных основных оксидов он по характеру металлургического воздействия является основным. Тем не менее с помощью показателя степени кислотности можно ориентировочно оценить свойства шлака и его поведение при сварке. Весьма важно при этом знать, в какой форме находятся в данном шлаке различные оксиды – в виде комплексных соединений или в свободном, диссоциированном состоянии. Запишем в общем виде реакцию образования комплексных соединений для жидкого шлака:

(МеО)_осн + (МеО)_кисл (МеО_осн МеО_кисл) (9.29)

с константой равновесия (выраженной в объемных долях компонентов):

(9.30)

С уменьшением температуры константа равновесия K_c реакции растет, процесс образования комплексных соединений уси­ливается и концентрация свободных оксидов в шлаке уменьшается.

О степени сродства отдельных оксидов друг к другу можно судить по значению константы равновесия реакции, а также (ориентиро­вочно) по тепловому эффекту реакции – теплоте комплексообразования. Ниже приведены значения теплоты комплексообразования, Дж/моль, для различных соединений:

2CaO SiO₂ 118 860

BaO SiO₂ 61 740

FeO SiO₂ 45 360

2FeO SiO₂ 34 020

MnO SiO₂ 32 340

ZnO SiO₂ 10 458

Al₂O₃ SiO₂ 192 990

Из приведенных данных следует, что образованию силикатов алюминия соответствует наибольшая теплота комплексообразования.

В кислых шлаках наиболее сильными основными являются оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, слабее оказываются амфо­терные оксиды. Из кислотных оксидов после SiO₂ наиболее силь­ные TiO₂ и Р₂О₅.

Вообще процессы комплексообразования идут в шлаке одновре­менно для всех оксидов, но наиболее полно и активно они протекают при взаимодействии сильных основных и кислотных
ок­сидов. Нельзя забывать, конечно, и о влиянии концентрации сво­бодного оксида в шлаке на развитие процессов комплексообразо­вания. При большой концентрации в шлаке слабого оксида сте­пень его активности может заметно возрасти.

К началу затвердевания шлака после кристаллизации металла шва отдельные его компоненты присутствуют в форме двойных и более сложных комплексных соединений, а также находятся во взаимных растворах. Химические свойства сварочных шлаков следует рассматривать в совокупности с их физическими свойствами.

Физические свойства шлаков характеризуются следующими величинами:

– тепловыми константами (температурой плавления и раз­мягчения, теплоемкостью, скрытой теплотой плавления и энтальпией шлака);

– вязкостью в жидком состоянии и ее изменением с темпера­турой;

– газопроницаемостью;

– плотностью в жидком состоянии;

– показателями, определяющими отделяемость шлака от металла шва в твердом состоянии.

Для подавляющего большинства сварочных шлаков харак­терна большая склонность к переохлаждению, что объясняется их повышенной вязкостью в жидком состоянии.

Точно определить температуру плавления шлаков трудно, так как соответствующие критические точки превращения выражены не всегда отчетливо, а иногда и вовсе отсутствуют. Для шлаков характерно наличие некоторого температурного интервала плавления, лежа­щего между температурами начала размягчения шлака и его пере­хода в жидкое состояние, соответствующее полному расплавлению. Температурный интер­вал плавления у кислых шлаков обычно больше, чем у основных.

От температуры размягчения и плавления шлаков, полученных при взаимном растворении их компонентов, следует от­личать температуру образования шлаков при плавлении электрод­ных покрытий или керамических флюсов, представляющих собой механическую смесь измельченных компонентов, связанных обычно раствором жидкого стекла. Для такого шлака характерна темпера­тура плавления смеси оксидов, составляющих его (например, элек­тродного покрытия). Обычно она несколько выше, чем для сплав­ленного шлака того же состава, но так же, как и для сплавленного шлака, должна быть ниже температуры плавления металла.

А ктивность жидких шлаков при взаимодействии с металлом сильно зависит от их вязкости, зависящей от температуры. На
рис. 9.18 приведены кривые зависимости динамической вязкости η сварочных шлаков от температуры Т. По ним можно судить об особенно­стях поведения шлаков при переходе из жидкого состояния в твер­дое. Кривая 1, соответствующая «коротким» шлакам, показывает, что их вязкость почти постоянна в пределах 1473–1873 К и состав­ляет менее 0,2 При температуре около 1373 К вязкость «коротких» шлаков резко повышается и они затвердевают. Перепад температур по толщине шлаковой корки приводит к тому, что «ко­роткий» шлак быстро затвердевает вблизи поверхности, оставаясь жидким в зоне соприкосновения с кристаллизующимся металлом и обеспе­чивая свободный выход газов из металла и формирование шва. «Короткие» шлаки относятся к основным шлакам.

Кривая 2 (см. рис. 9.18) соответствует «длинным», более густым шлакам, вязкость которых медленно снижается в интервале 1573...1673 К. Такие шлаки постепенно переходят сначала из
жидкого состояния в густое, потом – в тестообразное, а затем – в твердое, и поэтому трудно установить температуру начала их затвердевания.

Переход «длинных» шлаков из тестообразного состояния в твердое сопровождается повышением вязкости, и это затрудняет перегруппировку частиц, необходимую для построения кристаллической решетки. Поэтому «длинные» шлаки не кристаллизуются, а переходят в стекловидную аморфную массу.

«Длинные» шлаки – это обычно кислые силикатные шлаки. Чем больше содержание SiO₂ в шлаке, тем выше его вязкость.
Однако различные силикаты, входящие в шлак, могут иметь разную вязкость. Наиболее часто встречающиеся в сварочных шлаках комплексы – силикаты по воз­растанию их вязкости можно
расположить в такой ряд: FeO · SiO₂, MnO SiO₂, Fe₂O₃ SiO₂, MgO SiO₂, CaO SiO₂, A1₂O₃ SiO₂. «Длинные», медленно затвердевающие шлаки менее активны по отношению к металлу и отличаются худшими фор­мирующими свойствами: смачиваемостью и растекаемостью.

От вязкости шлака зависит его газопроницаемость, т. е. способность пропускать выделяющиеся из металла газы. Из­вестно, что скорость выделения газов из металла зависит от их давле­ния над поверхностью металла. Если у шлаков плохая газопрони­цаемость, то на поверхности металла создается повышенное давле­ние газов, препятствующее их дальнейшему выделению. В этом слу­чае в шве могут образоваться поры, а на поверхности шва – мелкие вмятины, шероховатость, побитость.

Характеристики

Список файлов лекций