Лекции 1-17 (1043960), страница 19

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

Текст из файла (страница 19)

Густые шлаки обладают плохой газопроницаемостью, а маловязкие, жидкоподвижные шлаки – высокой газопроницаемостью. В жидкоподвижных шлаках быстрое выделение газов из металла сопровождается попутным захватом частиц шлаковых включений и более полным очищением металла шва. Поэтому важно умело подбирать соответствующие до­бавки к шлаку, чтобы влиять на изменение его вязкости в нужном направ­лении.

Отличным разжижителем шлаков, особенно основных, является фтористый кальций CaF₂ (плавиковый шпат). Уменьшают вязкость и такие оксиды, как TiO₂, K₂О, Na₂O, MnO, а также хлориды. Особенно благоприятно влияние оксида ТiO₂, который способствует получе­нию «короткого» шлака. Таким образом, для сварки более желательны маловязкие, легкоподвижные, а затем быстро затвердевающие шлаки. Этому условию больше всего удовлетворяют «короткие» (основные) шлаки.

После затвердевания шлаки должны быть удалены с поверх­ности шва. Насколько легко это сделать – зависит от ряда причин, в том числе и от окислительной способности шлака. Повышенная окислительная способность может резко ухудшить отделяемость шлаковой корки от поверхности шва. Действительно, если концентрация оксидов железа в шлаке повышена, может происходить окисление поверхностных слоев металла вплоть до его затвердевания. На поверхности металла образуется оксидная пленка шлака, состоящая главным образом из FeO. Кубическая кристаллическая решетка FeO строится на базе кубической кристаллической решетки уже закристаллизовавшегося шва. Изоморфность этих двух контактирующих фаз обеспечивает хорошее сцепление (когезию) шлака и металла, но является главной причиной плохой отделимости шлаковой корки.

Наличие в шлаковом покрове соединений, кристаллизующихся в той же кубической системе, что и FeO, приводит, в свою очередь, к достраиванию этими соединениями решетки FeO, а значит, к до­статочно прочному сцеплению шлака с металлом. По кубической системе кристаллизуются соединения типа шпинелей, представляю­щие собой сложные оксиды двух- и трехвалентных металлов (Al, Mg, Fe и др). Ввод в шлак SiO₂ способствует лучшей отделимости шлаковой корки, так как при этом не образуется промежуточных соединений между шлаком и металлом.

Лекция 15

Массообмен между расплавленным металлом, газовой средой и флюсом

Одной из важнейших функций флюсов или электродных покрытий, применяемых при электродуговой сварке, является металлур­гическая обработка металла шва: его раскисление, легирование, модифицирование и рафинирование.

Вследствие активного развития окислительных процессов при ду­говой сварке практически всегда есть потребность раскисления ме­талла. Однако, чтобы получить наплавленный металл требуемого состава с определенными свойствами, одной операции раскисления недостаточно, так как металл теряет некоторые полезные примеси в результате не только окисления, но и прямого испарения под действием высо­ких температур. Для компенсации этих потерь, а также для введе­ния в наплавленный металл специальных добавок различных эле­ментов (с целью повышения качества металла) параллельно с раскис­лением осуществляют легирование и модифицирование металла. Одновременно необходимо рафинировать металл, т. е. очищать его от вредных примесей (серы и фосфора), попадающих в металл из шлака.

Таким образом, взаимодействие газовой и шлаковой фаз с жид­ким металлом представляет собой сложный комплекс физико-хими­ческих процессов, из которых важнейшие – реакции окисления, раскисления, легирования и рафинирования металла. Для улучшения структуры первичной кристаллизации, ее из­мельчения и упорядочения в металл шва вводят небольшие коли­чества зародышей кристаллитов специальных тугоплавких добавок-модифи-каторов. Наиболее сильные из них – ниобий Nb, титан Ti, цирконий Zr, ванадий V.

При электродуговой сварке между расплавленным металлом, шлаком и газовой средой непрерывно происходят процессы интенсив­ного массообмена. Естественно, что результаты этих процессов прежде всего и самым существенным образом зависят от соотно­шения взаимодействующих масс. В общем случае влияние взаимодей­ствующих масс металла и флюса на концентрацию элемента в ме­талле шва может быть определено по уравнению материального баланса элемента Э до и после сварки:

(9.31)

где – массы соответственно электродного металла, основ­ного металла, флюса, металла шва и шлака; – концентрации элемента соответственно в электрод­ном металле, основном металле, флюсе, металле шва и шлаке. Обозначая константу распределения элемента между шлаком и металлом шва

(9.32)

и допуская, что окончательно из (9.31) получаем

(9.33)

Таким образом, для расчетного определения химического состава металла шва нужно знать концентрации элемента в исходных материалах, массовые доли основного (1 – γ) и электродного (γ) металлов в металле шва, относительную массу β взаимодей­ствующего с металлом шлака и константу распределения L.

Наибольшие затруднения при расчетах по выражению (9.33) вызывает недостаток надежных данных о значениях L. В ряде слу­чаев L можно найти через константу равновесия реакции или опре­делить экспериментально.

Рассмотрим более подробно смысл и фи­зическую сущность величины β – коэффициента эффективности массообмена, который оценивается от­ношением массы флюса, реально участвовавшего в массообмене, к массе расплавленного металла m_м:

(9.34)

Здесь значительно меньше массы расплавленного при сварке флюса. Дело в том, что только небольшая часть (иногда не более 10…15 %) всего рас­плавившегося флюса или электродного покрытия участвует в мас­сообмене с расплавленным металлом, тогда как бóльшая его часть, защищающая металл от взаимодействия с атмосферой, в контакт с металлом капель или сварочной ванны не вступает и, естественно, ни в каких металлургических процессах между метал­лом и шлаком не участвует.

К оэффициент эффективности массообмена β находят экспериментально – с помощью метода элемента-«свидетеля». Во флюс добавляют небольшое количество (1...2 %) элемента-«свидетеля». В качестве «свидетелей» можно брать неокисляющиеся элементы, не взаимодействующие с флюсом, сво­бодно и неограниченно
растворяющиеся в металле шва: благо­родные металлы, никель, в

некоторых случаях медь. Желательно также, чтобы элемент-«свидетель» не входил в состав основного и элек­тродного металлов. Тонко измельченный и равномерно распреде­ленный по всему объему электродного покрытия или флюса, эле­мент-«свидетель» участвует вместе с ними во всех видах конвектив­ных перемещений и при вступлении в контакт с расплавленным металлом полностью переходит в него из флюса. По концентрации элемента-«свидетеля», перешедшего в металл шва из флюса, легко определить  из выражения (9.33). Так как элемента-«свидетеля» нет ни в основном, ни в электродном металле, то

(9.35)

Элемент-«свидетель» не растворим в шлаке и неограниченно растворим в металле, следовательно, L = 0, L = 0 и знаменатель уравнения (9.33) 1 + L = 1. Учитывая также соотношения (9.35), из (9.33) получаем

(9.36)

Коэффициент эффективности массообмена β зависит от многих факторов: от физических свойств шлаковой основы флюса или электродного покрытия – ее жидкотекучести, вязкости, плотности и т. п.; от гидро­динамической обстановки (в реакционной сварочной зоне), которая, в свою очередь, определяется сварочным током, напряжением дуги, длительностью τ существования металла в сварочной ванне (рис. 9.23), электромагнитными силами, газовыми потоками и т. д. Из рис. 9.23 следует, что на многих режимах достигается постоянное значение β и неизменное содержание элементов в металле шва, т. е. практически имеет место термодинамическое равновесие при сварке.

Расплавление электрода и перенос капель в ванну

Р азмеры капель металла, переходящих с электрода в сварочную ванну, существенно влияют на степень развития физико-химических процессов при взаимодействии металлической, шлаковой и газовой фаз. В зависимости от защитной среды перенос металла происходит через газовую или шлаковую среду.

Через газовую среду электродный металл переносится в виде капель разного размера – диаметром от 7 мм до тысячных долей миллиметра, а также в виде паров. Установлено, что независимо от способа сварки и положения шва в пространстве металл всегда переходит с электрода на изделие. При сварке одновременно образуются капли различных размеров, но в зависимости от условий сварки преобладает тот или иной размер. Можно отметить такие главные формы переноса: крупно- и мелкокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка, капельный без коротких замыканий, струйный, а также перенос металла в виде паров.

Динамичность процесса, наличие комплекса действующих сил весьма затрудняют изучение различных форм переноса металла. Его исследуют при помощи скоростной киносъемки дуги, синхронизованной с записью электрических параметров (I_св, U_д) на осциллографе.

Схема процесса переноса электродного металла дана на рис. 9.24. Механизм переноса в общем случае включает в себя следующие моменты:

– нагрев дугой торца электрода и образование капли диаметром d_к;

– появление шейки на стыке жидкого металла с твердым металлом электрода;

– соприкосновение капли с поверхностью сварочной ванны;

Характеристики

Список файлов лекций