Лекции 1-17 (1043960), страница 23

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

Текст из файла (страница 23)

Константа распределения L (рис. 9.30), определяющая степень перехода закиси железа из металла в шлак, с увеличением температуры уменьшается. Это значит, что при высоких температурах закись железа может перейти из металла в шлак в меньшем количестве, чем при низких.

П

Рис. 9.30. Зависимость константы распределения закиси железа в
металле и шлаке от температуры

ри диффузионном раскислении закись железа удаляется из металла в шлак путем диффузии, поэтому ванна жидкого металла находится в спокойном состоянии, а все химические процессы совершаются на границе металл – шлак и в самом шлаке. Однако само раскисление протекает медленно. При температурах, близких к температуре затвердевания металла, константа распределения L велика, но скорость диффузии в жидкой фазе минимальна и общий эффект от раскисления оказывается невысоким.

Процесс диффузионного раскисления наиболее заметен при образовании капли на электроде и ее переносе, так как ему способствует достаточно высокая температура, энергичное перемешивание металла капли и непрерывный контакт свежих порций металла со шлаком. В сварочной ванне диффузионное раскисление протекает слабо и преимущественно лишь в верхнем тонком слое металла, прилегающем к шлаку.

Вследствие отмеченных особенностей диффузионное раскисление в сварочных процессах обычно не играет большой роли.

Раскисление стали с помощью кислых и основных шлаков протекает при контакте шлаковой и металлической фаз как на основе обменных реакций, так и путем диффузионного раскисления.

Рассмотрим раскисление металла кислыми шлаками, в которых есть оксид кремния. В таких шлаках наблюдается реакция связывания FeO в комплексы – силикаты железа, не растворимые в металле:

(9.66)

с константой равновесия реакции, равной

(9.67)

Связывание закиси FeO в силикаты вызовет дополнительный переход ее из металла в шлак. Из выражения (9.65) следует, что

(FeO) = L[FeO]. (9.68)

Если в уравнение (9.67) подставим (9.68), то получим

(9.69)

Решим уравнение (9.69) относительно [FeO]:

[FeO] = (9.70)

где является константой, обратной произведению двух констант: L и K_c.

Таким образом, при использовании кислых шлаков для уменьшения содержания закиси железа в металле шва следует увеличить содержание кислотного оксида SiO₂ в шлаке, т. е. повысить кислотность шлака n (см. (9.28)) и одновременно уменьшить количество образующихся в нем силикатов железа.

Однако повышение содержания SiO₂ в шлаке (n > 1,2) приводит к значительному ухудшению физических, а следовательно, и технологических свойств его. Шлак становится густым («длинным») его активность резко падает, нарушается и стабильность сварочного процесса. Поэтому для сохранения высокой раскисляющей способности кислых шлаков целесообразно:

1) заменить SiO₂ двуокисью титана TiО₂ полностью или частично. Этим удается сохранить нужную степень кислотности шлака, сделать его жидкотекучим (и «коротким»), придать ему требуемую химическую активность;

2) попутно внести в такие шлаки элементы-раскислители, дающие основные оксиды. Их роль сводится к восстановлению железа из силиката и к уменьшению в шлаке содержания силиката железа ( FeO · SiO₂), например:

( FeO · SiO₂) + ( Mn ) ( MnO · SiO₂) + [ Fe]. (9.71)

Следует отметить, что при введении в шлак этих раскислителей уменьшается его кислотность.

Рассмотрим раскисление металла основными шлаками, в которых в отличие от кислых шлаков есть избыток основных оксидов, наиболее сильным из них является СаО. Такие шлаки не обладают способностью к диффузионному раскислению, так как имеющиеся в них незначительные количества SiO₂ (или TiO₂) сразу же будут связываться в комплексные соединения с основными оксидами шлака, т. е.

(СаО) + (SiO₂) (СаО · SiO₂), (9.72)

и шлак не будет извлекать FeO из металла. Для раскисления металла с сохранением в нем полезных легирующих элементов в основные шлаки вводят специальные добавки-раскислители. Они ведут себя так же, как при осадочном раскислении металла шва, но продукты раскисления переходят в шлак.

Процесс раскисления стали шлаком можно описать уравнением реакции

m[FeO] + n(Pa) (Pa_nO_m) + m[Fe]

с константой равновесия, равной

(9.73)

Считая, что в сталях [Fe] ≈ 1, решаем уравнение (9.73) относительно [FeO]:

[FeO] = (9.74)

Отсюда следует, что для того чтобы снизить содержание FeO в стали, нужно увеличить в шлаке количество раскислителя (Ра) и уменьшить содержание оксида раскислителя в шлаке (Pa_nO_m). Продукты раскисления Pa_nO_m перейдут в шлак, который в результате обогащения этими оксидами, потеряет свою раскисляющую способность. Для ее повышения или поддержания на нужном уровне нужно:

– ограничивать количество вводимого раскислителя. Чтобы повысить эффективность процесса раскисления, одновременно вносят несколько разных раскислителей;

– разбавлять шлаки специальными добавками, которые уменьшают содержание в шлаках оксида раскислителя.

В табл. 9.3 приведены в качестве примера несколько раскислителей, реакции раскисления ими металла, равновесные концентрации [FeO] и уравнения для расчета констант равновесия этих реакций.

Благодаря своим химическим свойствам основные шлаки (керамические) обеспечивают лучшее раскисление металла, чем кислые шлаки.

Таблица 9.3. Примеры действия раскислителей

Раскисли-тель	Реакция	Равновесная концентрация	Расчетное уравнение константы равновесия
Al	3FeO + 2Al 3Fe + Al2O3
Si	2FeO + Si2 2 Fe + SiO2
Mn	FeO + Mn MnO + Fe
C	FeO + C Fe + CO

Проведение раскислительных процессов хотя и снижает содержание кислорода в металле до минимума, но не восполняет целиком потерю полезных элементов вследствие их частичного выгорания и испарения. Вместе с тем раскисление не дает возможности обогатить металл специальными легирующими элементами, чтобы придать ему особые свойства. Эти задачи выполняют во время другой металлургической операции – легирования, осуществляемой одновременно с раскислением металла сварочной ванны.

Лекция 17

Рафинирование и модифицирование металла сварочной ванны

Принципы выбора флюсов для сварки сталей различных систем легирования

Третья важная металлургическая операция, протекающая в сварочной ванне одновременно с раскислением и легированием 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 температура металла и шлака, особенно на стадии образования капель (Т_к = 3000 К), что способствует диссоциации сернистых и фосфорных соединений, ослабляет их химические связи и тем самым облегчает удаление серы и фосфора из металла шва в шлак;

2) интенсивное перемешивание металла со шлаком 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) использование специальных рафинирующих компонентов: кальция Са, церия Ce, лантана La, иттрия I 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 в основном металле.

Влияние серы на структуру и свойства шва

И сточниками 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.

Важно отметить, что распределение серы по сечению толстолистового 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 механические свойства шва очень низкими даже при ее средней концентрации в металле, удовлетворяющей 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 приводит к появлению в шве кристаллизационых трещин.

Механизм влияния примесей серы на наплавленный металл состоит в следующем. В сталях сера образует с железом сульфид железа FeS, температура плавления которого составляет 1468 К, т. е. ниже температуры плавления стали на 300 К. Сульфид железа почти не растворяется в твердом железе.

Характеристики

Список файлов лекций