26-03-2020-ТСП часть2 (1278567), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Отличным разжижителем шлаков, особенно основных, является фтористый кальций CaF₂ (плавиковый шпат). Уменьшают вязкость и такие оксиды, как TiO₂, К₂О, Na₂O, MnO, хлориды. Особенно благоприятно влияние оксида ТiO₂, который способствует получе­нию короткого шлака. Таким образом, для сварки более желательны маловязкие, легкоподвижные, быстро затвердевающие шлаки. Этому условию больше всего удовлетворяют короткие, основные шлаки.

После затвердевания шлаки должны легко удаляться с поверх­ности шва. Эта легкость 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, окисление поверхностных слоев металла может происходить вплоть до его затвердевания. На поверхности металла образуется окисная пленка шлака, состоящая главным образом из FeO, также кристаллизующейся в куби­ческой системе. Кристаллическая решетка FeO строится на базе кубической решетки a-Fe, идентичной решетке уже закристаллизовавшегося шва. Изоморфность этих двух контактирующих фаз 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.

9.3.4 Характеристика важнейших простых оксидов,

входящих в сос­тав шлаковой фазы

1. Двуокись кремния SiO₂ (Т_пл = 1983К; ρ = 2,3 - 2,6 г/см³) — сильный кислотный оксид, который легко вступает в реакцию с основными оксидами, образуя комплексные соединения — силикаты. SiO₂ повышает вязкость шлака и способ­ствует получению длинных, густых шлаков. Из расплавленного состояния SiO₂ затвердевает в модификацию — кристобаллит, ко­торая при дальнейшем охлаждении переходит в новую модифика­цию — тридимит — и затем в кварц. Эти превращения сопровож­даются выделением тепла. Двуокись кремния нерастворима в металле.

2. Закись марганца МпО (Т_пл = 1873К; ρ = 4,7 - 5,5 г/см³) — основной оксид, образующий комплексные соединения с кислот­ными оксидами. Связывает серу в сульфид марганца и повышает ее растворимость в шлаке. Способствует некоторому понижению вяз­кости шлака, однако не влияет на скорость кристаллизации его. Нерастворима в металле.

3. Закись железа FeO (Т_пл = 1643 К; ρ =5,9 г/см³) - отно­сительно слабый основной оксид, образующий комплексные соеди­нения с кислотными оксидами (силикаты, титанаты, бораты и др.). Вступает в обменные реакции с элементами, у которых большое срод­ство к кислороду. Растворима в шлаке и в металле.

4. Двуокись титана TiO₂ (Т_пл = 2123 К; ρ = 4,2 г/см³) — кис­лотный оксид, образующий с основными оксидами легкоплавкие подвижные комплексы — титанаты. Способствует получению корот­кого шлака, обладающего высокой газопроницаемостью. Нераство­рима в стале.

5. Окись кальция СаО (Т_пл = 2570 °С; ρ = 3,4 г/см³) — силь­ный основной оксид, образующий комплексные соединения. Очень прочна, диссоциирует весьма слабо. Связывает серу и особенно фос­фор, облегчая их переход в шлак. Повышает вязкость шлаков. Нерастворима в металле.

6. Окись алюминия (Т_пл = 2050 °С; ρ = 3,6 - 4,0 г/см³) - амфотерный оксид, реагирующий с кислотными и основными окси­дами. Повышает вязкость шлаков, склонна к образованию шпине­лей. Нерастворима в металле.

7. Фосфорный ангидрид Р₂О₅ — кислотный оксид, образующий комплексные соединения с СаО, а также с другими оксидами.

9.3.5 Главные системы сварочных шлаков.

В зависимости от состава сварочные шлаки можно разбить на три группы:

1) шлаки оксидного типа, представляющие собой оксиды раз­личных металлов;

2) шлаки солевого типа – фтористые и хлористые соли щелочных и щелочноземельных металлов;

3) шлаки оксидно-солевого типа, состоящие из солей и окси­дов.

Независимо от принадлежности к той или иной группе большин­ство шлаков состоит из основы, или «скелета», и добавок, или при­месей. Основа шлаков представляется шлаковой системой. Изучают такие системы обычно с помощью соответствующих диаграмм со­стояния, которые строят для двойных и тройных систем. Так как шлаковые системы часто имеют сложный состав, выбирают основ­ную тройную систему и затем устанавливают влияние на нее осталь­ных составляющих шлака. Ряд типовых диаграмм состояния представлен на рис. 9.19 – 9.23.

Из анализа двойных диаграмм Al₂O₃ и SiO₂ (рис. 9.19) следует, что несмотря на высокую температуру плавления каждого компонента (Т > 2200 и 2000К соответственно), их смесь в определенной пропорции весьма легкоплавка (1773 К), что используется при разработке соответствующих сварочных флюсов. Добавлением третьего компонента (CaO) температура плавления становится меньше температуры плавления сталей. Тот же эффект отмечается в других системах: СаО + Al₂O₃ (рис. 9.20) и СаО + SiO₂ (рис. 9.21). Однако для достижения всего комплекса технологических свойств, флюсы содержат значительно большее количество компонентов (табл. 10.1). При этом применяют так называемые псевдобинарные диаграммы плавкости, когда содержание одного компонента в 3-х компонентной системе поддерживают постоянным (рис. 9.22). В действительности в 3-х компонентной системе СаО – SiO₂ – Al₂O₃ поверхность, соединяющая температуру плавления весьма волниста, с множеством впадин, соответствующих составам эвтектик (рис. 9.23).

1. Массообмен между расплавленным металлом,

газовой средой и шлаком

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

В связи с активным развитием окислительных процессов при ду­говой сварке практически всегда есть потребность раскисления ме­талла. Однако, чтобы получить наплавленный металл требуемого состава и свойств, 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 и легирование металла. Наконец, наряду с раскислением и легированием, обязательно нужно 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 специальных добавок - модификаторов. Наиболее сильные из них — Nb, Ti, Zr, 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 найдено из уравнения материального баланса элемента Э до и после сварки:

(9.31)

где — масса электродного металла, основ­ного металла, флюса, металла шва и шлака соответственно.

— концентрация элемента в электрод­ном металле, в основном металле, во флюсе, в металле шва и в шлаке соответственно.

Учтя, что , (9.32)

где L – константа распределения элемента между шлаком и металлом шва,

а ; опуская, что , окончательно получим:

(9.33)

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

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

Представляет интерес более подробно рассмотреть смысл и фи­зическую сущность величины β.

β - коэффициент эффективности массообмена оценивается от­ношением массы флюса, реально участвовавшего в массообмене, к массе расплавленного металла:

(9.34)

значительно меньше массы расплавленного при сварке флюса. Дело в том, что только часть (иногда не более 10—15%) всего рас­плавившегося флюса или электродного покрытия участвует в мас­сообмене с расплавленным металлом, тогда как большая его часть в контакт с металлом капель или сварочной ванны не вступает и, естественно, ни в каких металлургических процессах между метал­лом и шлаком не участвует.

Коэффициент 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 β из выражения (9.33).

Так как элемента-свидетеля нет ни в основном, ни в электродном металле, то

Характеристики

Список файлов лекций