26-03-2020-ТСП часть2 (1278567), страница 9

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

Текст из файла (страница 9)

Раскисление металла основными шлаками. В основных шлаках, в отличие от кислых, есть избыток основных оксидов, наиболее сильным из которых выступает 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:

( 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 обычном раскислении металла, а продукты раскисления переходят в шлак.

Итак, в общем виде процесс раскисления металла пройдет по реакции

m [FeO] + n [Pa]  [PanOm] + m [Fe],

с константой равновесия

Кс = ( [PanOm] • [Fe] ) / ([FeO] • [Ра]ⁿ). (9.73)

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

[FeO] = (9.74)

Чтобы снизить содержание FeO в металле, следует, согласно выражению 9.74, увеличить в нем количество раскислителя (Ра) и уменьшить содержание (PanOm) оксида раскислителя в шлаке. Продукты раскисления PanOm перейдут в шлак. Обогащаясь этими оксидами, последний теряет свою раскисляющую способность. Для повышения ее нужно:

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

2) разбавлять шлаки специальными добавками , которые уменьшают в них содержание оксида раскислителя.

В табл. 9.1 приведены в качестве примера несколько раскислителей, реакции раскисления ими металла, равновесные концентрации [FeO] и расчетные уравнения константы равновесия этих реакций.

Благодаря своим физическим свойствам, основные шлаки обеспечивают лучшее раскисление металла, чем кислые.

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 выполняются второй металлургической операцией – легированием, осуществляемым одновременно с раскислением металла.

Легирование наплавленного металла. Осуществляется оно с соблюдением двух важных требований:

1) в качестве легирующих следует применять элементы, сродство которых к кислороду меньше, чем сродство раскисляющих элементов;

2) наряду с легирующим элементом целесообразно вносить в зону сварки и его оксид, наличие которого сохраняет легирующий элемент от выгорания.

Принципиально возможно легирование металла, как через металлическую, так и через шлаковую фазу. Легирование через газовую фазу также возможно, но этот процесс еще мало изучен. Легирование через металлическую фазу осуществляется введением легирующего элемента в электродный стержень или присадочную проволоку, а также за счет проплавления легированного основного металла и перехода соответствующих элементов в сварочную ванну. Легирование через шлаковую фазу предполагает введение легирующих элементов в электродное покрытие или флюсы. Первый путь легирования (через металлическую фазу) – более действенен, так как при этом потери легирующего элемента незначительны и коэффициент перехода в металл шва оказывается достаточно высоким.

Процесс легирования может происходить как в результате прямого растворения элемента в металле, так и на основе отдельных реакций. При этом, естественно, большую роль играет отношение взаимодействующих между собой масс металла и шлака, т.е. коэффициент .

Так, легирование металла шва в результате марганцево-восстановительного процесса при электродуговой сварке под флюсом можно рассчитать из следующих соображений: (MnO) + [Fe] = (FeO) + [Mn];

(9.75)

Так как в стали [Fe] ≈ 1, то

; (9.76)

, (9.77)

где (%Mn), [%Mn] – весовые проценты концентраций марганца в шлаке и металле шва соответственно.

С учетом выражения (9.76)

(9.78)

Подставляя выражение (VI.42) в формулу (VI.25), получим расчетную формулу для определения концентраций Mn в металле шва:

(9.79)

Константу равновесия для кислых марганцевых флюсов можно вычислить по выражению

lg (9.80)

Расчеты марганцево-восстановительного процесса по формулам (9.75) – (9.80) дают хорошее совпадение с данными химического анализа.

Для оценки степени перехода того или иного элемента в металл шва служит коэффициент перехода или усвоения элемента – отношение прироста данного легирующего элемента в составе металла шва к количеству этого элемента, введенного в зону сварки. Пользуясь коэффициентами перехода, следует помнить, что их значения чрезвычайно зависят от условий, в которых они определены. Применять их можно только для грубых, ориентировочных подсчетов.

Большим недостатком показателя является то, что он по существу – величина формальная, так как учитывает только начальное и конечное состояния системы и совершенно не отражает разнообразных, и часто весьма сложных, металлургических процессов, протекающих в реакционной сварочной зоне.

Легирование металла происходит во всех участках зоны сварки, однако энергичнее и полнее – в процессе каплеобразования.

9.10. Рафинирование и модифицирование металла шва

Третья важная металлургическая операция ,протекающая одновременно с раскислением и легированием металла, -рафинирование его, т.е. очищение от вредных примесей – серы и фосфора. Полное удаление этих примесей при плавке стали, так и при сварке невозможно (см. гл.8). Однако условия сварочного процесса для рафинирования металла шва по сере в общем более благоприятны,чем в сталеплавильном производстве.

Наиболее существенны следующие:

1) более высокая температура металла и шлака, особенно на стадии образования капель (Тк = 310³ К),что способствует диссоциации сернистых и фосфорных соединений, ослабляет их химические связи и, тем самым, облегчает удаление ее из металла 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 аналогичным показателем при плавке стали ;

3) использование специальных рафинирующих компонентов кальций (Са), церий(Ce), лантан(La), иттрий(I) и др. в покрытиях или сварочных флюсах позволяет активизировать удаление или связывание вредных примесей.

Таким образом, несмотря на кратковременность взаимодействия металла со шлаком, при сварке есть плавлением возможность получать металл шва более чистым по содержанию серы и фосфора, чем основной металл.

Влияние серы на структуру и свойства швов

Источниками поступления серы и фосфора в зону сварки служат:

1) флюсы и электродные покрытия ,в состав которых входят компоненты –марганцевые руды и др., содержащие примеси серы;

2) расплавленный основной и электродный металл.

Важно отметить, что распределение серы по сечению толстолистового основного металла может быть крайне неравномерным из-за ликвации при кристаллизации литых слябов, не подвергающихся при прокатке значительным деформациям. Поэтому при сварке на некоторых участках швов концентрация серы может оказаться весьма высокой, а свойства очень низкими даже при среднем содержании ее в металле, удовлетворяющем требованиям ГОСТа. Это явление называют металлургической наследственностью в металле.

Содержание серы в металле в количестве, превышающем допустимые нормы, резко снижает его механические свойства, служит 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 1468 К, т.е. ниже стали на 300 К. Сульфид железа почти не растворяется в твердом железе.

При кристаллизации шва FeS выделяется из него и соединяется с другими примесями в виде легкоплавкой сернистой эвтектики, или в виде отдельных включений разного вида и формы.Эвтектики могут быть двойные, либо тройные. Например:

- FeS+Fe (T_пл =985 С);

- 2FeS  SiO2 +FeS (Т_пл = 980˚С);

- FeS+Fe+MnS (T_пл =980 С) и др.

В процессе направленной кристаллизации шва, протекающем в интервале температур (ликвидус-солидус), эти легкоплавкие сернистые эвтектики оттесняются растущими кристаллитами металла шва к границам между ними и к месту стыка кристаллитов в центральную часть сварочной ванны и становятся частью так называемых межкристаллитных прослоек. К моменту окончания кристаллизации металла шва такие межкристаллитные прослойки могут быть еще в жидком состоянии (Тэ < Тс). Если возникнут растягивающие напряжения от усадки шва и временных сварочных деформаций в шве, то возможно появление на этих участках горячих трещин кристаллизационного типа (рис. 9.32). Одновременное наличие в металле углерода и кремния увеличивает склонность швов к кристаллизационным трещинам из-за снижения температуры затвердевания ликватов и увеличения температурного интервала хрупкости (ТИХ). Участки швов с сернистыми ликватами, не разрушившиеся при кристаллизации, имеют пониженные механические свойства и потенциально склонны к разрушению для работы как при высоких, так и при отрицательных температурах. Особенно вредно влияет сера на коррозионо стойкие стали и сплавы никеля.

Десульфурация сварочной ванны. Для снижения содержания серы в металле шва, нужно вводить такие элементы, которые имели бы к сере большее сродство, чем железо. Кроме того, образующиеся сульфиды должны обладать более высокой, чем у железа или никеля температурой плавления и не создавать эвтектик. По степени возрастания химической прочности образующихся сульфидов, т.е. их энтальпии, они располагаются в следующий ряд: Al,Ca,Na,Mn,Mg. Однако использование их для связывания серы затруднено ,так как все они имеют и более высокое сродство к кислороду, т.е. связываются им в оксиды, плохо удаляющиеся из кристаллизующегося шва и образующего включения.Из числа перечисленных элементов, приведенных в таблице, наибольший интерес с этой точки зрения представляет марганец по таким причинам:

1) он имеет сравнительно высокое сродство к сере;

2) как правило, всегда присутствует в свариваемых сталях в сравнительно больших количествах (0,5-0,65 %);

3) ало растворим в железе и образует тугоплавкий и пластичный сульфид шаровидной формы (Т_пл.MnS = 1893 К), равномерно распределяющийся преимущественно в объемах зерен;

Характеристики

Список файлов лекций