Металлургические процессы при электрошлаковой сварке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Волгоградский государственный технический университет»

Семестровая работа по курсу

«Металлургические процессы в сварке»

на тему

«Металлургические процессы при электрошлаковой сварке».

Волгоград, 2014

Металлургические процессы при электрошлаковой сварке

сварка электрошлаковый марганец железо

Электрошлаковая сварка (ЭШС) -- вид электрошлакового процесса, сварочная технология, использующая для нагрева зоны плавления тепло шлаковой ванны, нагреваемой электрическим током. Шлак защищает зону кристаллизации от окисления и насыщения водородом.

В холодном металле растворимость водорода на два порядка ниже, чем в расплавленном, а в атмосфере водород всегда присутствует. Поэтому, если металл без специальной защиты расплавить, а потом быстро охладить, то выходящий водород может спровоцировать образование трещин.

Процесс электрошлаковой сварки является бездуговым. В отличие от дуговой сварки для расплавления основного и присадочного металлов используют теплоту, выделяющуюся при прохождении сварочного тока через расплавленный электропроводный шлак (флюс). Дугу используют только для расплавления флюса, затем электрод погружают в шлаковую ванну, горение дуги прекращается и ток начинает проходить через расплавленный шлак. Сварку выполняют снизу вверх чаще всего при вертикальном положении свариваемых деталей с зазором между ними. Для формирования шва по обе стороны зазора устанавливают медные ползуны-кристаллизаторы, охлаждаемые водой. По мере формирования шва ползуны перемещаются в направлении сварки. [5]

При электрошлаковой сварке применяют флюсы, близкие по своему составу к флюсам, используемым при дуговой сварке соответствующих сталей.

Наиболее важными реакциями между шлаком и жидким металлом при электрошлаковой сварке углеродистых и легированных сталей являются реакции марганца, кремния, хрома и углерода. При сварке высоколегированных сталей протекают также реакции с титаном, алюминием и другими элементами, присутствующими в свариваемой стали и присадочном металле. [3]

Металлургические реакции, протекающие при электрошлаковом процессе, имеют свои особенности. Основными из них являются: более низкие температуры металла, чем при дуговой сварке под флюсом; более длительное время взаимодействия металла и шлака; значительно меньшая активность шлака. [4]

Вследствие равномерного перемещения дуги вдоль свариваемых кромок плавятся и вступают во взаимодействие все новые и новые порции металла и флюса, в результате чего при неизменном режиме сварки состав металла шва по длине оказывается одинаковым.

При электрошлаковой сварке непрерывно расплавляемый металл (основной и электродный) взаимодействует с жидким шлаком, весьма незначительно пополняемым свежими порциями флюса.

В начале процесса, когда жидкий металл взаимодействует с жидким шлаком первоначального состава (так же, как и при сварке под флюсом), марганец и кремний переходят из флюса в шов. По мере протекания кремнемарганцевосстановительных реакций в шлаковой ванне уменьшается концентрация окислов кремния и марганца и накопляется закись железа FeO.

2Feмет + SiO2шл - 2FeОшл + Siмет

Feмет + МnОшл - FeОшл + Мnмет

В процессе обогащения шлаковой ванны закисью железа участвует также кислород воздуха. [5]

Подтверждением этого служит то обстоятельство, что при обдувании шлаковой ванны аргоном содержание закиси железа в шлаке уменьшается.

Вследствие накопления закиси железа в шлаке возрастает его окислительная способность, а реакции восстановления марганца и кремния из флюса постепенно затормаживаются, затем (по мере перемещения зоны сварки вверх по стыку) совсем прекращаются и даже происходит окисление кремния и марганца. В результате этого химический состав металла шва по его длине оказывается неодинаковым, что отрицательно сказывается на качестве сварных соединений.

Постоянство химического состава металла шва по его длине и требуемое содержание в нем марганца при электрошлаковой сварке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей обеспечивается применением марганцовистой электродной проволоки в сочетании с высококремнистым марганцевым флюсом. В этом случае происходят некоторое восстановление и переход в шов кремния из флюса за счет реакции с марганцем (2Мnмет + SiO2шл = 2MnOшл + Siмет). Металл шва получается хорошо раскисленным и достаточно однородным по химическому составу на всей длине свариваемого шва.

Углерод, хром, титан и другие элементы при электрошлаковой сварке окисляются в основном за счет окислов, содержащихся в шлаке, по реакциям:

Cмет + FeOшл = COатм + Feмет,

Crмет + FeOшл = CrOшл + Feмет,

Tiмет + 2FеОшл = ТiО2шл + 2Feмет.

При сварке обычных углеродистых конструкционных сталей низкоуглеродистыми проволоками происходит окисление углерода на 0,01--0,03%, которое усиливается с повышением концентрации углерода в проволоке, а также с накоплением в шлаке закиси железа. Однако во всех случаях окисление углерода при электрошлаковом процессе ниже, чем при дуговом, вследствие более низких температур процесса.

Интенсивность окисления хрома значительно повышается с понижением температуры. Поэтому при электрошлаковой сварке высокохромистых сталей хром выгорает больше, чем при дуговой сварке под флюсом. [2]

При использовании для электрошлаковой сварки флюсов с низким содержанием окислов марганца и кремния выгорание хрома и титана незначительно.

В случае применения марганцевых флюсов, содержащих фосфор, внесенный марганцевой рудой, наблюдается переход фосфора в металлическую ванну в начале электрошлакового процесса. В условиях нормального процесса без значительного обновления шлака фосфор практически не переходит в металлическую ванну. [2]

Концентрация серы в металле шва, сваренного электрошлаковым способом, зависит исключительно от содержания ее в электродном и основном металле. Однако использование флюсов на основе СаО и CaF2 позволяет при электрошлаковой сварке снизить содержание серы в металле шва, особенно при частых досыпках новых порций флюса и удалении соответствующего количества шлака из ванны в процессе сварки. Уменьшения количества серы в металле шва можно добиться также использованием шлака системы CaF2--СаО в сочетании с раскислением его углеродом (например, применением неплавящегося графитового электрода или засыпкой на поверхность шлака угля при использовании металлического электрода).

Реакции рафинирования по S и P:

(CaO) + [FeS] = (CаS) + FeO.

2(CaF2) + (SiO2) + 2[FeS] = 2(CaS) + 2FeO + (SiF4).

2[P] + 5 (FeO) + 4(CaO) = 4 (CaO*P2O5) + 5Fe

Изменение режима электрошлаковой сварки значительно меньше влияет на выгорание элементов и переход их в шов по сравнению с влиянием режима дуговой сварки под флюсом. Некоторое уменьшение окисления марганца наблюдается при повышении тока, понижении напряжения и уменьшении глубины шлаковой ванны.

Как уже было сказано, наиболее важными реакциями между шлаком и жидким металлом при электрошлаковой сварке углеродистых и легированных сталей являются реакции марганца, кремния, хрома и углерода. Рассмотрим их подробнее.

Реакции марганца.

Марганец используют обычно в качестве легирующей добавки в стали, в меньшей степени -- в качестве раскислителя (главным образом совместно с кремнием).

В качестве стандартных принимают состояния, когда активности каждого компонента равны единице, а конденсированные вещества (жидкости и твердые тела) в чистом состоянии находятся под давлением 1 ат. Существует много методов ускоренного расчета константы равновесия реакций.

Согласно расчетам, при 2000 К константа марганцевоокислительной реакции kМп = 2,67. Окисление марганца при указанной температуре происходит, если отношение активностей продуктов и начальных компонентов реакции меньше вычисленного значения kМп; при их равенстве система находится в состоянии динамического равновесия, а в случае превышения указанного соотношения над kМп должно происходить восстановление марганца из шлака.

В реальных металлургических процессах с повышением основности шлака окисление марганца происходит при меньшем содержании в нем FeO, поскольку активность последнего увеличивается с повышением основности быстрее, чем активность MnO. Наоборот, марганцевосстановительная реакция в кислых шлаках, содержащих MnO, протекает в присутствии большего количества FeO, чем в основных шлаках. При равном содержании FeO восстановление марганца происходит в кислых шлаках при меньшем содержании MnO, чем в основных.

Сопоставим содержание марганца в металле с действительным его содержанием при электрошлаковой сварке. Расчеты показали, что при электрошлаковой сварке под флюсом АН-8 равновесное содержание марганца в наплавленном металле составляет соответственно 16,3 и 6,09%.

Экспериментально установлено, что содержание марганца в наплавленном металле зависит как от содержания его в электродной проволоке, так и от содержания окисла марганца в шлаке. Первая зависимость иллюстрируется рис. 3.3. Производился электрошлаковый переплав в кокиль (сечение слитка 40 X 120 мм) электродных проволок Св-08А (кривая 2) и Св-10Г2 (кривая 1), обе диаметром 3 мм, под флюсом АН-8. Режим процесса: сила тока 400--420 А, напряжение 46--48 В, полярность обратная, глубина шлаковой ванны 46--50 мм, сухой вылет электрода 80 мм. При малом содержании марганца в электродной проволоке он переходит из шлака в наплавленный металл; наоборот, при повышенном содержании марганца в электроде он окисляется шлаком.

Действительное содержание марганца (в начальном участке шва) в металле шва для проволоки Св-08А равно 0,7%; проволоки Св-10Г2 -- 1,25%.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных позволяет установить, что содержание марганца в наплавленном металле намного ниже расчетного. Это свидетельствует о незавершенности процесса обмена марганцем между электродным металлом и шлаком.

Наличие кремния в электродной проволоке усиливает переход марганца из шлака в наплавленный металл (рис. 3.4). Производили электрошлаковый переплав проволоки Св-10ГС под флюсом АН-8 на режиме, соответствующем кривым 1 и 2 рис. 3.3. Восстановление марганца из шлака происходит за счет окисления кремния электродной проволоки по реакции

Принимая для флюса АН-8 aSio2 = 0,215, аMnO = 0,0087, находим, что содержанию в электроде 1,5% Si должно соответствовать [Мп] = 2,3%. Эта величина примерно равна сумме содержания марганца в электродной проволоке (1,5%) и его переходу из шлака (0,7%, см. рис. 3.4). Влияние содержания кремния в электродной проволоке на переход марганца из шлака в шов иллюстрируется рис. 3.5. [5]

Одна из особенностей электрошлаковой сварки состоит в том, что шлаковая ванна относительно малого объема находится в постоянном длительном контакте с металлом. Поэтому следует ожидать существенного отклонения состава шлаковой ванны от исходного сразу после начала сварки. В табл. 3.2 сопоставлены составы (%) флюса АН-8 и шлака после установления равновесия при ЭШС на переменном токе проволокой Св-10Г2 слитка длиной 250 мм.

Увеличение содержания (MnO) в шлаке произошло вследствие окисления марганца электродной проволоки.

Весьма интересен с этой точки зрения переход марганца из электродной проволоки в шлак при сварке под бескислородным флюсом из плавикового шпата (БКФ-1) проволокой Св-10ГС (рис. 3.6). Даже при использовании бескислородного флюса происходит потеря марганца из электродной проволоки, благодаря чему шлак обогащается закисью марганца. В результате наступает термодинамическое равновесие между металлом и шлаком. Длительность периода установления такого равновесия сокращается с уменьшением отклонения составов проволоки и флюса от равновесного, с уменьшением массы шлака и увеличением скорости плавления электрода. По данным Д. А. Дудко и И. Н. Рублевского, длина начального участка шва с изменением перехода элементов из шлака в шов или из электродного металла в шлак составляет 100--150 мм.

Обращает внимание сохранение в установившихся условиях отрицательного значения AМп, даже если на начальном участке шва оно было положительным (см. рис. 3.3, кривая 2). Это свидетельствует о непрерывном поступлении кислорода в шлаковую ванну в процессе ЭШС, что подтверждается значительным (в дан ном случае пятикратным) увеличением содержания FeO в шлаке (табл. 3.2). При ЭШС кислород поступает в шлаковую ванну из воздуха. Если в процессе электрошлаковой сварки защитить поверхность шлаковой ванны от контакта ее с воздухом, например обдуванием струей аргона или азота, то окисление примесей значительно уменьшается, а содержание окислов железа в шлаке резко снижается (рис. 3.7).

Установленная закономерность позволяет заключить, что в обычных условиях шлак, даже не содержащий в исходном состоянии окислов, имеет окислительный потенциал. В случае электрошлаковой сварки металлов, имеющих большое сродство к кислороду, например титана, шлаковую ванну защищают от воздуха струей аргона. В некоторых случаях достаточно своего рода самозащиты шлаковой ванны, достигаемой интенсивным выделением летучих соединений, паров или газов из шлака. С этой целью полезно добавление в шлак небольшого количества легкокипящих компонентов.

Сокращение длительности пребывания капли электродного металла в шлаке уменьшает переход марганца АМп. С увеличением скорости подачи электродной проволоки увеличивается частота отрыва капель от конца электрода. При неизменности размеров капель это способствует уменьшению времени контактирования их со шлаком (табл. 3.3).

При увеличении скорости подачи электродной проволоки окисление марганца уменьшается.

С увеличением напряжения размер капель уменьшается (табл. 3.3), а время контактирования их со шлаком увеличивается ввиду увеличения расстояния между концом электрода и металлической ванной. Этот фактор обусловливает увеличение АМп с повышением напряжения сварки.

Вместе с тем увеличение числа электродов сопровождается усилением перехода марганца из шлака в металл (проволока Св-08А) на начальном участке шва (кривая 3 по сравнению с кривой 2, рис. 3.3). Это можно объяснить повышением интенсивности взаимодействия шлака с металлом, обусловленным увеличением числа капель электродного металла, одновременно находящихся в шлаке, при сохранении (и даже некотором увеличении) длительности их контактирования со шлаком.

Анализ констант равновесия показывает, что с повышением температуры окисление марганца ослабляется, и наоборот, восстановление его из MnO, содержащегося в шлаке, усиливается. Эта закономерность играет немаловажную роль в образовании неметаллических включений в шве. Обогащенные марганцем и другими легирующими элементами капли электродного металла попадают в металлическую ванну. Здесь температура металла снижается до ликвидуса, и равновесие реакции и подобных ей смещается в сторону окисления марганца, которое происходит с образованием мелкодисперсных частиц MnO. Последние коагулируют и всплывают на поверхность. Те частицы, которые не успевают всплыть, остаются в металле и образуют неметаллические включения. Поэтому с точки зрения качества металла реакция раскисления шлака металлом нежелательна. Для того чтобы ее избежать, необходимо, с одной стороны, использовать шлак, содержащий равновесное количество MnO, с другой -- в металле электрода должно быть заданное, соответствующее требуемому составу шва содержание Мn.

С целью предупреждения окисления электродного металла иногда целесообразно раскисление шлака в процессе сварки. Выполнение сварки при сравнительно невысоких температурах шлака способствует уменьшению загрязнения металла шва кислородом.

На металлургическое взаимодействие шлака с металлом значительное влияние оказывают род тока и его полярность. При обратной полярности (плюс на электроде) марганец окисляется и переходит в шлак энергичнее, чем при прямой полярности.

С другой стороны, переход марганца из шлака в металл (при малом содержании Мп в электроде) на обратной полярности меньше, чем на прямой. Последнее иллюстрируется рис. 3.8.

Это свидетельствует об интенсификации окислительных процессов, протекающих между шлаком и металлом вблизи анода.

Вблизи анода обнаружено соединение Fe304, что можно объяснить либо реакцией с кислородом шлака при высоком кислородном потенциале последнего, либо анодным окислением Fe2+ до Fe3+. По всей вероятности, в реакции окисления электродного металла участвуют как электролитические реакции на аноде, так и термохимические реакции между металлом и шлаком вблизи анода. В результате электрохимических реакций (3.23) жидкий металл, стекающий с плавящегося электрода, обогащается катионами Мn2+, Fe2+ и др. Последние весьма активно вступают в реакцию с анионами кислорода, и таким образом наплавленный металл насыщается кислородом .

Марганец хорошо растворяется в железе и поэтому переходит в металл шва. Результирующая электролитических реакций зависит от полярности тока и плотности его на электродах. Она, как правило, больше на электроде.

Если сварку ведут на обратной полярности, определяющей электролитической реакцией является окисление металла, если на прямой -- его восстановление; при сварке на переменном токе результат реакции имеет промежуточное значение между двумя указанными выше.

Заметим, что степень окисления примесей при сварке постоянным и переменным током связана не только с явлениями электролиза, но также с изменением характера капельного переноса металла. Обработка осциллограмм показала, что при сварке постоянным током прямой полярности размер капель значительно больше, чем при обратной полярности (табл. 3.4).

Наибольший размер капель наблюдается при сварке переменным током. Выявленное различие в размерах капель связано с изменением электродинамических сил, действующих на каплю, и температурных условий в зоне плавления электрода. Температура вблизи электрода больше при сварке на обратной полярности, чем на прямой и на переменном токе. Это объясняется более высоким падением напряжения на аноде, чем на катоде.

Реакции кремния.

Кремний используют в стали как раскислитель, реже -- в качестве легирующей добавки.

Сопоставим содержание кремния в металле, вычисленное с учетом константы, с действительным его содержанием в шве при электрошлаковой сварке. Согласно расчетам равновесное содержание кремния в металле, находящемся в контакте с флюсом АН-8 при температуре 2000 К, равно 0,0614%.

Экспериментально установленное изменение содержания кремния в наплавленном металле приведено на рис. 3.9 (режим сварки соответствует данным на рис. 3.3). При использовании бескремнистой электродной проволоки Св-08А переход кремния из шлака в основной металл составляет ~0,1% на начальном участке слитка. Марганец в электродной проволоке Св-10Г2 усиливает переход кремния в наплавленный металл (кривая 3). Такое сочетание составов флюса и проволоки должно привести к обеднению шлака кремнеземом за счет обогащения его окислом марганца, что и подтверждается экспериментом.

Другой причиной потери кремнезема из шлака может быть реакция с образованием тетрафторида кремния в присутствии воды, которая служит катализатором.

Потерю кремнезема (как и фтора) из шлака нельзя считать полезной, потому что технологические свойства последнего ухудшаются. Реакция в некоторой степени предохраняет металл шва от насыщения водородом, способствуя удалению воды из шлака. Вместе с тем она позволяет предвидеть неблагоприятные последствия чрезмерного увлажнения атмосферы в области сварки, например, при использовании полива поверхности шва водой.

Если содержание кремния в электродной проволоке превышает 0,30%, следует ожидать его окисления и переход в шлак. Действительно, при [Si] = 0,7% (проволока Св-10ГС) ASi =--0,2% (кривая 2, рис. 3.9). Такое же явление наблюдается при электрошлаковом переплаве. Например, ЭШП стали 10ХСНД протекает с постоянным угаром кремния (ASi = --0,07-0,09%), что приводит к постоянному росту кремнезема в шлаке от 0,04 до 0,5-- 0,8%.

Изложенное позволяет установить, что возможны и другие его реакции. Поэтому для числового определения конечного содержания кремния в наплавленном металле они недостаточно пригодны.

Вместе с тем эти формулы позволяют сделать правильное заключение о направлении реакции кремния. В частности, важный вывод состоит в том, что кремний, как и марганец, с повышением температуры уменьшает сродство к кислороду. Это способствует его восстановлению из шлака. С понижением температуры он, наоборот, «охотнее» окисляется. Указанное явление обусловливает возникновение неметаллических включений типа силикатов в металле шва, особенно в том случае, когда содержание Si02 в шлаке превышает термодинамически равновесное. Опасность образования такого рода включений в наплавленном металле увеличивается тем, что силикаты обладают повышенной адгезией к жидкому металлу.

Поскольку флюс для электрошлаковой сварки должен содержать -- по технологическим соображениям -- Si02, а также учитывая хорошие раскислительные свойства кремния, следует рекомендовать легирование электродного металла кремнием, как правило, не менее 0,5--0,7%.

Род тока и его полярность оказывают меньшее влияние на реакцию кремния, чем на реакцию марганца. Это объясняется электролитической природой механизма окисления элементов на аноде. Марганец осаждается на катоде и переходит в металл. Кремний же не может выделяться в элементарном виде. Кремнекислородный анион подходит к аноду и разряжается, обогащая прианодную область кремнеземом.

На рис. 3.10 видно, что переход кремния практически одинаков и слабо зависит от полярности тока. Такая же закономерность выявлена и при электрошлаковом переплаве.

Реакции хрома.

Хром -- один из самых распространенных легирующих элементов в стали. В ряду элементов, расположенных по степени убывания сродства к кислороду, он стоит после алюминия, титана, кремния, ванадия и марганца, но перед железом.

Поскольку во флюсах для электрошлаковой сварки и электрошлакового переплава, как правило, нет окислов хрома, следует ожидать его окисления из электродного металла и появления в шлаке окислов хрома. Действительно при электрошлаковой сварке под флюсом АН-22 с использованием порошковой проволоки, содержащей 14,5% Сг, угар хрома составляет до 3,2% (прямая полярность).

Окисление хрома велико потому, что он образует окислы переменной валентности и служит, как и FeO, переносчиком кислорода из воздуха в шлак [9, 35, 200]. Угар хрома можно ослабить добавлением в электродную проволоку таких активных раскисли-телей, как кремний и алюминий.

Для предотвращения заметного окисления хрома требуется сравнительно небольшое содержание кремния в электродном металле.

Угар хрома зависит от состава флюса. Для шлаков на основе СаО --CaF2 минимальный угар хрома будет при низком содержании СаО. В системе CaF2 -- А1203 -- Сг203 активность Сг203 (и его восстановление) уменьшается с увеличением (А1а03).

Полярность тока воздействует на переход хрома в шлак в обратном направлении по сравнению с марганцем. Вблизи катода создается повышенная концентрация находящихся в шлаке ионов марганца.

Поскольку на электроде плотность тока всегда выше, чем на сварочной ванне, то и падение напряжения здесь больше, а значит, больше и концентрация катионов. Поэтому при сварке на прямой полярности угар хрома значительнее, чем на обратной.

Реакция ванадия и ниобия. Ванадий и ниобий применяют в качестве легирующих добавок в стали. Они относятся к пятой группе таблицы элементов Д. И. Менделеева и близки между собой по химическим свойствам. С кислородом они образуют ряд окислов: от низших VO и NbO до высших V205 и Nb205. После переплава сталей, содержащих V и Nb, в шлаках обнаружены окислы V205 и Nb208. Окисление этих элементов шлаком происходит, по-видимому, за счет FeO.

Благодаря сравнительно невысокому сродству к кислороду угар этих элементов при электрошлаковой сварке и электрошлаковом переплаве можно существенно уменьшить с помощью активного раскислителя, например, кремния, добавляемого в электродный металл. Так, при электрошлаковом переплаве под флюсом CaF2 + 15% А1203 стали, содержащей 0,2--1,15% V, угар последнего удалось практически исключить после введения в электродный металл более 0,3% Si. Для предотвращения угара ниобия потребовалось ввести более 0,4% Si. При использовании более активного элемента-раскислителя его необходимое количество будет меньше по сравнению с кремнием.

Реакции молибдена, никеля, меди, вольфрама. Взаимодействие молибдена, никеля, меди и вольфрама при электрошлаковой сварке и электрошлаковом переплаве специально не рассмотрено. Учитывая их сравнительно малое сродство к кислороду, можно предположить, что при незначительном содержании (до 0,5%) указанных элементов в электродном металле и в присутствии активных раскислителей угар этих элементов будет несущественным.

Вместе с тем известно, что металлический электрод из вольфрама или молибдена, погруженный в сварочный шлак, интенсивно расходуется -- главным образом на окисление, и при этом шлак обогащается соответствующими окислами. Этот факт является основной причиной того, что неплавящиеся электроды не нашли применения в электрошлаковых процессах.

Реакции мышьяка, свинца, олова, цинка и висмута. Экспериментами установлено, что электрошлаковые процессы не оказывают рафинирующего воздействия на такие примеси в сталях, как мышьяк, свинец, олово, цинк и висмут. Это вредные примеси в стали, снижающие ее прочность и пластичность и вызывающие образование горячих трещин. Поэтому сварочные материалы не должны содержать указанных элементов. По данным работы, в результате ЭШП происходит все же некоторая очистка металла от свинца, сурьмы, висмута и олова.

Реакции углерода.

Содержание углерода в сталях может быть значительным, а его сродство к кислороду с повышением температуры увеличивается (см. рис. 3.2). Поэтому при сварке углеродистых сталей или в случае использования электродного металла с повышенным содержанием углерода может развиваться реакция.

В результате этой реакции образуется газ -- окись углерода СО, который может стать причиной пор. Эта реакция идет тем интенсивнее, чем больше активности углерода и кислорода в металле шва. Активность кислорода в металле прямо пропорциональна корню квадратному величины его активности в шлаке.

Уже при температуре плавления стали константа реакции имеет положительный знак и с повышением температуры непрерывно увеличивается.

Константа реакции окисления углерода металла двуокисью кремния шлака становится положительной при температуре около 2100 К.

Сравнивая потенциалы Гиббса, вычисленные для кремнеокислительной реакции и реакции окисления углерода, видим, что при температуре, близкой к кристаллизации, реакция протекает «охотнее». Это означает, что присутствие в металле шва небольших количеств кремния может к моменту начала кристаллизации подавить реакцию. Подобным же образом, но еще в большей степени проявляют себя другие, более активные раскислители, например титан и алюминий. Поэтому для предотвращения образования пор вследствие угара углерода в период кристаллизации металлической ванны необходимо, чтобы в электродном металле присутствовало некоторое количество (на практике 0,4--1%) кремния или другого раскислителя.

При электрошлаковом переплаве сталей, не содержащих титана и алюминия, угар углерода предотвращается благодаря окислению кремния и марганца, переходящих в шлак. Для уменьшения кислородного потенциала шлака, а следовательно, и уменьшения содержания кислорода в металле, практикуют его раскисление, например алюминием и др. Это также способствует уменьшению угара углерода. В качестве раскислителя шлака некоторые исследователи рекомендуют углерод, например, в виде графита. Практика вместе с тем показывает, что в результате электрошлакового процесса может наблюдаться повышение содержания углерода против исходного, если используют флюс, обогащенный углеродом. Углерод в шлаке содержится обычно в виде карбидов. Он захватывается из стенок графитовых тиглей при выплавке шлака. Это может произойти при изготовлении любых шлаков, но более всего тех, которые содержат свободную известь:

СаО + 3С - СаС2 + СО

Обычно рекомендуют использовать флюсы с содержанием углерода не более 0,1%.

В заключение отметим, что полярность сварочного тока оказывает влияние на окисление углерода, растворенного в металле. При сварке на обратной полярности угар углерода больше, чем при сварке на прямой полярности. Сущность этого явления состоит в усилении окислительных реакций в зоне анода.

Список литературы

1. Теория сварочных процессов / под ред. В.М. Неровного ; МГТУ им. Н.Э.Баумана; М.:2007.-752с.

2. Шоршоров, М. Х., Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке : атлас / М. Х. Шоршоров, В. В. Белов. - М.: Наука, 1972. - 229с

3. Теория сварочных процессов: Учеб. Для вузов по спец. «Оборудование и технология сварочного производства» / В.Н.Волченко, В.М.Ямпольский, В.А.Винокуров и др.; Под ред. В.В.Фролова. - М.: Высшая школа, 1988. - 559с.

Размещено на Allbest.ur