ТЕОРИЯ сварочных процессов

Массообмен между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком

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 физико­химических 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-модифи­каторов. Наиболее сильные из них - ниобий Nb, титан Ті, 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:

^э. м[^]э. м ^О. м[^]о. М ^"^ф(^)ф — ^шв[^]шв ^шл(^)шл’ (9*31)

где тэ м, том, /Яф, тшв, тшя - массы соответственно электрод­ного металла, основного металла, флюса, металла шва и шлака; [Э]э. м> [Э]0.м,(Э)ф, [Э]шв, (Э)шл - концентрации элемента соот-

ветственно в электродном металле, основном металле, флюсе, ме­талле шва и шлаке. Обозначая константу распределения элемента между шлаком и металлом шва

L = &hss_ (9.32)

[Э]шв

уРкм^О-у)[Э]0.м^Р(Э)ф

1+ PL

Таким образом, для расчетного определения химического со­става металла шва нужно знать концентрации элемента в исход­ных материалах, массовые доли основного (1 - у) и электродного (у) металлов в металле шва, относительную массу Р 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 р - коэффициента эффективности массообмена, который оценивается отношением массы флюса, реально участвовавшего в

массообмене, к массе расплавленного металла тм:

(9.34)

Здесь Шф 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 большая 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.

Коэффициент эффективности массообмена р 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 Р из выражения (9.33). Так как элемента-«свидетеля» нет ни в основном, ни в электродном металле, то

[Э]э. м=°; [э]0.м=о.

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

Р]шв

(9.36)

[Э]ф

Коэффициент эффективности массообмена р 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 т 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 р и неизменное содержание элемен­тов в металле шва, т. е. практически имеет место термодинамиче­ское равновесие при сварке.