Взаимодействие между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком
Одна из важнейших функций флюсов или электродных покрытий, применяемых при электродуговой сварке, заключается в металлургической обработке металла шва, которая заключается в выполнении следующих технологических операций:
раскислении,
легировании,
рафинировании,
модифицировании.
подробнее…
В связи с активным развитием окислительных процессовпри дуговой сварке практически всегда есть потребностьраскисления 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 такжедля введения в наплавленный металл специальных добавок различных элементов с целью повышения качества металла, параллельно с раскислением осуществляют илегирование 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 металломпредставляет собойсложный 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 швавводят небольшие количества специальных добавок-модификаторов.Наиболее сильные из них — Nb, Ti, Zr, V.
Материальный баланс сварки
При электродуговой сварке между расплавленным металлом, шлаком и газовой средой непрерывно происходят процессы интенсивного массообмена. Естественно, чторезультаты этих процессов самым существеннымобразом зависят от соотношения взаимодействующих масс.
В общем случае влияние взаимодействующих масс металла и флюсана концентрацию элемента в металле шва может бытьнайдено из уравнения материального баланса элемента Э до и после сварки:
где
- масса электродного металла, основного
металла, флюса, металла шва и шлака
соответственно,
[Э]э. м., [Э]о. м., (Э)ф., [Э]шв, (Э)шл — концентрация элемента в электродном металле, в основном металле, во флюсе, в металле шва и в шлаке соответственно.
Учитывая, что
,
L - константа распределения элемента между шлаком и металлом шва,
β-относительная массавзаимодействующего с металлом шлака,
γ - доля участия электродного и основного металлов в формировании шва,
окончательно получим
Наибольшие затруднения при расчетах химического состава металла шва 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:
Величина mфзначительно 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 эффективности массообмена β зависит от многих факторов: от физических свойств шлаковой основы флюса или покрытия – ее вязкости, плотности и т. п.; от гидродинамической обстановки в реакционной сварочной зоне.
Весьма важно отметить, что расчетные выражения для определения концентрации элементов в металле шва составлены в предположении, что взаимодействие между массами металла и шлака протекает до состояния термодинамического равновесия.
Поскольку достижение состояния равновесия является гипотетическим, все расчеты носят прогнозный (оценочный) характер.