2.10.3. Упругость диссоциации компонентов, находящихся в

растворе

Вычисление упругости диссоциации компонентов, находящихся в рас-творе, различно в зависимости от поведения окисла данного элемента в системе "металл — шлак". Рассмотрим в общем виде протекающую в раст-воре реакцию образования-диссоциации окисла

Следствием реакции может быть изменение концентраций как окисла, так и свободного элемента. Константа равновесия реакции равна

(2.37)

— концентрация свободного элемента в растворе;

— концентрация окисла элемента в растворе;

— упругость диссоциации окисла в растворе.

На основании закона действующих масс для гетерогенной систе­мы констан-та равновесия реакции равна упругости диссоциации то­го же окисла в чистом виде (парциальному давлению газовой фазы), т. е. Тогда можно записать

(2.38)

В системе "металл — шлак" в зависимости от поведения окисла воз-можны следующие случаи.

1-й случай. Компонент растворим в металле, его окисел не растворим ни в металле, ни в шлаке (например, оки­сел титана).

Поскольку окисел титана образует отдельную фазу, его концент­рация в растворе может быть принята равной 1, т. е. . Тогда упругость диссоциации окисла, находящегося в растворе, равна

(2.39}

Это значит, что упругость диссоциации компонента, находяще­гося в растворе, зависит не только от природы окисла и температуры процесса, но и от концентрации элемента в растворе. С другой стороны, элемент будет окисляться тем легче и энергичнее, чем больше его содержание в металле или сплаве ( уменьшается), и прочность его окисла будет возрастать. Поэтому чем больше вве­дено в жидкий металл элемента-раскислителя, тем более полно осу­ществляется связывание кислорода в окислы. Вследствие малой плотности и нерастворимости окислов в жидком металле они всплывают на поверхность сварочной ванны, образуя шлаки.

2-й и 3-й случаи. Компонент растворим в металле, его окисел раст-ворим либо в металле (2-й случай), либо в шлаке (3-й случай).

В рассматриваемых случаях концентрация окисла в растворе — вели-чина переменная, так как при изменении внешних условий (тем­пературы и давления), а также концентрации свободного окисла в металле или шлаке, окисел может переходить из металла в шлак и наоборот (см. закон распре-деления вещества в несмешивающихся растворителях). Поэтому прини-мать концентрацию окисла компонента, находящегося в растворе, равной 1, нельзя. Формула для определения упругости диссоциации окисла ком-понента, находящегося в растворе, сохраняет первоначальный вид (2.38). Это значит, что при постоянной температуре упругость диссоциации окис-ла компонента, находящегося в растворе , прямо пропорциональна концентрации окисла ком­понента и обратно пропорциональна концент-рации чистого компонента в степени ( — стехиометрический коэффи-циент, завися­щий от валентности элемента).

Так как окислы элементов-paскислителей нерастворимы в метал­ле и растворимы в шлаке, сродство к кислороду в данном случае бу­дет зависеть от концентрации элемента-раскислителя в металле и концентрации его окисла в шлаке. Приведенные соображения позволя­ют сделать весьма важ-ные практические выводы:

а) если какой-либо элемент применяется в качестве раскислителя, необ-ходимо, чтобы концентрация его окислов в шлаке была минималь­ной;

б) если какой-либо элемент вводится в электродное покрытие или флюс в качестве легирующей добавки и имеет сродство к кисло­роду большее, чем сродство к кислороду преобладающего элемента сплава, то для умень-шения его окисления желательно иметь в покры­тии или флюсе возможно больше окислов этого элемента;

в) если в металле или сплаве имеется примесь, обладающая боль­шим сродством к кислороду, чем преобладающий компонент, то для предупреж-дения выгорания примеси нужно иметь ее окислы в шлаке;

г) если легирующий компонент, содержащийся в электродном покрытии или флюсе, обладает меньшим сродством к кислороду, чем преобладаю-щий компонент сплава, то он может быть введен в покры­тие или флюс в виде окисла, так как в процессе сварки будет вос­становлен.

4-й случай. Компонент растворим в металле, его окисел растворим и в металле, и в шлаке. Расчеты сильно усложняются действием закона рас-пределения. Наибольший интерес представляет окисление железа. В ме-таллургических и сварочных процессах изменение концентрации железа, вызванное его окислением, весьма мало, поэтому упругость диссоциации можно считать независящей от концентрации.

Для определения порядка активности элементов-paскислителей поль-зуются диаграммами зависимости упругости диссоциации окисла от кон-центрации компонентов в сплавах при постоянной температуре. Анализ этих зависимостей и экспериментальные данные позволяют ус­тановить, что при сварке в интервале температур от 2500 до 1100 °С наиболее энер-гичным раскислителем будет углерод; следующим по ак­тивности — кремний. Его действие будет возрастать по мере выгора­ния углерода и по мере снижения температуры. Марганец во всех слу­чаях будет менее актив-ным. Он действует при отсутствии свободных углерода и кремния. При наличии в шлаке окислов этих элементов их активность уменьшается и мо-жет измениться порядок активности.