Дифузійне розкиснення

Цей вид розкиснення базується на частковому переході закису заліза із рідкого металу в шлак, оскільки його розподіл між цими двома фазами підкоряється закону розподілу Нернста, тобто

(222) (8.8)

де L — константа розподілу.

Д ля цього виду розкислення важливо, щоб концентрація вільного закису заліза в шлаку зменшувалася; тоді нові порції закису заліза будуть переходити з металу в шлак.

Зменшення вмісту вільного закису заліза в шлаку досягається різними шляхами:

а) зв'язуванням вільного закису заліза в комплексні сполуки кислими оксидами (утворення силікатів, титанатів);

б) проведенням розкиснюючих обмінних реакцій;

в) розведенням шлаків нейтральними в хімічному відношенні добавками.

Константа розподілу L, яка визначає собою ступінь переходу закису заліза з металу в шлак, залежить від температури. Зі збільшенням температури L зменшується, як видно з рис. 8.8. Це значить, що при високих температурах закис заліза може перейти з металу в шлак у меншій кількості, ніж при низьких.

При цьому виді розкиснення видалення закису заліза з металу в шлак відбувається шляхом дифузії, тому ванна рідкого металу спокійна, а всі хімічні процеси відбуваються на границі метал-шлак і в самому шлаку. Однак саме розкиснення іде повільно. Тому, хоча L при температурах, близьких до температури твердіння металу, має високі значення, швидкість дифузії сповільнюється і загальний ефект від розкиснення виявляється невисоким.

Процес дифузійного розкиснення найбільш помітний при утворенні краплі на електроді і її переносі, тому що йому сприяє більш висока температура, енергійне перемішування металу краплі і безупинний контакт свіжих порцій металу зі шлаком.

У зварювальній ванні дифузійне розкиснення іде повільно і лише у верхньому, тонкому шарі металу, що прилягає до шлаку.

Унаслідок відзначених особливостей дифузійне розкиснення в процесах зварювання звичайно не віграє значної ролі.

Розкиснення металу за допомогою кислих і основних шлаків

Розкиснення металу кислими й основними шлаками відбувається при контакті жужільної і металевої фаз як шляхом розкиснення на основі обмінних реакцій, так і дифузійного розкиснення.

Розкиснення металу за допомогою кислих шлаків. Розглянемо кислі шлаки, у яких є оксид кремнію. У таких шлаках спостерігається реакція зв'язування закису заліза в силікати заліза, нерозчинні в металі:

, (223) (8.9)

з константою рівноваги реакції .

Зв'язування закису заліза в силікати викликає додатковий перехід закису заліза з металу в шлак. З виразу (8.8) випливає, що

. (224) (8.10)

Якщо рівняння (8.10) підставити у рівняння константи рівноваги реакції (8.9), то одержимо .

Вирішимо цю залежність відносно [FeО]:

. (225) (8.11)

Таким чином, при використанні кислих шлаків для зменшення закису заліза в металі слід збільшити вміст кислого оксиду в шлаку (SiО₂), тобто підвищити кислотність шлаку й одночасно зменшити кількість силікатів заліза, що утворяться в шлаку.

Однак підвищення змісту SiО₂ у шлаку (п > 1,2) приводить до значного погіршення фізичних, а значить і технологічних, властивостей шлаку; шлак стає довгим, густим, його активність різко падає, порушується і стабільність процесу зварювання. Тому для збереження високої розкиснюючої здатності кислих шлаків доцільно:

а) замінити SiО₂ двоокисом титана TiО₂, цілком чи частково; таким шляхом удається зберегти потрібний ступінь кислотності шлаку, зробити його більш рідкотекучим і коротким, надати йому необхідну хімічну активність;

б) попутно вносити в такі шлаки елементи - розкиснювачі, що дають основні оксиди. Їхня роль зводиться до відновлення заліза із силікату і зменшення в шлаку вмісту (FeОSiО₂).

Наприклад,

.

Варто мати на увазі, що введення у шлак цих розкиснювачів зменшує кислотність шлаку.

Розкиснення металу за допомогою основних шлаків. В основних шлаках, на відміну від кислих, є надлишок основних оксидів, найбільш сильним з який є СаO. Тому такі шлаки не здатні до дифузійного розкиснення, оскільки наявні в них незначні кількості SiО₂ (чи TiО₂) одразу ж зв'язуються в комплексні сполуки із основними оксидами шлаку, тобто

, (226) (8.12)

і шлак не буде витягати FeО з металу.

Для розкиснення металу і збереження в ньому корисних легуючих елементів в основні шлаки вводять спеціальні добавки - розкиснювачі.

Розкиснювачі поводяться так само, як і при звичайному розкисненні металу, а продукти розкиснення переходять у шлак.

Отже, у загальному виді процес розкиснення металу пройде по реакції

,

з константою рівноваги

. (227) (8.13)

Вважаючи і тут, що у сталях [Fe] = 1, вирішуємо рівняння (8.13) відносно [FeО]. Тоді

або

(228) (8.14)

Щоб знизити вміст закису заліза в металі, необхідно збільшити у ньому кількість розкиснювача [Рo] і зменшити вміст оксиду розкиснювача в шлакові (Рo_пО_т). Продукти розкиснення (Po_nO_m) перейдуть у шлак. Збагачуючись цими оксидами, останній утрачає свою розкиснюючу здатність. Для підвищення розкиснюючої здатності такого шлаку необхідно:

а) обмежувати кількість розкиснювача, що вводиться. Для ефективності процесу розкиснення одночасно вноситься кілька розкиснювачів;

б) розбавляти шлаки спеціальними добавками, що зменшують у них вміст оксиду розкиснювача.

У табл. 8.2 наведено як приклад кілька розкиснювачів, реакції розкиснювання ними металу, рівноважні концентрації [FeО] і розрахункові рівняння константи рівноваги цих реакцій.

Таблиця 45
Pозкиснювач	Реакції	Рівноважна концентрація	Розрахункове рівняння константи рівноваги
Al Si Mn С

Завдяки своїм фізичним властивостям основні шлаки забезпечують краще розкиснення металу, ніж кислі. Проведення розкиснюючих процесів хоча і знижує вміст кисню в металі до мінімуму, але не компенсує цілком утрату корисних елементів унаслідок їхнього часткового вигоряння і випаровування. Разом із тим розкиснення не дає можливості збагатити метал спеціальними легуючими елементами, щоб надати йому особливі властивості. Ці задачі виконуються іншою металургійною операцією,яка здійснюється одночасно з розкисненням металу — легуванням.