7. Рафинирование металла при сварке плавлением

Одним из важных металлургических процессов, имеющих место при сварке, является рафинирование металла, т. е. удаление вредных примесей (например, P и S).

Сера – это вредная примесь, вызывающая красноломкость сталей (красноломкость - возникновение трещин и надрывов в местах расположения эвтектики при нагревании стали до температуры прокатки или ковки – 1000…1200 ^оС) и усиливающая их склонность к образованию горячих трещин при сварке. Это обусловлено образованием легкоплавкой эвтектики (эвтектика сульфида железа FeS + Fe с Т_пл = 985 ^оС), располагающейся по границам зерен и ослабляющей в широком диапазоне температур связи между отдельными кристаллитами и зернами. Чем выше содержание S в металле, тем больше появляется легкоплавких эвтектик и тем сильнее красноломкость стали. Во избежание этого количество S ограничивают и стараются, чтобы оно не превышало предельно допустимой нормы.

Кроме этого, в тех случаях, когда содержание серы выше нормы применяют различные методы перевода её из металла в шлак или связывают ее в соединения, не дающие легкоплавких составляющих в металле

[FeS] + (Мn) ↔ [МnS] + [Fe]

с константой равновесия

К = (МnS) • [Fe] / [FeS] • [Мn], откуда

[FeS] = [МnS] • [Fe] / К • [Мn],

т.е. концентрация серы в металле уменьшается при увеличении в нем марганца.

Уменьшение FeS в жидком металле достигается воздействием шлаков, содержащих MnO и CaO

FeS + (MnO) ↔ (МnS) + FeО,

FeS + (CaO) ↔ (CaS) + FeО.

Фосфор также является вредной примесью, которая вызывает хладноломкость (хладноломкость – переход металла от вязкого разрушения к хрупкому при изменении (уменьшении) температуры)) у низколегированных и углеродистых сталей и повышенную склонность аустенитных сталей к образованию горячих трещин.

Уменьшение количества фосфора добиваются путем ограничения его содержания в основном и присадочном металлах, покрытиях и флюсах, а также удаления его путем окисления

2Fe₂P + 5FeO ↔ P₂O₅ + 9Fe,

2Fe₃P + 5FeO ↔ P₂O₅ + 11Fe.

и связывания фосфорного ангидрида в шлакующиеся комплексные соединения

3СаО + P₂O₅ ↔ (СаО)₃ • P₂O₅,

4СаО + P₂O₅ ↔ (СаО)₄ • P₂O₅.