9.4. 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 физико-химических 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 Ti, 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:

(9.31)

где- массы соответственно электродного металла, основного металла, флюса, металла шва и шлака;

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

(9.32)

= 1 - γ и допуская, что т_ф ≈ т_шл, оконча­тельно из (9.31) получаем

(9.33)

Таким образом, для расчетного определения химического со­става металла шва нужно знать концентрации элемента в исход­ных материалах, массовые доли основного (1 - γ) и электродного (γ) металлов в металле шва, относительную массу β 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 β - коэффициента эффективности массообмена, который оценивается отношением массы флюса, реально участвовавшего в массообмене, к массе расплавленного металла т_м:

(9.34)

Здесь m_ф 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 β 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

(9.35)

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

(9.36)

Коэффициент эффективности массообмена β 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 (3 и неизменное содержание элемен­тов в металле шва, т. е. практически имеет место термодинамиче­ское равновесие при сварке.