Файл: Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью.pdf

прохождения процесса за время существования свароч­ ной ванны. Отдельные из перечисленных этапов прохо­ дят чрезвычайно быстро и не лимитируют процесс окис­ ления, другие, наоборот, проходят медленно и определя­ ют общую длительность всего процесса окисления.

Рассмотрим этапы, которые проходят быстро и не лимитируют процесс окисления. Первый этап — достав­ ка окислителя •—• осуществляется газовым потоком ду­ ги. Здесь скорость окисления, например углерода, опре­ деляют два фактора — температура и скорость подачи окислителя. При данной температуре скорость окисления углерода изменяется в сравнительно малых пределах [52]. Скорость газов столба дуги достаточно велика (око­ ло 1000—2000 см/с) и более или менее постоянна. Кроме того, столб сварочного пламени достаточно насыщен окислителями, что обеспечивает непрерывную и беспе­ ребойную доставку окислителя к поверхности металла. Поэтому можно считать, что доставка окислителя не лимитирует процесс окисления.

Процесс адсорбции и химическая реакция окисления по существу являются одним процессом химического взаимодействия. Благодаря высокой температуре реак­ ционного объема этот процесс происходит с большой скоростью и также не лимитирует процесс окисления. Лимитирующим процессом при известных условиях бу­ дет удаление продуктов реакции. При окислении угле­ рода продуктом реакции является газ СО. Можно допу­ стить, что он сдувается потоком газа столба дуги и пе затрудняет следующего акта окисления. Но продукт окисления кремния БіОг представляет собой жидкость, располагающуюся на поверхности металла. Кроме того, па поверхности металла будут находиться и другие кон­ денсированные продукты реакции окисления, как МпО, FeO. Они могут создавать на поверхности металла плен­ ку, которая исключает непосредственный контакт окис­ лителя с металлом. Кислород должен проникнуть через эту пленку, что связано с механизмом молекулярной (ионной) диффузии и является медленным этапом про­ цесса окисления. Механизм такой диффузии изучался многими исследователями [55]. Покажем значение обра­ зующегося слоя для прохождения процесса окисления.

Пленка окислов, образующаяся на поверхности ме­ талла, возникает сразу же после первого контакта газа

98

с металлом. Вначале толщина ее будет моно-, затем би-, тримолекулярная и т. д. Но уже би- и тем более три­ молекулярная пленка способна значительно затруднить

среднем равна 0,2 см2. Пользуясь вторым диффузионным законом Фика, определим количество кислорода, прохо­ дящего через эту пленку за 1 с, приняв начальную раз­ ность концентрации кислорода 1 % (очень большая раз­ ность); коэффициент диффузии ионов кислорода примем

величина.

Отметим условия, несколько снижающие тормозящее действие образующихся пленок окислов. Во-первых, эго несплошная пленка, она имеет разрывы, сквозь которые возможны непосредственные контакты окислителя и ме­ талла. Кроме того, пленка подвержена механическому воздействию падающих капель электродного металла и потока газов сварочного пламени. Вследствие этого плен­ ка частично сдувается к задней стенке ванны, открывая чистую металлическую поверхность. Все это несколько повышает эффективность окисления газовой фазой, хо­ тя значительного окисления не происходит. Здесь еще надо учесть лимитирующий процесс диффузии углерода и кремния из объема к поверхности металла. Хотя коэф­ фициент диффузии углерода и кремния на пять-шесть порядков больше, чем кислорода, однако им надо пройти больший путь — порядка ІО-3 см.

Чтобы иметь представление о количестве углерода, окисляемого газовой фазой, произведем следующий ра­ счет. Примем самый благоприятный случай — газовая фаза свободно контактирует с поверхностью сварочной

верхнем слое ванны меньше), то всего из ванны будет удалено Вс= (0,2-7-10_3) -0,5/100 = 0,7-ІО-5 г. При сред­ нем весе металла ванны 5 г эта потеря углерода соста­ вит 0,7/5• 10-5-102= 1,4-10-2%. Конечно, это очень малая величина в общем количестве углерода, который необхо­

димо окислить. Однако, учитывая колебания поверх­ ности сварочной ванны и перемешивание металла дутьем дуги и падающими каплями, полученную цифру следует увеличить. При этом вступает в действие другой меха­ низм окисления, более эффективный, который рассмот­ рим отдельно.

Окисление растворенным кислородом. Капли элект­ родного металла и сварочная ванна находятся в окисли­ тельной среде сварочного пламени. Естественно, что бу­ дет происходить процесс взаимодействия кислорода с этим металлом, в результате чего определенная часть кислорода будет растворяться в металле. Попадая в сварочную ванну, этот кислород окисляет избыточные элементы ванны. Кислород в металле может находиться в виде истинного раствора и в виде соединений (окис­ лов). Этим определяется не только количество его в ме­ талле, но и возможность эффективного использования. Рассмотрим взаимодействие кислорода с железом, крем­ нием и марганцем как с наиболее важными составляю­ щими сварочной ванны.

К и с л о р о д и ж е л е з о . Благодаря сродству же­ леза к кислороду, особенно в условиях сварочных тем­

плавления кислорода находится в растворе 0,6 ат. % или около 0,12 вес. %, а некоторые исследователи [54] при­ нимают еще меньшее количество. Согласно диаграмме состояния Fe — О, кроме твердого раствора а и у, желе­ зо с кислородом образуют три фазы промежуточного типа:

FeO — вюстит или е-фаза с содержанием 22,67% кис­ лорода;

FeßC^ — магнетит или g-фаза с содержанием 27,64% кислорода;

БегОз — гематит или грфаза с содержанием 30,06% кислорода.

Согласно принципу ступенчатого превращения А. А. Байкова, образование указанных окислов можно пред­ ставить следующей схемой:

Fe FeO Fe30 4 ^ Fe20 3.

1.00

Применительно к этой схеме реакции окисления железа с точки зрения термодинамики процесса можно предста­ вить уравнениями (83), а также уравнениями (84) и ха­ рактеризовать соответствующими изобарными потенци­ алами. Руководствуясь этим, считают, что в жидком же­ лезе кислород находится в виде вюстита FeO. Общее содержание его можно определить по уравнению Тей­ лора и Чипмена [56]

lgo/0o = -- ® !° - -1- 2,734.

Эта зависимость представлена на рис. 23. Расчетные дан­ ные хорошо совпадают с экспериментальными.

Полученные данные основаны на молекулярном вза­ имодействии кислорода и железа и простом стехиоме­ трическом соотношении. Действительное взаимодейст­ вие гораздо сложнее, так как железо с кислородом обра­ зуют ионный раствор, в котором взаимодействие происходит между катионами железа Fe2+ и анионами кислорода О2-. Это имеет существенное значение осо­ бенно для анализа механизма и кинетики взаимодейст­ вия Fe—О.

Рис. 23. Расчетное содержание растворимого кислорода в жидком железе

101.

К и с л о р о д и к р е м н и й. Процесс окисления крем­ ния можно представить как двухступенчатый: S i^ S iO ^ Низший окисел кремния SiO устойчив только при температуре выше 1500 °С. В соответствии с этим

представляют интерес следующие реакции взаимодейст­ вия в системе кислород— кремний:

температуры жидкого металла ванны и особенно капли, тормозит процесс окисления кремния. Только реакция образования окиси кремния (93) способна усиливаться при высоких температурах. Однако при этом происходит кипение окиси кремния, что не способствует насыщению металла кислородом. При выходе из зоны высокой тем­ пературы сварочного пламени реакция (93) будет идти в обратную сторону — в сторону освобождения кислорода и восстановления кремния. Именно эта реакция способна удалять кремний из сварочной ванны, что имеет большое значение для снижения его концентрации.

К и с л о р о д и м а р г а н е ц . Марганец образует четыре окисла, и, как видно из зависимости изобарных потенциалов их от температуры, высокая температура способствует диссоциации этих окислов марганца. По­ этому за счет окисления марганца не удастся ввести в

металл ванны кислород.

в металле капли — до 2%. Поэтому очевидно, что в кап­ ле будут идти процессы окисления •— насыщения метал­ ла кислородом, а в ванне — выделение кислорода и окис­ ление избыточных элементов ванны. Как видно, весь процесс окисления растворенным кислородом состоит из двух последовательно проходящих этапов, которые рас­ смотрим по отдельности.

102

I этап. Растворение кислорода. Процесс растворения кислорода в капле электродного металла можно пред­ ставить обычной схемой: подход кислорода к поверх­

эта схема нуждается в уточнении с учетом условий сва­ рочной дуги.

Прежде всего надо учесть, что высокая температура сварочной дуги способна вызывать диссоциацию молеку­ лы кислорода на атомы. Это можно выразить уравне­ нием

0 2= 20,

константа равновесия которой

Общее давление кислорода Р при диссоциации равно сумме парциальных давлений молекулярного ро2 и атомно­ го ро кислорода, т. е. Р = Р0.-\-ро с константой равно­ весия Лф:

ро,Ро

Р

Учитывая степень диссоциации а, т. е. отношение числа диссоциированных молекул к общему числу их в данном объеме, запишем

откуда

Следовательно, чтобы определить степень диссоциа­ ции молекул кислорода, надо знать константу равнове­ сия процесса диссоциации. Величину константы равно­ весия можно рассчитать по энтропийному уравнению

юз

где А#°— энтальпия; А5°— энтропия процесса. Взяв со­ ответствующие значения этих величин [49], получим

молекул кислорода проходит энергично и уже при тем­ пературе 2000 °К. составляет 0,317, при 3000 °К—0,87 и при 4000 °К приближается к 1. Это значит, что в свароч­ ном пламени кислород находится преимущественно в виде атомов.

Высокая температура сварочного пламени может вы­ звать и термическую ионизацию атомов кислорода. Ионизация атомов кислорода осуществляется путем захвата электрона, что можно представить в виде урав­ нения 0 + е = 0 -1 (однократная ионизация) или 0 1_+ + е = 0 2~ (двукратная).

Таким образом, в сварочном пламени будут находить­ ся одновременно атомы, ноны и электроны с соответст­ вующими парциальными давлениями ра, ріи рэ. Степень ионизации (отношение числа ионов к общему числу ато­ мов кислорода или отношение соответствующих пар­ циальных давлений) можно рассчитать по уравнению Сага [57]. Это уравнение, применяемое при расчетах плазмы, показывает, что в столбе дуги сварочного пла­ мени может происходить ионизация кислорода, хотя и не очень значительная —■несколько сотых процента.

Таким образом, в столбе дуги кислород находится преимущественно в виде атомов, что облегчает реакцию на поверхности капли. Количество кислорода, которое может попасть па поверхность капли, определяется ис­ ходя из скорости перемещения атомов кислорода вокруг нее. При этом учитывается следующее перемещение ато­ мов кислорода.

1. Перемещения в столбе дуги со скоростью газового потока. Эту скорость, определяемую давлением подво­ димого газа, можно принять в пределах 1000—2000 см/с.

2. Перемещения под влиянием электрического поля дуги. Ионизированная часть кислорода получит допол­ нительную скорость в направлении поля, величину кото­ рой определим по уравнению

ѵа — ПЕ см!с,

104