Металлургические процессы при электрошлаковой сварке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Изучение особенностей металлургических процессов, протекающих между шлаком и плавящимся металлом, а также между шлаком и кристаллизующимся металлом, способствовало быстрому развитию и распространению электрошлаковой сварки, а затем и электрошлакового переплава.

Поскольку эти два технологических процесса имеют единую физико-химическую природу, в настоящей главе обобщены работы по металлургии ЭШС и ЭШП.

Установлено, что основной металл в процессе его оплавления при электрошлаковой сварке слабо реагирует со шлаком, поэтому эти реакции в расчет не принимают.

Металлургическое взаимодействие между электродным металлом и шлаком происходит на всех стадиях контакта между ними: плавления, стекания пленки жидкого металла по конусу плавящегося электрода, образования капли, переноса капли через шлаковую ванну, между шлаковой и металлической ваннами. Направление и скорость реакций на этих стадиях зависят от соотношения химических составов электрода и шлака, температуры, рода тока и полярности. Например, при сварке низкоуглеродистой проволокой под кремнемарганцовистыми шлаками в области высоких температур вблизи электрода и в шлаковой ванне происходит восстановление кремния и марганца из шлака.

В металлической же ванне, температура которой значительно ниже температуры капель электродного металла, происходит обратный процесс - окисление марганца и особенно кремния. В результате этого в шве образуются мелкодисперсные неметаллические включения. При использовании электродной проволоки, легированной кремнием и марганцем, на всех стадиях процесса протекает окисление этих элементов, но наиболее интенсивно - на границе между металлической и шлаковой ваннами.

В случае применения электродной проволоки, легированной кремнием и малым количеством марганца, кремний будет окисляться, а марганец может даже переходить в металл, если используется высокомарганцевый шлак, и т. д. При сварке на обратной полярности окисление элементов электродного металла протекает энергичнее, чем на прямой полярности, поскольку анод оказывает окислительное действие[1].

В современной металлургии электрошлаковых процессов расчет выполняют по константам равновесия химических реакций, определяемых термодинамическим путем и уточняемых с учетом условий процесса (основность флюса, род и полярность тока и т. д.). При этом исходят из молекулярной теории строения шлаков, согласно которой шлак представляет собой сплав окислов, химических соединений между окислами и галогенидов (преимущественно фторидов). Вместе с тем в металлургических расчетах используют и ионную теорию строения шлаков, которая рассматривает шлаки диссоциированными на положительные ионы (катионы) Na+, Са+2, Mg+2, Mn+2, Al+3, Fe+2, Fe+3 и простые и сложные отрицательные ионы (анионы) SiO4-4, РО3-4, А1-3, О-2, S-2, F-, а также на связанные между собой группы ионов - комплексы, близкие по своим свойствам к недиссоциированным молекулам.

Ионная теория позволяет объяснить, а в некоторых случаях и рассчитать активность компонентов шлака в зависимости от его состава; понять влияние полярности тока на поведение серы, на ход окислительно-восстановительных процессов, характер распределения водорода между металлом и шлаком и др. Ионная теория бедна экспериментальными материалами, и ее математический аппарат еще несовершенен.

Конечный результат металлургических процессов зависит от направления реакций (термодинамический фактор) и скорости их протекания (кинетический фактор). С помощью термодинамических расчетов можно определить, какие из компонентов металла и шлака вступают в реакцию прежде других, а также ожидаемый конечный результат этих реакций - при условии их протекания до установления термодинамического равновесия.

Общие сведения

Металлургические процессы при электрошлаковой сварке отличаются от аналогичных процессов при дуговой сварке следующими особенностями:

в плавильной зоне отсутствует газовая фаза;

температура в зоне сварки ниже, чем при дуговой сварке;

сменность шлака-флюса незначительна;

при сварке имеет место электролиз шлака шлаковой ванны;

поверхность шлаковой ванны заметно окисляется кислородом воздуха[2].

Не рассматривая влияния каждого фактора в отдельности, необходимо отметить, что при электрошлаковой сварке может иметь место изменение химического состава металла шва по его длине.

Непостоянство химического состава шва по длине обусловлено непостоянством перехода элементов из шлака в шов и непостоянством окисления элементов.

В первые моменты электрошлаковой сварки (на длине шва 150-200 мм) происходит значительное обогащение металла шва марганцем и кремнием вследствие их восстановления из окислов этих элементов, входящих в состав флюса. Окисление железа происходит из-за большой его концентрации в металле по реакции:

МnО + Fe => Мn + FeO.

По мере накопления в шлаке FeO этот процесс затухает и после выполнения шва длиной 150-200 мм восстановление марганца и кремния из шлака уже не происходит.

Кроме того, имеет место непостоянство окисления элементов, входящих в состав проволоки, а также обеднение шва этими элементами. А окисление переходящих капель происходит из-за образования высших окислов в шлаке в результате воздействия на него воздуха. При этом у поверхности шлаковой ванны происходит следующая реакция:

4FeO + O2 => 2Fe2O3.

Когда в шлаке накопится значительное количество Fe2O3 (после выполнения шва длиной 100-150 мм), на поверхности капель электродного металла происходят другие реакции:

Fe2O3 + Mn => 2FeO + MnO (шлак) ;

Fe2O3 + С => 2FeO + CO (газ)

В результате этого процесс может привести к выгоранию как полезных (кремний, марганец), так и вредных примесей (сера), содержащихся в проволоке в малых количествах.

Из-за возможности электролиза шлака шлаковой ванны, род тока и полярность существенно влияют на химический состав металла шва. Шлак представляет собой электролит, состоящий из ионов металла, кислорода и окислов металлов. Если сварка производится постоянным током при прямой полярности, то к катоду (в данном случае - сварочной проволоке) направляются элементы и соединения, имеющие положительный заряд (положительные ионы марганца, железа и др.). Повышение концентрации ионов марганца у поверхности проволоки уменьшает вероятность его окисления и перехода в шлак. Это способствует сохранению марганца в каплях электродного металла и даже повышению его содержания вследствие восстановления ионов до атомов:

Mn+ + е =>Мп0.

Отрицательные ионы (кислород и кислородосодержащие элементы) направляются к аноду - сварочной ванне, температура которой ниже, а удельная поверхность ванны относительно объема жидкого металла менее нагрета по сравнению с каплями электродного металла. Поэтому окисление марганца и других элементов в металлической ванне невелико. В итоге шов не только обедняется, но даже обогащается Mn, Si и другими элементами.

При обратной полярности к аноду (к сварочной проволоке) направляются ионы кислорода и ионы кислородосодержащих соединений, которые, попадая на более нагретую поверхность образующихся капель металла, интенсивно окисляют марганец и другие полезные примеси. Это приводит к обеднению шва Мn, Si и другими элементами, повышающими прочность шва и его стойкость против горячих трещин, т. е. ухудшает качество шва.

Переход марганца и других полезных примесей из приволоки при сварке на переменном токе будет меньше, чем при прямой полярности, и больше, чем при обратной.

Когда необходимо сохранить нужное количество элементов-раскислителей в металле шва, сварку производят специально легированной марганцем, кремнием и другими элементами проволокой Св-10ГС, Св-10Г2.

Сварочная проволока для электрошлаковой сварки подбирается, исходя из требований к составу металла шва, который практически незначительно зависит от состава флюса.

Поведение водорода

Водород при электрошлаковой сварке и электрошлаковом переплаве может служить причиной пор, трещин и флокенов (особенно в легированных сталях). Он снижает пластические свойства металла вследствие так называемого водородного охрупчивания и понижает его усталостные свойства [3].

Проблемы, связанные с водородом, становятся ощутимыми при изготовлении изделий толщиной более 100 мм.

Содержание водорода в сталях после электрошлакового плавления может быть достаточно высоким - на уровне исходного металла, полученного дуговым способом, и намного выше, чем в сталях, прошедших вакуумную обработку.

Основным источником водорода является атмосфера. Кроме того, водород может попасть в зону сварки при утечке воды в кристаллизаторе, с гидратированными окисями (гидратированной окалиной), при оросительном охлаждении металла, с маслом и другими органическими веществами. Существенным источником водорода служит сварочный флюс, который всегда содержит в себе влагу. При отсутствии влаги в атмосфере содержание водорода в начальных участках слитка превышает исходное в электродном металле. Затем, по мере удаления влаги из шлака количество водорода в слитке уменьшается и становится меньше, чем в электродном металле.

Влага может существовать во флюсе в разных формах: кристаллогидратная, гидратная (удаляемая при температуре 580°С) и цеолитная, требующая нагрева до температуры 900-1100° С. Наибольшее количество гидратной влаги содержится во флюсах, в состав которых входит СаО. Даже в свежеобожженной извести содержится 2, 5-3% Н20. На содержание водорода в металле СаО оказывает существенное влияние при его концентрации во флюсе 15% и более (Т. Бэгшоу).

Благодаря прокаливанию флюсов перед сваркой или переплавом содержание влаги в них уменьшается до 0, 1-0, 2%. Однако и при этом в металл шва переходит часть водорода. Присутствие 0, 2-0, 5% Н20 в шлаке при переплаве низколегированной Cr-Ni-Mo стали обусловливает содержание водорода в металле 0, 0007-0, 0011%. Наилучшее удаление влаги из флюса достигается нагревом его в инертной атмосфере. В таком случае содержание ее в шлаке можно уменьшить до 0, 03-0, 05%, а уровень водорода в металле - до 0, 00055%.

Поведение азота

Степень рафинирования стали от азота при электрошлаковом плавлении зависит от химического состава флюса. При увеличении растворимости азота в шлаке удаление его из стали уменьшается (повышается азотопроницаемость шлака).

Шлаки системы CaF2-А1203-СаО неплохо растворяют азот, и с ростом концентрации в шлаке А1а03 содержание азота в металле повышается. Влияние А1203 на повышение [N] объясняется следующим. Восстановленный из шлака (например, кремнием) алюминий вступает в реакцию с азотом воздуха и образует нитрид, который затем переходит в металл.

Свидетельством этому служит увеличение содержания в металле алюминия и азота одновременно (А. Г. Богаченко). При переплаве с использованием шлаков, не содержащих А1203, содержание азота в металле снижается до 0, 002%. При ЭШП высокоуглеродистой стали, например ШХ15, под шлаками указанной системы возможно образование в шлаке ионов CN~ и перенос азота через шлак из атмосферы в металл. Подобное происходит, если в шлаке содержится по какой-либо причине углерод (как правило, в виде карбидов). Раскисление флюса АНФ-6 алюминиевым порошком увеличивает азотопроницаемость шлака, а возрастание отношения СаО/А1203 в этом шлаке обусловливает уменьшение содержания азота и загрязненности стали нитридными включениями. Одной из причин этого служит, очевидно, повышение кислородного потенциала шлака и увеличение активности в шлаке FeO.

Таким образом, повышение кислородного потенциала шлака приводит к понижению его азотопроницаемости. Это подтверждается экспериментами, согласно которым изменение парциального давления кислорода от 0, 002 до 0, 125 атмосфер обусловило более сильное влияние на поведение азота, чем изменение парциального давления азота от 0, 08 до 0, 83 атмосфер. С увеличением парциального давления кислорода уменьшается растворимость азота в шлаковом расплаве. В значительной степени понижает растворимость азота в шлаке двуокись кремния [3].

Помимо изложенного немаловажное значение имеет адсорбирующая способность шлака по отношению к нитридам. Шлаки АНФ-1П и АНФ-6 не адсорбируют нитриды. Их адсорбирующая способность по отношению к нитридам повышается приувеличении содержания окиси кальция, причем эта способность тем выше, чем больше СаO/А1203.

Полярность тока оказывает незначительное влияние на содержание азота в металле и только в начальный период плавки. Наибольшее количество азота в наплавленном металле обнаружено при переплаве на переменном токе, наименьшее - при постоянном токе прямой полярности, причем различие в [N] по сравнению с переплавом на обратной полярности незначительное.

Намного сильнее отражается на увеличении перехода азота в металл через шлак повышение напряжения, что объясняется увеличением нагрева электрода (увеличением поглощения электродом азота из воздуха) и уменьшением заглубления электрода в шлак (при этом повышается температура поверхностных слоев шлака и интенсифицируется усвоение им азота из шлака).

Следовательно, для уменьшения перехода азота из воздуха в шов при электрошлаковой сварке следует избегать повышенных напряжений и использования шлаков с повышенным содержанием А1203.

Неметаллические включения в шве

При электрошлаковой сварке стараются уменьшить количество вредных неметаллических включений.

Большинство из них - эндогенного происхождения, т. е. образуются в металле шва из растворенных элементов. Включения экзогенного происхождения, представляющие собой мелкие частицы застрявшего в металле шлака, менее типичны.

Значительная часть неметаллических включений при электрошлаковой сварке, как и переплаве, имеет наследственный характер, т. е. происходит от неметаллических включений основного металла и электродной проволоки, однако состав шлака и атмосферы над ним оказывают решающее воздействие на состав и количество неметаллических включений.

Содержание окислов в металле, в общем, отражает содержание их в шлаке. Так, при электрошлаковом переплаве под флюсами, содержащими А1203, в металле обнаруживают корунд; если во флюсе присутствует двуокись кремния, то в металле - силикаты; при переплаве под флюсами, содержащими А1203 и MgO, в металле обнаружили магнезиальную шпинель Mg0-Al203; обогащение шлака окислами хрома вызывает появление последних в составе окисных включений; в случае добавок в шлак Ti02 в металле обнаруживаются окислы и нитриды титана; в металле появляются окислы кальция и магния при электрошлаковом переплаве под флюсами АН-7 и АНФ-9.

Раскисление шлака в процессе электрошлакового переплава алюминиевым порошком повышает чистоту конструкционных сталей по неметаллическим включениям [4].

Для уменьшения содержания каких-либо окислов в составе неметаллических включений применяют шлаки, в которых отсутствуют такие окислы. Поэтому, например, с точки зрения рафинирования стали от сульфидов и окислов алюминия и кремния наилучшая композиция флюса СаF2-СаО.

Механизм очищения металла от неметаллических включений при электрошлаковом переплаве (соответственно и сварке) до конца не изучен. Этот процесс начинается еще в твердом металле электрода вблизи поверхности плавления в зоне, нагреваемой до температуры 1100-1300° С. Ширина этой зоны, названной зоной предплавления, зависит от скорости плавления электрода и составляет от 3--4 мм в электродах диаметром 800 мм до 9-11 мм в электродах диаметром 1200 мм. В ней происходит измельчение сульфидных и окисных включений, увеличение их количества при одновременном уменьшении содержания сульфидов и окислов.

При высоких температурах в непосредственной близости к поверхности плавления происходит диффузия кислорода и серы в жидкую фазу. Основная причина этого явления - нарушение термодинамического равновесия между включениями Можно полагать, что при электрошлаковой сварке на малых скоростях менее 0, 5 м/ч металла большой толщины аналогичная зона предплавления образуется на поверхности свариваемых кромок. В пленке жидкого металла, наблюдаемой на конце плавящегося электрода, происходят диссоциация окислов вследствие понижения сродства к кислороду элементов-раскислителей и даже растворение дополнительного количества кислорода, поступившего из воздуха; восстановление кремния, марганца, алюминия и других элементов из шлака по реакциям замещения; адсорбция и растворение шлаком некоторых достаточно крупных неметаллических включений и др.

Межфазные границы пленки обогащены неметаллическими включениями в большей степени, чем в глубине пленки, причем окислы алюминия могут сохраняться на поверхностях пленки и образуемой ею металлической капли в виде твердых частичек, а окислы кремния расплавляются, покрывая поверхность металлической пленки и отрывающихся капель металла тонким глазуроподобным слоем (Д. Я. Поволоцкий с сотрудниками).

Процесс очищения металла от неметаллических включений продолжается при переносе капли через шлаковую ванну. Он состоит в дальнейшей адсорбции и растворении неметаллических включений в шлаке. Падающая в металлическую ванну капля электродного металла увлекает за собой часть неметаллических включений, оставшихся на ее поверхности. Затем последние коагулируют в металлической ванне и всплывают на ее поверхность. Интенсивность удаления включений в шлак зависит от соотношения адгезии их к жидкому металлу и шлаку. Например, силикатные включения имеют более высокую адгезию к металлу, чем глиноземистые, и лучше смачивают жидкий металл, чем твердый. Силикаты, покрывающие каплю, погружаются вместе с ней в металлическую ванну, а глиноземистые включения могут задержаться на ее поверхности. Поэтому механическое удаление более эффективно для А1203, чем для Si02 [6]. Нитридные включения лучше адсорбируются основными флюсами, чем кислыми.

Частицы малого размера (5 мкм и менее) не успевают коагулировать и остаются в металле. Вместе с тем, в металлической ванне вновь образуются включения эндогенного характера из-за того, что при понижении температуры растворимость в металле кислорода, азота, серы и других примесей падает. Вследствие сравнительно малой длительности кристаллизации металла эти включения невелики (1-5 мкм).

Результатом электрошлаковой технологии является существенное уменьшение количества и измельчение неметаллических включений.

электрошлаковая сварка плавление

Список источников

1. Патон Б. Е., Электрошлаковая сварка и наплавка - М. : Машиностроение, 1980. - 511 с.

2. Металлургические процессы при электрошлаковой сварке [Электронный ресурс] // Дуговая сварка и резка металлов [Офиц. сайт]. URL: http://electrosvarka.su/index.php?mod=text&uitxt=400 (дата обращения 28. 11. 2013).

3. Фролов В. В., Теория сварочных процессов - М. : Высшая школа, 1988, 560 с.

4. И. Р. Пацкевич., Поверхностные явления при сварке металлов - М. : Наук. думка, 1991, - 240 с.

5. Явойский В. И., Кряковский Ю. В., Металлургия стали -М. : Металлургия, 1983. - 584 с.

Размещено на Allbest.ru