Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170

суммирования химических реакций, протекающих в сварочной ванне.

В качестве примера в табл. 3.3 приведены данные по изменению концентраций кремния, марганца, фосфора и серы при многослойной сварке стали марки 16ГНМА толщиной 115 мм (0,33% Si, 1,02% Мп; 0,011% S и 0,012% Р) проволокой марки Св-ЮНМ (0,21 % Si, 0,65% Мп, 0,007Vo S; 0,014о/о Р) под флюсом марки ФЦ-6.

3.3. Реакции в сварочной ванне

3.3.1. Взаимодействие металла с газами

При дуговой сварке плавлением расплавленный металл, взаимодействуя с окружающей атмосферой, поглощает кислород, азот и водород, что существенно сказывается на свойствах металла щва.

Растворение двухатомного газа в металле описывается уравнением

и2(газ) [Г](раствор);

К °г /г Г% Г]

рО.5 р0,5

откуда следует известное правило квадратного корня (закон Сивертса)

[О/о Г] = (/*Сг г) г (3-21)

где Ог и /г-активность и коэффициент активности газа, зависящие от состава расплава [1].

Равновесие металл - газ зависит от температуры. Эта зависимость обычно выражается эмпирическими уравнениями вида

\gKr = AIT + B,

где А и В - постоянные, определяемые из опыта.

При температурах, приближающихся к точке кипения металла, нужно учитывать встречное давление паров металла, вызывающее снижение реальной растворимости газа.

Окисление металла шва

Кислород в металле щва может находиться в зависимости от концентрации других присутствующих в нем элементов в нескольких формах: в виде оксида железа в твердом растворе и выделяющегося в самостоятельную фазу; в виде оксидных включений; в виде твердых растворов и эвтектик, образованных оксидными и сульфидными включениями, а также в виде самостоятельной фазы О.

3* 67

Растворимость кислорода в железе в форме FeO невелика и может быть описана при контактировании жидкого железа со шлаками, состоящими практически только из оксида железа, уравнением

Ig [О] = - 6320/Т + 2.734. (3.22)

где [О] -концентрация кислорода в жидком железе, % (по массе).

Последним представлениям на основе исследования химических равновесий типа MeO-f H2 = Me-f НгО, больше соответствует гипотеза о том, что кислород находится в железе в виде

ТАБЛИЦА 3.4

РАСТВОРИМОСТЬ КИСЛОРОДА

В жидком ЖЕЛЕЗЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Рис. 3.4. Характерные типы включений в металле швов, выполненных сваркой плавлением: а - силикатные (изотропные); б - силикаты железа (анизотропные); в - силикаты с преобладанием марганца (изотропные, внутри светящийся крест); г - сульфиды, оксиды и пр. (изотропные)

самостоятельной фазы О. Существенно меньшая электроотрицательность железа по сравнению с кислородом позволяет предположить, что кислород может существовать в железе в анионной форме 0~. Значительные размеры названных анионов обусловливают ничтожную их подвижность при пропускании через железо постоянного тока.

Вместе с тем практически все металлургические расчеты основаны на предположении о растворении кислорода в железе в форме FeO, и независимо от формы присутствия кислорода с большой достоверностью установлено, что растворимость его в твердом а-железе составляет 0,03%, а в у-железе ~ 0,003 %.

Результаты расчетов по уравнению приведены в табл. 3.4. При снижении температуры происходит перераспределение FeO между шлаком и металлом в соответствии с константой распределения

L = [FeO]/(FeO),

где [FeO] и (FeO) - концентрации оксидов в металле и шлаке соответственно.

Константа распределения изменяется в зависимости от температуры по формуле

Ig [FeO]/(FeO) = - 6300/Г + 1,386.

Выделяющийся из раствора FeO может не только переходить в щлак, но и вступать во взаимодействие с элементами-раскислителями Мп, Si, Ti, Al и др. при наличии таковых в жидкой сварочной ванне. И поскольку сродство к кислороду у названных элементов растет при снижении температуры, продукты раскисления реакций вида

п [FeO] + т [X] = п [FeO] + XmO„ (3.23)

частично переходят в щлаковую фазу, но остаются и в закри-сталлизовавщемся металле в виде неметаллических включений, повьшая общую концентрацию в нем кислорода (рис. 3.4). Оксидные включения часто имеют неоднородный минералогический состав, а также могут образовывать сложные кисло-родосодержащие включения, например, оксисульфиды или кислородофторсодержащие включения.

Взаимодействие наплавляемого металла с азотом

Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. В зависимости от температуры азот может находиться в газовой фазе в различных состояниях: молекулярном, атомарном и ионизированном. Растворимость атомарного азота при постоянной температуре определяется соотнощением

1% Щ = Кр.

При наличии азота в газовой фазе в молекулярной форме его растворимость определяется уравнением

[О/о щ = К.

Последняя зависимость косвенно указывает на то, что процессу растворения азота предшествует диссоциация молекулярного азота на атомы.

Азот образует с железом химические соединения - нитриды: FezN (11,15 %N) и Fe4N (5,9 %N). Считается, что возможно и образование нитрида FesN [3].

Теплота образования РегМ и Fe4N соответственно равна [4]:

2Fe + 0,5N2 = FeN + 16,5 кДж/моль; 4Fe -f 0,5N2 = FeN -4- 18673,1 кДж/моль.

Fe2N начинает разлагаться в атмосфере чистого азота при температуре -550 °С. Дальнейшее повышение температуры