Десульфурация сварочной ванны

Для снижения содержания серы в металле шва нужно вводить в сварочную ванну такие элементы, которые имели бы к сере большее сродство, чем железо. Кроме того, образующиеся сульфиды этих элементов должны удовлетворять следующим требованиям: обла­дать более высокой, чем у железа или никеля, температурой плав­ления и не создавать сульфидных легкоплавких эвтектик. По степе­ни возрастания химической прочности образующихся сульфидов, т. е. их энтальпии, элементы, вводимые для десульфурации свароч­ной ванны, располагаются в следующей последовательности: А1, Са, Na,Mn,Mg. Однако использование их для связывания серы сопря­жено с трудностями, так как все эти элементы имеют и более высо­кое сродство к кислороду, т. е. связываются им в оксиды, практиче­ски не удаляющиеся из кристаллизующе­гося шва и образующие включения. Из числа перечисленных элементов наи­больший интерес с этой точки зрения представляет марганец, поскольку:

1)он имеет сравнительно высокое сродство к сере;

2)как правило, он присутствует в свариваемых сталях в сравнительно больших количествах (0,5...0,65 %);

3. Мnмало растворим вFeи образу­ет тугоплавкий и пластичный сульфидMnSшаровидной формы (Т_пл = 1893 К), равномерно распределяющийся преиму­щественно в объемах зерен;

4)при концентрации марганца в ста­ли более 0,6 %, он способствует перехо­ду серы из FeSвMnS, т. е. в шлак.

Марганец полезен главным образом как элемент, переводящий серу в более благоприятную форму существования в стали (рис. 9.33). Кроме того, сульфид марганца слабо растворим в металле и хорошо в шлаке; поэтому он в значительном количестве переходит в шлак. Оставшийся в металле MnSраспределяется в мелкодисперсном виде достаточно равномерно в объеме зерен и не образует легко­плавких эвтектик.

В сварочной практике связывают и удаляют серу чаще всего двумя способами: с помощью Мnи МnO, а также СаО. Рассмот­рим первый из элементов-десульфураторов - марганец.

Основная реакция связывания серы марганцем описывается уравнением

(9.81)

с константой равновесия

Учитывая, что для стали [Fe] ≈ 1, получаем

(9.82)

Следовательно, чем больше марганца, тем меньше FeSв металле шва.

При этом чистый Мnвводят в сварочную проволоку или в ос­новной металл. Однако эффективность связывания серы в сульфид марганца по реакции (9.81) мала, так как вправо реакция заметно развивается лишь при пониженных температурах, когда проте­кающие процессы замедляются. В итоге в металле шва оказывает­ся значительное количествоFeS. Поэтому реакция (9.81) дополня­ется второй реакцией сульфида железа с дополнительно введен­ным оксидом марганца:

(9.83)

Для этой реакции константа равновесия имеет вид

откуда

(9.84)

Преимущество реакции (9.83) по сравнению с реакцией (9.81) состоит в том, что константа равновесия К_с растет с увеличением температуры, т. е. с ростом температуры реакция сдвигается в сто­рону большего выхода (MnS) и [FeO].

Рассматривая реакции (9.81) и (9.83) совместно, можно отме­тить, что превращению FeSвMnSспособствуют: лучшая раскисленность металла (т. е. уменьшение [FeO]); увеличение содержа­ния марганца в металле; высокая концентрация (МnO) в шлаке. В углеродистых сталях обычно отношение [Mn]/[S] равно 20...25, что позволяет избежать кристаллизационных трещин. В легированных сталях это соотношение должно быть существенно выше, чтобы получить швы без трещин.

Вторым элементом-десульфуратором служит кальций. Ввод кальция дает следующие положительные результаты.

Во-первых, газообразный кальций активно реагирует одновре­менно с серой и кислородом расплавленной стали, образуя свойст­венные только ему специфические соединения - оксисульфиды. Даже при весьма низкой концентрации в металле (не выше 0,0001 %) кальций вследствие своей поверхностной активности оказывает заметное влияние на процесс рафинирования, особенно при совместном введении кальция и присадок редкоземельных элементов - церия и лантана.

Во-вторых, при использовании кальция как элемента-десульфуратора возможно связывание серы известью СаО. Эта реакция приводит к образованию весьма прочного и тугоплавкого сульфи­да кальция, практически не растворимого в металле. Процесс про­текает в соответствии с реакцией

(9.85)

Константа равновесия реакции (9.85) растет с увеличением температуры, при этом процесс интенсивнее развивается вправо -в сторону образования в шлаке CaS. Лучшее раскисление металла и введение в шлак окиси кальция будет способствовать уменьше­нию содержанияFeSв металле. Увеличение содержания СаО в шлаке приводит к росту константы распределенияL = (S)/[S], что обеспечивает более полный переход серы из металла в шлак.

Установлено, что наличие кремния и алюминия в металле зна­чительно ускоряет процесс десульфурации сварочной ванны, при­чем сера удаляется одновременно с кислородом. Это является следствием как прямого испарения серы в виде соединений AI₂S₃(температура возгонки равна 1823 К) иSiS(температура возгонки равна 1213 К), так и включения ее в состав образующихся шлако­вых частиц