Раскисление с получением конденсированных продуктов реакции

Раскисление более активными металлами (раскисление осаждением)

 

При этом виде раскисления процесс сопровождается образованием конденсированных окислов, нерастворимых в металле и всплывающих в шлак. К числу раскислителей, образующих такие окислы, относятся Al, Ti, Si, Mn, V, Nb, Zr, Re.

В общем виде реакция раскисления железа представляется следующим уравнением:

,

где Р_а − раскислитель.

Константа равновесия реакции

В сталях [Fe] = 1, поэтому равновесная концентрация свободной закиси железа в металле

,

где .

Следовательно, концентрация свободной закиси железа уменьшается с повышением содержания раскислителя и при уменьшении окислов данного раскислителя в металле. Если учесть, что раскислителями являются элементы, образующие нерастворимые в металле окислы, удаляемые в шлак, то концентрацию можно считать величиной постоянной. Тогда, включая величину в константу равновесия реакции, получим

,

где , считая постоянной величиной.

Задаваясь допустимым , можно определить концентрацию раскислителя в металле.

Рассмотрим характерные черты наиболее важных раскислителей этой группы, применяющихся в сварочной технике.

а). Кремний − Si) (Т_пл. = 1440^о С, Т_кип = 2630^оС, γ = 2,37 г/см³).

При окислении образует нерастворимый в металле кислый окисел SiO₂, создающий комплексы с FeO. Силикаты железа всплывают на поверхность металла и переходят в шлак, вследствие чего повышается раскисляющая способность кремния.

б). Марганец − Mn (Т_пл = 1244^оС, Т_кип = 2630^оС, γ = 7,46 г/см³).

При окислении марганец превращается в закись MnO − относительно сильный основной окисел, нерастворимый в металле. MnO образует с FeO непрерывный ряд растворов как в жидком, так и в твердом состоянии. Физическое взаимное растворение закиси железа и закиси марганца приводит к уменьшению содержания в шлаке свободной закиси железа, и поэтому создаются условия для соответствующего перехода из металла в шлак новых порций FeO.

Марганец, употребляемый в виде FeMn при раскислении стали, является относительно слабым раскислителем, особенно в области высоких температур, и остаточные концентрации кислорода могут превышать даже предельную растворимость FeO в жидком железе.

Относительно слабый раскислитель − Mn широко употребляется в металлургии стали и сварке, т.к. помимо раскисления Mn связывает серу, растворенную в железе, в виде FeS и переводит в соединение MnS, практически нерастворимое в жидком железе и образует шлаковое включение, не участвующее в процессе кристаллизации (Т_{пл MnS} = 1610^оС).

− процесс удаления серы.

в). Титан − Ti (Т_пл = 1750^оС, Т_кип = 3400^оС, γ = 4,54 г/см³), относится к числу сильных раскислителей, более сильных, чем Si и Mn.

Образующийся кислый окисел TiO₂ нерастворим в металле, легко вступает в комплексы, переходящие в шлак. Титан активно реагирует с азотом, образуя прочные нитриды, нерастворимые в металле. Вместе с тем, он является сильным модификатором, т.е. элементом, способствующим измельчению зерен в металле.

г). Алюминий Al (Т_пл = 658^оС, Т_кип = 1800^оС, γ = 2,7 г/см³).

Алюминий является наиболее сильным раскислителем. Образует амфотерный окисел Al₂O₃. Раскисление жидкого металла алюминием сопровождается значительным выделением тепла, обеспечивающим дополнительный нагрев сварочной ванны, что благоприятно влияет на протекающие процессы. Однако Al₂O₃ с трудом всплывает на поверхность сварочной ванны и частично остается в шве в виде неметаллических включений. Это является одной из причин незначительного применения алюминия как раскислителя при сварке сталей.

Al, как и Ti, склонен образовывать с азотом стойкие нитриды все рассмотренные процессы раскисления являются процессами экзотермическими, т.е. идущие с выделением тепла. Однако можно наблюдать процессы раскисления, идущие с поглощением энергии, или экзотермично.

Таким процессом раскисления является реакция между углеродом и кислородом в сталях:

;

.

Углерод как раскислитель выступает только при высоких температурах − в каплях электродного металла или в сварочной ванне в основании дугового разряда, что приводит к выгоранию углерода при сварке сталей.

При температурах, близких к кристаллизации стали, рассмотренные раскислители можно расположить в ряд по возрастающей активности:

.

При высоких температурах этот ряд может измениться, т.к. зависимость константы от температуры для всех раскислителей будет различной и, в частности Mn будет более сильным раскислителем, чем Si, т.е. восстанавливать не только железо, но и кремний.

.

При раскислении специальных сталей и сплавов необходимо учитывать химические активности и концентрации компонентов, входящих в данный сплав, т.к. компоненты с высокой химической активностью сами будут выполнять роль раскислителей, окисляясь в процессе сварки.

Вести раскисление таких металлов, как Al и его сплавов, а также титана, бесполезно, т.к. мы не можем подобрать для них соответствующих раскислителей.