Что такое рафинирование металла шва

№85 Рафинирование металла шва

Удаление избыточного количества вредных примесей и газов из

металла шва называют рафинированием.

Просмотр содержимого документа
«№85 Рафинирование металла шва»

Рафинирование металла шва.

Удаление избыточного количества вредных примесей и газов из

металла шва называют рафинированием металла.

Обычно в сталях вредными примесями и газами являются кислород, азот, водород, сера, фосфор и др. (если рассматривать легированные стали). Рафинирование выполняют с помощью окислительно-восстановительных химических реакций, офлюсованием, медленным охлаждением, вакуумированием и др. Существенную роль в очищении металла шва от вредных примесей приносит офлюсование (флюсование). Некоторые минералы, и вещества (например, плавиковый шпат CaF₂, рутил ТiО₂ и др.) при высоких температурах обладают свойством растворять в себе некоторые вредные неметаллические включения и образовывать с ними легкоплавкую смесь, которая всплывает наверх и переводит вредные вещества из сварочной ванны в шлак.

Рафинирование металла от серы называют десульфорацией (обессериванием). Сера снижает механическую прочность, вызывает горячие трещины. Отрицательное влияние серы на свойства стали сказывается при её содержании более 0,01%.

Сера имеет высокую склонность к ликвации — выпадению из раствора в виде сульфида железа FeS. При кристаллизации металла шва из-за низкой температуры плавления примеси серы заполняют в виде жидкости пространство между кристаллитами и от растягивающих напряжений, возникающих в процессе усадки металла шва, образуются горячие трещины в швах.

Снижение прочности стали при высоких температурах серой называют красноломкостью стали. Явление красноломкости существенно ослабляется введением в металл элементов, обладающих большим сродством к сере, чем железо; тогда образуются тугоплавкие и малорастворимые сульфиды, которые поднимутся из сварочной ванны в сварочный шлак или образуют тугоплавкие сульфиды по границам кристаллитов, но не вызовут горячих трещин. Химическими элементами, которые образуют малорастворимые сульфиды, являются марганец, алюминий и др., они же (MnS, Al₂S₃) могут снижать прочность металла шва.

Лучший способ борьбы с серой — процесс десульфорации, протекающий по реакции

[FeS] + [СаО] → (CaS) + [FeO].

Оксид кальция СаО получают разложением мрамора СаСО₃ на СаО и СО₂. В состав мраморного порошка вводят до 10% от количества мрамора фтористого кальция CaF₂, который ускоряет разложение СаС0₃ на СаО и СО₂ и сам процесс десульфорации.

В последнее время при сварке сталей с повышенным содержанием серы в защитный газ добавляют кислород, необходимый для окисления серы по формуле [S] + (2O) → (SO₂), где газ SO₂ улетучивается из сварочной ванны в атмосферу.

Рафинирование металла от фосфора называют дефосфорацией (обесфосфориванием) металла. Фосфор в сталях большинства марок является вредной примесью. Он выделяется по границам зерен металла в виде относительно легкоплавких фосфидов железа Fe₃P (Т_пл = 1170°С). В результате снижается пластичность металла, особенно ударная вязкость при низких температурах, такое явление называют хладноломкостью стали. Особенно отрицательное влияние фосфор оказывает на сталь с содержанием углерода 0,1 % и более и кремния 0,5% и более.

С кислородом фосфор образует Р₂О₅ (фосфорный ангидрид); температура плавления и кипения Р₂О₅ соответственно 569 и 590°С.

Дефосфорация металла шва протекает по реакции [Р₂О₅] + (СаО)₃ → (Са₃Р₂О₈) плюс нейтральные добавки, обычно плавиковый шпат. Тогда фосфаты кальция Са₃Р₂О₈будут разжижены и поднимутся в сварочный шлак.

Источник

РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Важной металлургической операцией является рафинирование металла, т. е. очистка от вредных примесей, в частности для спла­вов на железной основе от серы и фосфора.

Источниками поступления серы и фосфора в металл при сварке являются: расплавляющиеся основной и добавочный металлы; шлаки (флюсу, покрытия).

Сера является вредной примесью, вызывающей красноломкость сталей и значительно усиливающей склонность их к образованию горячих трещин при литье и сварке. Такое влияние серы на свой­ства металла при высоких температурах определяется тем, что она образует соединения с железом и легкоплавкие эвтектики, ослабляю­щие в широком диапазоне температур связи между отдельными кри­сталлитами, зернами.- Так, сульфид железа FeS имеет температуру плавления 1195° С. Эвтектика этого сульфида с железом плавится при 985° С. Низкую температуру имеет и эвтектика 2Fe0*Si02+FeS.

Чем больше в металле серы, тем больше появляется легкоплав­ких эвтектик, тем сильнее красноломкость стали. Поэтому содержа­ние серы обычно ограничивают некоторым количеством, которое считают еще допустимым в стали вообще и в металле швов в част­ности.

Вредным оказывается также наличие серы в легированных ста­лях, особенно при повышенных концентрациях в них никеля, так как при этом могут образовываться еще более легкоплавкие эвтек­тики на базе сульфида NiS с температурой плавления 644° С. Уси­ливать вредное влияние серы могут и другие элементы, в частности в нелегированных сталях — углерод.

В связи с этим для улучшения свойств сталей и металла свар­ных швов стремятся содержание серы свести к допустимому, мини­мальному. Для этого при сварке ограничивают верхний предел содержания серы в присаючных металлах, а также во флюсах, покрытиях, газах (например, при газовой сварке — в ацетилене). Кроме того, применяют различные методы перевода серы из металла в шлак или связывание ее в соединения, не дающие легкоплавких составляющих в металле. Для этого при сварке сталей применяют!

связывание серы в сульфид марганца MnS (ГОЛ=1610°С), не образующий с железом легкоплавких эвтектик;

удаление серы в шлак посредством воздействия МпО и СаО.

Связывание серы в MnS происходит согласно реакции

с константой равновесия

iC=(MnS) [Fe]/[FeS] [Mn], (V.71)

t. e. концентрация FeS e металле уменьшается при увеличении в нем концентрации Мп.

Однако реакция (V.70) в направлении связывания серы в MnS развивается только при понижении температуры металла, когда реакции идут более вяло. В связи с этим даже при достаточно большем количестве Мп в металле значительная часть серы может оставаться связанной в виде сульфида FeS.

Уменьшение FeS в жидком металле достигается воздействием шлаков, содержащих МпО и СаО. При этом происходят реакции:

FeS+(MnO)^ (MnS) f FeO (V.73)

FeS-Ь (СаО) ^ (CaS)-fFeO (V.74)

Кг=( MnS) [FeO]/[FeS] (МпО), (V.75)

/C2=(CaS) [FeO]/[FeS] (СаО). (V.76)

Анализ этих констант показывает, что уменьшению концентра­ции FeS в металле способствует лучшая раскисленность металла (уменьшение [FeO]) и увеличение МпО и СаО в шлаках. В связи с этим основные шлаки значительно более благоприятны по их влия­нию на уменьшение концентрации серы в металле.

В ряде случаев для десульфурации оказывается полезным свя­зывание серы в летучие соединения (например, A12S3 и SiS с темпе­ратурами кипения соответственно 1550 и 940° С).

Фосфор в железных сплавах также является весьма вредной примесью. Он ухудшает механические свойства сталей, вызывая хладноломкость у низколегированных и углеродистых сталей и по­вышенную склонность к образованию горячих трещин в сталях аустенитного класса.

Уменьшения количества фосфора в металле шва добиваются, ограничивая его содержание в- основном и добавочном металлах, а также в покрытиях, флюсах-шлаках и газовой фазе, взаимодейст­вующей с металлом.

Удаление фосфора из металла основано на его окислении и свя­зывании фосфорного ангидрида в шлакующиеся комплексные соеди­нения. Окисление фосфора, образующего с железом фосфиды Fe2P и Fe3P, осуществляется по реакциям

2Fe2P+5FeO ^ RA+9Fe (V.77a)

2FesPf5FeO ^ Р. А+1 IFe (V.776)

Кислый окисел РА образует комплексные соединения с основ­ными окислами. По возрастающей силе сродства к нему основные скислы могут быть расположены в следующий ряд: FeO, МпО,

MgO, СаО. Наиболее активно происходит связывание фосфорного ангидрида посредством реакций:

3Ca0+P205 ^ (Ca0)3*P205 (V.78a)

4CaO+P2Os ^ (СаО)4 — Р2Оь (V.786)

Менее активно происходит связывание Р206 посредством МпО. Реакции при этом подобны реакциям (V.78).

Если представить процесс обесфосфориванкя металла в общем виде, скомбинировав, например, реакции (V.776) и (V.786), получим

2FeJ4-5FeO-J-3CaO ^ (СаО)3 • P2Ofi-F9Fe (V.79)

Константа этой реакции

К=[(СаО)3 • Р205] [Fe]Y[Fe, P]2 [FeOf [СаО]3 (V.80)

IFeBP>=[(СаО)3 ■ Р2Об]/К [FeO]5 [СаО]3. (V.81)

Анализ этого выражения показывает, что уменьшению содержа­ния фосфора в металле способствует увеличение содержания в шла­ке свободных FeO и СаО и уменьшение количества СаО, связанного с Р205 (т. е. Са3Р208).

В кислых шлаках FeO и СаО связаны в комплексные соедине­ния с Si02 и ТЮ2, поэтому их свободные концентрации меньше и удаление фосфора из металла в шлак затрудняется. Основные шлаки более благоприятны для процессов обесфосфоривания. В основных шлаках концентрация Са3Р208 уменьшается путем разбавления шлака соответствующими нейтральными добавками, обычно плавиковым шпатом. Такая добавка часто применяется и для улучшения ряда физических свойств шлаков, увеличивая их жидкоподвижность, а следовательно, и возможность участия большего его относительного объема в реакциях с металлом.

Константа реакции (V.79) с повышением температуры умень­шается, что указывает на смещение равновесия в сторону усиления перехода фосфора в металл. Поэтому более активно процесс обес­фосфоривания металла при обработке его шлаком происходит при понижении температуры.

Аналогичными, но влияющими в меньшей степени на процесс обесфосфоривания, являются реакции Р205 с МпО. При этом сле­дует учитывать, что фосфор-сопутствующая примесь марганца и уве­личение марганцевых соединений в покрытиях и флюсах сопровож­дается увеличением содержания фосфора в шлаке, а следовательно, возможно и в металле.

Интенсификация процессов взаимодействия металл — флюс при повышении температуры приводит к тому, что применение тонкой электродной проволоки и больших плотностей тока (например, при полуавтоматической сварке в сравнении с автоматической) увеличи­вает содержание фосфора в металле при том же его содержании в добавочном металле и флюсе.

Источник

Физико-металлургические процессы при сварке трубопроводов

11 Декабря 2021 17:36
Система охлаждения с магнитным креплением своими руками

Источник

Сварка металлов

Вы здесь

Сообщение об ошибке

Рафинирование металла шва

Удаление избыточного количества вредных примесей и газов из металла шва называют рафинированием металла. Обычно в сталях вредными примесями и газами являются кислород, азот, водород, сера, фосфор и др. (если рассматривать легированные стали). Рафинирование выполняют с помощью окислительно-восстановительных химических реакций, офлюсованием, медленным охлаждением, вакуумированием и др. Существенную роль в очищении металла шва от вредных примесей приносит офлюсование (флюсование). Некоторые минералы, и вещества (например, плавиковый шпат CaF₂, рутил ТiO₂ и др.) при высоких температурах обладают свойством растворять в себе некоторые вредные неметаллические включения и образовывать с ними легкоплавкую смесь, которая всплывает наверх и переводит вредные вещества из сварочной ванны в шлак.

Рафинирование металла от серы

Рафинирование металла от серы называют десульфорацией (обессериванием). Сера снижает механическую прочность, вызывает горячие трещины. Отрицательное влияние серы на свойства стали сказывается при ее содержании более 0,01 %.

Влияние на красноломкость

Снижение прочности стали при высоких температурах серой называют красноломкостью стали. Явление красноломкости существенно ослабляется введением в металл элементов, обладающих большим сродством к сере, чем железо; тогда образуются тугоплавкие и малорастворимые сульфиды, которые поднимутся из сварочной ванны в сварочный шлак или образуют тугоплавкие сульфиды по границам кристаллитов, но не вызовут горячих трещин. Химическими элементами, которые образуют малорастворимые сульфиды, являются марганец, алюминий и др., они же (MnS, AI₂S₃) могут снижать прочность металла шва.

Рафинирование металла от фосфора называют дефосфорацией (обесфосфориванием) металла. Фосфор в сталях большинства марок является вредной примесью. Он выделяется по границам зерен металла в виде относительно легкоплавких фосфидов железа. В результате снижается пластичность металла, особенно ударная вязкость при низких температурах, такое явление называют хладноломкостью стали. Особенно отрицательное влияние фосфор оказывает на сталь с содержанием углерода 0,1% и более и кремния 0,5% и более.

Источник

Рафинирование металла шва при сварке плавлением

Рафинирование металла шва при сварке плавлением

Рафинирование (фр. raffiner – очищать) – это очистка от посторонних примесей какого-либо технического продукта. При сварке сталей это удаление из металла шва вредных примесей – серы S и фосфора P.

В чем выражаются отрицательные свойства этих элементов? Рассмотрим, прежде всего, влияние серы на свойства сталей.

Максимальная растворимость серы в сталях – 0,02 %. Превышающая это количество сера будет находиться в сталях в виде химических соединений. Прежде всего это сульфид железа FeS. Опасность FeS усугубляется тем, что он способен растворяться как в металле, так и в шлаке. При этом, если его растворимость в шлаке достигает 2 %, то в металле его предельная растворимость – (5 ¸ 7) %. Сульфид железа FeS имеет температуру плавления 1195 0 С (по другим сведениям 1183 0 С), что значительно ниже температуры плавления сталей. Кроме того, сульфид железа образует двойные эвтектики FeS + Fe с Т_пл = 985 0 С и 2FeО × SiO₂ + FeS c Т_пл = 980 0 С. Возможно образование тройной эвтектики Fe + FeS + MnS с Т_пл = 980 0 С. В легированных сталях может быть образован сульфид никеля с температурой плавления около 800 0 С или эвтектика Ni₃S₂ + Ni с температурой плавления 645 0 С. При большом содержании серы в стали образуется FeS₂.

Обычно сернистая эвтектика Fe + FeS располагается по границам зерен. При нагреве около 1000 0 С происходит оплавление легкоплавкой и хрупкой эвтектики, образуются надрывы, трещины, т.е. наблюдается красноломкость металла. В сварных соединениях это приводит к горячим (кристаллизационым) трещинам.

Кроме того, увеличение содержания серы в сталях на 0,01 % повышает температурный порог хладноломкости стали на 10 0 С.

С увеличением содержания углерода в сталях усиливается вредное воздействие серы на свойства металла, так как углерод способствует ликвации серы.

Опасная концентрация серы в сталях – более 0,05 %. Поэтому по стандартам содержание серы в углеродистых сталях ограничивают до 0,04 %, в легированных – до 0,02 ¸ 0,03 %. Лишь в стальных отливках содержание серы ограничивается величиной 0,05 %.

Поскольку металлическая фаза (основной и присадочный металл) содержат серы до 0,05 %, то нет необходимости рафинирования при сварке в защитных газах. Такая потребность возникает, если имеется шлаковая фаза. В шлаке сера и фосфор – неизбежные примеси исходных компонентов. Например, гранит, входящий в состав электродных покрытий, содержит до 0,1 % серы, столько же серы и в плавиковом шпате CaF₂, содержащемся в большинстве электродных покрытий, флюсов. Ферросплавы, входящие в состав керамических флюсов, шихты порошковой проволоки, содержат 0,1 ¸ 0,2 % серы и до 0,3 % фосфора. Коэффициент перехода серы из шлака в металл – 0,3. Поэтому при наличии шлаковой фазы вполне возможно насыщение металла шва до величин, вызывающих образование горячих трещин.

Для исключения вредного влияния серы на свойства металла прежде всего ограничивают ее содержание в сталях. При необходимости используют более чистые по сере и фосфору металлы, например, высококачественные стали, стали, подвергнутые электрошлаковому или другому переплаву, стали, полученные из руд путем прямого восстановления (сталь марки 20ПВ содержит всего лишь от 0,002 до 0,015 % серы).

В низкоуглеродистой сварочной проволоке содержание серы и фосфора следующее:

В сварочных флюсах, предназначенных для сварки низкоуглеродистых сталей, ограничивают содержание S и Р до (0,10 ¸ 0,15) % каждого из элементов, а для флюсов, используемых для сварки легированных сталей, этот предел ограничивается до (0,05 ¸ 0,08) %.

В ацетилене содержание вредных примесей ограничивают в следующих пределах: РН₃ £ 0,02 %, H₂S £ 0,05 %.

Для удаления серы из металла шва используют процессы связывания серы в комплексы, нерастворимые в металле, а удаляемые в шлак. Прежде всего серу переводят из FeS в сульфид марганца MnS. Сульфид марганца MnS нерастворим в сталях, в металле будет находиться в виде глобулей, обособленных включений, имеет температуру плавления 1610 0 С, т.е. выше температуры плавления стали:

[FeS] + [Mn] ® (MnS) + [Fe]. (4.37)

Необходимое содержание марганца в сталях, предотвращающее образование горячих трещин, зависит от содержания в них углерода, кремния и серы (см. рис. 51). Из рисунка можно определить, что при содержании [C + Si] = 0,5 % и [S] = 0,03 % необходимое количество марганца, предотвращающее появление горячих трещин в металле шва, должно быть не менее 0,75 %.

Одновременно с реакцией (4.37) будет протекать процесс связывания серы путем ее взаимодействия с закисью марганца:

[FeS] + (MnO) ® (MnS) + FeO. (4.38)

FeO частично останется в металле, а часть ее в соответствии с законом Нернста уйдет в шлаковую фазу. Чем лучше раскисление стали, тем активнее будет протекать реакция по уравнению (4.38).

Сродство элементов к сере по мере его увеличения составляет следующий ряд:

Ni, Fe, Mn, Mo, Mg, Na, Ca, Al.

Поэтому более активно рафинирует металл шва СаО:

(CaO) + [FeS] ® (CаS) + FeO. (4.39)

Следовательно, очистку сталей от серы осуществляют основные окислы. Полезно действует плавиковый шпат CaF₂, переводя часть серы в летучее соединение SF₆. Кроме того, протекает следующая реакция:

2CaF₂ + SiO₂ + 2FeS = 2CaS + 2FeO + SiF₄­. (4.40)

Фосфор вызывает охрупчивание металла. Как уже указано в разделе 4.2.2, совместное влияние кислорода, серы и фосфора на ударную вязкость низколегированных сталей оценивается уравнением (4.4):

В этих сталях не допускается превышение эквивалента фосфора [P_экв] свыше 0,08 %. Эквивалент фосфора определяется по уравнению (4.3):

где O, S и Р – означают процентное содержание данных элементов в стали.

Увеличение содержания фосфора в сталях на 0,01 % повышает температуру порога хладноломкости металла на 20 0 С.

Фосфор увеличивает размер зерна. Это ухудшает пластичность металла.

В сталях фосфор может находиться в виде фосфидов Fe₃P и Fe₂P. Фосфиды также как и сульфиды способствуют образованию в металле шва горячих трещин. Например, температура плавления Fe₂P равна 1290 0 С. Кроме того, в сталях и чугунах возможно образование фосфидной эвтектики, состоящей из твердого раствора Fe, Fe₃P, Fe₃С и имеющей температуру плавления 950 0 С.

В нержавеющих Cr-Ni сталях и никелевых сплавах возможна эвтектика Ni₃P-Ni c Т_пл = 880 0 С.

Содержание фосфора в шихте флюса может достигать 0,35 % и более. Фосфором загрязнены марганцовые руды, используемые при изготовлении как флюсов, так и электродных покрытий. При плавке шихты флюса содержание фосфора снижается. Но в высокомарганцовистых плавленых флюсах количество фосфора находится на уровне до 0,15 %. В плавленых и керамических флюсах, не содержащих марганцевой руды, концентрация фосфора не превышает 0,05 %.

С целью уменьшить отрицательное влияние фосфора на свойства металла прежде всего ограничивают его содержание в основном и присадочных металлах (до 0,04 % в низкоуглеродистых и до 0,02 % в легированных сталях). В сварочной проволоке, предназначенной для сварки высокопрочных сталей, содержание фосфора не должно превышать 0,01 %. В сварных швах оборудования АЭС во избежание радиационной хрупкости содержание фосфора не должно быть выше 0,012 %.

Удаление фосфора из металла в шлак осуществляют в два этапа. Вначале его окисляют, образуя P₂O₅, затем P₂O₅ связывают в комплексные соединения с основными или амфотерными окислами. Образовавшееся комплексное соединение переходит в шлаковую фазу.

Окисление фосфора может происходить по следующим реакциям:
2Fe₃P + 5FeO ® P₂O₅ + 11Fe; (4.41)
2Fe₂P + 5FeO ® P₂O₅ + 9Fe; (4.42)

По степени увеличения химического сродства к Р₂О₅ оксиды расположены в следующий ряд:
Fe₂O₃, Al₂O₃, FeO, MnO, MgO, CaO.

Связывание фосфорного ангидрида протекает по следующей реакции:
P₂O₅ + 3MnO ® (MnO)₃×P₂O₅. (4.43)

В шлаке надо иметь избыток CaO, чтобы связать как P₂O₅, так и SiO₂.

В противном случае возможна реакция:

При сварке под флюсом не рекомендуется использовать повышенные плотности тока (I_д > 150¸200 d_э, где d_э в мм), так как в этом случае увеличивается степень перехода фосфора из шлака в металл сварочной ванны.

Среди атмосферостойких коррозионных сталей (АКС) применяют стали с повышенной концентрацией фосфора. Например, стали марок 08ХГСБДП, 08ХГСДП, 10ХДП, в которых содержание S £ 0,035 %, а Р = 0,07¸0,12 %. Данные стали обладают повышенной коррозионной стойкостью за счет образования пленки из оксидов хрома и фосфидов. При продолжительных сроках эксплуатации на поверхности металла накапливается медь. Стали используют для изготовления различных металлоконструкций зданий, промышленных объектов, береговых сооружений.

Для РДС данных сталей применяют электроды марки ОЗС-18 типа Э50А, которые обеспечивают в наплавленном металле марганца до 1 %, фосфора не более 0,032%. Если принять долю участия основного металла в металле шва g = 0,3; то по уравнению (4.47) можно рассчитать ожидаемое содержание фосфора в металле шва:

Подставим соответствующие величины в это уравнение:

Серия статей МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ:

Источник