Рис. 38. Зависимость изменения скорости поглощения неметаллических включений от адгезии включений к шлаку и вязкости шлака [59]:

1 — Чшл = °-2 Па-с; 2 — Чшл = °-3 Па-С=

3 — Чщл = 0.4 Па-с; 4 — г,шл = 0.5 Па-с; 5 — чшл = °-6 Па-с: 6 — т]шл = 0,8 Па-с.

Здесь &х — коэффициент, учитывающий размер включений и кривизну поверхности жидкостей; стм_г и аш_г — поверхностное натяжение металла и шлака соответственно; №„-в и И^ш-в — адгезия

шлаку соответственно; та

включения к металлу и

коэффициент, равный Зяд/4я , где пд — отношение длины включения /в к его ширине ав.

Конечная скорость выделения твердых призматических частиц определяется выражением

кх ](он__г-аш_г) + (117и

Чи

где Г1шл — вязкость шлака.

Таким образом, скорость поглощения твердых включений шлаком зависит от их размера и формы, от величин поверхностного натяжения металла и шлака, от разницы в адгезии включения к шлаку и металлу, а также от вязкости последних. Из сопоставления формул (111.43) и (111.44) можно заметить, что скорость выделения твердых частиц в начальный момент времени заметно выше конечной скорости выделения, так как вязкость шлака может в десятки, сотни и даже тысячи раз превышать вязкость металла. И чем выше вязкость шлака, тем сильнее снизится скорость поглощения частиц (рис. 38). Следовательно, для повышения скорости поглощения твердых включений шлаком следует применять флюсы с повышенным содержанием СаР2, РеО [290].

О влиянии различных факторов на процесс поглощения шлаком жидких неметаллических включений можно с некоторой погрешностью судить по данным о слиянии жидких капель. При слиянии капель одинакового состава и размера величина перешейка гпе, образовавшегося между каплями [262], составит

где ок — поверхностное натяжение вещества капель; г — радиус капли; т)к — вязкость жидкости капель; т0 — время слияния.

Если сливаются капли разного размера и разного состава, то [273]:

г2пе~^тс,(111.45)

где До = о-! + а2 — о12 (аи о2 — поверхностное натяжение капель; с12 — межфазное натяжение на границе двух капель);

Г|ПР = тЪЛг/К + гпр = г1г21(г1 + г2).

С ростом размера частиц скорость их соединения V = гпе/т и время Т1/ = л;г2/4ч увеличиваются. Поэтому поглощение мелких включений шлаком будет более вероятным, чем крупных. Кроме того, как это видно из формулы (111.45), повышение вязкости включения или шлака также снижает вероятность ассимиляции включений шлаком. Повышению эффективности очистки металла от жидких включений должно способствовать и увеличение адгезии включения к шлаку.

Заметим, что на процесс перехода неметаллических включений в шлак должно повлиять наличие потоков в металле. За счет инерционной силы, обусловленной наличием потоков, выделение частиц в шлак может быть или облегчено, или затруднено. Если в момент приближения частицы к поверхности раздела вектор скорости будет направлен по касательной к границе, то центростремительные силы вновь увлекут частицу в объем металла. Если же вектор скорости будет пересекать поверхность раздела, то скорость выделения частиц будет выше, чем скорость перехода такой же частицы из спокойной жидкости.

Третий этап — отвод частиц в глубь шлака, очевидно, не будет препятствовать удалению неметаллических включений из сварочной ванны, поскольку при сварке шлак, так же как и металл, перемешивается довольно интенсивно, а это, как отмечено в [149], облегчает ассимиляцию включений шлаком.

Итак, рассмотрение особенностей каждого из этапов процесса перехода неметаллических частиц из металла в шлак позволяет сделать вывод о том, что в условиях сварки скорость всего процесса будет лимитироваться скоростью второго этапа.

7. Пути снижения вредного влияния неметаллических включений

Наиболее радикальным средством, ведущим к устранению неметаллических включений в сварном шве, было бы исключение или достаточно сильное снижение содержания 02, N2, Б