Реакции шлак-металл и газ-металл, восстановление и выгорание элементов.

Во время сварки плавлением происходит взаимодействие между жидкими шлаком и металлом. Длительность этого взаимодействия обычно очень невелика. При электродуговой сварке она колеблется от 10 с до 1 мин. При электрошлаковой сварке шлак и металл взаимодействуют значительно дольше — до нескольких минут. Взаимодействие прекращается после затвердевания металла и шлака. Несмотря на кратковременность, реакции взаимодействия между шлаком и металлом при электродуговой сварке могут проходить очень энергично, что обусловливается высокой температурой нагревания металла и шлака, большими поверхностями их контактирования и сравнительно большим относительным количеством шлака. Последнее в среднем составляет 30 - 40% от массы металла при сварке под флюсом и до 10% массы металла при сварке по флюсу. Из-за весьма небольшого расхода флюса при электрошлаковой сварке жидкий металл и шлак взаимодействуют слабо.

Взаимодействие между шлаком и металлом описывается реакциями вытеснения из шлака в металл одного элемента другим или распределения между шлаком и металлом. Реакции вытеснения преимущественно ведут к обогащению или обеднению металла шва легирующими элементами, реакции распределения - к образованию в металле шва неметаллических включений.

В процессе реакций вытеснения на поверхностях контактирования жидких металла и шлака взаимодействуют атомы металла и молекулы окислов шлака. Весьма существенную роль при этом играют реакции восстановления кремния и марганца:

(МпО) + [Fe] = (FeO) + [Mn]; (SiO₂) + 2 [Fe] =2 (FeO) + [Si].

Символы в круглых скобках обозначают элементы и соединения, находящиеся в шлаке, в квадратных - в металле. При высоких температурах реакции преимущественно идут слева направо (восстановление марганца и кремния из шлака в металл), при снижении температуры - справа налево (окисление марганца и кремния и переход их из металла в шлак). Направление реакций зависит также от концентрации реагирующих веществ. Если в металле сварочной ванны содержится мало марганца и кремния, а в шлаке много МnО и SiO2 и мало FeO, марганец и кремний при высоких температурах (вблизи дуги) восстанавливаются из шлака в металл. Если в металле сварочной ванны много марганца и кремния, а в шлаке нет МnО и SiO2, или много FeO, марганец и кремний окисляются даже в зоне высоких температур сварочной ванны.

В ионной форме реакции марганце- и кремнийвосстановительного процессов записываются так:

(Mn₂+) + [Fe] = [Mn] + (Fe₂+); (Si₄+) + 2 [Fe] = [Si] + 2(Fe₂+).

На поверхностях соприкосновения жидких металла и шлака вступают во взаимодействие находящиеся в металле атомы железа с находящимися в шлаке катионами марганца и кремния. В результате обмена зарядами положительные ионы марганца и кремния восстанавливаются (приобретают электроны) и переходят в металл, атомы железа отдают электроны, становятся положительными ионами и переходят в шлак.