Сварка в машиностроении.Том 1 (1041435), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Термодинамические оценки протекания реакций при сварке 3. Энтальпия и температура сварочной ванны 340 — 585 !000 †12 1435 †17 и Алюминий Т = 660 'С; пл /зн„= 1!40 Дж/г 1075 †!5 415 — 555 1515 †!670 Анп Сталь Х12Ф1 Т =!3!О'С пл 1500 — 1610 260 Пп ! 570 «» Ф вЂ” под фл»осам; А и А — аргонодуговая плавящимся и неплавящимся и нп электродами; П вЂ” порошковой проволокой ПП-Х! 2ВФ. п П р и м е ч а н и е. В числителе указана минимальная и максимальная температура ванны, а в знаменателе — средняя. Относительно большие размеры ванны при электрошлаковой сварке позволяют думать о несколько более равномерном распределении температуры в ней по сравнению с относительно небольшими ваннами дуговой сварки.
Выбор температуры при расчетах равновесий. Неравномерность температурного ноля в зоне сварки весьма затрудняет выбор температуры, к которой следует тк» Рис. 2. Средняя температура капель в зависимости от силы тока ОООО и диаметра электрода. Голые электроды !/) 3 и 5 мм — постоянный 2400 ток прямой (Л, О) и обратной (®) полярности; покрытые электроды 2200 ф 7,4 мм — переменный ток 700 200 750 ' 400 ХтА относить расчеты равновесия. Любая порция расплавляемого металла, как электродного, так и основного, проходит за короткое время термический цикл, начинающийся с быстрого нагрева до максимальной температуры и последующего охлаждения; соответственно изменяются равновесные концентрации. В этих условиях термодинамические расчеты можно вести лишь условно, разбив зону сварки на участки и принимая для каждого участка какую-либо одну температуру за равновесную. Практически удобно вести расчеты для двух стадий: стадии электрода (капли) и стадии ванны, выбирая за равновесную для к~ждой нз них, например, среднюю температуру металла.
Исходные концентрации реагентов при этом, естественно, будут разными для каждой стадии. 3 п/р. Ольшанского, т, 1 бб Металлургия сварки [Мп]+ (РеО) (МпО) -]- [Ре]; К МпОаГе Мп ампас ео На рнс. 3 представлены под высокомарганцовистым экспериментальные данные, полученные при сварке силикатным флюсом прн разной исходной концентрации марганца (1). Фактическое содержание марганца совпадает с исходным лишь в точке А, левее которой происходит восстановление марганца из флюса, правее — его окисление. Примем точку А за равновесную и, пренебрегая небольшим изменением состава шлака при изменении исходной концентрации, проведем кривую равновесных концентраций (8) через эту точку параллельно оси абсцисс. Нетрудно видеть, что система везде стремится к равновесию, но не доходит до него (кроме точки А).
Мп!% Для небольших концентраций марганца в расплаве железа амп = [Мп] и ая — — 1. Пренебрегая незначительной разницей в значениях К „ при переходе от мольных долей к % по массе, получим ггп4% 1,2 д . в,~ е,з ц ~ь гр Рнс. 3. Сравнение исходной и равновесной концентраций марганца с его действительным содержанием в шве при сварке под флюсом типа ОСЦ-45: 4 — исходная; 2 — фактическая; д— равновесная концентрации 1, (%мпо) умпО 100 мп= ми= [%Мп] (%РеО) 7 Точке равновесия (0,9% Мп) отвечает по данным анализа состав шлака: 44% МпО; 4,4% ГеО; 51,6% 510в. Отношение коэффициентов активностей 7р О/7МпО = 6,15. Таким образом, 44,0 м =0,9 т,4 ° 6,!4 Температурная функция константы равновесия 10 КМп у 6 600 Следовательно, значению К', „= 1,8 соответствует равновесная температура Тр ж 1930 К.
Заметим, что приведенный расчет справедлив лишь для точки А, где мы можем полагать наличие равновесия. При других исходных концентрациях система не доходит до равновесия и подстановка соответствующих им экспериментальных данных в уравнение константы равновесия неправомерна. Оценка равновесий в системе металл — газ дополнительно затрудняется активацией газовых Такого рода расчеты позволяют приближенно оценить возможность протекания той или другой реакции и ее вероятное направление по величине стандартного изменения свободной энергии.
Заметим, что немалые трудности прн этом вызывает недостаточность термодинамнческих данных (активностей, температурных функций констант равновесия и др.) для многих сварочных систем, Большие сложности возникают при оценке равновесных концентраций. Рассмотрим хорошо изученную металлургами реакцию окисления-восстановления марганца Кинетики реакций при сварке частиц в дуге, что не позволяет пользоваться известными для обычных условий нагрева значениями констант равновесия.
Экспериментальное определение равновесных концентраций, Наличие равновесия в системе можно оценить не только по совпадению исходной и фактической концентраций при подходе к точке равновесия с разных сторон, но и по кинетическим кривым. Такие кривые для реакции абсорбции азота жидким ниобием, полученные на неподвижной, образованной в медной изложнице стационарной ванне, обрабатываемой аргоно-азотной дуговой плазмой, показаны на рис.
4. Участки насыщения на этих кривых дают представление о равновесии металла ванны с дуговой плазмой. Однако неизотермические условия процесса не позволяют отнести найденные таким образом значения равновесных концентраций к какой-либо температуре. Тепловые условия в зоне сварки зависят от теплоотвода, а4;4 концентрации теплового потока и т. п. На температурные условия влияет и содержание азота в дуге. Поэтому равно- ри= в,7 кгс/гтг весные концентрации азота при разном г,в его содержании в дуге должны быть отнесены к разным температурам.
Кроме того, хт они зависят от степени однородности рнг (в тепловом и концентрационном отноше- р г= цМ~4'" иии) поверхности ванны, т. е. являются не истинными равновесными, а некоторыми условными концентрациями. Тем не менее с этими оговорками они могут быть использованы пРи Различны металлУРги Р 4 К а п лощ ия аз а ссы шла а из дуговой плазмы сплавом ниобия Влияние относительной массы шлака иа равновесную концентрацию. Относи- 3% ~ тельная масса шлака, образующегося при плавлении покрытия, флюса или сердечника порошковой проволоки при сварке, во много раз больше, чем в обычных металлургических процессах. Поэтому возникает необходимость учитывать влияние массы шлака ыа равновесную концентрацию. Это влияние для металлической фазы описывается выражением [1] 4+Хс (1) где с' е и с', — исходные концентрации элемента Ме в металле и шлаке; (— Ме Ме относительная масса шлака; Š— коэффициент распределения элемента Ме между шлаком и металлом. Для шлаковой фазы, очевидно, с" = (.с', Относительная масса шлака у будет оказывать на величину с' наибольшее влияние в двух случаях: при малых значениях см, и Ь, когда с' =усм„и при / l малом с" и достаточно большом Е, когда с =сме~Х1..
Ме р КИНЕТИКА РЕАКЦИЙ ПРИ СВАРКЕ Реакции при сварке обычно не успевают дойти до равновесия, и конечное содержание участвующих в реакциях веществ определяется прежде всего кинетикой реакций. Кинетика реакций при сварке вполне удовлетворительно описывается уравнениями реакций первого порядка, а скорость реакций лимитируется массопереносом. 3» 69 Металлиреил сварки Кинетики реакииа при сварке (1 — )г) [1 — ехр ( — [)зт) с,=с 1 рвт [! — р, ехр ( — [)зт)) (4) где с, — содержание элемента в каплях, отделяющихся от электрода; с — равновесная концентрация; Р— коэффициент массопереноса; з = удельная поверх- Общий вид кинетического уравнения.
Система металл — газ — шлак прн сварке ие является закрытой системой с постоянной массой взаимодействующих веществ. В нее поступают реагирующие элементы с расплавляемым металлом и шлаком; происходит обмен с металлом и окружающей средой (шлаком и потоком газов), реагирующие элементы непрерывно удаляются из системы с затвердевающим металлом. При этом объем металла и шлака, вообще говоря, меняется, стабилизируясь лишь в квазистационарном состоянии.
Для такой открытой системы скорость изменения концентрации х какого- либо элемента в металле до установления квазнстационарного состояния может быть представлена уравнением г! — (р)/х) = ДСО+ ррР (ср — х) — д'О рх, (2) где р и 1/ — плотность и объем расплава; сО и ср — начальная н равновесная концентрации элемента; д и д„р — массовые скорости плавления и затвердевания металла; Р— межфазовая поверхность, на которой протекает реакция; коэффициент массопереноса. Второй член правой части уравнения (2) учитывает протекание реакции, скорость которой лнмитируется переносом элемента в металлической фазе. Однако при окислении примесей металла кислородом газовой (или шлаковой) фазы при достаточно большой концентрации элемента в металле скорость реакции определяется подводом кислорода к поверхности металла и не зависит от х. В этом случае второй член уравнения (2) должен быть заменен потоком окисляемого элемента, зависящим только от условий доставки кислорода: /мО = т/О = ВОРгагасгь где г — стехиометрический коэффициент; /Π— поток кислорода, затрачиваемого на окисление данного элемента; РΠ— коэффициент массопереноса; сΠ— концентрация кислорода.
В результате уравнение (2) получает вид г!/ (Р" х)=КСО ФФтаООСОР Ыкрх (3) Но по мере течения реакции концентрация окисляемого элемента в металлической фазе уменьшается, соответственно уменьшаются возможности диффузионного переноса и, начиная с некоторого критического значения х*, поток элемента в металле оказывается не в состоянии обеспечить участие в реакции всего подводимого кислорода. С этого момента скорость реакции начинает лимитироваться подводом окисляемого элемента и зависит от его концентрации. Реакции на торце электрода протекают в условиях капельного плавления металла. Необходимо поэтому учитывать периодический характер процесса, непрерывное увеличение объема массы капли в границах одного периода и неполный переход металла капли с электрода.
Остающийся металл (доля которого от всей массы жидкого металла на торце в момент перед отделением от него капли характеризуется величиной ц) продолжает участвовать во взаимодействии. Кроме того, нужно помнить, что на электроде не происходит затвердевания металла, т. е. д„р = О. С учетом сказанного было выведено уравнение, описывающее изменение содержания элемента в отделяющихся каплях в зависимости от числа переходов. При достаточно большом числе переходов (и-~ ОО) расчет приводит к выра- жению А1 1 — ехр — (1 — р,) — ~ ВО~ Са Ср (Ср СО) — 1 — )г ехр — (! — )г)— (5) где А = ррР.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
