Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 44
Текст из файла (страница 44)
онн являются экзотермичными (табл. 9. 1). Окисление низших оксидов до высших можно представить на следующем примере: РеО + 02 = Ре20». «Поставшикамин свободного кислорода в зону сварки помимо воздушной атмосферы могут быль двуокись углерода, пары воды, карбонаты и высшие оксиды, диссоциируюшие при нагреве и выделяющие свободный кислород. Однако следует помнить, что все реакции, идущие с выделением тепла, в том числе и окислительные„при высоких температурах протекают медленно. На поверхности же открытой сварочной ванны интенсивность прямых окислительных реакций значительно выше вследствие дополнительного выделения теплоты при прямом контакте с кислородом. Пример окисления на основе обменных реакций представляется следующим уравнением: МпО+ Ге ~2реО+ Мп.
(952) Таблица 9.1. Тепловой эффект рвавший прямого опас венин лли некоторых злеямктов На направление реакции (9.52) помимо внешних условий будут существенно влиять концентрации реагнрукицнх веществ и срод- СТВО ЭЛЕМЕНТОВ К КИСЛоролу. 9.9.1. Виды раскнслительных процессов Из анализа обменных реакций типа (9.52) заключаем, что по отношению к металлу такие реакции могут иметь не только окнслительный, но и восстановительный характер (если равновесие реакции сдвигается влево).
Поэтому для обеспечения восстановительного характера обменных реакций нужно прим~пят~ элементы, которые Облад~ют повышенным сродством к кислороду и в определенных условиях Р - сопи способны энергично связывать ~пел~род, освобождая нз оксида. На рнс, 926 представлена схема этого процесса. В двух контейнерах находятся два различных оксида, при их нагревании выделяется кисло- Л6ЛО Э Лбво лот яоэ род. Если соединить контейне- ло, яо, ры между собой, то кислород Роэ лот будет перетекать в левый сосул ВО +А — л+АО э (с меньшим парциальным дав- Рие. 9.26. Схема метяллотермнче- пением).
этом СОСУде и~хо ского восстановления оксидов ме- дится металл А, имеющий телла прн Т= сопяГ большее химическое сродство 438 к кислороду. Такие элементы иазгяваются 1эаскислителями, а сам процесс восстановления металла из оксила — раскислением. Помимо раскисления действием элементов-раскислителей существует диффузионное раскнслеиие, при котором кислород (в составе оксида основы сплава) экстрагируется из металла с помощью сварочного шлака специального состава.
Как правило, при окислении сталей наиболее вероятно окисление основы, т. е. железа, и образование ГСО, что доказано термодинамическим расчетом (см. пример 8.4). Рассмотрим процессы раскнслеиия сталей, содержащих растворенный в них оксил РеО, Раекисление стали с получением коиленснроввииых продуктов реакции (осадочное раскисление) сопровождается образованием конденсированных оксидов, не растворимых в металле. К раскислнтелям, образующим такие оксиды, относятся Т1, %, Мп, А! и др.
В общем виде реакция раскисления стали представляется уравнением гл[РСО)+л(РО) 4х!Ра О 1+лг(реь (9.55) где Ра — раскислитель; лг, н — стехиометрические коэффициенты. Рассчитаем константу равновесия реакции (9.53): (РОЛО ИМ" (ГСО)Яг(Ра)" Но в сталях (ре1 = 1, поэтому равновесная концентрация свободной закиси железа в металле равна (9,55) где К,' — измененное значение К, с учетом 1ГС1 е 1.
Следовательно, концентрация свободной закиси железа уменьшается с повышением содержания раскислнтеля и уменыпеиием концентрации оксидов данного раскислнтеля в металле. Если попустить, что раскислителями, как правило, служат элементы, образующие не растворимые в металле оксиды, которые удаляются в виде шлака, то концентрацию (РО„О„,) можно считать величиной постоянной.
Тогда, исключая (РВ„О,я1 из выражения (955)„получаем: (2.3) (2.4) Средняя тепловая скорость электронов ЯТ, йе = — ' =1,13св. и'ле Для средней квадратичной скорости получаем П7т, ! 22гв ше практически всегда слабоионизована, так как концентрация ней- !2 17 — 3 тральных частиц и = 1О ...10 см . В плазме снльноточного 4 5 дугового разряда Т= 10 .!0 К, а концентрация заряженных час- 18 20 — 3 тиц и = и! = 10 ...10 см при практически полной ионизации. 2.2.2. Квазинейтральность.
Плазменная частота и дебаевский радиус экранирования. Коллективные свойства плазмы В случае максвелловской функции распределения (2.1) температура Т, характеризует среднюю кинетическую энергию теплового движения электрона е: 3 тепе 2 е = — кТе = — ' 2 ' 2 (2.5) е 1,602 10 ~~ Т = Твп = '1=11600 К.
133 10 Отметим, что средняя кинетическая энергия частицы е равна 3 2 — Т,п, а не Тэп. Часто пользуются понятием температуры плазмы и в тех случаях, когда функция распределения частиц (сорта а) отличается от максвелловской, понимая под температурой Т«величину, определяемую соотношением (2.5). Плазму газового разряда часто называют ннзкотемпературной. 4 5 Ее температура обычно не превышает 10 ...10 К, а концентрация 8 15 -3 заряженных частиц л = кч = 10 ...10 см, причем такая плазма 44 Поскольку температура и средняя кинетическая энергия теплового движения частиц столь тесно взаимосвязаны, в физике плазмы принято выражать температуру в единицах энергии, например в электронвольтах.
Температура Т,п, выраженная в электронвольтах, связана с соответствующей температурой Т, выраженной в КТ кельвинах, соотношением Тэп = —. Рассчитаем, какая темперае тура Т(в кельвинах) соответствует температуре Т,н = 1 эВ; Данное выше определение плазмы является неточным. Дело в том, что не всякий ионизованный газ представляет собой плазму. Удовлетворительным определением плазмы является следуюшее: плазма — это квазннейтральный газ, состоящий из заряженных и нейтральных частиц, который проявляет коллективные свойства. Понятия «квазинейтральный» и «коллективные свойства» требуют разъяснения. Характерной особенностью плазмы является ее макроскопическая нейтральность, поддерживаемая взаимной компенсацией объемных зарядов положительных ионов и электронов.
Однако такая компенсация имеет место лишь в среднем — в достаточно больших объемах и за достаточно большие промежутки времени. Поэтому говорят, что плазма — квазинейтральная среда. Размер области пространства и промежуток времени, в пределах которых может нарушаться компенсация объемного заряда, называют соответственно пространственным и временным масштабами разделения зарядов. Условие квазинейтральности обусловливает связь между концентрациями электронов и ионов. В случае когда в плазме имеются однократно ионизованные ионы только одного сорта, это условие записывается в виде яе = пь так как заряд электрона равен заряду положительного иона со знаком минус, т.
е, е = — еь Оценим сначала из простых физических соображений временной масштаб разделения зарядов. Представим себе, что какой- либо электрон плазмы отклонился от своего первоначального положения равновесия. При этом возникает возвращающая сила, равная средней кулоновской силе взаимодействия частиц, т. е. 1!3 2 2 (31 Г = Е !» ев, ГДЕ Гв = — — СРЕДНЕЕ РаССтОЯНИЕ МЕЖДУ ЧаСтИдами. В результате электрон начнет колебаться около положения равновесия с частотой 45 Следовательно, количество растворенного в металле оксида РеО обратно пропорционально концентрация введенного в сталь раскислителя (Ра1.
Таким образом, для определенного интервала температур можно установить зависимость между концентрацией раскислнтеля н концентрацией находящейся с иим в равновесии свободной закиси железа. Тогда, задавал допустимое солержаиие (РеО), определяют соответствующую ему концентрацию раскислителя в металле. В табл. 9.2 приведены данные о тепловом эффекте важнейших обменных реакций раскислеиия с получением конденсированных оксидов, Таааица %2. Тепловые эффекты расинелеиив железа кт, кДж'моль кция ! 87„300 А!эОз + 35,835 + 24,047 зОэ+ 5Ре Процессы, описанные реакциями в табл. 92, зкзотермичны, т.
е. сопровождаются выделением тепла. Рассмотрим характерные черты наиболее важных раскислителей этой группы, применяемых в сварочной практике. Кремний Я (Т „= 1713 К; Т = э903 К; р = 2 37 гlсмз) прн окислении образует не распюрнмый в металле кислотный оксил ЯО2, который легко создает комплексы — силикаты, в том числе и с РеО(реО ЯО1). Силикаты железа всплывают на поверхность металла и переходят в пиак, вследствие чего раскисляющая способность кремния повышается. С повышением концентрации кремния в меилле уменыпается содержание в нем закиси железа (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
