Якушин Б.Ф. - Расчеты металлургических процессов при сварке (1043834), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

а) в температурных условиях дуговой сварки выше Т = 1800К протекает прямая реакция 2CaF₂ + 3SiO₂  2CaSiO₃ + SiF₄. Реакция SiF₄ + 2H₂  Si + 4HF протекает в прямом направлении при температуре выше 2700К. С ростом температуры обе реакции протекают более интенсивно;

б) при наличии в зоне сварки SiO₂ и CaF₂ происходит связывание водорода и образование фтористого водорода, не растворимого в жидкой стали, что снижает вероятность образования пор и закалочно-водородных трещин. Указанные соединения целесообразно вводить в состав электродных покрытий и сварочных флюсов.

Задачи для самостоятельной работы №1.

Какая из двух реакций более вероятна при сварке (Т=500 – 5000К)?. В каком способе сварки они имеют место и каково их влияние на качество шва?

1.1. 2FeO + Si  SiO₂ + 2Fe; FeO + Mn  MnO + Fe;

1.2. 2FeO + Ti  TiO₂+ 2Fe; 3FeO + 2Al  Al₂O₃ + 3Fe;

1. 2FeO + Si  SiO₂ + 2Fe; 2FeO + Ti  TiO₂ + 2Fe;

2. 2FeO + Zr  ZrO₂ + 2Fe; FeO + Nb  NbO + Fe;

3. P₂O₅ + 3CaO  (CaO)₃P₂O₅; P₂O₅+3MnO  (MnO)₃ P₂O₅;

4. 2Fe + MnO₂  2FeO + Mn; 2Fe+TiO₂  2FeO + 2Ti;

5. FeS + Mn  MnS + Fe; FeS + Ca(г)  CaS + Fe;

6. 3Mn + 4O₂  Mn₃O₄; 3Fe + 2O₂  Fe₃O₄;

7. NiO + Mn  MnO + Ni; 3NiO + 2V  V₂O₃ + 3Ni;

8. FeS + Mn  MnS + Fe; FeS + Ti  TiS + Fe;

9. 2Fe + TiO₂  2FeO + Ti; 2Fe + SiO₂  2FeO + Si;

10. FeS + CaO  FeO + CaS; FeS + MnO  FeO + MnS;

11. 2Fe₃P + 5FeO  11Fe + P₂O₅; 2Mn₃P + 5MnO 11Mn + P₂O₅;

12. FeO + H₂ (г) Fe + H₂O; FeO + CO(г)  Fe + CO₂;

13. 2Mn + O₂  2MnO; 4Mn + 3O₂  2Mn₂O₃;

14. CaF₂ + H₂O  CaO + 2HF (г); CaF₂ + H₂  Ca(г) + 2HF (г);

15. MnO₂ → Mn + O₂; 2CaO → 2Ca(г) + O₂;

16. SiO₂ → Si + O₂; 2TiO₂ → 2TiO + O₂;

17. 2FeO + 2SiO₂  2FeSiO₃; FeO + CaO  CaFeO₂;

18. TiO₂  TiO + O; TiO₂  Ti + O₂.

Решение каждой задачи следует дополнить выводами и указать, как используют результаты решения для повышения качества сварных соединений и совершенствования технологии конкретного процесса сварки.

Работа №2: Анализ формирования газовой защитной среды при сварке.

Элементы теории. Газовая защитная среда при сварке создается путем подачи газа или смеси газов в зону дуги, либо путем выделения защитного газа из твердых веществ. В том и другом случае многоатомный газ, нагреваясь, диссоциирует, вступает в реакцию с другими атмосферными газами или конденсированным (твердым, жидким) металлом, что приводит к изменению химического состава и качества газовой защитной среды.

Анализ и прогнозирование процессов взаимодействия, протекающих в газовой фазе, можно выполнить расчетным путем, приняв предположение о достижении термодинамического равновесия в высоконагретых газовых средах, имеющих место при сварке. Быстротечность сварочных процессов позволяет говорить лишь об определенной степени приближения протекающих процессов к равновесию. Однако применение методов анализа, выработанных для равновесных условий, позволяют упростить расчеты при рассмотрении термической диссоциации газов, окислении металлов газом, испарении металлов и их растворов.

Под термодинамическим равновесием понимают не покой, а динамическое состояние, когда противоположные процессы идут с одинаковыми скоростями, так что их результаты взаимно уничтожаются. Закон действующих масс вводит понятие скорости прямой (W₁) и обратной (W₂) реакции и позволяет математически описать состояние равновесия в газовой смеси.

W₁ = K₁ ^. P^a_A^. P^b_B (2.1)

W₂ = K₂ ^. P^c_C^. P^d_D, (2.2)

где:

К₁ и К₂ - постоянные, числено равные скоростям реакции между компонентами, парциальное давление которых равно 1 атм. (10 ⁵ Па).

P^a_A, P^b_B , P^c_C, P^d_D - равновесные концентрации компонентов газовой смеси со

ответствующих газов А , В , С и D.

При достижении равновесия по условию устанавливается равенство

W₁ = W₂ (2.3)

K₁^. P^a_A^. P^b_B = K₂ ^. P^c_C ^. P^d_D (2.4)

За константу равновесия К_P, выраженную через парциальные давления реагирующих газов, принято отношение произведения парциальных давлений продуктов реакции к произведению парциальных давлений исходных продуктов.

K_Р = P^c_C ^. P^d_D  (P^a_A ^. P^b_B ) (2.5)

Рассчитать К_Р по формуле (2.5) невозможно, так как равновесные давления заранее неизвестны. Для числового расчета применяют уравнение Вант-Гоффа:

G_T

lg K_Р =   (2.6)

R ^. T

где:

G⁰_T - изменение энергии Гиббса в результате реакции при определенной температуре Т;

R - универсальная газовая постоянная = 8,3143 Дж/(моль^.К).

Раскрыв значение G⁰_T, по уравнению Улиха и подставив значение R, получим формулы для числового расчета К_Р :

H S C_ТM_O

lg K_Р =   +  +  (2.7)

19.14T 19.14 19.14

Так как значение R приведено в джоулях /моль ∙кельвин, то значения других величин (H, S, C_P) должны быть в джоулях /моль или в джоулях /моль ∙кельвин.

Следует помнить, что:

- при расчетах К_P для гетерогенных систем наличие продуктов в конденсированной фазе не влияет на значение К_P;

- для газовой смеси в любой момент соблюдается закон Дальтона (P_i = P), т.е. сумма парциальных давлений реагирующих газов равна атмосферному давлению Р;

- изменение Р_i автоматически ведет к изменению давления остальных продуктов до восстановления прежнего значения К_P.

Примеры решения задач.

Условие задачи 2.1 Определите, возможно ли окисление Fe при сварке в защитной среде углекислого газа по реакции

Fe + CO₂(г)  FeO + CO(г),

а также влияние температуры (500 -2000К) на количественный состав газовой среды (парциальное давление Р_СО2 и Р_СО).

Решение задачи 2.1 Принимают, что реакция

Fe + CO₂(г)  FeO + CO(г) (2.8)

развивается в условиях термодинамического равновесия в гетерогенной системе, с константой равновесия

P_CO

K_P = 

P_CO2

Другие компоненты реакции — конденсированные вещества не участвующие в газообразовании.

Кроме того, согласно закону Дальтона P_CO + P_CO2 = 10 ⁵ Па (1атм)

Значение К_Р определяют по уравнению (2.7) (Вант — Гоффа):

G⁰_T

lg K_Р =  

R ^. T

с учетом правил, изложенных в работе №1:

— H⁰ = H⁰_FeO + H⁰_CO - H⁰_Fe - H⁰_CO2;

H⁰ = -263,68 + ( - 110,5) - 0 - ( - 393,51) = 19,33 кДж/моль;

— S⁰ = S⁰_FeO + S⁰_CO - S⁰_Fe - S⁰_CO2;

S⁰ = 58,79 + 197,4 - 27,15 - 213,60 = 15,44 Дж/(мольК);

— C⁰_P = C⁰_{P FeO} + C⁰_{P CO} - C⁰_{P Fe} - C⁰_{P CO2};

C⁰_P = 48,12 + 29,15 - 25,23 - 37,13 = 14,91 Дж/(мольК).

Общее выражение для расчета lg K_Р :

lg K_Р = -1009,9/Т + 0,807 + 0,779 ^.М₀

Подставив различные значения температуры (500 -2000К), получают значения lg K_Р и K_Р, приведенные в табл. 2.1. По значениям K_Р находят Р_СО и Р_СО2. Для этого выразим Р_СО2 через Р_СО, а затем через значение K_Р.

К_Р = Р_СО /Р_СО2;

Р_СО2 = Р_СО/К_Р;

Р_СО2 + Р_СО = 10⁵Па;

Р_СО2 = 10⁵Па - Р_СО;

10⁵Па - Р_СО = Р_СО/К_Р;

10⁵Па = Р_СО/К_Р + Р_СО;

10⁵Па  К_Р = Р_СО  (1 + К_Р);

Р_СО = (10⁵Па  К_Р)/(1 + К_Р).

Результаты расчета Р_СО и Р_СО2 при различных Т сведены в таблицу 2.1. и иллюстрированы графиком (рис. 2.1).

Таблица 2.1

Значения К_Р и равновесных парциальных давлений газов СО₂ и СО при сварке стали в среде СО₂.

Выводы по задаче 2.1

а) с повышением температуры значение К_P=P_CO /P_CO2 быстро возрастает;

б) реакция окисления железа углекислым газом и образование FeO интенсивно протекает при высоких температурах, имеющих место при дуговой сварке, т.е. на стадии капли. После переноса капли в ванну FeO будет взаимодействовать с углеродом стали по реакции FeO + С = СО(г) + Fe, которая создает опасность образования пор и разупрочняет шов, выжигая углерод.

в) для сохранения качества шва необходимы раскислители (Si, Mn и др.).

г) слабо нагретый углекислый газ не окисляет металл. Он оттесняет воздух из зоны горения дуги и тем самым защищает металл при сварке от атмосферных газов (водорода, кислорода и азота).

Условия задачи 2.2 Известно, что соли угольной кислоты (карбонаты) при повышении температуры диссоциируют с образованием СО₂, который должен формировать газовую защитную среду при сварке электродами с покрытием. Определите температуру начала распада СаСО₃ и парциальное давление СО₂ при повышении температуры.

Решение задачи 2.2 При диссоциации СаСО₃ имеет место следующая реакция

СаСО₃  СаО + СО₂

В условиях термодинамического равновесия константа этой реакции К_р=Р_СО2, так как остальные компоненты являются конденсированными(твердыми, жидкими) веществами и не участвуют в изменении давления газовой среды.

Для определения К_Р и Р_СО2 применяем уравнение Вант — Гоффа:

G_T

lg K_Р =  

R ^. T

Характеристики

Список файлов книги