Якушин Б.Ф. - Расчеты металлургических процессов при сварке (1043834), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Решение задачи 4.2 Запишем требуемые реакции окисления:

2[Fe] + O₂ = 2(FeO) (4.11)

[Si] + O₂ = (Si O₂) (4.12)

4[Al] + 3 O₂ = 2 (Al₂ O₃) (4.13)

Находим упругость диссоциации оксидов при 2100К. Большим сродством к кислороду, а значит, и большей устойчивостью будут обладать те из них, у которых lgР⁰_О2 окажется ниже.

Для реакции (4.11) воспользуемся данными решения задачи 4.1: lgР⁰_О2^(FeO) = -6,6531.

Для реакции (4.12): lgР⁰_О2^(SiO2) = -12,1552, (H⁰= -859,3 кДж/моль, S⁰= -181,6 Дж/(моль^.К), C⁰p= -4,68 Дж/(моль^.К))

Для реакции (4.13): lgР⁰_О2^(Al2O3) = -16,3481, (H⁰= -3350 кДж/моль, S⁰= -626,5 Дж/(моль^.К), C⁰p= -27,44 Дж/(моль^.К)).

Выводы по задаче 4.2

а) при Т = 2100К lgР⁰_О2^(FeO)  lgР⁰_О2^(SiO2)  lgР⁰_О2^(Al2O3), т.е. сродство к кислороду наибольшее для Al₂O_3, этот оксид наиболее устойчив;

б) в первую очередь окисляется алюминий, его молярная концентрация уменьшается, а упругость диссоциации увеличивается ( в этом смысл избирательного окисления). Процесс протекает до тех пор, пока lgР⁰_О2^(Al2O3) не сравняется с lgР⁰_О2^(SiO2), с этого момента окисление Al и Si равновероятно.

Условие задачи 4.3 Определить количество раскислителя, которое должно вводиться через сварочную проволоку Св08 при сварке в среде углекислого газа стали Бст3сп. Раскисление осуществляется только кремнием.

Решение задачи 4.3 Пусть доля присадочного металла при образовании ванны составляет 50 %. Стандарты на основной и присадочный материалы допускают определенные колебания химического состава. В таблице 4.2 в скобках указано принимаемое количество элементов в расчете. Будем считать, что металл ванны состоит только из железа, углерода и кремния. Другими примесями пренебрегаем.

Таблица 4.2

Низкоуглеродистая сталь имеет ферритно-перлитную структуру. При сварке выгорает углерод, что приводит к образованию ферритной структуры (уменьшается прочность соединения, изменяются другие его свойства). Технология сварки должна обеспечивать неизменность С в шве, т.е. массовая концентрация приблизительно равна 0,14 %.

Расчет реакций окисления и кремния ведем по О₂, так как сродство к нему выше, чем к атомарному кислороду:

2[С] + O₂  2(СO) (4.14)

[Si] + O₂  (SiO₂) (4.15)

Из теории известно, что раскисляющие возможности элементов зависят от температуры. Раскисление идет при кристаллизации. Поэтому расчетной будем считать температуру, близкую к температуре плавления стали. Принимаем Т = 1900К.

Если принять, что Si и C находятся в свободном состоянии, то расчет упругости диссоциации их оксидов:

-221000 +178,29 +11,88^.1,0089

lgР⁰_О2^(CO) = +  -  -  = -16,0184

19,14^.1900 19,14 19,14

-859300 -181,66 -4,68^.1,0089

lgР⁰_О2^(SiO2) = +  -  -  = -13,8914

19,14^.1900 19,14 19,14

показывает, что в первую очередь окисляется углерод.

Проведем расчет упругости диссоциации оксидов СО и SiO₂ c учетом их концентраций в расплаве. Для этого предварительно перейдем от массовой доли С, Si, Fe к молярной. Относительная атомная масса углерода 12,011, кремния - 28,086, железа - 55,847:

0,14/12,011

[C] =  = 0,00647 моля

0,14/12,011 + 0,08/28,086 + 99,78/55,847

Также определим относительную атомную массу железа ([Fe] = 0,99195 моля) и кремния ([Si] = 0,00158 моля).

На основании формулы (4.5) и реакций (4.14) и (4.15):

LgР⁰_О2^(CO) = lgР⁰_О2^(CO) / [C]² (4.16); lgР⁰_О2^(SiO2) = lgР⁰_О2^(SiO2) / [Si] (4.17)

или

lgР⁰_О2^(CO) = lgР⁰_О2^(CO) - 2lg[C]; lgР⁰_О2^(SiO2) = lgР⁰_О2^(SiO2) - lg[Si]

Так как lgР⁰_О2^(SiO2)  lgР⁰_О2^(СO), то, с учетом концентраций Si и C, выгорает углерод. Значит, необходимо увеличить концентрацию Si и C, что уменьшит упругость диссоциации его оксида до условия lgР⁰_О2^(SiO2) = lgР⁰_О2^(СO). Аналогично формуле (4.6) имеет [C]² / [Si] = Р⁰_О2^(CO) / lgР⁰_О2^(SiO2), откуда [Si] = [C]^{2 .} Р⁰_О2^(SiO2)/ Р _О2^(CO)

lg[Si] = 2lg0,00647 - 13,8914 +16,0184 = 2,2510 и [Si] = 0,0056 моль.

Проведем пересчет молярных долей в массовые при условии, что молярная доля других компонентов не изменится, т.е. [C] = 0,00647, [Fe] = 0,00158:

0,0056 ^.28,086 ^. 100%

g_[Si] =  = 0,283%

0,0056 ^.28,086 + 0,00647 ^.12,011 + 99195 ^.55,847

Выводы по задаче 4.4

а) для подавления реакции окисления С в ванне при сварке в среде углекислого газа через присадочную проволоку необходимо ввести в шов не менее 0,28 % Si.

б) при сварке в углекислом газе низкоуглеродистой стали применяют проволоки с увеличенным количеством кремния: Св08Г2С (0,7...0,9 % Si), Св08ГС (0,6...0,85 % Si) и др.

Задачи для самостоятельной работы.

Сравните упругость диссоциации оксидов в интервале температур 1000 - 5000К. Где можно использовать результаты решения?.

1) WO₃ и Cr₂O₃;

2) TiO₂ и CO;

3) SiO₂ и MnO;

4) Al₂O₃ и NiO;

5) MoO₂ и MgO;

6) CaO и ZrO₂.

Рассчитать, какой из оксидов будет более устойчивым при температуре Т = 1700К и Т = 2500К.

7)Сколько Mn необходимо ввести в сталь 20, чтобы защитить углерод от окисления

8)Сколько Si необходимо ввести в сталь 20, чтобы защитить углерод от окисления

9)Сколько Mn необходимо ввести в сталь 45, чтобы защитить углерод от окисления

10)Сколько Si необходимо ввести в сталь 45, чтобы защитить углерод от окисления

11) СaO или MgO;

12) ZrO₂ или Al₂O₃;

13) B₂O₃ или ZrO₂;

14) TiO₂ или Cr₂O₃;

15) V₂O₅ или NiO.

Определить необходимое количество раскислителя (кремния) в молярных долях и массовых весовых единицах:

16) - для подавления реакции окисления хрома в металлическом расплаве хромистой бронзы при температуре Т = 1400К (начальная молярная концентрация хрома 0,011 моль/м³);

17) - для подавления реакции окисления марганца в расплаве из никеля и марганца при температуре Т = 1800К (начальная молярная концентрация марганца 0,015 моль/м³);

18) - для предотвращения выгорания углерода в металлическом расплаве из железа и углерода при температуре Т = 1900К (начальная молярная концентрация углерода 0,007 моль/м³);

19) - для предотвращения выгорания углерода в металлическом расплаве из железа и углерода при температуре Т = 1800К (начальная молярная концентрация углерода 0,008 моль/м³);

Работа №5: Расчет процессов испарения металлов и сплавов при сварке.

Элементы теории. Испарение металлов и сплавов при сварке с поверхности электродного металла и ванны при сварке имеет большое значение. Газовая фаза зоны сварки разбавляется парами металлов, что снижает парциальное давление таких газов как О₂, Н₂, N₂ и тем самым их растворимость в жидких металлах. Создается самозащитная газовая атмосфера. Кипение вызывает образование пор в металле шва. Наконец, испарение определяет потери свариваемых и сварочных материалов на угар отдельных компонентов. Испаряются и неплавящиеся электроды.

Применив положение термодинамического равновесия, процесс испарения можно представить как химическую реакцию перехода из жидкого (твердого) состояния в газообразное:

[Me]_ж  Me_г (5.1)

K_p = P_Мeг / [Me]_ж (5.2)

где:

[Me]_ж - молярная концентрация металла в жидкой фазе (для чистых металлов она равна единице, для сплавов - меньше единицы);

P_Мeг - парциальное давление паров в газовой фазе (для чистых металлов P⁰_Мe).

Для чистых металлов: K_p = P⁰_Мe (5.3)

Упругость паров чистого металла (используя уравнение Вант-Гоффа для определения K_p):

G⁰_исп H⁰_исп S⁰_исп

lgP⁰_Мe = -  =-  +  (5.4)

19,14^.T 19,14^.T 19,14

где:

G⁰_исп - энергия Гиббса процесса испарения, числено равная работе испарения;

H⁰_исп - теплота испарения;

S⁰_исп - энтропия испарения, т.е. перехода от упорядоченного расположения атомов к неупорядоченному газообразному состоянию (определяется в таблицах, как разница S_газ - S_ж). Изменение теплоемкости в процессе испарения не происходит, так как испарение - изотермический процесс[С⁰_Рисп = 0].

Как видно из формулы (5.4), с ростом температуры упругость паров повышается. Момент, когда P⁰_Мe станет равным Р_вн, называется кипением. Если сравнить упругость паров металла с полным атмосферным давлением Р_вн = 1), то

T_к = H⁰_исп / S⁰_исп (5.5)

а если с к (некоторой частью от Р_вн : к = 0,1; 0,01 и т.д.), то

T_к = H⁰_исп / (S⁰_исп - lgк^.19,14) (5.6)

Упругость пара компонента сплава P_мe, соответствующего совершенному раствору, как и упругость растворителя в бесконечно разбавленном растворе, рассчитывается по закону Рауля:

P_мe = P⁰_Мe ^. [Me] (5.7)

где:

P⁰_Мe - парциальное давление металла при его молярной концентрации равной 1;

[Me] - молярная концентрация данного металла в сплаве, [Me]  1.

Согласно закону Рауля упругость пара металла при T = const уменьшается при переходе в сплав (P^С_мe  P⁰_Мe, так как [Me]  1).

При кипении сплава сумма упругости паров компонентов сплава равна или больше Р_вн.

Примеры решения задач.

Условие задачи 5.1 Рассчитать упругость пара чистого никеля при температуре Т = 1000, 2000, 3000 и 4000К, а также температуру кипения Ni при Р_вн =1 и Р = 0,1; 0,01 от внешнего давления.

Решение задачи 5.1 Металл чистый, упругость пара над металлом подчиняется уравнению (5.4). Константы H⁰_исп и S⁰_исп берем из приложения 3:

365260 117,99

lgP^0(Т)_Ni = -  + ; lgP^0(Т)_Ni = - 19083,6/Т + 6,165

19,14^.T 19,14

Результаты расчета сводим в таблицу 5.1.

Таблица 5.1

Температура кипения при Р_вн = 1; T_к = 365260/ 117,99  3096К,

при Р_вн = 0,1 (lg0,1 = -1)  -1 = -19083,6 / T_к + 6,165  T_к  2663К;

при Р_вн = 0,01 (lg0,01 = -2)  -2 = -19083,6 / T_к + 6,165  T_к  2337К.

Выводы по задаче 5.1

Характеристики

Список файлов книги