Якушин Б.Ф. - Расчеты металлургических процессов при сварке (1043834), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

а) упругость пара чистого Ni с ростом температуры увеличивается, а значение температуры кипения с падением внешнего давления уменьшается.

Условие задачи 5.2 Рассчитать парциальное давление паров цинка при сварке латуни (сплав Cu + Zn) и температуру кипения сплава в зависимости от химического состава.

Решение задачи 5.2 При сварке отдельные участки капель и ванны нагреваются до температуры кипения металла. Во всем диапазоне двойного сплава Cu + Zn состав латуни непрерывно меняется. Молярная концентрация элементов изменяется: меди - от 0 до 1 и цинка - от 1 до 0.

Температура кипения чистых металлов:

T_к^(Cu) = 304800 / 106,32  2867К;

T_к^(Zn) = 114820 / 97,1  1182К.

Над сплавом в диапазоне температур 1182...2867К упругость паров сплава:

Р = Р _Cu + Р _Zn (5.8)

При кипении сплава Р = Р_вн =1 атм и выдерживается закон Рауля:

Р⁰_Cu ^. [Cu] + Р⁰_Zn ^. [Zn] = 1атм (5.9)

Так как сплав состоит только из меди и цинка, то [Cu] + [Zn] = 1 моль; тогда:

Р⁰_Cu ^. (1 - [Zn]) + Р⁰_Zn ^. [Zn] = 1атм (5.10)

Из последнего уравнения:

1 – Р⁰_Cu

[Zn] =  (5.11)

Р⁰_Zn - Р⁰_Cu

где:

[Zn] - молярная концентрация цинка в кипящем сплаве при температуре Т;

Р⁰_Cu, Р⁰_Zn - упругости паров чистых меди и цинка при температуре Т.

По содержанию цинка находим парциальное давление паров цинка в сплаве при той же температуре Т:

Р_Zn = Р⁰_Zn ^. [Zn] (5.12)

Расчет упругости паров чистых меди и цинка произведем по следующим уравнениям:

304800 106,32

lgP⁰_Zn = -  + ; lgP⁰_Zn = - 15924,7/Т + 5,55

19,14^.T 19,14

114820 97,1

lgP⁰_Cu = -  + ; lgP⁰_Cu = - 5998,96/Т + 5,07

19,14^.T 19,14

Результаты расчета приведены в таблице 5.2 и представлены на рис. 5.1.

Таблица 5.2

Зависимость температуры кипения латуни и парциального давления цинка от состава сплава.

Примечание. Расчет более прост при выражении размерности внешнего давления в атмосферах. Пересчет из молярных долей [Zn] в массовые проводим с учетом относительных атомных масс: Zn = 65,38; Cu = 63,546.

Выводы по задаче 5.2

а) небольшая (до 1%) добавка цинка в медь резко снижает температуру кипения сплава, во всем диапазоне состава температура кипения сплава приближается к температуре кипения цинка;

б) при содержании в сплаве больше 0,4% цинка кипение сплава происходит за счет кипения цинка - Р_Zn = 1атм;

в) при сварке латуни будет наблюдаться кипение цинка, что вызовет снижение содержания цинка в сварном шве и затруднит процесс сварки в связи с образованием пористости.

Задачи для самостоятельной работы.

Сравните упругость паров железа с парами других легирующих элементов, при их 2% содержании в стали; интервал температур Т = 1000 ÷5000К:

1) Al;

2) W;

3) Ti;

4) Cu;

5) Si;

6) Mg;

7) Li;

8) Mn;

9) Cr;

10) Ni;

11) Mo;

12) Nb,

13) S

14) P, при их содержании 0,05%.

Определите, температуру кипения стали, содержащей эти элементы при сварке в условиях вакуума; внешнее давление Р_вн =1; 0,1; 0,001; 0,0001.

15) Рассчитайте парциальное давление паров Al и Ti при сварке титанового сплава ВТ3 для температур Т = 2100 и 2200К; состав: основа - титан, 5% алюминия.

Работа №6: Расчет процессов взаимодействия компонентов расплава сварочной ванны.

Элементы теории. В лекционном курсе даются только понятия о химических потенциалах. Вместе с тем их роль при расчете процессов взаимодействия компонентов расплава огромная. Для описания сварочных процессов (P, T = const) служат химические потенциалы, связанные с энергией Гиббса. Приращение энергии Гиббса при изменении количества вещества i^-го компонента раствора - химический потенциал

_i = (G / n_i) P, T, n₁, ... , n_к (кроме n_i) (6.1)

определяющий химическое средство и направление протекания реакции в растворах или газовых смесях. Рассчитывают химический потенциал по уравнениям:

для газовых смесей

_i = ⁰_i + RT^. ln P_i (6.2)

для расплавов (растворов)

_i = ⁰_i + RT^. ln N_i (6.3)

где:

⁰_i - энергия Гиббса компонента в чистом виде (для P_i = 1 или N_i = 1) в стандартном состоянии, т.е. ⁰_i = G⁰_i ;

P_i - парциальное давление i^-го компонента;

N_i - молярная доля i^-го компонента.

При использовании химического потенциала на практике следует помнить, что он учитывает молярную концентрацию компонента (что отсутствует в расчетах G по методу Улиха), то есть наиболее полно описывает взаимодействие компонентов в газовой смеси или в расплаве. Самопроизвольно компонент переходит из фазы, где _i больше, в фазу, где _i меньше. Процесс равновесия - равенство _i в обеих фазах. Термодинамическое равновесие расплава (газовой смеси) соответствует условию

_к

_i^.  n_i = 0 (6.4)

¹

Направление протекания реакции определяется по разнице между химическими потенциалами продуктов реакций и исходных веществ

 = _пр.р - _исх (6.5)

(при   0 протекает прямая реакция, при   0- обратная).

Примеры решения задач.

Условие задачи 6.1 Подтвердить расчетом возможность применения кремнемарганцовой проволоки Св08Г2С для сварки сталей в среде углекислого газа.

Решение задачи 6.1 В результате диссоциации защитного газа при сварке в среде углекислого газа создается сильно окислительная газовая среда, что приводит к выгоранию углерода. Образовавшийся оксид углерода не растворим в стали и вызывает пористость. Известно, что для раскисления металла шва при дуговой сварке применяют кремнемарганцовую проволоку, например, Св08Г2С. Если исходить из состава металла шва проволоки, то возможно окисление железа, углерода, кремния и марганца:

2[Fe] + O₂ = 2(FeO) (6.6)

2[C] + O₂ = 2(CO) (6.7)

[Si] + O₂ = (SiO₂) (6.8)

2[Mn] + O₂ = 2(MnO) (6.9)

В расплаве вероятность протекания реакций (6.6) - (6.9) определяется изменением значения химического потенциала реакции () Наиболее вероятна реакция, для которой  минимально. Расчет проведем для Т = 1900К, то есть для температуры кристаллизации стали. В этих условиях протекание реакции (6.7) приводит к пористости.

Для реакции (6.6) составим уравнение (6.10):

₆ = 2_FeO - 2_Fe - _O2 = 2⁰_FeO + 2RT^. ln(FeO) - 2⁰_Fe - 2RT^. ln[Fe] - ⁰_О2 - RT^. lnP_О2

где:

(FeO), [Fe] - соответственно молярная концентрация в шлаковой и в металлической фазе;

P_О2 - парциальное давление кислорода в газовой фазе.

Можно принять , что шлаковая и газовая фазы свободны , то есть (FeO) = 1 и P_o2 = 1. Уравнение (6.10) упростится:

₆ = 2⁰_FeO - 2⁰_Fe - ⁰_О2 - 2RT^. ln[Fe] (6.11)

причем

2⁰_FeO - 2⁰_Fe - ⁰_О2 = G⁰_Т (6.12)

Окончательно для реакции (6.6) и других реакций при Т = 1900К:

₆ = G⁰₁₉₀₀ - 2 ^. 8,3143^.T^. ln[Fe] (6.13)

₇ = G⁰₁₉₀₀ - 2 ^. 8,3143^.T^. ln[C] (6.14)

₈ = G⁰₁₉₀₀ - 8,3143^.T^. ln[Si] (6.15)

₉ = G⁰₁₉₀₀ - 2 ^. 8,3143^.T^. ln[Mn] (6.16)

Характеристики

Список файлов книги