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

Текст из файла (страница 7)

Изменение энергии Гиббса при Т = 1900К найдем аналогично методике решения задачи 1, по табличным значениям H⁰, S⁰, C⁰p:

G⁰⁽⁶⁾₁₉₀₀ = - 527360 + 141,75^. 1900 - 16,42^. 1900^. 1,0089 = - 289511 Дж/моль;

G⁰⁽⁷⁾₁₉₀₀ = - 582525 Дж/моль;

G⁰⁽⁸⁾₁₉₀₀ = - 505175 Дж/моль;

G⁰⁽⁹⁾₁₉₀₀ = - 503380 Дж/моль.

Анализ значений G⁰₁₉₀₀ показывает , что если бы оценивалось окисление чистых Fe, C, Si, Mn при Т = 1900К, то наиболее вероятным оказалось бы окисление углерода (G⁰⁽⁷⁾₁₉₀₀ = - 582525 Дж/моль).

Для расчета значений  по формулам (6.13) - (6.16) выразим количество веществ каждого из компонентов проволоки Св08Г2С в молярных долях. Химический состав проволоки по ГОСТ, %: Fe = 97,35, C = 0,1, Si = 0,85, Mn = 1,7. Пересчитаем массовые доли в молярные аналогично задаче 4 (атомная масса марганца = 54,938).

0,1/12,011

[C] =       = 0,004593;

0,1/12,011 + 1,7/54,938 + 0,85/28,086 + 97,35/55,847

[Mn] = 0,017071; [Si] = 0,016695; [Fe] = 0,961641.

₆ = G⁰₁₉₀₀ - 2 ^. 8,3143^.T^. ln[0,961641] = - 289511 + 1235 = -288,275 кДж/моль;

₇ = -412,483 кДж/моль;

₈ = -440,538 кДж/моль;

₉ = -374,808 кДж/моль;

Выводы по задаче 6.1

а) применение электродной проволоки Св08Г2С для сварки сталей в окислительной среде углекислого газа позволяет подавить реакцию выгорания углерода за счет большого сродства к кислороду у кремния (реакция(6.8)), реакция (6.8) конкурирует с реакцией (6.7), наименее вероятно в условиях расчета выгорание железа при реакции (6.6).

б) сродство элементов расплава к кислороду зависит от их молярной концентрации, изменяя которую, можно добиться преимущественно окисления того или иного элемента.

Задачи для самостоятельной работы №6.

Сравните химический потенциал реакций , протекающих в сварочной ванне при температурах Т = 1800, 2500, 3000К и опишите их роль в обеспечении качества процесса.

1) 2CO₂ + Si  SiO₂ + 2CO, если [Si]- 0,006 моля, Fe - остальное;

CO₂ + Mn  MnO + CO, если [Mn]- 0,01 моля ;

2) Рассчитайте химический потенциал реакций окисления Al, Ti в Cr-Ni сплаве (30% Cr и 70% Ni) протекающих в сварочной ванне при температурах 1800, 2500, 3000К, если концентрации [Al] - 0,00011 молей; [Ti] - 0,0007 моля.

Определите с помощью химического потенциала вероятность окисления компонентов расплава при дуговой сварке:

3) хромистой бронзы (Cr - 0,7%, Cu - 99,3%) при Т = 1400К;

4) сплава АМг6 (Mg - 6,5%, Mn - 0,6%, Fe - 0,3%, Si - 0,3%, Zn - 0,2%, Al - 92,1%) при Т = 1000К;

5)алюминиевого сплава 1420 (Mg - 6%, Li - 2%, Al - остальное);

6) хрома и никеля в нержавеющей стали 0X18H10;

7) хрома и марганца в стали 0X18Г15;

8) меди и магния в Al-сплаве (Cu - 2%, Mg - 4%);

9)цинка и циркония в магниевом сплаве (Zn - 5%, Zr - 1%);

10) ниобия и титана в стали 10X18H13БT;

11)хрома и углерода в стали 30ХГСА;

12) азота и марганца в стали 16Г2АФ;

13) серы и фосфора в стали ВСт3сп при содержании S и P - 0,04%;

14) марганца и никеля в стали 30ХГСНА;

15)меди и марганца в стали 12ХН4МДА.

Работа №7: Расчет эффективного потенциала ионизации смеси газов и паров в дуге.

Элементы теории. В большинстве случаев дуга горит не в однородном газе, а в парогазовой смеси (дуговых газах). Расчет потенциала ионизации такой смеси связан с определенными трудностями, так как на ионизацию оказывает большое влияние как состав (процентное содержание компонентов), так и качество ионизируемых частиц (наличие элементов с высоким или низким потенциалом ионизации). Приближенную оценку потенциала ионизации смеси ведут по формуле В. В. Фролова:

T

U₀ = -  ^. lnC_i^1/2exp(-5800U_i/T) (7.1)

5800

где:

U₀ - эффективный потенциал смеси, то есть такого однородного газа, который дает то же количество заряженных частиц, что образуется в смеси;

Т - температура ионизации, К;

C_i - молярная компонента в смеси;

U_i - потенциал ионизации i^-го газа.

Уравнение учитывает только термическую ионизацию. При его выводе использована формула Саха.

Молярную долю компонентов определяют по количеству данного газа в смеси n_i или по его парциальному давлению P_i.

C_i = n_i / n = P_i / P , (7.2)

где:

n - общее количество газа в смеси;

P - общее давление.

Именно определение реальных молярных концентрации компонентов смеси представляет главную трудность расчета. Они будут зависеть от относительных масс компонентов, упругости их паров, состава фазовых систем (твердое или жидкое состояние) и др. Поэтому расчет приближенный.

Примеры решения задач.

Условие задачи 7.1 Рассчитать эффективный потенциал ионизации при 5800К в зависимости от концентрации газовой смеси, первоначально состоящей из 50% аргона и 50% гелия, при изменении количества паров алюминия от 0 до 100%. Принять, что в любой момент молярной концентрации Ar и Hе равны.

Решение задачи 7.1 Из приложения 4 находим потенциал ионизации, В: гелий - 24,5 В, аргон - 15,7 В, алюминий - 5,98 В. В соответствии с формулой (7.1) для состояния 50% He и 50% Ar:

U₀ = - 1^. ln(0,5^1/2.е^-24,5 + 0,5^1/2.е^-15,7) = 16,05 В

при массовой концентрации: 49,5% He, 49,5% Ar, 1% Al.

U₀ = - 1^. ln(0,495^1/2.е^-24,5 + 0,495^1/2.е^-15,7 - 0,01^1/2.е^5,98) = 8,25 В

Результаты расчета приведены в таблице 7.1 и на рис. 7.1.

Таблица 7.1

Расчет эффективного потенциала ионизации смеси аргон-гелий и пары алюминия.

Выводы по задаче 7.1

а) введение незначительного количества элементов с низким потенциалом ионизации заметно снижает эффективный потенциал ионизации смеси, приближая его к значению U_i легко ионизируемого компонента. Таким образом, введение в дугу щелочноземельных элементов повышает устойчивость ее горения.

б) эффективный потенциал ионизации 50% бинарной смеси газов с различными U_i значительно меньше среднего арифметического значения их потенциалов ионизации.

Задачи для самостоятельной работы.

Рассчитайте эффективный потенциал ионизации смеси газов или паров:

1) калия и железа;

2) кальция и железа;

3) азота и кислорода;

4) кислорода и водорода;

5) натрия и азота;

6) лантана и алюминия;

7) вольфрама и алюминия;

8) вольфрама и железа;

9) никеля и азота;

10) магния и аргона;

11) бериллия и гелия;

12) гелия и аргона;

13) аргона и кислорода;

14) аргона и углекислого газа;

15) железа и углерода.

Примечание: - Концентрацию парогазовых сред варьировать в интервале 0 - 100%.

- В выводе указать, в каком случае возможно взаимодействие паров, указанных материалов.

Работа №8: Расчет степени термической ионизации элементов в столбе дуги.

Элементы теории. Термическая ионизация играет важную роль в горении дуги, являясь поставщиком элементарных заряженных частиц, переносящих заряд. Для многоатомных газов ионизация – следующий процесс, после диссоциации. Процесс характеризуется степенью ионизации:

x = n / n₀ (8.1)

где:

n - число проионизировавших частиц;

n₀ - число первоначально взятых частиц.

Степень ионизации зависит от физико-химических свойств элемента, определяемых характеристикой, так называемым потенциалом ионизации, температуры, внешних условий.

Степень термической ионизации рассчитывают по формуле Саха:

Р^.x²/(1 - x²) = 2,4^.10^{-4 .} а^{2 .} Т^{5/2 .} exp(-е₀^. U_i/ КT) (8.2)

где:

Р- внешнее давление, мм рт. ст.;

а²- квантовый коэффициент, учитывающий число возможных состояний частиц (электрона, иона, нейтрального атома) с одинаковой энергией (величина а² рассчитана К.К. Хреновым для разных элементов, пределы ее колебаний от 1 до 4 (см. приложение 4);

е₀ - заряд электрона, равный е₀ = 1,6021892^.10^-19 Кл;

К - постоянная Больцмана, К = 1,380662^.10^-23 Дж/К.

Если для давления перейти от единицы “миллиметр ртутного столба” к Паскалям и подставить величины е₀ и К, то формула (8.2) приобретает следующий вид:

Р^.x²/(1 - x²) = 3,2^.10^{-2 .} а^{2 .} Т^{5/2 .} exp(-11604U_i/ КT) (8.3)

Расчет по уравнению Саха дает результаты наиболее близкие к опытным только при малых степенях ионизации.

Примеры решения задач.

Условие задачи 8.1 Рассчитать степень термической ионизации паров алюминия при температурах Т = 2000, 4000, 6000, 8000, 10000К при внешнем давлении 1,013^.10⁵ Па.

Решение задачи 8.1 Потенциал ионизации алюминия (прил. 5) U_i = 5,98 В, квантовый коэффициент (прил. 4) а² = 1, так как алюминий принадлежит 3-й группе периодической системы Менделеева. Результаты представлены в таблице 8.1.

Таблица 8.1

Расчет степени термической ионизации паров алюминия.

Выводы по задаче 8.1

а) зависимость степени ионизации паров алюминия от температуры имеет S - образный вид и проходит в сравнительно узком температурном интервале, при Т = 4000К степень ионизации x  0,3%, при Т = 10000К ионизировано уже 86,8% частиц.

Задачи для самостоятельной работы №8.

Сравните интенсивность термической ионизации при повышении температуры в условиях дуговой (Т = 3000 - 6000К) и плазменно-дуговой сварки (Т = 15000 - 30000К) для следующих элементов. Какое значение для технологии сварки имеют результаты решения?

Характеристики

Список файлов книги