Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 68
Текст из файла (страница 68)
телень диссоциации для данной температуры описывается константой равновесия К . Для процесса диссоциации, например водорода (см. (9.1)), при постоянном давлении р она равна отношению парциальных давлений продукта диссоциации (рн) и исходного продукта (р»» ) с учетом стехиометрических коэффициентов, т. е. 2 рн »»2 (9.4) 4аг К = — р; 1 — 2а (9.5) 390 Е сли учесть, что при степени диссоциации а один объем газа Н п г превращается в смесь, состоящую из полученных продуктов распада (2а) и остатка исходных веществ (1 — а), то согласно расчетам, выполненным в разд.
8.9, Для вычисления Кг также используют эмпирические формулы, например для реакции диссоциации молекулярного водорода— приближенное уравнение Нернста 18К н = 1 50418Т 0 767. 22 570 лиг (9.7) 391 Следовательно, задавая значения температуры при постоянном давлении р, можно по эмпирической формуле для соответствующего газа вычислить величину К, а затем, пользуясь выраже»»нем (9.6), — и степень диссоциации этого газа при выбранной температуре. Если принять, что температура газов в столбе дуги составляет в среднем 5000 К, то в результате расчетов получим: для молекул водорода а = 0„96, а для молекул азота а = 0,038.
На рнс. 8.9, а приведены графические зависимости степени диссоциации некоторых газов и паров в зоне столба дуги от температуры. Из рисунка следует, что при температуре выше 5000 К все представленные газы и пары имеют значительную степень диссоциации, т. е.
находятся в активном реакционном состоянии. Диссоциация двухатомных газов в зоне сварки имеет большое значение по следующим причинам: — в атомарном состоянии газы приобретают высокую химическую активность и легко взаимодействуют с расплавленным металлом капель и сварочной ванны; — атомы газа в зоне столба дуги после диссоциации претерпевают термическую ионизацию. Они становятся ионами и перемещаются в соответствии со своими зарядами к аноду или катоду, т.
е. к электроду или к сварочной ванне, что усиливает их растворимость в металле. Зависимость степени термической ионизацин различных газов и паров в среде дугового разряда от температуры, полученная по уравнению Саха, приведена на рис. 8,9, б; — параллельно с диссоциацией газов, протекающей в зоне высоких температур с поглощением тепла, вблизи сварочной ванны, где температура значительно ниже, идет обратный процесс образования молекул из ионов атомов, сопровождающийся выделением тепла.
Благодаря этим двум процессам осуществляется своеобразное регулирование теплового состояния в зоне сварки — перенос тепла от участка высоких температур столба дуги к жидкому металлу сварочной ванны, имеющему меньшую температуру. Аналогично диссоциации двухатомных газов протекает диссоциация трехатомных газов, которые в сварочных процессах обычно представлены водяным паром и углекислым газом, входящими в состав атмосферы. Водяной пар диссоциирует по реакции: 1 Н20 + Д ~ ~Нг + — Ог Я = 243 кДж/моль), 2 для которой зависимость между степенью диссоциации и константой равновесия представлена в виде номограммы на рис.
8.8. Кроме того, константа равновесия реакции (9.8) при р = 1 может быть подсчитана по эмпирическому уравнению Чипмена— Самарина: 0,5 РнгРог 13154 (9.9) Рн,о Приняв во внимание, что одновременно при диссоциации выделяются водород и кислород, можно заключить, что диссоциация водяных паров в зависимости от условий протекания реакции (9.8) без участия атмосферного кислорода будет создавать для различных металлов окислительный или восстановительный характер среды. Если упругость диссоциации кислорода, выделяющегося из водяного пара, превышает упругость диссоциации кислорода из НгО оксида металла (р г > ), металл будет окисляться за счет Ог Рог кислорода диссоциированного водяного пара: Ме+ Н20„ар -+ МеО+ Нг.
392 Если же упругость диссоциации кислорода из водяного пара меньше упругости диссоциации кислорода из оксида металла ~~), реакция будет идти в обратном направлении, т. е. !Рог о, металл будет восстанавливаться из оксида водородом диссоциированного водяного пара: МеО+ Нг -+ Ме+ НгОпар. С02+ Д ~~ СО+ — 02 (Д = 289 кДж/моль). (9.10) 1 2 Зависимость константы равновесия реакции (9.10) от температуры определяется по формуле Вант-Гоффа (8.42) либо при р = 1 по уравнению Чипмена — Самарина О,5 РСОРог 14545 18К =18 г = — +4,405, РСО (9.11) ГДЕ РСО РОг, РСОг р — парциальные давления соответственно газов СО, 02 и С02. Итак, задавая значения температуры, с помощью уравнений (9.11) и (9.б) или номограммы (см.
рис. 8.8) можно определить константы равновесия, степень диссоциации и соответствующий состав газов. На рис. 9.3 приведен результат таких расчетов для интервала 1800...4000 К. Как видим, в области температур около 4000 К углекислый газ почти полностью диссоциирован, а вблизи поверхности сварочной ванны (при температуре 1800...2 ) 0...2000 К) его степень диссоцнации незначительна. В зависимости от соотношения упругости диссоциации кислорода из оксида и из С02 направление реакции (9.10) определяет 393 С повышением температуры степень диссоциации водяных паров увеличивается и при 5000 К приближается к единице. Следует учесть, что обычно концентрация водяного пара в воздухе не является достаточной, чтобы обеспечить восстановление металлов.
Однако сварка в специально полученном так называемом сухом водяном паре, не содержащем атмосферного кислорода, в принципе возможна — для углеродистых сталей. Углекислый газ при высоких температурах также активно диссоциирует по реакции 100 о 0,8 0,6 М „- 0,4 Е Я 02 о О О 1800 2600 3400 Т, К Рис. 9.3. Влияние температуры на степень диссоциации углекислого газа и парпиальные давления продуктов лиссоциации окислительный или восстановительный характер среды, создаваемой для жидкой сварочной ванны при диссоциации углекислого газа.
Если упругость диссоциации кислорода из оксида металла меньше, чем из углекислого газа (Ро, < Ро, ),то в ~р~д~ бузго со, дуг развиваться окислительные процессы, т. е. Ме+ СОз -э МеО+ СО. При обратном соотношении упругостей диссоциации мо со, оз оз На рис. 9.4 дан график зависимости содержания СО от температуры в присутствии паров твердого углерода.
Уже при температуре 1100 К содержание СО в газовой смеси приближается к 100 'А. Следовательно, создается восстановительная для металла среда и становится возможной, например, реакция восстановления оксидов железа: ЕеО+СО ~~ Ее+ С02. Поэтому при сварке сталей угольным электродом не требуется дополнительной защиты газом или флюсом. 90 В 80 70 О 50 й 30 О 20 1О 0 700 900 1100 1300 Т К Рис.
9.4. Изменение содержания СО в присутствии твердого углерода при повышении температуры та же среда проявляет восстановительные свойства: МеО+ СО -+ Ме+ С02. Парциальное давление кислорода в реакции (9.10) зависит от температуры, давления и соотношения концентраций СО2 и СО, т. е. (9.12) Это значит, что с увеличением температуры Т и отношения Рсо, , а также согласно выражению (9.6) при уменьшении давле- Рсо ния р в системе растет окислительная способность диссоциирую- шего углекислого газа. Лишь при дуговой сварке неплавящимся, но испаряющимся угольным электродом наличие паров твердого углерода весьма существенно снижает эту способность, так как энергично развивается реакция СО2+ Саар+ 0 ~ ~2СО ©= 142,6 кДж/моль), (9 13) 394 9.1.2.
Образование соединений между компонентами газовой смеси Наряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных газов для высоких температур сварки плавлением характерно образование молекул газа в эндотермических реакциях при взаимодействии кислорода и водорода с другими газами: азотом, водородом и фтором. Например, азот Х2 и кислород 02 при Т = 3500 К взаимодействуют с образованием оксида азота ХО по реакции, которая сопровождается поглощением тепла: Х2 + 02 д2 2НО ( — 181,4 кДж/моль).
(9.14) Образующийся оксид азота может существовать в нераспавшемся виде при пониженных температурах (Т < 3500 К). В контакте с металлом ванны при температурах 1800...1900 К он распадается и играет существенную роль как окислитель; он передает атомы кислорода и азота на поверхность жидкого металла. По мнению многих исследователей, оксид азота одновременно передает азот и кислород расплавленному металлу. Подтверждением этому служит тот факт (рис 9.5), что с увеличением кислорода в газовой среде растет и насыщение металла азотом, хотя степень его диссоциации невелика (см.
рис. 8.9). 395 )Ч, % (мас.) Рис. 9.5. Зависимость содержания азота в металле шва от парциального давления азота для разного состава защитной атмосфры (Н2 и 1Ч2' )Ч2,' 02 н Х2) при гР=!О МПа 0,15 О,!О 0,05 0,3 0,5 0,7 0,9 Рн„МПа [С), = Аехр — — ~, Е1 )гТ, (9. 15) 397 В низкотемпе а н " ванна сое р тур ой зоне также происходят реакц б динении ОН и фтористого водорода НР, не а ии о разов металле. Эти еак ии ода, не растворимых ав ти реакции используют для снижения парц д пения водорода над сварочной ванной. арциального 9.1.3. Насыщение асп р лавлеиного металла газами в капле и сварной ванне В жидком металле капель и свароч нои ванны происходят и о- цессы растворения газов столба д ги.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
