 |
Реклама. ООО ГК "Велунд Сталь" ИНН 9725035180 Erid: 2SDnjdphxRi
| |
Основные закономерности развития металлургических процессов
Физико-химические процессы, протекающие в зоне плавления, удобно рассматривать на основе законов химической термодинамики. Для металлургических процессов при сварке характерно, что:
в каждом отдельном объеме зоны плавления (гомогенном или гетерогенном) реакции стремятся к состоянию равновесия, как наиболее выгодному с энергетической точки зрения;
переход из неравновесного состояния, характеризующегося свободной энергией G1 в равновесное с энергией G2 сопровождается уменьшением свободной энергии системы взаимодействующих веществ (ΔG = G2-G1<0);
величина ΔG, определенная для реакции соединения веществ (например, для металла с кислородом), характеризует тенденцию к соединению или так называемое химическое сродство.
Химическое сродство тем больше, чем быстрее убывает свободная энергия системы взаимодействующих веществ при переходе от некоторого наперед заданного состояния в равновесное.
Величину ΔG изобарного потенциала (как и изохорного) при температуре Т вычисляют из уравнения
ΔG=ΔH-TΔS, (10)
где ΔН - алгебраическая сумма теплосодержаний продуктов реакции, взятых с плюсом, и исходных веществ, взятых с минусом; ΔS - алгебраическая сумма энтропии, полученная по тому же принципу. Величины ΔН и ΔS вычисляют с использованием термохимических констант равновесия веществ - участников реакции.
Результаты расчета по формуле уменьшения свободной энергии системы для различных свободных (чистых) окислов (10), представляющих интерес для металлургических процессов при сварке для температур 1500-2300 К, показаны на рис. 29. Каждый элемент, сродство которого к кислороду больше (на рис. 29 каждая вышележащая линия), способен отнимать кислород от окислов элементов с меньшим сродством, являясь по отношению к окислам таких элементов восстановителем. С повышением температуры сродство к кислороду у всех элементов, за исключением углерода, уменьшается. Углерод, благодаря особым свойствам, может стать при повышении температуры активнее всех остальных элементов, что используется для регулирования некоторых важных процессов при сварке сталей. Для окислов и элементов, находящихся в одной ванне, сродство к кислороду зависит от концентрации этих элементов [Nx] и кислорода [О] в растворе.
 
В данном случае приращение свободной энергии для реакций окисления, проходящих между кислородом и элементами, растворенными в малоуглеродистой или низколегированной стали, определяют по формулам:
для железа - основы сплава
где [Онас] - концентрация кислорода в насыщенном растворе;
для легирующих элементов
Показатели степени m и n являются стехиометрическими коэффициентами реакции окисления любого элемента
Результаты расчета изменения сродства железа, кремния и марганца к кислороду в стали по уравнениям (11) и (12) изображены на рис. 30. Из рисунка видно, что сродство к кислороду у легирующих элементов в растворе меньше, чем у свободных элементов. Сродство к кислороду основы сплава - железа зависит от концентрации в сплаве кислорода [О], и оно увеличивается, достигая предельного значения при [Онас].
При использовании уравнений (11) и (12) получают громоздкие выражения, которые не всегда обеспечивают высокую точность расчета. Поэтому на практике применяют упрощенные методы расчета.
Тенденция к изменению состава расплавленного металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой тем значительнее, чем дальше от равновесия находились первоначально системы взаимодействующих веществ (чем меньше ?G). Указанная тенденция реализуется тем лучше, чем больше скорость реакции, т. е. чем выше температура. Изменение химического состава наплавленного металла зависит также от относительной поверхности контакта со средой (отношение поверхности жидкой металлической фазы к ее объему v), относительных масс шлака и газа (отношение масс шлака и газа к массе жидкого металла w) и от длительности
Металлургические процессы при сварке протекают кратковременно с большим градиентом температур, со значительным перемешиванием взаимодействующих фаз. Взаимодействие между шлаком, газом и металлом происходит на стадии капли и ванны. На стадии капли имеет место небольшая отдаленность системы от состояния равновесия, так как температура металла при сварке стальными электродами соответствует 2000- 2300 °С и максимальная относительная поверхность контакта металла с газом и шлаком составляет 10-2-10-3 м2/кг. За короткий период (0,01-0,8 с) на стадии капли интенсивно происходит и практически полностью завершается легирование металла из покрытий электродов и из флюсов. В этот период имеются значительные потери легирующих элементов от окисления кислородом газовой фазы и от испарения.
На стадии ванны характерны сравнительно невысокая температура металла (1700-1800 °С) и на порядок меньше относительная поверхность контакта фаз. На этой стадии время контакта металла с газом и шлаком достигает 5-50 с, но перечисленные процессы почти не получают полного развития. На стадии капли параметры Т, v, ψ, τ в большей мере зависят от параметров режима сварки. Изменение режима сварки вызывает значительные изменения химического состава наплавленного металла при сварке в среде защитных газов и под слоем флюса. Меньшее воздействие на ванну оказывается при сварке стержневыми толстопокрытыми электродами, где изменение режима не влияет на относительную массу шлака, которая предопределена толщиной покрытия. Изменение параметров дуговой сварки (увеличение напряжения, уменьшение диаметра электрода, переход с прямой полярности на обратную, уменьшение силы тока) способствует усилению процессов на стадии капли, приводя к возрастанию потерь металла от окисления при сварке в среде С02. Применение для защиты легирующих флюсов в данном случае ведет к увеличению перехода легирующих элементов из флюса в металл. | 
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ