Описание металлургических процессов, обеспечивающих получение качественных соединений

2.2 Описание металлургических процессов, обеспечивающих получение качественных соединений

Высокие температуры, используемые при сварке плавлением, с одной стороны, понижают термодинамическую устойчивость оксидов, но, с другой стороны, скорость их образования резко увеличивается и за очень небольшое время сварочного цикла металлы поглощают значительное количество кислорода. Поглощенный кислород может находиться в металле или растворенном состоянии в виде оксидов или субоксидов, а также может создавать неметаллические включения эндогенного типа, образовавшиеся при раскислении металла более активными элементами. И то, и другое резко снижает качество сварных соединений, особенно пластичность металла шва. Исследования этого вопроса показали, что основная масса кислорода в металле обычно находится в неметаллических включениях. Источниками кислорода в металле при сварке служат окислительно-восстановительные реакции между металлом и атмосферой сварочной дуги, металлом и шлаками, образующимися в результате плавления флюсов или при разложении и плавлении компонентов электродного покрытия, а также взаимодействии с наполнителям порошковой проволоки.

Особенно велики скорости взаимодействия металла с окружающей средой в высокотемпературной зоне сварки, к которой следует отнести каплю плавящегося металла на торце электрода или электродной проволоки, дуговой или плазменный разряд и переднюю часть ванны. Более медленно эти процессы развиваются в хвостовой части ванны, так как там температура приближается к температуре кристаллизующегося металла. Температурный перепад между этими зонами настолько велик, что реакции окисления – восстановления меняют свое направление. Так в капле плавящегося на электроде металла происходит интенсивное поглощение кремния и марганца в результате окисления железа, в то время как в хвостовой части сварочной ванны кремний и марганец восстанавливают железо, окисляясь сами. Кроме того, взаимодействие металла с кислородом при сварке осложняется образованием растворов оксидов в металлах, а это сильно изменяет термодинамическую устойчивость из-за возрастания энтропии в процессе растворения.

Раскисление металла сварочной ванны - восстановление металла сварочного соединения требует удаления кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жидком состоянии.

Восстановление или раскисление сварочной ванны можно осуществлять несколькими способами:

1) Извлечение его более активными металлами – раскисление осаждением.

2) Восстановление металла газовой атмосферой, контактирующей с металлом сварочной ванны.

3) Извлечение оксидов из металлической ванны, путем обработки ее шлаками.

Все эти методы реализуются в сварочной технологии, но для различных металлов они будут применяться с различным успехом. Так, для металла с высокой термодинамической устойчивостью оксидов эти способы восстановления почти не дают эффекта и для получения качественного соединения из этих металлов необходима по возможности полная изоляция их от окисляющей атмосферы.

Легирование металла шва при ручной сварке покрытыми электродами: Металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия, легирование осуществляется следующим образом:

- легирование путем введения в покрытие электрода порошкообразных металлических добавок или ферросплавов – марганца, кремния, титана;

- легирование в результате восстановления оксидов, входящих в состав покрытия, легко осуществляемое для малоактивных металлов и ограниченное для таких элементов, как марганец, кремний и хром;

- легирование путем изменения состава электродных проволок, дающие самые стабильные результаты;

- легирование в результате расплавления основного металла, что имеет место при сварке высокопрочных и теплоустойчивых сталей.

2.3 Термодинамическое исследование одного из вероятных металлургических процессов

Рассмотрим реакцию

Определим вероятность протекания прямой реакции при различных температурах.

Табл. 3.2 – Значения стандартных параметров реагирующих веществ.

ΔG_тº = ΔHº₂₉₈ – ΔSº₂₉₈ ·T –  ·f(T) · T

где ΔG_тº- свободная энергия Гибса, кДж/моль;

ΔHº₂₉₈ – энтальпия (кДж/моль);

ΔSº₂₉₈ – энтропия (ДЖ/моль^.К);

 – теплоемкость (ДЖ/моль^.К);

f(T) – функция Улиха;

Т – абсолютная температура (К).

Формула для вычисления энтальпии:

ΔHº₂₉₈ = ΣΔHº_пр – ΣΔHº_исх = – ( +  )

ΔHº₂₉₈ = – 1676 – (0 + 0) = – 1676 кДж/моль

Знак “–“ для ΔH свидетельствует о том, что процесс протекает с выделением тепла.

Формула для вычисления энтропии:

ΔSº₂₉₈ = ΣΔSº_пр + ΣΔSº_исх = – ( +  )

ΔSº₂₉₈ = 50,92 – (28,35 + 205,04) = – 182,47 кДж/моль·К

Формула для вычисления теплоемкости:

Δ = ΣΔСрº_пр + ΣΔСрº_исх =  – (+)

Δ = 79,04 – (24,35 + 29,35) = 25,34 кДж/моль·К

Функцию Улиха вычисляем по формуле:

f(T) = ln() +  – 1

Найдем численные значения функции Улиха для определенных температур:

f(0) = 0;

f(1000) = 12,8895;

f(2000) = 26,6782;

f(3000) = 35,6941;

f(4000) = 42,3547;

f(5000) = 47,6316;

f(6000) = 51,9999.

Рассчитаем свободную энергию Гиббса ΔG°_т для температур 298 – 6000 К, результаты заносим в таблицу 6.

Таблица 6- Результаты вычислений

По данным таблицы строим график зависимости ΔG°_т(Т) (рисунок 1).

Рисунок 1. График зависимости ΔG°_т(Т)

По графикам можно сказать, что:

а) с повышением температуры термический эффект реакции снижается, поскольку энтальпия возрастает;

б) с увеличением температуры скорость реакции только нарастает.

Похожие работы

Методические приемы развития воображения и творческих способностей детей младшего школьного возраста на занятиях кружка декоративно - прикладного искусства по художественной обработке бересты

Скачать

123612

5

0

... лучшее изделие декоративно-прикладного искусства, выделить и отметить наиболее удавшиеся работы. Это будет способствовать привлечению к занятиям декоративно-прикладным искусством новых и новых школьников.   3.2      Методическая программа уроков по художественной обработке бересты.   3.2.1    Пояснения.   За основу методической программы по художественной обработке бересты , взята ...

Влияние занятий основной гимнастикой на физическую подготовленность детей старшего дошкольного возраста

Скачать

77951

11

3

... В экспериментальной части работы были решены следующие задачи: ·          Разработка программы и методики использования средств основной гимнастики в системе физических упражнений для детей старшего дошкольного возраста, с целью развития их физической подготовленности. ·          Проверка эффективности применения средств основной гимнастики в рамках вариативной программы по физическому ...

Использование игровых приемов при коррекции лексико-грамматических нарушений у детей старшего дошкольного возраста с общим недоразвитием речи 3 уровня

Скачать

122123

7

8

... были подобраны и систематизированы дидактические игры, которые могут быть использованы в логопедической работе с детьми с общим недоразвитием речи 3 уровня по формированию у них грамматического строя речи.   2.2. Педагогическая технология коррекции лексико-грамматических нарушений у детей. Второй этап практического исследования, формирующий, был направлен на организацию коррекционной работы ...

Использование музыкально-игровых методов для развития художественно-творческих способностей младших школьников с задержкой психического развития

Скачать

83687

2

0

... работе нами была освещена проблема развития художественно-творческих способностей младших школьников с ЗПР с помощью использования музыкально-игровых методов. Мы поставили перед собой цель: выявить музыкально-игровые методы для развития художественно-творческих способностей младших школьников с ЗПР. Для достижения поставленной цели была проведена следующая работа: -   изучен передовой научный ...