Пример Термодинамический и кинетический анализ процессов, протекающих при дуговой сварке

Практическое занятие 2

Гетерогенные процессы при сварке.

Взаимодействие металлов и сплавов с окружающей средой зависит как от свойств соединяемых металлов, так и от внешних условий (среда, температура, давление). В зависимости от условий выполнения соединений в качестве среды используются:

1. газообразная среда,

2. шлаки,

3. вакуум.

Процессы получения неразъёмных соединений относятся к гетерогенным. Оценку гетерогенных процессов проводят различными способами.

А) Экспериментально оценку взаимодействия сплавов со средой можно произвести комплексно, по данным химического анализа. В этом случае рассчитываются исходная концентрация с учётом долей участия основного “m” и присадочного “n” металла:

[Ме]_исх = m [Ме]_осн + n [Ме]_пр

После определения по результатам химического анализа действительной концентрации [Ме]_д , рассчитывают коэффициенты перехода η :

η = [Ме]_д / [Ме]_исх

и по ним судят комплексно о характере процесса.

В) Термодинамическая оценка - позволяет определить направление развития реакции:

Константа равновесия (при постоянной температуре)

lg К_р = - ΔG^о_т/ [ 4,575 Т]………………… . (1)

А+В=С+Д ……………………. . (2)

Для экзотермических реакций ΔG < 0

К_р = (С)_*(Д)/ [(А)_*(В)] .. ………… (3)

В равновесных условиях:

К_р (А)(В)= (С)(Д)……………… (4)

Однако при сварке и пайке равновесие достигается не во всех случаях.

Для оценки развития процессов в условиях сварки в уравнение (4) подставляют исходные концентрации компонентов реакции (2):

(А)_исх(В)_исх и (С)_исх(Д)_исх

При этом, если (А)_и(В)_и > (C)_и(Д)_и………………………. (5),

то до установления равновесия, определяемого температурой, реакция будет развиваться в сторону продуктов, т.е. вправо.

Если же (А)_и(В)_и < (С)_и (Д)_и ………………………… (6),

до установления равновесия реакция будет развиваться в обратном направлении, влево (в сторону исходных компонентов).

Таким образом, меняя исходные концентрации компонентов, можно регулировать развитие реакции (2) в любом нужном для нас направлении.

Регулирование возможно до достижения системой равновесия. Затем уже действительные концентрации компонентов реакции будут определяться характером изменения К_р , а следовательно – температурой. Но, в условиях сварки температура Т непрерывно меняется, что затрудняет термодинамическую оценку и обычно в уравнении:

Lg К_р =- ΔG^о_т/4,575Т используют Т=Т_{св.ванны}

С) Кинетические особенности развития химических реакций в условиях сварки на границе раздела (среда-металл)

Взаимодействие сплавов при сварке и пайке протекает на границе раздела: металл (конденсированная фаза) – среда (газ) и вследствие этого относится к ряду гетерогенных процессов.

Характерной особенностью гетерогенных процессов является их многостадийность:

1 стадия – подвод компонентов реакции к поверхности раздела,

2 стадия – собственно реакция, приводящая к изменению химических связей,

3 стадия – отвод компонентов реакции от поверхности раздела.

Первая и третья стадии контролируются диффузионными процессами (молекулярной или турбулентной диффузией). Вторая стадия контролируется процессом разрушения старых и созданием новых химических связей. Любая из рассматриваемых стадий может контролировать ход процесса. Очевидно, что скорость процесса будет определяться стадией с минимальной скоростью. Если минимальную скорость имеют 1-я и 3-я стадии – говорят , что реакция протекает в диффузионной области реагирования. Если минимальную скорость имеет 2-я стадия – реакция протекает в кинетической области реагирования.

В условиях сварки все реакции протекают в диффузионной области - лимитирует транспортное звено: доставка и отвод компонентов.

1. гетерогенные реакции развиваются на границе раздела фаз, их интенсивность будет зависеть от площади поверхности раздела (величина которой меняется в течение процесса). В условиях сварки плавлением на стадии нагрева площадь поверхности раздела значительно больше, чем на стадии охлаждения: S_н>>S_охл , и, следовательно, интенсивность развития реакции на стадии нагрева будет больше, чем на стадии охлаждения.

2. Учитывая, что гетерогенные реакции при сварке протекают в диффузионной области, а протяжённость стадии нагрева меньше, чем охлаждения: τ_н < τ_охл , это должно несколько уменьшить различие в интенсивности развития реакции на стадии нагрева.

Экспериментально установлено: для сварки плавлением на стадии нагрева выход реакции больше, чем на стадии охлаждения.

Пример:

ИСПАРЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ СВАРКЕ И ПАЙКЕ

Практическое занятие 3.

Взаимодействие металла сварочной ванны со шлаками

Шлаки – жидкие фазы, построенные на основе оксидов и солей. В условиях сварки шлаки формируются в результате расплавления электродных покрытий и флюсов.

Основные функции шлаков:

 защита расплавленного металла;

 металлургическая обработка сварочной ванны.

Шлак взаимодействует с металлом:

• на стадии капли;

• на стадии полета капли;

• ванне.

Характер взаимодействия шлака с металлом зависит:

 от характера переноса электродного металла,

 от интенсивности перемешивания шлака и металла:

 от соотношения количества шлака и металла:

а) ДЭС покрытыми электродами: шлак/Ме=1520%;

б) ДЭС под флюсом: шлак/Ме=3040%.

Перечисленные три фактора определяются с одной стороны режимом сварки (I, V_св., U_д), с другой – способом сварки (т. е. соотношением шлак/Ме).