Термодинамический метод оценки протекания реакций при сварке.

Термодинамическое равновесие основано на законе сохранения содержания всех веществ, участвующих в реакции, как угодно долго при постоянных температуре и давлении. Поэтому, если подходить строго, то понятие термодинамического равновесия в целом неприменимо к зоне плавления при сварке, поскольку металл в сварочной ванне и контактирующие с ним фазы непрерывно изменяют свою температуру, а сварочная ванна непрерывно разбавляется новыми порциями еще непрореагировавших веществ — защитной среды, основного металла и сварочной проволоки. Тем не менее это понятие, а также расчетные и опытные данные о константах равновесия отдельных реакций оказываются весьма полезными для анализа металлургических реакций при сварке плавлением по двум причинам:

  1. В каждом элементарном объеме сварочной ванны реакции стремятся к состоянию равновесия и, следовательно, использование термодинамических данных позволяет в большинстве случаев предсказать наиболее вероятное их направление.
  2. В сварочной ванне (зоне плавления) при сварке реакции взаимодействия протекают с большими скоростями, и поэтому можно ожидать состояния, близкого к равновесному.

Неравномерность температурного поля в зоне плавления весьма затрудняет выбор значения температуры, к которому следует относить расчеты равновесия. Поэтому термодинамические расчеты можно вести лишь условно, разбив зону плавления на участки и принимая для каждого участка какую-либоодну температуру за равновесную. Практически удобно вести расчеты для двух стадии: стадии капли и стадии ванны, выбирая за равновесную для каждой из них, например, среднюю температуру металла. Исходные концентрации реагентов при этом, естественно, будут различными для каждой из названных стадий. Такого рода расчеты позволяют приближенно оценить возможность протекания той или иной реакции и ее вероятное направление по величине стандартного изменения свободной энергии. При этом немалые трудности вызывает недостаточность термодинамических данных (активностей, температурных функций констант равновесия и др.) для многих сварочных систем.

В качестве примера можно привести попытку теоретически доказать возможность восстановления титана из (ТiO2)ф при сварке под флюсом системы СаО — Al2O3 — Ti02 — СаF2 в работе (2). Константа равновесия реакции:

(TiO_2) + 2 delim{[}{Fe}{]} leftright 2 (FeO) + delim{[}{Ti}{]}

K_{TiO_2} = a_{Ti} {a_{FeO} / a_{TiO_2}} = v_{Ti} N_{Ti} {a{FeO} / a{TiO_2}}

Откуда

N_{Ti} = K_{TiO_2} {1 / v_{Ti}} * {a_{TiO_2} / a_{FeO}}

При пересчете мольных долей в проценты:

N_{Ti} = {{1/48 delim{[}{% Ti}{]}} / {1/56 delim{[}{% Fe}{]} + 1/48 delim{[}{Ti}{]}}} = 0,0116 delim{[}{% Ti}{]}

delim{[}{% Ti}{]} = 86 K_{TiO_2} / v_{Ti} * a_{TiO_2} / a_{FeO}~~~~(1)

Величину KTiO2 можно найти по известной стандартной свободной энергии Δ Z2980 для реакций:

TiO leftright Ti + O_2~~~~~~~~Delta Z^0 = 217500 - 41,4T

2Fe + O^2 leftright 2FeO + Ti~~~~~~~Delta Z^0 = -111250 + 21,67T

TiO_2 + 2Fe leftright 2FeO + Ti~~~~Delta Z = 106250 - 19,73T

lgK_{TiO_2} = -{{Delta Z^0} / 4,575T} = -{23210 / T} + 4,31~~~~~(2)

Коэффициент активности титана в расплаве железа определяется по уравнению (2)

lgv_{Ti} = -{2076 / T} + 0,094~~~~~(3)

Активности Ti02 и FeO для каждого состава флюса были определены на основе теории регулярных растворов по формуле (2)

RT lg v_q = sum{i=1}{q-1}{x_i Q_{iq}} + sum{i=q+1}{k}{x_i Q_{qi}} - sum{i=1}{k-1}{} sum{j=i+1}{k}{x_j x_i Q_ij}~~~~(4)

где k — количество оксидов в шлаке; vq — коэффициент активности компонента; Qiq, Qqi, Qij— энергии смешения соответствующих пар компонентов (i и q; q и i; i и j); Xi — мольная доля оксида:

x_i = {v_i n_i} / {sum{i=1}{}{v_i n_i}}

ni — число молей оксида в шлаке; vi — число катионов в химической формуле оксида.

Поскольку данных об энергиях смешения рассматриваемых оксидов нет, их определяли по разности энергий образования комплексных соединений и соответствующих оксидов из элементов.

При подстановке в формулу (1) данных, рассчитанных по уравнениям (2) — (4), можно найти равновесные концентрации титана.






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.