Оценка раскислительных свойств химических элементов при дуговой сварке сталей

Лабораторная  работа 3

Оценка  раскислительных свойств химических элементов при дуговой сварке сталей

   Цель работы: Конкретизировать ряд основных положений металлургических процессов при дуговой сварке, а именно оценить раскислительные свойства различных химических элементов с помощью изобарно-изотермического потенциала.

Высокие температуры, возникающие при дуговой сварке, способствуют поглощению металлом сварочной ванны значительного количества кислорода. Источниками кислорода при этом служат окислительные реакции между металлом и шлаком, образующимся в результате плавления флюсов или при разложении и плавлении компонентов электродных покрытий.

Поглощенный кислород находится в металле в свободном  состоянии или в виде оксидов, которые резко снижают пластичность металла шва. Оксидом, хорошо растворяющимся в металле сварочной ванны при сварке сталей , является FeO.

Для удаления из жидкого металла кислорода, растворенного  в виде оксида FeO, применяют раскисление сварочной ванны. При раскислении используют химические элементы, которые при температуре процесса и соответствующей их концентрации обладают большим сродством к кислороду, чем элементы основы сплава и их легирующие составляющие. Такие элементы называются раскислителями.

Реакция раскисления  в общем виде может быть представлена как

[Me_хО_у] + Z[Ra] <=> х[Ме] + (Ra_zO_y),                           (1)

 

где [Ra] - элемент раскислителя; [Ме_хО_у] - оксид основы сплава Me; (Ra_zO_y) - оксид элемента раскислителя; [Me] — основа сплава.

Раскислители  в результате взаимодействия с окисленным металлом образуют продукты реакции либо r-азообразные, удаляемые в атмосферу, либо конденсированные (жидкие или твердые), удаляемые в шлак. Раскислителями, образующими газообразные продукты раскисления при сварке сталей, являются углерод, водород, а раскислителями, образующими конденсированные продукты раскисления - марганец, кремний, титан, алюминий.

Направление реакции (1) и тем самым возможность  раскисления FeO каким-либо химическим элементом оцениваются по изменению изобарно-изотермического потенциала ΔG° _T.

ΔG°_T = ΔН°_Т -T∙ΔS°_Т,                                              (2)

где ΔН°; ΔS° - изменение энтальпии и энтропии химической реакции при температуре Т.

_{;                                               (3)}

_{;                                                (4)}

где , - изменение энтальпии и энтропии химической реакции при

стандаргных условиях (Т = 298 К, Р = 10133 кПа); - изменение теплоемкости веществ, участвующих в реакции (1).

При ΔG° _T < 0 реакция (1) смещается вправо, в сторону раскисления металла сварочной ванны химическим элементом. При ΔG° _T > 0 реакция (1) идет влево, т.е. раскисление отсутствует.

Уравнение (2) для реакции (1) можно записать в таком виде:

 

 

 

 

₍₅₎

 

Значения  , и для различных веществ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Термодинамические свойства простых веществ и неорганических соединний

Вещество	, кДж/моль	, Дж/(моль∙К)	Ср =а + b∙Т-с∙Тˉ2, Дж/(моль∙К)
1	2	3	4
Mn Si Ti Al C Mg Ca MnO CO FeO Fe MgO CaO Cr V P Zr Nb B Mo NbO	0 0 0 0 0 0 0 0 -385,18 -837,82 -941,61 -1670,91 -110,59 -393,77 -280,51 0 -241,98 -602,22 -635,97 0 0 0 0 0 0 0 -1256,04 -406,12 -1264,4 -755,0 -1097,46 1507,2 -1140,56	31,78 18,71 30,31 28,34 5,69 130,6 32,53 41,56 60,28 46,89 50,28 51,02 198,03 213,78 54,00 27,17 188,81 26,79 39,77 23,78 29,52 44,38 38,43 34,75 5,86 28,59 98,72 50,24 54,05 78,2 50,36 140,0 81,17	=20,14+17, 7∙ 10ˉ3 ∙Т =24,03+2,587∙ 10ˉ3 ∙Т-4,23∙ 105∙T ˉ2 =37,4+4,78 ∙10ˉ3 ∙Т-18,18 ∙105 ∙T ˉ2 =29,3 =11,2+10,95 ∙10ˉ3 ∙Т-4,88∙ 105∙T ˉ2 =27,6+2,863∙ 10ˉ3∙T =25,65+5,506∙ 10ˉ3T-2,805∙105∙T ˉ2 =26,27+5,844∙ 10 ˉ3∙T =46,48+8,12 ∙10ˉ3∙T-3,68 ∙105∙T ˉ2 =45,51+36,47 ∙10ˉ3∙T -10,09 ∙105∙T ˉ2 =49,57+31,62∙10ˉ3∙T = 114,6+12,9∙10ˉ3 ∙Т-34,3 ∙105∙T ˉ2 =27,6+5,03∙ 10ˉ3∙T =43,1 +11,05 ∙10ˉ3 ∙Т-8,177∙ 105 ∙Т ˉ2 =52,9+6,264∙10ˉ3∙T-3,19 ∙105 ∙Т ˉ2 =46,18 =30,14+11,30∙10ˉ3∙T =45,13+4,978∙ 10ˉ3∙T -8,67∙105∙Т ˉ2 =49.56+3.20∙10ˉ3∙T -6,87 ∙105∙T ˉ2 =20,67+12,34 ∙10ˉ3 ∙Т =22,67+8,77∙ 10ˉ3 ∙T-0,63 ∙105∙T ˉ2 =23,05 =21,97+11,63∙ 10ˉ3 ∙T =23,9+39,48∙ 10ˉ3∙T = 16,78+9,04 ∙10ˉ3 ∙Т-7,49 ∙105 ∙Т ˉ2 =24,35+48,2∙ 10ˉ3 ∙Т-14,54 ∙105∙T ˉ2 = 122,8+19,91∙ 10ˉ3 ∙Т -22,67 ∙105∙Tˉ 2 =40,19+18,42∙ 10ˉ3 ∙Т =36,53+106,32 ∙103 ∙Т-5,48∙ 105 ∙Т ˉ2 =62,7+50,3 ∙10 ˉ3∙T =69,62+7,53∙ 10ˉ3 Т-14,06∙105 ∙Т ˉ2 =35,06+22,61 ∙103∙T = 119,37+9,2 ∙103∙T-15,65 ∙105∙T ˉ2

 

Содержание  работы

В работе рассчитывают изменение изобарно-изотермического  потенциала реакций раскисления FeO каким-либо раскислителем в зависимости от температуры. При отрицательном значении ΔG° _T выбранный элемент можно применять в качестве раскислителя при сварке металлов. При получении положительного значения ΔG° _T раскисление сварочной ванны выбранным элементом не происходит.

Проделав аналогичные  расчеты с различными элементами и сравнив при этом полученные значения ΔG° _T, можно оценить раскислительные свойства этих элементов.

Оборудование, приборы, материалы

Для выполнения работы необходимо иметь компьютер, пакет прикладных программ Eureka, микрокалькулятор, таблицы, в которых приведены теплоемкости, стандартные величины энтальпий и энтропий элементов и химических соединений.

Порядок выполнения работы

1. Записать реакции раскисления металла сварочной ванны заданными элементами-раскислителями.
2. По уравнению (5) записать изменение изобарно-изотермического потенциала для заданной реакции раскисления.
3. Из табл. 1 выбрать стандартные изменения энтальпии, энтропии и значения теплоемкости для веществ, участвующих в реакции раскисления.
4. Задавшись несколькими значениями температуры Т, рассчитать значения ΔG° _T. Расчеты произвести на компьютере (см. прил. 3).
5. Построить графическую зависимость ΔG° _T  от Т.
6. Оценить раскисляющую способность отдельного химического элемента в зависимости от температуры. Сравнить раскисляющую способность разных элементов.

Пример. Рассчитать изменение изобарно-изотермического потенциала ΔG° _T для реакции раскисления оксида железа FeO алюминием при Т = 2000 К.

Запишем реакцию  раскисления.

3[FeO] + 2[А1] <=> 3[Fe] +(А1₂О₃).                                    (6)

Согласно уравнению (5) для этой реакции ΔG° _T будет иметь вид:

 

 

 

 

  (7)

 

Подставляя  из табл.1 значения , , для веществ, записанных в правой части уравнения, и интегрируя его, получим

Подставив Т = 2000 К в правую часть уравнения, получим = -703,84 кДж/моль. Отрицательное значение означает, что реакция смещается вправо, т.е. раскисление FeO алюминием имеет место.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Как изменяется изменение изобарно-изотермического потенциала в зависимости от температуры?
2. Какова связь между отрицательным и положительным значениями на ход реакции раскисления?
3. Как связать величину изобарно-изотермического потенциала с раскислительной способностью химических элементов при сварке?