Анализ состава газовой фазы в столбе дуги

Анализ состава газовой фазы в столбе дуги

Т емпература газов и паров в столбе дуги достигает 6000 К, что чрезвычайно усиливает их химическую активность и интенсифици­рует процессы взаимодействия с металлами и между собой отдель­ных компонентов газовой среды. Кроме того, активация взаимодействия газов с металлом обу­словлена высокой температу­рой металла в месте сварива­ния. Принято различать две зоны (рис. 9.1): зона 1 высоких температур, достигающих тем­пературы кипения, и зона 2 пониженных температур, приб­лижающихся к температуре плавления. В высокотемпера­турную зону входят капля на электроде, капля, проходящая столб дугового разряда, и ак­тивное пятно на передней стенке сварочной ванны. Кроме того, взаимодействие металла с газами в зоне дуги усиливается электри­ческим потенциалом между анодом и катодом и движением заряженных газовых частиц в электрическом поле дуги.

Чрезвычайно важную роль играет и интенсивное перемешива­ние жидкого металла сварочной ванны (рис. 9.2), увеличивающее площадь соприкосновения газа с жидким металлом и его распре­деление по объему в зоне пониженных температур. Физико-химические процессы в металле, протекающие с участием газовой среды, оказывают большое влияние на качество сварных соедине­ний. Важнейшими из этих процессов являются диссоциация и ио­низация газов, растворение газов в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодейст­вии с металлом.

2. Степень диссоциации атмосферных газов в столбе дуги

 

Образование соединений между компонентами газовой смеси

Наряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных га­зов для высоких температур сварки плавлением характерно обра­зование молекул газа в эндотермических реакциях при взаимодей­ствии кислорода и водорода с другими газами: азотом, водородом и фтором. Например, азот N₂и кислород О₂при Т= 3500 К взаи­модействуют с образованием оксида азотаNOпо реакции, которая сопровождается поглощением тепла:

(9.14)

Образующийся оксид азота может существовать в нераспавшемся виде при пониженных температурах (Г< 3500 К). В контак­те с металлом ванны при температурах 1800... 1900 К он распадает­ся и играет существенную роль как окислитель; он передает атомы кислорода и азота на поверхность жидкого металла. По мнению многих исследователей, оксид азота одновременно передает азот и кислород расплавленному металлу. Подтверждением этому слу­жит тот факт (рис 9.5), что с увеличением кислорода в газовой среде растет и насыщение металла азотом, хотя степень его диссо­циации невелика (см. рис. 8.9).

В низкотемпературной зоне также происходят реакции образо­вания соединений ОН и фтористого водорода HF, не растворимых в металле. Эти реакции используют для снижения парциального давления водорода над сварочной ванной.

Модифицирование металла шва

Модифицирование металла шва направлено на измельчение кристаллитов шва. Оно осуществляется введением в жидкий ме­талл зародышей, т. е. твердых частиц, на гранях которых могут оседать атомы металла. Чем больше таких активных частиц, тем больше число зарождающихся кристаллитов и тем меньше их раз­меры. В качестве зародышей служат атомы тугоплавких металлов или их соединения, обладающие изоморфностью, т. е. таким же, как у металла шва, типом кристаллической решетки и близкими размерами. При выборе элементов-модификаторов необходимо предотвратить возможность их окисления, образования карбидов или интерметаллидов с другими компонентами сплава. Это дости­гается использованием весьма малых долей элементов-модифи­каторов (в малых долях их химическая активность снижается). Наи­более часто модифицируют сталь титаном и цирконием. В алюми­ниевых сплавах наилучшим модификатором является скандий Sc. При вводе скандия в жидкий алюминий образуется соединениеAI₃Sс (Т _пл= 1593 К) с ОЦК-решеткой, параметр которой равен 0,4105 - т. е. такой же, как и у алюминия. Другие модификаторы (Ti,Zr) менее эффективны, так как образуют неизоморфные со­единенияAl₃TiиAl₃Zrс тетрагональной решеткой (а = 0,40, с =1,7315).

Основные понятия первого начала термодинамики. Внутренняя энергия, работа, их свойства

Термодинамика растворов. Основные понятия

Существование абсолютно чистых веществ невозможно – всякое вещество обязательно содержит примеси, или, иными словами, всякая гомогенная система

многокомпонентна. Если имеющиеся в веществе примеси в пределах точности описания системы не оказывают влияния на изучаемые свойства, можно считать систему однокомпонентной; в противном случае гомогенную систему считают

раствором.

Раствор – гомогенная система, состоящая из двух или более

компонентов, состав которой может непрерывно изменяться в некоторых пределах без скачкообразного изменения её свойств.

Раствор может иметь любое агрегатное состояние; соответственно их разделяют на твердые, жидкие и газообразные (последние обычно называют

газовыми смесями). Обычно компоненты раствора разделяют на растворитель и растворенное вещество. Как правило, растворителем считают компонент, присутствующий в растворе в преобладающем количестве либо компонент,

кристаллизующийся первым при охлаждении раствора; если одним из компонентов

раствора является жидкое в чистом виде вещество, а остальными – твердые вещества либо газы, то растворителем считают жидкость. С термодинамической точки зрения это деление компонентов раствора не имеет смысла и носит поэтому условный характер.

Одной из важнейших характеристик раствора является его состав,

описываемый с помощью понятия концентрация раствора. Ниже дается определение наиболее распространенных способов выражения концентрации и формулы для пересчета одних концентраций в другие, где индексы А и В относятся

соответственно к растворителю и растворенному веществу.

Молярная концентрация С – число молейνВ растворенного вещества в одном литре раствора.

Нормальная концентрация N – число молей эквивалентов растворенного вещества (равное числу молейνВ, умноженному на фактор эквивалентности f) в

одном литре раствора.

Моляльная концентрация m – число молей растворенного вещества в одном килограмме растворителя.

Процентная концентрация ω – число граммов растворенного вещества в 100

граммах раствора.

C= νB =

10ρω

=

N

(III.1)

V

MB

f

N=

fνB

= fC=

10fρω

(III.2)

V

MB

ω=

100gB

=

CMB

=

CMB

(III.3)

(gA+gB)

10ρ

10fρ

Еще одним способом выражения концентрации является мольная доля X -

отношение числа молей данного компонента к общему числу молей всех

компонентов в системе.

X		=		νB			=	νB		(III.4)
B	ν		ν		Σν
		A	+	B		i

Правило фаз Гиббса.

Ги́ббса пра́вило фаз, закон термодинамики многофазных многокомпонентных систем, согласно которому число фаз, сосуществующих в равновесии, не превосходит числа независимых компонентов более чем на 2. Установлено Дж. У. Гиббсом в 1875.

Правило фаз Гиббса определяет соотношение между числом фаз (Ф), компонентов (К), внешних переменных (П) и числом степеней свободы или вариантности (С) термодинамической системы, находящейся в равновесии и записывается следующим образом:

С = К + 2 – Ф;

Цифра 2 в правиле фаз связана с существованием 2-х переменных (температуры и давления), одинаковых для всех фаз. Например, правило фаз Гиббса для постоянного давления запишется как:

С = К +1 – Ф

В этом виде правило фаз применяется для анализа диаграмм фазового равновесия. В случае С = 0 систему принято называть нонвариантной. Она может существовать только при неизменных условиях. Изменение хотя бы одного из параметров системы вызовет изменение числа сосуществующих в системе фаз. При С = 1 система моновариантна. В этом случае только один параметр может быть изменен без одновременного изменения числа фаз; при С = 2 система дивариантна и т. д.

Правило фаз справедливо, если фазы однородны во всем объеме, имеют достаточно большие размеры и отсутствуют полупроницаемые перегородки. Если в системе не происходит химических превращений, то число независимых компонентов равно числу простых веществ, из которых состоит смесь. Если в системе возможны химические взаимодействия, то условия равновесия включают уравнения химических реакций.

Правило фаз Гиббса является основой физико-химического анализа сложных систем, используется для классификации различных случаев химического равновесия.

Анализ состава газовой фазы в столбе дуги

Т емпература газов и паров в столбе дуги достигает 6000 К, что чрезвычайно усиливает их химическую активность и интенсифици­рует процессы взаимодействия с металлами и между собой отдель­ных компонентов газовой среды. Кроме того, активация взаимодействия газов с металлом обу­словлена высокой температу­рой металла в месте сварива­ния. Принято различать две зоны (рис. 9.1): зона 1 высоких температур, достигающих тем­пературы кипения, и зона 2 пониженных температур, приб­лижающихся к температуре плавления. В высокотемпера­турную зону входят капля на электроде, капля, проходящая столб дугового разряда, и ак­тивное пятно на передней стенке сварочной ванны. Кроме того, взаимодействие металла с газами в зоне дуги усиливается электри­ческим потенциалом между анодом и катодом и движением заряженных газовых частиц в электрическом поле дуги.

Чрезвычайно важную роль играет и интенсивное перемешива­ние жидкого металла сварочной ванны (рис. 9.2), увеличивающее площадь соприкосновения газа с жидким металлом и его распре­деление по объему в зоне пониженных температур. Физико-химические процессы в металле, протекающие с участием газовой среды, оказывают большое влияние на качество сварных соедине­ний. Важнейшими из этих процессов являются диссоциация и ио­низация газов, растворение газов в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодейст­вии с металлом.

2. Степень диссоциации атмосферных газов в столбе дуги

 

Образование соединений между компонентами газовой смеси

Наряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных га­зов для высоких температур сварки плавлением характерно обра­зование молекул газа в эндотермических реакциях при взаимодей­ствии кислорода и водорода с другими газами: азотом, водородом и фтором. Например, азот N₂и кислород О₂при Т= 3500 К взаи­модействуют с образованием оксида азотаNOпо реакции, которая сопровождается поглощением тепла:

(9.14)

Образующийся оксид азота может существовать в нераспавшемся виде при пониженных температурах (Г< 3500 К). В контак­те с металлом ванны при температурах 1800... 1900 К он распадает­ся и играет существенную роль как окислитель; он передает атомы кислорода и азота на поверхность жидкого металла. По мнению многих исследователей, оксид азота одновременно передает азот и кислород расплавленному металлу. Подтверждением этому слу­жит тот факт (рис 9.5), что с увеличением кислорода в газовой среде растет и насыщение металла азотом, хотя степень его диссо­циации невелика (см. рис. 8.9).

В низкотемпературной зоне также происходят реакции образо­вания соединений ОН и фтористого водорода HF, не растворимых в металле. Эти реакции используют для снижения парциального давления водорода над сварочной ванной.