Файл: Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью.pdf

где П — подвижность ионов; Е — напряженность элект­ рического поля. Согласно Л. Лебу [58], величина под­ вижности ионов кислорода лежит в пределах 1,5—

2 см2/с.

Напряженность электрического поля столба дуги для

ионов кислорода достигает около 40—50 см/с. Это срав­ нительно малая величина, и ее можно не принимать во внимание, тем более, что количество ионизированных мо­

лам и атомам кислорода дополнительную скорость пе­

атомный вес. Приняв для рассматриваемого случая [59,

щения атомов кислорода по отношению к капле, видим, что преобладающая скорость тепловая. Это хаотическая скорость, не имеющая определенного направления и вли­ яющая на число столкновений как между молекулами (атомами), так и между молекулами и поверхностью капли. Число ударов молекул о поверхность в 1 см2 оп­ ределим по уравнению

Z0= 2,191 • 1024а ] / - £ - ,

где а — число молей газа в 1 л объема. Эту величину можно определить исходя из того, что 1 г-моль газа при нормальном давлении и температуре занимает объем 22,415 л, а при температуре столба дуги около 6000 °К—

510 л. В таком случае с = 1/510 = 2 -10_3 молей/л. Под­ ставив эти данные в уравнение, получим число столкно-

105

веннй около 83-ІО21 за 1 с. Если бы каждое столкновение атома кислорода с поверхностью капли заканчивалось реакцией окисления, то на каждом квадратном санти­ метре поверхности капли образовывалось бы 83-ІО21 молекул закиси железа или такое же количество атомов кислорода проникало бы в каплю.

Однако не каждое соударение молекул сопровожда­ ется реакцией: в реакцию вступают только те молекулы (атомы), которые обладают достаточной энергией и мо­ гут преодолеть определенный энергетический барьер. По­ этому действительное число соударений, оканчивающих­ ся реакцией, будет меньше и может быть определено по уравнению

__£_

где Е—энергия активации, которую примем равной около

45 000 кал, или 45 000-4,182-107= 1,9-ІО12 эрг. Значения

R и Т примем те же, что и в предыдущем расчете. Под­ ставив эти величины, получим

Если соударение осуществляет отдельный атом кисло­ рода, то и прореагирует такое же количество атомов кис­ лорода. В данном случае прореагирует 18,2-102|/6-1023 = = 3- ІО-2 г-молей, или 3 -10-2- 10= 48- ІО-2 г кислорода бу­ дет реагировать на 1 см2 поверхности капли за 1 с. Капля средним диаметром 0,3 см имеет поверхность 0,28 см2, вес ее 0,1 г, и существует она 0,12 с. В таком случае по отношению к весу капли в нее может проникнуть кисло­ рода

48-10-°--0,28-0,12 j

16,1%.

0,1

Это очень большая концентрация кислорода, намного превышающая необходимую даже для самого неблаго­ приятного случая. Во всяком случае в капле концентра­ ция кислорода вполне может достигать предела раство­ римости при температуре капли 2,4—2,6%, что имеет большое практическое значение.

Если газовая атмосфера состоит не только из атомов кислорода, но и из других газов, то концентрация кисло­

106

рода в столбе дуги будет меньше и соответственно сни­ зится количество кислорода, проникающего в цаплю. Но и в этом случае количество проникающего кислорода бу­ дет достаточно большим ■— вряд ли ниже предела раст­ воримости. Поэтому эта стадия процесса окисления не будет лимитирующей.

Взаимодействие атомов кислорода с железом и соот­ ветственно реакцию окисления выразим уравнением

Fe -f О = FeO.

Если этот процесс рассматривать как взаимодействие атомов, то это — бимолекулярная реакция второго по­ рядка, скорость которой определяется произведением реагирующих веществ:

ü0 = /C[O] [Fe],

где К — константа скорости реакции. Эта константа резко увеличивается с повышением температуры, что вы­ ражается уравнением Аррениуса

величина которой была принята 45 000 кал. Для высоких

скоростью и не будет лимитировать процесс насыщения капли кислородом. Если учесть, что атомы кислорода находятся в ионизированном состоянии, так же как и атомы железа, то очевидно, что анионы кислорода О2будут вступать во взаимодействие с катионами железа Fe2+. Взаимодействие электрических зарядов происхо­ дит с еще большими скоростями.

Последняя стадия процесса — отвод продуктов реак­ ции окисления в глубь капли—будет осуществляться по механизму молекулярной и главным образом конвектив­ ной диффузии. Капля электродного металла весьма ин­ тенсивно перемешивается. Наблюдения на модели за об­ разующейся каплей выявили наличие струй, потоков

107

внутри капли. Капля, образующаяся на электроде, в сва­ рочном пламени подвергается воздействию дополнитель­ ных факторов, способствующих перемешиванию метал­ ла. Здесь можно указать [6], что перемещение газов в столбе дуги способствует конвективному переносу веще­ ства по поверхности капли; образование на нижнем кон­ це капли активного пятна создает градиент температур по высоте ее около 1000 °С, что вызывает внутри капли тепловое перемещение металла; выделение газов из внутренних объемов капли (барботаж) обеспечивает тщательное перемешивание всего металла капли; момент отрыва и падение капли завершают перемешивание ме­ талла. В результате совместного действия всех перечис­ ленных факторов металл капли хорошо перемешивается, поэтому отвод продуктов реакции в глубь капли также не будет лимитировать процесс окисления.

Таким образом, в общей схеме растворения кислоро­ да в капле имеются возможности предельно насыщать металл капли кислородом. Это значит, что максимальное количество растворенного кислорода в капле будет оп­ ределяться термодинамическими условиями процесса окисления. Как указывалось выше, кислорода в металле капли может находиться до 2,4—2,6%, и условия обра­ зования капли в сварочном пламени обеспечивают пол­ ную возможность получения такой концентрации.

Газы сварочного пламени омывают не только каплю металла, но и сварочную ванну, передавая металлу ван­ ны некоторое количество кислорода. В связи с наличием колебания металла вампы под влиянием сил дутья дуги и падающих капель на поверхности ванны не будет об­ разовываться пленка окислов. Это увеличивает поверх­ ность соприкасания газа с металлом ванны, что способ­ ствует окислению большего объема металла.

Наконец, надо учесть окисление испаряющейся части расплавляемого металла, переходящего в ванну; в сред­ нем испаряется 10—15% маталла от расплавленного. Так, как сварочное пламя насыщено кислородом, то па­ ры металла будут окисляться и вместе с ними в ванну перейдет некоторая часть окислов железа, увеличивая содержание кислорода. Приняв, что окисление железа идет по реакции образования закиси железа, можно оп­ ределить количество кислорода, попадающего в ванну с окисленными парами. При средних режимах сварки мо­

108

реакций окисления. Анализировать эти взаимодействия правильнее было бы на основе ионной природы рас­ плава, однако из-за отсутствия достаточных данных ионную природу расплава используют только для уточ­ нения отдельных вопросов механизма взаимодействия. Чаще всего при анализе взаимодействий исходят из мо­ лекулярного состояния элементов в расплаве, что и при­ нято нами в последующем изложении.

С термодинамической точки зрения процесс окисле­ ния можно характеризовать прохождением реакции взаимодействия кислорода с окисляемым элементом. Так, для окисления углерода возможно прохождение реакций двух видов:

Это гомогенные реакции, проходящие в жидком металле, продуктом которых оказывается газообразная окись углерода, удаляемая из ванны в виде пузырей. Реакция (103), исключающая железо из процесса окисления углерода, четче выявляет взаимодействие углерода с кислородом и больше исследована. Константу равнове­ сия этой реакции выразим так:

где Рсо — давление окиси углерода; у 0 и у с — коэффици­

енты активности соответственно кислорода и углерода, значения которых точно не установлены. Для идеального раствора эти коэффициенты равны единице, и уравнение (104) принимает вид

ПО