Парциальные коэффициенты перехода углерода, марганца и кремния при ручной дуговой сварке Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

3. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования / В.А. Григорян, И.Ф. Кобылкин, В.М. Маринин, E.H. Чистяков. Под ред. В.А. Григоряна. -М.: Изд. РадиоСофт, 2008. - 406 с.

4. Данилин Г. А., Огородников В.П., Заволокин А.Б. Основы проектирования патронов к стрелковому оружию. - СПб: Балт. гос. техн. ун-т, 2005. - 374 с.

5. Драгобецкий В.В., Шаповал A.A., Загорянский В.Г. Разработка элементов средств индивидуальной защиты нового поколения на основе слоистых металлических композиций // Известия вузов. Черная металлургия. - 2015. - Т. 58. № 1. - С. 44-48.

6. Частные вопросы конечной баллистики / В.А. Григорян, А.Н. Белобородько, Н.С. Дорохов и др.; Под ред. В.А. Григоряна. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 592 с.

7. Динамика удара: Пер. с англ. / Зукас Дж. А., Николас Т., Свифт Х.Ф. и др. - М: Мир, 1985.-296 с.

8. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - В 2 т. - Т.2. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. -

656 с.

9. Патроны к стрелковому оружию (справочное пособие) / JI.B. Коломийцев, И.С. Со-бакарь, В.Т. Никитюк, В.В. Сомов. - Харьков, 2003. - 336 с.

10. Чан Динь Тхань. Исследование высокоскоростного взаимодействия деформируемых твердых тел: дис. ... канд. техн. наук: 01.02.04 / Чан Динь Тхань - Санкт-Петербург, 2008. -157 с.

11. Биметаллы / JI.H. Дмитров, Е.В. Кузнецов, А.Г. Кобелев и др. - Пермь: Пермское книжное изд., 1991. - 415 с.

УДК 621.791

ПАРЦИАЛЬНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕХОДА УГЛЕРОДА, МАРГАНЦА И КРЕМНИЯ ПРИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ*

Вотинова Е.Б., Шалимов М.П.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Елъцина», г. Екатеринбург, Россия

Известные методы термодинамического и кинетического анализа, а также данные о механизме отдельных стадий гетерогенных реакций при моделировании ручной дуговой сварки не позволяют получить достаточно адекватную модель процесса и использовать ее для дальнейших расчетов. Это связано, прежде всего, со скоростью и кратковременностью протекания взаимодействия, а также невозможностью достоверно оценить площадь взаимодействия [1,2].

Расчет состава шва по смешению удобен для предварительной оценки, однако дает приблизительный результат. Модель, основанная только на регрессионных уравнениях, дающих зависимость коэффициентов перехода от одного-двух параметров, является узкоприменимой. Отсутствие равновесия при сварке, сложность и не достоверность определения скоростей и времени взаимодействия, а также значений межфазных площадей при ручной дуговой сварке затрудняют использование термодинамических и кинетических моделей и, как следствие, не обеспечивают получение адекватных и надежных результатов [3, 4].

Поэтому была предложена физическая и математическая модели процесса ручной дуговой сварки, основанные на полном материальном балансе каждого из элементов в каждой из фаз.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, контракт № Н979.42Б. 002/14 «Исследование физических и химических процессов в зоне сварки для создания научных основ оптимизации технологий и разработки материалов»

Физическая модель процесса ручной дуговой сварки.

Процесс сварки является достаточно сложным для изучения. Такие факторы, как высокая температура металла, скорость протекания реакций и самого процесса, зависимость конечного результата (состав, качество металла шва) от многих факторов, не позволяют изучать данный процесс непосредственно на объекте.

Физическая модель процесса сварки покрытыми электродами необходима для описания всех процессов, протекающих в зоне сварки с момента зажигания дуги и до момента окончания сварки (или достижения квазистационарного состояния). В физической модели необходимо учесть следующие процессы, протекающие в зоне сварки:

- нагрев электрода проходящим током и теплотой дуги;

- плавление основного металла;

- плавление электрода;

- химическое взаимодействие компонентов;

- перенос электродного металла в сварочную ванну;

- перемешивание основного и электродного металлов;

- кристаллизация метала шва.

Все вышеизложенное можно представить на рис. 1 [5]: электрод является поставщиком металлических капель, которые формируют наплавленный металл. Капли формируются из стержня, металлической части покрытия и металла, восстановленного из шлака. Весь этот металл переходит в сварочную ванну, смешивается с основным металлом и после кристаллизации образует сварной шов [6].

Образующиеся во время сварки стадии и взаимодействие между фазами можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 2).

Капля металла, сформировавшаяся на торце электрода, может состоять из расплавившихся стержня и металлических компонентов шихты. Кроме того, капли могут быть покрыты жидким шлаком, сформировавшимся в основном при плавлении неметаллических компонентов обмазки. На границе металлической капли и жидкого шлака могут протекать окислительно-восстановительные процессы, изменяющие состав фаз. Таким образом, компоненты покрытия, в зависимости от его состава, расходуется на формирование металлической и шлаковой ванн. Сварочная ванна формируется из расплавленного электродного (капли) и основного металлов за счет перемешивания различных компонентов в данный момент времени. Так как шлак имеет меньшую плотность, чем металл, он всплывает на поверхность сварочной ванны. По мере поступательного движения электрода, сварочная ванна кристаллизуется, образуя сварной шов, покрытый шлаковой коркой.

Образующиеся во время сварки стадии и взаимодействие между фазами можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 2).

Капля металла, сформировавшаяся на торце электрода, может состоять из расплавившихся стержня и металлических компонентов шихты. Кроме того, капли могут быть покрыты жидким шлаком, сформировавшимся в основном при плавлении неметаллических компонентов обмазки. На границе металлической капли и жидкого шлака могут протекать окислительно-восстановительные процессы, изменяющие состав фаз. Таким образом, компоненты покрытия, в зависимости от его состава, расходуется на формирование металлической и шлаковой ванн. Сварочная ванна формируется из расплавленного электродного (капли) и основного металлов за счет перемешивания различных компонентов в данный момент времени. Так как шлак имеет меньшую плотность, чем металл, он всплывает на поверхность сварочной ванны. По мере поступательного движения электрода, сварочная ванна кристаллизуется, образуя сварной шов, покрытый шлаковой коркой.

Направление сварки

Рис. 1. Физическая модель сварки покрытыми электродами:

1 - плавление электродного стержня и формирование металлической капли;

2 - плавление металлической части электродного покрытия и формирование металлической капли; 3 - плавление неметаллической части электродного покрытия

и формирование шлаковой пленки; 4 - перенос элементов из шлаковой пленки в металлическую каплю и из металлической капли и шлаковую пленку (в виде оксидов); 5 - перенос капель металла в металлический расплав; 6 - перенос шлаковой пленки в шлаковый расплав; 7 - плавление основного металла и формирование сварочной ванны; 8 - затвердевание шлакового расплава; 9 - кристаллизация металлического расплава

Рис. 2. Блок-схема плавления электрода

Таким образом, разработана физическая модель, которая показывает структуру процесса, взаимодействие и перенос компонентов, а также формирование металлической и шлаковой ванн.

На основе этой физической модели была разработана математическая модель процесса ручной дуговой сварки, представляющая систему уравнений на основе полного материально го баланса, совместное решение которых позволяет рассчитать концентрацию элементов в наплавленном металле или металле шва. Эти же уравнения могут служить решению обратной задачи - корректировке состава покрытии в зависимости от требуемой концентрации элемента.

Математическая модель процесса ручной дуговой сварки.

В математической модели процесса сварки опишем балансовыми уравнениями, учитывающими переход всех элементов в металлическую и шлаковую ванны, их исчезновение (выгорание, окисление) и прирост (восстановление).

На основании описанного выше физического представления о процессе при выводе уравнения модели был принят ряд допущений и упрощений:

- примем, что для данного типа сварочных материалов суммарный эффект всех реакций с участием данного элемента на всех стадиях можно оценить усредненным коэффициентом перехода г[г, сохраняющим постоянное значение в определенном диапазоне применяемого вида и состава шихтовых материалов;

- количество металла, потерянного на разбрызгивание и испарение зависит от параметров режима сварки. В модели должен быть предусмотрен коэффициент, учитывающий влияние сварочного тока на коэффициент перехода элемента, т.е. будем считать, что в модели учтены потери на разбрызгивание и испарение.

Степень (полноту) развития реакции на каждой стадии с участием элемента / в металле можно охарактеризовать коэффициентом перехода (усвоения) //, (1), понимаемым как доля массы элемента, остающаяся в наплавленном металле (металле шва):

т

Я=~7, 0)

т

г

где г|г - коэффициент перехода элемента /; т. - масса элемента г, сохранившаяся в данном объеме металла (на данной стадии) после взаимодействия, кг; т° - первоначальная масса

элемента / в металле, рассчитываемая путем суммирования масс элемента / во всех металлических компонентах сварочных электродов, кг.

Очевидно, что величина (1 - г|г) представляет степень окисления (потерю) элемента / на данной стадии.

Значения г|г для каждого элемента на разных стадиях могут существенно различаться. Так, на стадии нагрева можно ожидать окисления большинства компонентов (г|; < 1), особенно элементов с большим химическим сродством к кислороду (Мп, 57, 77, А1). На стадии капли, напротив, те же самые элементы могут заметно восстанавливаться (г|г > 1).

Величина г|г определяется как (2)

, напл.

— ГПп

Л/=—-п> (2)

' напл.С

т

где г|г - усредненный коэффициент перехода элемента в наплавленный металл; - масса

элемента / в наплавленном металле, кг, (реальная); ттпл1> - масса элемента / в наплавленном металле без учета химических реакций, кг, (рассчитанная по смешению).

Исходя из физической картины процесса, разделим создание математической модели на 2 этапа:

1 - формирование состава наплавленного металла, что позволит оценить адекватность математической модели по известным литературным данным,

2 - формирование состава сварного шва.

Рассмотрим математическую модель формирования наплавленного металла при сварке покрытыми электродами. Общий (усредненный) коэффициент перехода элемента показывает, какая доля элемента теряется в процессе сварке. При плавлении электрода протекают следующие процессы в дуговом промежутке:

- плавление стержня электрода и формирование капель металла;

- плавление металлической части покрытия электрода (феррокомпонентов) и формирование капель металла;

- плавление неметаллической части покрытия электрода (оксидов, органических соединений) и формирование капель шлака;

- удаление газообразных компонентов из зоны сварки;

- восстановление металлических компонентов из оксидов шлака.

В соответствии с выделенными процессами, протекающими при плавлении электрода, введем следующие обозначения:

К^' - доля массы компонента Эг металлической части покрытия электрода, окисляемой газом;

К^ - доля массы компонента Эг металла стержня, окисляемой газом; /<"?' - доля массы оксида компонента Эг неметаллической части покрытия, переходящей в металл в результате реакций восстановления на стадии капли.

Введем уравнения связывающие величины К?, К2Э' и К31 с парциальными коэффициентами перехода г|э (3 - 5):

1-/С = <- (3)

(4)

/с = с, (5)

где л" > Лэ > Л•! - парциальные коэффициенты перехода элемента Эг в наплавленный металл

из стержня, ферросплавов и шлака, соответственно.

В связи с этим можно предположить, что общий (усредненный) коэффициент перехода имеет следующую взаимосвязь с парциальными коэффициентами (6):

ГЦ = сщ1 + Ьц™ + сг|з_ = а(1 - /<'' ) ■+ ъ(\ - К? ) + cKf , (6)

где а, Ъ, с - доли участия ферросплавов, электродного стержня и восстановленного из шлака металла в наплавленном металле, связанны следующим соотношением (7):

а + Ь + с = 1 (7)

Выведем уравнение для расчета г|э в наплавленный металл при плавлении 100 г электрода (8)

- =100-(1-^пот+^СО2) Ст| Ю0-(1-^со2) ^ф

т

ме

(1 + Я;

мш

1 +

тме

т.(\-кПОТ+ксо) юо-(1-^со2)

а0_У1 э 100

(1 + ^мп)

(1 + Я;

МШ

1 +

ар 100

т

ме

ш 11Э1

где КпоТ - относительная разность между массой наплавленного металла и шлака и массой

расплавленного электрода; КС02 - относительная масса углекислого газа, удаленного при

диссоциации карбонатов.

Для того, чтобы найти парциальные коэффициенты перехода, выразим усредненный коэффициент перехода через концентрации (9). Получим:

~ __[^/]н.м._

Э'""-[Э/Ь+ЧЭ(и + С-[Э'1п, (9)

где [Эг]нм - концентрация элемента Эг в наплавленном металле по результатам химического анализа, мас.%; [Эг]ст - исходная концентрация элемента Эг в стержне электрода, мас.%; [Э. ]| ср - исходная концентрация элемента Э( в ферросплавах электродного покрытия, мас.%;

[Эг ]ш - концентрации элемента Эг при полном восстановлении оксида элемента ЭгйОт .

Определение парциальных коэффициентов перехода заключается в решении системы уравнений (10) с тремя неизвестными [7].

(гц =аг|| + 6г|^ + сг|™ =а( 1 - К^ )Щ\ - К^ )+сК^ ,

1~~ К-ПОТ 1 + КМП

х -<

Мет,. „Э,

100

+ -

к

МП

1+

ар

£ %феР/с [Э^- (| кэ1){ £ %./ \ WnJj | ар (ЭМсв

Уо] Ь,п()т)1

100 100

т

100

^О-Кпот)

]

^100 100 100 100

м>

э ^

1 -К,1

,мэ. о

э ,от

1 + к.

МП

[Эг]ст Мэ„О. кэ,

100 АГ~ 2

+ -

к,

МП

1 +

а(3 100

100 100 мэ 1

%/ (Э ар (эггРт)^

У

^100 100 100 100

>

X

где тэ - масса элемента Эг в данном объеме металла, кг; тш - масса электрода, кг; Кпот -коэффициент потерь, учитывающий испарение компонентов и разбрызгивание металла; Кш -коэффициента массы покрытия; [Эг ]ст- концентрация компонента Эг в стержне электрода, мас.%; %фер£ - концентрация ферросплава к в покрытии электрода, мас.%; [Э^- концентрация компонента Эг в ферросплаве к, мас.%; - концентрация минерала у в покрытии электрода, мас.%; (ЭшОш) - концентрация оксида Эи()ш в минерале у, мас.%; (Э¡„От)св -концентрация оксида ЭшОт в жидком стекле, мас.%; Мэ - атомная масса элемента Эг , кг/моль; Мэ 0 - молекулярная масса оксида ЭыОт , кг/моль; тэ 0 - масса оксида ЭыОт в

шлаке, кг; а - содержание связующего (жидкого стекла) в покрытии электрода, мас.%; Р -массовая доля сухого остатка связующего.

Расчет по приведенным уравнениям позволяет получить зависимости парциальных и усредненного коэффициентов перехода элемента Эг в наплавленный металл в зависимости от показателя (11):

(Р

П Г-1

Ъ, =р-

Б

(П)

где Р - мощность дуги, кВт; £ - площадь сечения электродного покрытия, мм .

Такой подход позволяет учесть влияние параметров режима через мощность источника нагрева и относительную массу шлака, так как у электродов разных диаметров величина Кж разная.

Для электродов УОНИ 13/55 диаметрами 3 и 4 мм получены следующие результаты, приведенные в табл. 1:

Таблица 1

Результаты расчетов

Элемент эг 4 ш Чэ, —н.м. лэ,-

С 0 1,443 -2,17 (Р/Б) - 1,20 - 1,61 (Р / 8)

Мп 1,11 -0,21Р 0,86 - 1,65 (Р / 8) - 0,78-0,94 (Р/Б)

Рассмотрим математическую модель формирования сварного шва (однослойной наплавки) при сварке покрытыми электродами (12).

.м.

(12)

[Э/ 1пов ~ [Э/]о.м. ' Уо.м. ' ЛЭ/ + [Э/]н м • Ун.М.

1

где [Эг ]шов - концентрации элемента Эг в металле шва при однослойной наплавке по результатам химического анализа, мас.%; [Эг ]ом - концентрации элемента Эг в основном металле по результатам химического анализа, мас.%; [Эг ]нм - концентрации элемента Эг в

наплавленном металле (5 слой) по результатам химического анализа, мас.%; металле и наплавленном металле соответственно; у0 м - доля участия основного металла в металле шва;

Ун м " Доля участия наплавленного металла в металле шва, при этом у0 м + Ун м = ' ^ М - парциальный коэффициент перехода элемента Эг из основного металла в металл

Тогда получим (13):

О.м. [Э]

шов -в] Н.М. ' Н.1

' ~ [эТ^у

L г Jo.m. * о.м.

Последний этап расчетов позволяет оценить усредненный коэффициент перехода элемента Эг в металл шва и долю участия основного металла (14)

Ь 1

-ШОВ I . I

__1_ 1 _1шов

1э; _

Э

Н.М.

У +[э 1 У

I н.м. L 1 Jo.m. * о.г

Лз

Результаты расчетов приведены в табл. 2

Таблица 2

Результаты расчетов

Элемент эг ЧэГ —шов ЛЭ1 У о.м.

С 1 0,8 + 0,39 (i5/S) 1,43 (P/S)

Мп 1 0,893 -0,114 Р

Разработанный расчетно-экспериментальный метод дает возможность оценить усредненный и парциальные коэффициенты перехода в зависимости от параметров режима сварки. В связи с этим, полученные регрессионные уравнения позволяют рассчитать состав наплавленного металла при любых заданных параметрах режима.

Список литературы

1. Моделирование структуры, свойств и процессов межфазного взаимодействия в системе металл - оксидный расплав - газ / В.Н. Бороненков, М.И. Зиниград, Л.И. Леонтьев, Э.А. Пастухов, М.П. Шалимов, С.М. Шанчуров / Под ред. академика Л.И. Леонтьева. Екатеринбург: УрО РАН, 2010.

2. Прогнозирование химического состава металла, наплавленного электродами с рути-ловым и ильменитовым покрытиями / И.К. Походня, Г.Е. Коляда, И.Р. Явдощин, О.Г. Касаткин, Л.И. Демченко // Автоматическая сварка. 1976. № 7. С. 1-4.

3. Ерохин A.A. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки. М.: Машиностроение, 1964. 256 с.

4. Черных A.B., Черных В.В. Расчет температуры электродных капель при дуговой сварке плавящимся электродом с помощью метода конечных элементов // Сварочное производство. 2008. № 3. С.6-7.

5. Мазуровский В.Л. Физико-химические основы разработки современных сварочных материалов: дис. ... канд. хим. наук. Екатеринбург, 2004, 135 с.

6. Шалимов М.П., Панов В.И. Сварка вчера, сегодня, завтра ... (Введение в специальность): учебное пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 227 с.

7. Вотинова Е.Б., Шалимов М.П. Разработка методики расчета состава металла шва при сварке покрытыми электродами или порошковой проволокой // Сварка и диагностика. 2011. № 5. С. 31-35.