Выбор раскислителей при дуговой сварке металлов с учетом химического сродства элементов к кислороду Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 621.791.75:669.046.558:546.21

Б. Е. ЛОПАЕВ А. А. СЕРБОВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

ВЫБОР РАСКИСЛИТЕЛЕЙ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ С УЧЕТОМ ХИМИЧЕСКОГО СРОДСТВА ЭЛЕМЕНТОВ К КИСЛОРОДУ

Рассматриваются вопросы раскисления металла сварочной ванны различными химическими элементами при дуговой сварке плавлением. По изменению изобарно-изотермического потенциала др, рассчитано сродство различных химических элементов к кислороду, и тем самым определены их рас-кислительные свойства при температуре сварочной ванны. Составлен ряд из химических элементов, характеризующих их возрастающую раскислитель-ную способность. Результаты, полученные в ходе исследований, позволяют расширить область применения различных химических элементов в качестве раскислителей при дуговой сварке плавлением.

Ключевые слова: химические элементы, оксиды, сталь, изобарно-изотермиче-ский потенциал, сварочная ванна, раскислители.

При дуговой сварке в металле сварочной ванны может находиться значительное количество кислорода. Источником кислорода при этом служат реакции между металлом сварочной ванны и атмосферой (при недостаточной защите сварочной дуги), а также окислительно-восстановительные реакции между металлом и шлаком, образующимися в результате плавления флюсов или при разложении и плавлении компонентов электродных покрытий [1].

Поглощённый кислород может находиться в металле в виде твердого раствора в железе или в виде оксидов РеО, распологающихся по границам зерен металла [2]. Наличие кислорода в стали снижает многие её механические свойства [3].

Для удаления из жидкого металла кислорода, находящегося в виде оксида РеО, применяют раскисление сварочной ванны. При этом используются химические элементы, которые при температуре процесса и соответствующей их концентрации обладают большим сродством к кислороду, чем элементы основы сплава и их легирующие составляющие [1].

Реакция раскисления в общем виде может быть представлена как [4]:

\МехОу ] + М]Лы] м х[ме\ы{лмру),

где [Яа] — эле мент-раскислитель;

{Еару)

\МехОу ]

оксид раскислителя;

ми газообразные продукты раскисления, считают углерод, водород; а раскислителями, образующими конденсированные продукты раскисления, — марганец, кремний, титан, алюминий. Исследован в качестве раскислителя оксид углерода CO.

Сведения о применении других химических элементов, таких как Са, Мд, Мо, Сг, Хг, V, ЫЬ, В, Р и соединения СО в качестве раскислителей при сварке сталей, а также об их раскислительных свойствах в зависимости от температуры, отсутствуют.

Целью данной работы является исследование возможности применения вышеназванных элементов в качестве раскислителей при сварке сталей и изучение изменения их раскислительных свойств в зависимости от темпер+туры.

Напр ав ление реакции (1) и тем самым возможность раскисления метуллы сварочн+й ванны ка-ким-мбо эл+мелыом [5]еценивали яо изменению изобар но-изоте лмячаского потенциала:

Амоу =АМТ - т -ин,,

(2)

где иН0, иН0 — измененит энтальпии и энтропии реакции при темпе иатуре ^

яо )

оксид

Ш „ = +

| ис р- ат,

основы сплава Me; [Me] — основа с плава.

Раскислители в результате взаимодействия с окисленныи металлом, образуютлибогазообраз-ные прод из , ие акции, удаляемые в атмосферу, либо конденсированные (жидкие или твердые), удаляемые в шлак. Раткислителями, образующи-

ИНт — ЭЭН 298 "

т —эср

Г —р-ат,

9 Т

(3)

С 4)

где ИН298 , —Н298 — изменение энтальпии и энтропии химический реакции при стандартных условиях^? =10133 кПа, T = 258 К); и СР — изменение

о

го

теплоемкости вещества, участвующих в реакции (1).

При HЩУ о 0 реакция (0) омощается вправо — в сторону рооккаеенкя метаомв тимическим элементом сварооией окинят Прм ооЩ))! > С реакция (1) идет влево, т.о. раскксяетио оттвтвтвует [6].

Реакции раскисления теоатла сварочнойванны [7] рассмотроктымк -зсле тРеместами, согласно уравнению (о), окоиокны ниже:

[гю] -о -мп] м ома\е ВМпО] , (5)

аОсО]Нз\]мс[Мс]+(иО-), (6)

0Щоd\е(TУ\мC[FeС+УИ]]е^ (7)

зЩеО] + 2[еи]<м ^-ео2<е3) , (8)

[О>е\[а[М]м ]Мс]+МОО (9)

+ МО м ]Ре[ а МО- ] (10)

\FedT е МС м [3с\ -а Н-О, (11)

[ЗеО- к [м] М [33+ + (С—) , (12)

[3еО\+С+Мм[Ме] +-МеО)3 (13)

3^сО]+ -СО] м з\зс\ + (НоМу ) , (14)

з[5сН + 2[Мо]м зМсС-ОгоО3 ]), (15)

з[]3еО-\\ 2 \ММз]зп]+2ео3О (16)

зЗН—гМмЗЗЗ + е3), (17)

]зеН+[2[->]м[зс]++В\О), (18)

з]зз\(е]+-[рз] м з]]+(в(от ), (19)

3[3сО] + 2[Р] м з[3с] + (РСО3), (20)

Уравнение (2) для реакции (1), с учётом (3) и (4), можно записать в таком виде:

ДЩуС = х -АM,

-Ш,

C9](JMОг) '

" ДкС9][м\хОо ] " 2 ' Дк-9]— +

+ I I х-М0Г ,+ М°1 ■>-М°1 [-2-м- , Iвт-

1 1 с [Не] с («о2Оу) Р(НпхОу С '

С9] 4

- т

Я х-м

-9] х

(х-

|Х - И оог и 1 + И.

— и0

-9][Нп] + И -9] [ка2Оу ) е-9](м\хОу)

_ и0

'О ' С9][йа

х м° +М° — М° — и Мс

+ | Vх - Р[—с] Рт^ахОу) Р(нпхОу ) Р[МаР; в-

-9]

т

В качестме примера Расcчитаем измененит изо-б-тно-изотеамхчеакнго поаенциила [ссoя ]peУta:к[ЕЕ^:иaI раск+сления оксида жеоета №О алюминием(урав-нени] 9]). Стгласно травнению (21- ДЩ] длпх наго бдкет иметь вид:

ДЩC =3 • p-сс Ааз9]

-Рек

-9](-/-О]) "

3 • ДЩГ29][ЗсО] - ' Дк- 9][-;] ■

а (з •

-9]

■(з-

з• М1, ,+мк (-з-с[[, ,--—1 [)им-

рГ" 1 'Е 3 ( Р(ЗсО) Р\Л/]1

т] -Р [3с]

-р (Аь-езСе

^Р[Л1]/

3+2)

- т

'-9] [3с ]

(3[

с°

Р[ас]

-с -з -с -? ес I

С9](Л/СОу) С9]\ОсО) еC9][JЛ/]/

-с* .,-з-с3( [-2-м0 -

Р(FСCеС) Р(3сО) РнЛ/,'

ит

Пoдстау^ся из табм. 1 [8 л 9- сначонш-ДкС9], J9уИ,С9], М° для указзн+ых вещеетв т у-а-несил (Р2) и иитегаи-уа [10] его, тoлтшм:

ДЩД ^-]С9,3]-+С,О3С!00-(Г -29])-

-2,906- 1С 6 - (т2 -С9]С) ]С0[73- 1([С - Дт1

1т С29]

9

-т -

- 0,0]615+0,03560•(lnУ-ln29])-

-3,Т62-С0 ^J-(у]-2:[]3)]

--2,363-1Д

С I 1

^ 29]

(23)

Teм=Р7Стypa сварочной ванны ссстсвляет 1800...2300 К [ 1 ]. Щодегавив в(МЗ) значеМие Т = 2000 К, ПДлучим ДЩ0ССС =я7С3,]"■\( кДж/моль. Отрицательное значение ДЩ]СССС означает, что реакция (8) смещается вправо, т.е. раск+сление РеО алхомииием имеет место (алюминий имеет большее сродство к кислороду, -ем желез о).

Производя аналогичные расчетьо с остальными раскислителями, по]учаем уравненият которые отличаются друг от друга только разными коэффициентами при тДмперДтурас. Такие уравнения можно выразить одним общим уравнением, выражающим зависимость ДЩ0 от Т.

АЩ0 = Л + Б-(т -29])-И

+ с ■ 1С- 6 • (т2 -С9]С) + оЯ--!-л [т 29]

■т ■

Л'+Б()(3пт-1 п-98) +

+ С') 1С 6 • (У-29]) +£Л

Г- -9]-

(24)

(21)

ЗнаДения ДкСС9], ДИСС9], С для реакции (5.20), расписанные согласно уравнению (21), приведены в табл. 1.

где Л, В, С, Б, Л',В',С',В' — коэффициенты, различные для реакции (5.20). Значения этих коэффициентов приведены в табл. 2.

Расчет изобарно-изотермического потенциала для реакции (5.20), согласноуравнению (29]), при температурах от 400 до 3000 К с интервалом 100 К проводили с помощью программы Ма tАс уd!

Расчеты показали, что в большинстве реакций изобарно-изотермический потенциал ДЩ0 при всех рассмотренных температурах имеет отрицательное

Термодинамические свойства простых веществ и неорганических соединений

Таблица 1

Вещество АН098, кДж/моль АН2°98, Дж/(моль-К) Ср = а + Ь-Т-с-Т-2, Дж/(моль-К)

1 2 3 4

Мп 0 31,78 С =20,14 + 17,7-10-3-Т р

81 0 18,71 С =24,03 + 2,587-10-3-Т-4,23-105-Г2 р ' ' '

■п 0 30,31 С =37,4 + 4,78-10-3-Т-18,18-105-Т-2 р

А1 0 28,34 С =29,3 р

С 0 5,69 С =11,2+10,95-10-3-Т-4,88-105-Т-2 р

Н2 0 130,6 С = 27,6 + 2,863-10-3-Т Р

Мд 0 32,53 С =25,65 + 5,506-10-3-Т-2,805-105-Т-2 р

Са 0 41,65 С =26,27 + 5,844'10-3*Т р

МпО -385,18 60,28 С =46,48 + 8,12-10-3-Т-3,68-105-Т-2 р

81О2 -847,82 46,89 С =45,51 + 36,47-10-3'Т- 10,09-105-Т"2 Р

тю2 -941,61 50,28 С =49,59 + 31,62-10-3-Т р

А12О3 -1670,91 51,02 С =114,6+12,9-10"3-Т-34,3-105-Т-2 р ' ' '

СО -110,59 198,03 С =27,6 + 5,03- 10-3*Т Р

СО2 -393,77 213,78 С =43,1 + 11,05-10-3-Т-8,177-105-Т-2 р ' ' '

БеО -280,51 54,00 С =52,9 + 6,264-10-3-Т-3,19-105-Т-2 р

Бе 0 27,17 С =46,18 р

Н2О -241,98 188,81 С =30,14+ 11,03-10-3-Т р

МдО -602,22 26,79 С =45,13 + 4,978-10-3-Т-8,67-105-Т2 р ' ' '

СаО -635,97 39,77 С =49,56 + 3,2-10-3-Т-6,87-105-Т-2 р

Сг 0 23,78 С =20,67 + 12,34-10-3-Т р

V 0 29,52 С =22,67 + 8,77-10-3-Т-0,63-105-Т-2 р

Р 0 44,38 С =23,05 р

2г 0 38,43 С =21,97 + 11,63-10-3-Т р

№ 0 34,75 С =23,9 + 39,48-10-3-Т р

В 0 5,86 С =16,78 + 9,04-10-3-Т-7,49-105-Т-2 р ' ' '

Мо 0 28,59 С =24,35 + 48,2 •10-3-Т- 15,54-105-Т-2 р

^О5 -1256,04 98,72 С =122,8+19,91-10-3-Т-22,67-105-Т-2 Р

№О -НР6,12 50,24 С =40,19+ 18,42-10-3-Т р

В2О3 -1264Н 54,05 С =36,53+106,32 •10"3-Т-5,48-105-Т"2 р ' ' '

МоО3 -755,0 78,2 С =62,7 + 50,3-10-3-Т р

ггО2 -109Л,4 6 50,36 С =69,62 + 7,53-10"3-Т- 14,06-105-Т2 р ' ' '

Р2О5 - 1507,2 140,0 С =35,06 + 22,61-10-3-Т р

&2О3 -1140,56 81,17 С =119,37 + 9,2-10-3-Т- 15,65-105-Т2 р ' ' '

значение, что свидетельствует о протекании реакций раскислення мееал,с с варочной ванны рассмотренными элементами.

Для Мо НР0 имеет положительное значение в данном интервале температур, что свидетельствует о смещении реакциивлево, т.е. раскисление от-

сутствует. Раскислительные свойства фосфора присущи только до Т = 900 К, а водорода от Т=1600 К.

Графические зависимости изобарно-изотер-мичного потенциала от температуры представлены на рис. 1. Из него следует, что самым сильным рас-кислителем является алюминий. Его раскислитель-

е

X

О го

Коэффициенты при обобщенном уравнении изобарно-изотермического потенциала

Таблица 2

да? А В С О А' В' С' В

1 2 3 4 5 6 7 8 9

да? -104,67 0,0192 -7,922 49 0,00167 0,01962 -15,844 24,5

дат 2 -286,8 0,00804 10,677 -52 -0,02548 0,00804 21,355 -26,0

даТз -380,41 -0,00127 7,186 -2456 -0,03369 -0,00127 14,372 -1228

даг°4 -829,38 0,03584 -2,946 2473 -0,08615 0,03584 -5,892 1236,5

да?5 169,92 0,00968 -6,092 -807 0,16551 0,00968 -12,184 -403,5

да°6 -2,67 0,00878 -0,122 -10-6 498,7 -0,01108 0,00878 -0,244 -10-3 249,35

да?7 38,53 -0,00418 -0,9515 -10-6 -319 0,03138 -0,00418 -0,1903 -10-5 -155,9

ДаГ8 -355,56 0,01657 -4,454 368 -0,02871 0,01657 -8,908 184

да°9 -321,71 0,01276 -3,396 267,5 -0,03257 0,01276 -6,792 133,75

да°в 86,33 0,01819 -8,496 -2411 -0,03088 0,01819 -16,992 -1205

дап -299,03 0,05869 -17,136 608 0,04688 0,05869 -34,272 304

да?2 -414,51 0,05738 -8,201 1186 -0,04081 0,05738 -16,04 593

датъ -536,44 0,03427 -8,314 765 -0,04173 0,03427 -16,628 384

дап -125,61 0,00957 -13,662 -319 -0,01134 0,00957 -27,324 -159,5

да», -422,87 -0,01719 37,724 -1907 -0,03816 -0,01719 69,448 -953,5

да°Е -104,65 -0,04464 -4,355 -1595 -0,08291 -0,0464 -8,75 -797,5

ные свойства проявляются уже при низких температурах. С повышением температуры сродство к кислороду у алюминия уменьшается.

У магния, кальция, циркония, ниобия с повышением температуры раскислительные свойства несколько уменьшаются, но менее значительно, чем у алюминия.

У марганца, кремния, ванадия, хрома с увеличением температуры сродство к кислороду увеличивается. До температуры 2300 К сродство к кислороду у хрома ниже, чем у циркония, а выше этой температуры он по раскислительным свойствам уступает только алюминию.

Углерод раскисляющие свойства проявляет при температурах выше 1000 К. С повышением температуры сродство к кислороду у углерода увеличивается. Как раскислитель при высоких температурах он становится сильнее марганца, ниобия, магния, кальция, кремния. Раскислительные свойства титана с ростом температуры изменяются незначительно.

Таким образом, при температуре сварочной ванны в качестве раскислителей можно использовать все вышеперечисленные элементы, кроме молибдена, фосфора, оксида углерода.

По возрастающей раскислительной способности химические элементы можно расположить в следующий ряд: т, Mn, С, Мд, Са, П, V, В, Сг, Хг, А1.

Библиографический список

1. Петров Г. Л., Тумарев А. С. Теория сварочных процессов (с основами физической химии). Изд. 2-е, перераб. М.: Высш. шк., 1977. 391 с.

2. Физико-химические свойства окислов. Справочник / Под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1978. 471 с.

3. Коновалов А. В., Куркин А. С., Макаров Э. Л. [и др.]. Теория сварочных процессов / под ред. В. М. Неровного. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 752 с. БВК 978-5-70383020-8

4. Казачков Е. А. Расчёты по теории металлургических процессов. М.: Металлургия, 1988. 288 с.

5. Полинг Л. Общая химия / пер. с англ. В. М. Сахарова; ред. пер. с англ. М. Х. Карапетьянца. М.: Мир, 1974. 845 с.

6. Крестовников А. Н., Владимиров Л. П., Гуляницкий Б. С. [и др.]. Справочник по расчетам металлургических реакций. М.: Металлургиздат, 1963. 416 с.

7. Справочник химика. В 2 т. / Под ред. Б. П. Николаенко. М., Л.: Химия, 1966. Т. 1. 1070 с.

8. Барон Н. М., Квят Э. И., Подгорная Е. А. Краткий справочник физико-химических величин. Л.: Химия, 1983. 231 с.

9. Кэй Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных / ред. пер. с англ. К. П. Яковлева. 2-е изд., пере-раб. М.: Физматгиз, 1962. 246 с.

10. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. Для инженеров и учащихся вузов. 13-е изд., испр. М.: Наука, 2008. 544 с.

ЛОПАЕВ Борис Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение», секция «Оборудование и технология сварочного производства». СЕРБОВ Антон Анатольевич, студент гр. С-131 машиностроительного института. Адрес для переписки: serbov96@mail.ru

Статья поступила в редакцию 05.03.2017 г. © Б. Е. Лопаев, А. А. Сербов