Рис. 1.10. Расчетные зависимости абсорбции водорода от температуры железа в случае контакта с плазмой при температуре 5000 К (состав атмосферы — Аг + + 0,1 % Н2). Обозначения те же, что и на рис. 1.9

[HJ, см3/loo г___НЬ| результаты расчета аб-

161j сорбции водорода из плаз-

менной атмосферы.

Существенным является вид температурной зависимости абсорбции газа. При контакте с обычной атмосферой содержание газа в железе имеет максимум в области примерно 2600 К. Увеличение содержания газа до этой температуры связано с возрастанием степени диссоциации газа с повышением температуры. Понижение содержания газа в металле после 2600 К зави-к'"" ' 'сит от усиления интенсив-

ности испарения металла. При контакте с плазмой, согласно расчетным данным, монотонно снижается содержание газа в железе с повышением температуры. Это связано, по-видимому, с тем, что при абсорбции газов из обычной атмосферы лимитирующим звеном в процессе абсорбции является диссоциация молекул газа у поверхности металла, которая возрастает с повышением его температуры. В процессе абсорбции из плазмы дугового разряда степень диссоциации определяется температурой дуги, которая слабо зависит от температуры поверхности металла.

Оценка поведения водорода в плазме дугового разряда. Введение фтористых соединений для снижения парциального давления водорода в зоне дугового разряда является одним из эффективных способов снижения поглощения водорода жидким металлом. В работе [49] описан термодинамический анализ поведения HF и ОН с учетом распределения температуры по сечению столба дуги.

Физическая модель. Физической основой для построения расчетной модели служили данные о наличии в столбе дуги локального термодинамического равновесия (ЛТР). Как известно |50], определяющими условиями модели ЛТР являются:

1)равновесные распределении (Максвелла) по скоростям всех компонент плазмы и равенство их температур (Те ~ 7~ = Т, = 7);

2)равенство температур, соответствующих ионизационному, диссоциативному и химическому равновесию, этому же значению Т\

3)равновесные, подчиняющиеся закону Больцмана, заселенности всех возбужденных уровней ионов, атомов и молекул;

4)выполнение всех перечисленных выше условий в любой точке плазмы, при этом температура и концентрации могут быть функциями координат и времени;

5)спектральное распределение объемной плотности излучения может не быть равновесным (планковским), но его можно вычислить, если известны концентрации и температуры.

Малое время формирования установившегося дугового разряда свидетельствует о том, что столб сварочной дуги представляет собой квазистационарную плазму [511. Экспериментальные данные о параметрах плазмы столба показывают, что она близка к состоянию ЛТР [50|, т. е. перечисленные выше условия удовлетворяются. Таким образом, есть основание использовать термодинамический подход в качестве первого приближения для изучения процессов в столбе, причем влияние при электродных областей не учитывается.

Согласно модели ЛТР столб дуги состоит из достаточно малых элементов, таких, у которых температура в пределах каждого из них постоянная. Вместе с тем у каждого элемента в его объеме должно быть достаточно большое количество частиц для того, чтобы при описании его состояния можно было применить термодинамические методы. При этом состав плазмы в данном элементе определяется константами равновесия, а процессами, происходящими с участием излучения и диффузии, можно пренебречь. Кроме того, для выполнения расчетов необходимо знать температурное поле столба дуги. В данной работе столб характеризовался выпуклой формой радиального распределения температуры, которое с приемлемой точностью аппроксимируется зависимостью, полученной в работе [52]:

Т(г) = Т0

1—Ц- ,(1.31)

где Т0 — температура на оси дуги; г — текущий радиус; Л — радиус, соответствующий Т0/ 2; значения Т0, й, взятые для расчета, соответствуют луге в аргоне с вольфрамовым катодом, горящей при атмосферном давлении [53].

Математическое описание. Поскольку плазма рассматривается как идеальный газ, а распределение температуры по сечению столба задается приведенной выше формулой, то из уравнения состояния можно определить суммарную концентрацию всех ком-