Г, К

Рис. 2.20. Расчетная зависимость массовой доли азота в условиях термодинамического равновесия от температуры при парциальном давлении газа 0,1 МПа; л — экспериментальные данные [131; 1— без учета испарения металла; 2 — с учетом испарения металла

Массовая доля [N1, % 0,16

Массовая доля [\], %давления азота, а также

влияние температуры плазмы на концентрацию, растворенного в металле азота.

Математическое моделирование абсорбции азота каплей электродного металла. Моделирование выполняли для процесса абсорбции водорода или азота каплей расплавленного металла, находящейся в столбе дуги. Атмосфера дуги состоит из аргон а с к онтрол и руем ы м содержанием абсорбируемого газа. В качестве материала электрода выбирали низкоуглеродистую сталь. Схема расположения капли металла в столбе дуги при сварке на токе при прямой полярности представлена на рис. 1.7. В данной математической модели использовали результаты работы [601.

Температура капель на торце электрода измерена в работе [42]. Экспериментальные исследования показали большое влияние процесса испарения металла па содержание в нем растворенного газа [13, 42, 681.

Математическая модель разработана О.М. Портно-вым и описана в работе [691. Она состоит из систем уравнений массопереноса в атмосфере и уравнения распространения растворенного в металле газа. Первая система описывает процесс испарения металла без учета влияния иа него процесса абсорбции газа, вторая — абсорбцию газа с учетом взаимодействия атомов газа и атомов испаренного металла.

2200 2400 2600 2800

Рис. 2.2!. Расчетная зависимость массовой доли азота в металле от температуры при сварке проволокой Св-08Х18Н9 в потоке Аг + 17 % N2; □ — экспериментальные данные [42]; / — без учета испарения металла; 2 — с учетом испарения металла

В работе [13] представлены экспериментальные данные об абсорбции азота из атмосферы чистого газа с давлением в 10132,5 Па в условиях термодинамического равновесия. Сравнение экспериментальных и расчетных результатов представлено на рнс. 2.20. С использованием упомянутой модели выполнен расчет абсорбции азота из атмосферы дугового разряда. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показано на рис. 2.21.

В условиях термодинамического равновесия при = I атм максимальное содержание азота наблюдается при температуре около 2600 К |13]. Увеличение содержания газа при нагреве до этой температуры связано с возрастанием степени его диссоциации при повышении температуры. Уменьшение содержания газа в металле при температуре выше 2600 К зависит от интенсивности испарения металла. При контакте с плазмой расчет показывает монотонное снижение содержания газа в железе при повышении 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 молекул газа определяется температурой дуги и слабо зависит От температуры поверхности металла.

2.5. Исследование абсорбции азота каплями нержавеющей стали

Опыты проводились в потоке газа по схеме, приведенной на рис. 2.22, в герметичной камере (рис. 2.23) и в специальной высоковакуумной камере.

В нержавеющей стали 0Х18Н9 при 1870 К и = I атм (приблизительно равно 100 кН/м3) растворимость молекулярной доли азота составляет 0,2 % |3[. Температурный коэффициент растворимости имеет отрицательное значение гЛ^1 /й1 ТО3 = - 0,056.

При расчете растворимости азота в зависимости от температуры за действующую концентрацию принимали парциальное давление молекулярного азота у границы раздела с жидкой каплей электродного металла. Давление пара материала электрода рассчитывали в соответствии с законом Рауля.

Давление паров железа, хрома, марганца, никеля в зависимости от температуры описывается следующими уравнениями [64, 65]:

1ёРСг =-20400/ Г- 1,821ё7Ч 16,23,(2.26)