Рис. 39. Схемы распределения поглощаемого компонента на межфазной границе расплав — газ:

о — двухпленочная теория; б — теория пограничного диффузионного слоя; в — теория обновления поверхности.

Существенный недостаток данной теории — пренебрежение влиянием движения контактирующих фаз на толщину пленок и перенос вещества в этих пленках.

Согласно современным представлениям, перенос вещества в объеме фазы, которая интенсивно перемешивается, происходит, главным образом, за счет турбулентной диффузии, что приводит к мгновенному выравниванию концентрации в объеме. По мере приближения к поверхности раздела фаз, где конвективные потоки слабее, роль турбулентной диффузии снижается, а молекулярной — возрастает. Слой, в котором молекулярный механизм диффузии начинает преобладать над турбулентным, называют диффузионным пограничным слоем. В отличие от двухпленочной теории, где толщина пленки считается постоянной величиной, в теории пограничного диффузионного слоя толщина этого слоя будет переменной величиной, зависящей от скорости потоков, коэффициента диффузии, вида контактирующих фаз и так далее.

В последнее время находит применение теория проницания и обновления поверхности [223], предложенная Хигби. Согласно этой теории, при кратковременном контакте фаз процесс диффузии будет нестационарным, и поэтому наличие пленок на поверхности фаз исключается. Скорость массопередачи по данной теории определяется скоростью обновления поверхности. Поскольку в условиях сварки непрерывно происходит обновление поверхности реакционной зоны, эта теория должна

лучше характеризовать процесс массообмена между газовой фазой и металлом при сварке.

Общим недостатком для всех теорий является наличие во всех расчетных выражениях величин (толщина пограничных пленок, толщина диффузионного слоя, скорость обновления поверхности и т. д.), которые часто нельзя определить ни экспериментальным, ни расчетным путем. Все же чаще применяют теорию пограничного диффузионного слоя, учитывающую влияние различных факторов на толщину диффузионного слоя и позволяющую довольно точно описать процесс взаимодействия газов с металлами.

Согласно первому закону Фика, число молей йпи, диффундирующее через поперечную поверхность,

1пы = ±В8^йх,(1У.1)

_ , АС где 5 — площадь поверхности контакта фаз; --градиент

концентрации в направлении оси х, перпендикулярной к поверхности контакта; йх — продолжительность процесса.

При этом йпм в зависимости от изменения концентрации вдоль оси х может быть положительной или отрицательной величиной, т. е. будет происходить или насыщение, или удаление вещества.

Поскольку градиент концентрации образуется только на межфазной границе в области пограничного слоя, то, обозначив мгновенную концентрацию примеси в расплаве с одной сто-

роны слоя через С, а с другой — через С5, получим = — —т—- , где бс — толщина диффузионного слоя. Тогда

выражение (IV.I) запишется следующим образом:

-^- = ^^С-^)-(ГО.2)

Если вместо числа молей подставить в формулу (1У.2) число молей в единице объема с1пм/У, т. е. концентрацию, а отношение D/бc заменить коэффициентом скорости массопередачи р1 , то получим приближенную формулу для определения скорости переноса растворенного газа с поверхности расплава в объем при адсорбции и из объема на поверхность при десорбции

-£-=Рм-|-(С-С5).(1У.З)

Справедливость формулы (1У.З) для описания процесса взаимодействия газов с расплавами металлов подтверждается