«Разработка термодинамической модели металлургических процессов при ручной дуговой сварке» - Магистерская работа

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ВЛИЯНИЕ ГАЗОВ НА МЕТАЛЛ ШВА

1.1 Формирование химического состава сварочной ванны

1.2 Взаимодействие металла с газовой фазой в зоне сваривания

1.2.1 Водород и его влияние на металл шва

1.2.2 Азот и его влияние на металл шва

1.2.3 Кислород и его влияние на металл шва

1.3 Газошлаковая защита металла при сварке

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОДЕЛИРОВАНИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

2.1 Моделирование физико-химических процессов сварки покрытыми электродами

2.2 Схематизация сварки покрытыми электродами

2.3 Влияние окисления легирующих элементов в покрытии на изменение состава наплавленного металла

2.4 Влияние состава покрытия на окисление металла

2.5 Математическая модель для расчета химического состава наплавленного металла

3. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

3.1 Прогнозирование физико-химических реакций при сварке плавлением

3.2 Металлургические процессы при ручной дуговой сварке электродами ЦУ-1

3.3 Металлургические процессы при ручной дуговой сварке электродами ЦМ-7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

На сегодняшний день в сварочной промышленности и строительстве значение ручной дуговой сварки как способа получения неразъемных соединений металлоконструкций не уменьшается. Особенно велико оно при монтаже, реконструкции и ремонте трубопроводов, емкостей и других технических устройств опасных производственных объектов. Высокое качество сварных соединений в таких устройствах достигается, в первую очередь, благодаря использованию качественных сварочных материалов, соответствующих специальным требованиям.

Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается большое количество покрытых сварочных электродов различного назначения и различных сварочно-технологических свойств. Данными типами электродов сваривают свыше 2/3 изготавливаемых в России металлоконструкций.

Сварочные операции являются завершающими в маршрутной технологии производства металлоконструкций. При сварке должно быть сохранено высокое качество металла, достигнутое при плавке, прокатке, термообработке металлов и сплавов.

При всех способах сварки плавлением возможно попадание в зону сварки воздуха, этому способствует несовершенство газовой струйной защиты, наличие примесей воздуха в защитных газах, кислорода и водорода, выделяющихся при термической диссоциации влаги, оксидов металла и сварочных флюсов. Это приводит к растворению в жидком металле азота, водорода, окислению основы и легирующих элементов, что ухудшает механические свойства. К тому же результату приводит увеличение концентрации углерода, серы и фосфора, переходящих в шов из электродных покрытий, газов и флюсов, а также потеря легирующих элементов при испарении. Современные сварочные процессы имеют значительное число средств, позволяющих не только сохранить, но и повысить качество металла в зоне соединения.

Для создания эффективных технологических процессов сварки плавлением необходимо прогнозировать ход физико-химических реакций и применять способы управления, препятствующие их развитию в неблагоприятном направлении. В целях прогнозирования хода физико-химических реакций используются методы термодинамического анализа, допуская при этом, что, несмотря на кратковременность процесса сварки, высокие температуры нагрева металла и большая удельная поверхность его контакта со средой обеспечивают практическое достижение термодинамического равновесия в системе представляющей собой зону сваривания.

Математические модели на современном этапе развития науки и техники широко используются для познания сложных явлений, к которым можно отнести физико-химические процессы дуговой сварки. Моделирование позволяет составить рациональный технологический процесс и оптимизировать производство, сократить объем экспериментальных работ при составлении технологических процессов и исследованиях, раскрыть сущность исследуемых явлений с высокой достоверностью.

Объект исследования — моделирование термодинамической модели при ручной дуговой сварке покрытыми электродами.

Цель работы — разработка термодинамической модели металлургических процессов при ручной дуговой сварке покрытыми электродами для методики прогнозирования хода физико-химических реакций и способа их управления, препятствующего их развитию в неблагоприятном направлении.

Основные задачи исследования:

1. Анализ влияния кислорода, азота, водорода на металл шва; изучение газошлаковой защиты металла при сварке покрытыми электродами.

2. Составление литературного обзора по вопросу моделирования физико-химических процессов ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

3. Прогнозирование химического состава шва при сварке электродами с кислым и основным покрытиями.

Выдержка из текста работы

Рассмотрим схематизацию основных физико-химических процессов, протекающих при сварке и оказывающих влияние на химический состав и свойства сварного шва. Ограничимся описанием процессов при режимах сварки, широко применяемых на практике (согласно паспортным данным на электроды). Большинство электродов, выпускаемых массовым производством, имеет флюрито-кальциевое покрытие, поэтому более подробно рассмотрим процессы, протекающие при сварке этими электродами (рисунок 2.1).

Во время сварки на конце стержня 2 образуется капля 3. Она растет и переходит с короткими замыканиями или без них в головную часть ванны 4. Одновременно с электродным стержнем плавится покрытие 1, состоящее из смеси различных минералов, органических веществ и металлических добавок, сцементированных жидким стеклом или другими связующими веществами. Оплавление покрытия начинается с внутренней стороны. Расплавленный шлак растекается по поверхности капли, взаимодействуя с металлом, и поступает в дуговой промежуток 6. Из нерасплавленного покрытия образуется коническая втулка. Длина втулки на торце электрода увеличится с возрастанием толщины и температуры плавления покрытия 5.

Покрытие, как показывают исследования, может стекать в ванну в виде отдельных капель или же сплошным потоком. При более толстом покрытии наружная его часть может переходить в ванну, не контактируя с металлом капли и, следовательно, не взаимодействуя с ним 5. С покрытия в дугу направлены потоки выделяющихся газов П_О^д, П_СО^д, П_СО2^д, паров элементов и окислов П_j^д. При толстой обмазке часть расплавленного покрытия, возможно, поступает непосредственно с шлаковую ванну 13. Поток газов П_j^д из покрытия в атмосферу (воздух) создает защиту дуги от азота и водорода.

Заключение

1. На основании проведенного анализа взаимодействия металла с газовой фазой в зоне сваривания рассмотрены методы газошлаковой защиты расплавленного металла сварочной ванны от воздуха при ручной дуговой сварке покрытыми электродами.

2. На основе схематизации ручной дуговой сварки покрытыми электродами были рассмотрены потоки массообмена в плавильной зоне сварочной ванны в период горения дуги и выявлено, что реакции, протекающие в покрытии, могут не оказывать существенного влияния на конечное распределение кислорода между элементами сплава и на химический состав шва; при увеличении мрамора в покрытии увеличивается поток кислорода к железу (П_О^Fe). Титан из ферротитана и кремний из ферросплавов переходит из покрытия в металл практически полностью, а алюминий большей частью выгорает в покрытии, не поступая в расплавы.

3. Разработана термодинамическая модель прогнозирования хода химических реакций в сварочной ванне, с учетом температуры и приращения термодинамического потенциала Гиббса при сварке электродами с кислым и основным покрытиями.

Список литературы

1. Сварка и свариваемые материалы. В 3-х т. Т.I. Свариваемость материалов. Справ. изд. /Под ред. Э.Л. Макарова – М.: Металлургия, 1991, -528 с.

2. Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением: 3-е изд., перераб. и допол. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987, -461 с.: ил.

3. Тархов С.А., Сидлин З.А., Рахманов А.Д. Производство металлических электродов. – М.: Высш. шк, 1986, -288 с.

4. Буки А.А. Моделирование физико-химических процессов дуговой сварки. – М.: Машиностроение, 1991, -288 с.: ил.

5. Ерохин А.А. Кинетика металлургических процессов дуговой сварки.

– М.: Машгиз, 1964, 256 с.

6. Алов А.А. Основы теории металлургии дуговой сварки малоуглеродистых сталей. // Вопросы теории сварочных процессов.

– М.: Машгиз, 1948, с 5-85.

7. Походня И.К. Газы в сварных швах. – М.: Машиностроение, 1972,

256 с.

8. Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. – М.: Машиностроение, 1973, 448 с.

9. Петров Г.Л. Сварочные материалы. Л.: Машиностроение, 1972, 280 с.

10. Походня И.К., Суптель А.М., Шлепаков В.Н. Сварка порошковой проволокой. Киев: Наукова думка, 1972, 224 с.

11. Брон О.Б., Сушков Л.К. Потоки плазмы в электрической дуге включающих аппаратов. – Л.: Энергия, 1975, 316 с.

12. Петров Г.Л., Минаков И.Т. Характер взаимодействия металла и флюса при автоматической сварке хромоникелевой аустенитной электродной проволокой // Сварка. – Л.: Судостроение, 1962, № 5, с. 30-42.

13. Потапов Н. Н. Восстановление титана и алюминия из шлака при сварке покрытыми электродами // Сварочное производство, 1975, № 8, с. 3-5.

14. Сварка. Резка. Контроль: Справочник. В 2-х томах / Под общ. ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышова. – М.: Машиностроение, 2004. Т1 / Н.П. Алешин, Г.Г. Чернышов, Э.А. Гладков и др., -624 с.: ил.

15. Теория сварочных процессов: моделирование физико-химических процессов в сварном шве: учебное пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014, с. 11-13.

16. ГОСТ 9466-75. Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки сталей и наплавки. Классификация и общие технические условия.

17. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х томах/ Редкол.: С24 Г.А. Николаев (пред.) и др. – М.: Машиностроение, 1978 – Т.1/ Под ред. Н.А. Ольшанского, 1978, -504 с.:ил.