Математическое моделирование абсорбции газов металлом в процессе сварки
При дуговой сварке содержание газов в сталях часто бывает выше
равновесных. Проведение экспериментов относительно взаимодействия газов
с металлом на торце электрода и сварочной ванны в условиях дуговой
сварки плавлением существенно усложняется из-за высоких температур,
диссоциации и ионизированного состояния газа, высоких скоростей реакций.
В этом случае для исследования абсорбции и десорбции газов железом
целесообразно применять физические и математические модели.
Физическая модель абсорбции газов. Абсорбция газа металлом состоит из
нескольких стадий: движения молекул газа к поверхности, диссоциации
молекул на поверхности, адсорбции атомов металлической поверхностью и
диффузии атомов в объем металла или расплава. Одновременно с процессом
абсорбции происходит десорбция газа. Для описания распределения газа в
металле необходимо определить общий поток газа через поверхность раздела
фаз металл—газ в течение каждого момента времени на протяжении всего
процесса. Общий поток газа, поступающего в металл, равен разнице между
прямым (абсорбционным) и обратным (десорбционным) потоками. Прямой поток
определяется состоянием поверхности металла и окружающей атмосферы,
обратный — в основном состоянием поверхности металла, т. е. ее
температурой и содержанием растворенного газа на границе металла.
Отметим, что не все столкновения молекул газа с металлической
поверхностью сопровождаются химической реакцией (растворением или
образованием химического соединения). Отраженные от поверхности молекулы
взаимодействуют с прямым и обратным потоками газа.
Газы растворяются в металле в атомарном состоянии, и скорость абсорбции
многоатомных газов из атмосферы зависит от степени диссоциации молекул
на поверхности металла и в объеме газа. Таким образом, физическая модель
абсорбции газов строится с учетом следующего:
газы растворяются в металле только в атомарном состоянии;
каждый атом газа после столкновения с поверхностью металла проникает в
его объем;
недиссоциированные молекулы диффузно отражаются от поверхности металла;
в отсутствие плазмы диссоциация молекул газа происходит на нагретой
металлической поверхности;
диссоциация молекул газа в плазме происходит непосредственно в ее
объеме;
интенсивность десорбции газа из металла зависит от температуры
поверхности и поверхностной концентрации атомов растворенного газа;
конвективное перемешивание металла отсутствует. Атомы газа в металле
перемещаются по диффузионному механизму;
давление плазмы в разрядном промежутке равно атмосферному на
значительном расстоянии от области дугового разряда.
Основные физические процессы, происходящие у поверхности раздела
металл—газ, на молекулярном уровне при взаимодействии металла с
низкотемпературной плазмой схематически приведены на рис. 1.3. Схема
пространственной структуры задачи массопереноса и выбранная система
координат представлены на рис. 1.4.
Рис. 1.3. Схема основных молекулярных процессов, происходящих в слое
Кнудсена, при взаимодействии плазмы с металлом
Рис. 1.4. Схема пространственной структуры газового потока при его
взаимодействии с металлом
Математическая модель абсорбции газов металлом сварочной ванны. Перенос
примесных элементов в системе металл-газ определяется с помощью системы
уравнений, описывающих газодинамическое движение частиц в плазме,
молекулярное взаимодействие в приповерхностном слое Кнудсена и
перераспределение примеси в металле сварного шва. Описание
газодинамического движения вблизи поверхности твердого тела основано на
кинетической теории газов. Математическая модель и аналитическое решение
задачи выполнены О.М. Портновым.
Абсорбция газов в зависимости от состояния атмосферы может происходить в
условиях как приближенных к термодинамическому равновесию, так и далеких
от состояния термодинамического равновесия, когда, например, окрус
жающая атмосфера перегрета протекающим через нее электрическим током и в
значительной степени диссоциирована.
Рис. 1.5. Зависимость содержания водорода в железе на глубине 10 мкм от
времени при разных давлениях газа при температуре 2000 К
(термодинамическое равновесие)
Наиболее простым для изучения является массоперенос через поверхность
раздела металл—газ в условиях, близких к термодинамическому равновесию,
когда однородно нагретый металл окружен газом с такой же температурой.
Такие задачи хорошо изучены теоретически и экспериментально.
Расчет абсорбции из атмосферы чистого газа в зависимости от давления в
условиях термодинамического равновесия представлен на рис. 1.5. При
расчетах абсорбции для различных давлений газа за единицу концентрации
принято равновесное содержание газа, вычисленное по закону Сивертса [Г]
= КГ*?Рг.
. При переходе атмосферы в состояние дугового разряда степень
диссоциации в ней увеличивается на много порядков. Диссоциация в самой
плазме превосходит диссоциацию газа на нагретой поверхности, что
приводит к увеличению количества диссоциированных атомов в слое
Кнудсена. Поток газа, поступающего в металл, увеличивается, и
концентрация газа в металле значительно повышается. Расчет кинетической
зависимости абсорбции газов при контакте металла с плазмой согласно
предложенной математической модели без описания динамики эволюции плазмы
представлен на рис. 1.6. Результаты расчетов позволяют оценить
кинетическую зависимость абсорбции газов в зависимости от температуры
плазмы и парциального давления газа, а также влияние температуры плазмы
на концентрацию растворенных в металле газов. Проведенные исследования
рассматривали абсорбцию газов металлом сварочной ванны.
Зависимость содержания водорода в железе на глубине 10 мкм от времени
при разной температуре плазмы при температуре металла 2000 К и
парциальном давлении водорода в плазме 50 Па
Математическая модель абсорбции газов каплей электродного металла.
Существуют некоторые различия в процессах абсорбции газов сварочной
ванной и электродным металлом. Температура сварочной ванны не превышает
2200 К; испарение железа при такой температуре не влияет на процесс
абсорбции газов. Температура капель электродного металла значительно
выше и в ряде случаев приближается к температуре кипения. Вследствие
сильного нагрева электродный металл интенсивно испаряется. Как
оказалось, концентрация атомов испаренного металла в атмосфере плазмы
сравнима с концентрацией атомов абсорбируемого газа, поэтому происходит
уменьшение абсорбции химически активного газа металлом.
Моделирование выполняли для процесса абсорбции водорода каплей
расплавленного металла, находящейся в столбе дуги. Атмосфера дуги
состоит из аргона с контролируемым содержанием абсорбируемого газа.
Материалом электродного металла является низкоуглеродистая сталь. Общая
схема расположения капли металла в столбе дуги при сварке на токе при
прямой полярности представлена на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Общая схема расположения капли металла в столбе дуги при
сварке на токе при прямой полярности: 1 — плавящийся электрод; 2 — капля
электродного металла; 3 — катодное пятно; 4 — столб дугового разряда; 5
— сварочная ванна
Математическая модель состоит из систем уравнений массопе-реноса в
атмосфере и уравнения распространения растворенного в металле газа.
Системы уравнений массопереноса описывают процесс испарения металла без
учета влияния на него процесса абсорбции газа, а уравнения
распространения — абсорбцию газа с учетом взаимодействия атомов газа и
атомов испаренного металла.
Математическая модель решения системы уравнений массопереноса
представляет собой программу на языке C++. Алгоритм решения уравнений
массопереноса построен из функционально независимых модулей. Для решения
уравнения диффузии применяли метод конечных разностей путем
аппроксимации переменной симметричной неявной схемой Кранка—Ни-колсона с
перестраиваемым шагом по пространственной и временной координатам.
Результаты и обсуждение. Работоспособность представленной математической
модели проверяли путем расчета абсорбции газа в условиях, для которых
существуют надежные экспериментальные данные.
Сравнение результатов расчета зависимости концентрации газа в
металлической капле от его парциального давления в атмосфере с
экспериментальными данными для железного образца, выдерживаемого в
плазме инертного газа и с контролируемым содержанием водорода,
представлено на рис. 1.8. Экспериментальные данные получены с учетом
потери газа в образце вследствие процесса десорбции при охлаждении.
Расчетное время абсорбции равно 1 с. Результаты расчетов абсорбции
водорода в условиях термодинамического равновесия, когда железо
находится в контакте с чистым газом при атмосферном давлении, имеющим
одинаковую с металлом температуру, представлены на рис. 1.9.
Рис. 1.8. Расчетная (1) и экспериментальная (2) зависимости содержания
водорода в металлической капле от его парциального давления в атмосфере
Рис. 1.9. Зависимости абсорбции водорода от температуры в условиях
термодинамического равновесия при парциальном давлении газа 0,1 МПа; ? —
экспериментальные данные. 1 — расчетные данные без учета испарения
металла; 2 — то же с учетом испарения металла
Источник: Металлургия дуговой сварки. Взаимодействие металла с газами.
Под редакцией академика НАН Украины И.К. Походни. Киев. Наукова Думка.
2004
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
