VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Проблема утилизации отходов на сегодняшний день актуальна во всех отраслях промышленности и во всех видах производств. Не является исключением и сварочное производство. Эту проблему можно разделить на 3 задачи:

-конструкторскую;

- технологическую;

- в области материаловедения (в области сварочных материалов).

К конструкторским задачам относятся снижение потерь основного металла при подготовке кромок.

Решение технологических задач сводится к выбору способа сварки, параметров режимов и технологических приемов, обеспечивающих наименьшие потери энергии и максимально рациональное ее использование.

Если первые две группы задач решаются конструкторами и технологами для каждого изделия в отдельности (или для группы однотипных изделий) в процессе отработки изделия на технологичность, то последняя группа задач – в области материаловедения – требует исследовательской, теоретической и экспериментальной работы. К этой группе относятся вопросы разработки новых сварочных материалов.

Получение металла шва с заданными свойствами и химическим составом связано с протеканием физико-химических процессов. Прогнозирование химического состава металла и шлака, основанное на математическом моделировании взаимодействия фаз позволяет выбрать наиболее подходящий состав покрытия электродов или оптимизировать его еще на стадии проектирования. Известные методы кинетического анализа, а также данные о механизме отдельных стадий гетерогенных реакций при моделировании ручной дуговой сварки не позволяют получить достаточно адекватную модель процесса и использовать ее для дальнейших расчетов. Это связано, прежде всего, со скоростью и кратковременностью протекания взаимодействия, а также невозможностью достоверно оценить площадь взаимодействия. Поэтому в основу предложенной нами методики расчета состава металла шва была предложена математическая модель процесса РДС, основанная на полном материальном балансе каждого из элементов в каждой из фаз.

Одной из основных задач моделирования процесса сварки материалов является прогнозирование химического состава металла и шлака, а также для создания инженерных методик – расчет коэффициентов перехода элементов из исходных материалов.

Усредненный коэффициент перехода определяют экспериментально для каждого способа сварки и элемента отдельно. Это требует больших материальных и временных затрат. Кроме того, при таком подходе к оценке коэффициентов перехода необходимо проводить эксперименты для каждого варианта сварки отдельно. Поэтому существует потребность создать методику (программу), позволяющую рассчитать парциальные коэффициенты перехода, т.е. коэффициентов перехода на каждой стадии нагрева и плавления, и их зависимости от параметров режима сварки. В этом случае разработчик сварочных материалов будет знать из какой фазы переходит тот или иной элемент и в каком количестве.

Если рассмотреть только процесс плавления электрода, то можно отметить следующие возможные процессы в дуговом промежутке:

- плавление стержня электрода и формирование капель металла;

- плавление металлической части покрытия электрода (феррокомпонентов) и формирование капель металла;

- плавление неметаллической части покрытия электрода (оксидов, органических соединений) и формирование капель шлака;

- удаление газообразных компонентов из зоны сварки;

- восстановление металлических компонентов из оксидов шлака.

В соответствии с выделенными процессами, протекающими при плавлении электрода, введем следующие обозначения:

- доля массы компонента Э_i металлической части покрытия электрода, окисляемой газом;

- доля массы компонента Э_i металла стержня, окисляемой газом;

- доля массы оксида компонента Э_i неметаллической части шихты (покрытия), переходящей в металл в результате реакций восстановления на стадии капли.

Общий коэффициент перехода отличается от единицы, т.к. присутствуют такие процессы как окисление, восстановление, испарение. Последнее в описываемой методике не учитывается, т.к. по литературным данным количество испаряемого металла не превышает 2 – 4 %, что сопоставимо с ошибкой эксперимента.

В связи с этим можно предположить, что общий (усредненный) коэффициент перехода имеет следующую взаимосвязь с парциальными коэффициентами (1):

, (1)

где – общий (усредненный) коэффициент перехода элемента Э_i.

Расчет дал следующие результаты (табл.1).

Таблица 1 – Парциальные коэффициенты перехода

Парциальный коэффициент перехода элементов	Значения тока из рекомендованного в ТУ диапазона	Элемент
		C	Mn
	Минимальный ток Средний ток Максимальный ток	0 -0,0287 -0,4345	0,8075 0,8136 0,8207
	Минимальный ток Средний ток Максимальный ток	0,2 0,2287 0,2435	-0,4075 -0,4136 -0,4207

На основании приведенных данных получены регрессионные уравнения (2) - (5):

(2)

(3)

(4)

, (5)

Отрицательные значения коэффициентов и формально показывают восстановление элемента, растворенного в металле. Физически такого процесса происходить не может. Поэтому, подобный результат показывает, что данный элемент окисляется только из тех капель, для которых значение коэффициента положительное. Например, углерод окисляется из стержня, а марганец – из ферросплавов. Такой результат соответствует соотношению концентраций данных элементов в каплях металла, образовавшихся при плавлении стержня и ферросплавов. В частности, концентрация углерода в стержне на порядок больше, чем концентрация углерода в покрытии. И наоборот, концентрация марганца в ферросплавах значительно превышает его концентрацию в стержне.

Кроме того, эта методика позволяет решать и обратную задачу: подбор сварочных материалов исходя из необходимых свойств шва и его химического состава, т.е. создавать экономнолегированные электроды. В этом случае не только снижается расход исходных компонентов, часто дорогостоящих, но и уменьшаются вредные для здоровья сварщика выбросы.

Код для цитирования: Скопировать