Раcчетно-аналитическое исследование десорбции водорода из стали

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

2004 р.

Вип. № 14

УДК 669.14:669.788.001.5

Ткаченко И.Ф.1, Гаврилова В.Г.2, Ткаченко К.И.

з

РАССЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕСОРБЦИИ

ВОДОРОДА ИЗ СТАЛИ

Выполнен анализ кинетики выделения водорода из стального проката с использованием рассчетно-аналитических методов. Полученные кинетические кривые десорбции водорода из заготовок различных конфигурации и размера позволяют определять параметры обработки, обеспечивающей достижение безопасного уровня водорода в металле.

В связи с тем, что наиболее опасными дефектами стального металлопроката являются флокены и водородная хрупкость, возникающие из-за присутствия в металле обратимо растворенного водорода, определение скорости и времени выделения его из металла является одной из проблем, которую необходимо решать при разработке мероприятий по предотвращению образования указанных дефектов. Удаление водорода из проката и поковок с целью улучшения пластических характеристик металла и предотвращения образования флокенов достигается, как правило, за счет изотермической выдержки или замедленного охлаждения в определенном интервале температур. Снижение концентрации водорода при этом происходит вследствие уменьшения растворимости с понижением температуры и его удаления через поверхность металла в окружающую среду. Процесс дегазации металла в этом случае контролируется диффузией этого элемента [1..5]. Это послужило основанием для использования метода определения коэффициента диффузии (метод десорбции) [6]. Результаты расчетов параметров диффузии в этом случае хорошо согласуются с данными, полученными при использовании других методик.

Одной из основных задач при выполнении работы является расчетно-аналитическое исследование и компьютерное построение с помощью программы МаШСАБ кинетических кривых десорбции водорода из заготовок различной конфигурации и размера с целью определения параметров обработки, позволяющих улучшить качество стали.

Выделение водорода из металла в атмосферу следует рассматривать как нестационарный диффузионный процесс, который в общем виде описывается уравнением Фика:

Решение этого уравнения для тел различной формы: сферы, пластины, цилиндра и др. позволяет определить распределение концентрации выделяющегося из металла газа в различные промежутки времени в пределах рассматриваемого объема. Например, для цилиндра решение этого уравнения имеет вид [6]

где Б - коэффициент диффузии выделяющегося газа; С - средняя концентрация газа в металле в момент х; Сп - равновесная концентрация у поверхности; Со - начальная концентрация газа; х - время изотермической выдержки; о^ - корни функции Бесселя; г - радиус цилиндра.

Для больших значений х сумма в этом уравнении в хорошем приближении может быть заменена первым членом. Тогда, относительное изменение содержания водорода в процессе изотермической выдержки при заданной температуре в цилиндре радиуса г будет определяться выражением [7]

(1 - Х>= - 2,5 0 7 0,169.

з

2

ПГТУ, канд. техн. наук, доц. ПГТУ, канд. техн. наук, доц. ПГТУ, студент

Аналогичное уравнение для пластин полутолщиной Ь будет иметь вид

18

с~ - С

где х = -"--относительная концентрация водорода, выделяющегося из металла;

С 0 ~~ С и

(1 - х) = Л ~ относительная концентрация оставшегося в металле водорода.

Как видно, для расчетов изменения относительной концентрации водорода во время выдержки при постоянной температуре необходимо иметь данные о температурной зависимости коэффициента диффузии водорода. Как известно, эта зависимость выражается уравнением Аррениуса

Б н = Б 0ехр I >

К Т

где Бо - предэкспоненциальный множитель; - энергия активации диффузии водорода; Я - газовая постоянная.

Согласно литературным данным, параметры диффузии 0„ и () при температурах, лежащих выше 200 °С, имеют значения, отличающиеся от величин для температур <200 °С.

Среди многочисленных данных наиболее надежными следует считать для 1>200 °С:

Бн = 2-2-1СГ3ехр

и для низких температур, 1;<200 °С:

Бн = 0,12ехр

Более высокие параметры Б0 и для низких температур обусловлены действием "ловушек" водорода, замедляющих его диффузионную подвижность [1].

Воспользовавшись приведенными данными, в настоящей работе выполнено компьютерное исследование кинетики десорбции водорода из стального проката в виде листов толщиной 20, 40, 50 и 100 м и цилиндрической заготовки диаметром 40, 60, 80 и 120 мм. Полученные кинетические кривые приведены на рис. 1 и 2. Как видно, кривые изображены в координатах: относительная концентрация водорода в металле - время выдержки (в часах). Каждая кривая соответствует определенной температуре.

Так как с увеличением времени выдержки количество водорода в металле уменьшается, то, соответственно, наблюдается падение кривых. С увеличением температуры диффузия водорода ускоряется, что сопровождается смещением кривых влево. Таким образом, при комнатной температуре (300 К) процесс выделения водорода протекает весьма медленно, и кривые занимают крайнее правое положение, а при повышении температуры до 900 К кривые смещаются в крайнее левое положение.

На рис. 1а приведены кривые для листа толщиной 40 мм. Как видно, для полного выделения водорода из листа такой толщины при комнатной температуре требуется время ~5- 104час. При повышении температуры оно резко сокращается и при 900 К (627 °С) составляет ~ 30 час. Для листа толщиной 50 мм полное выделение водорода из металла при 300 К завершится после выдержки в течение 8-104 час (рис. 16). При 900 К это время уменьшается до 50 час (почти в 2000 раз).

Как следует из рис. 1 в,г, при толщине проката 100 и 200 мм при комнатной температуре полное выделение водорода возможно через 3-105 часов, соответственно. При 900 К процесс выделения водорода завершается по истечении ~ 200 часов и 800 часов, соответственно. Видно, что полное выделение водорода требует чрезвычайно длительных выдержек. Однако, достижение полной степени выделения водорода, как правило, не требуется. При исходном его содержании на уровне 6-5 см /100г достаточно снижение до ~1,5 см3/100г (в 3-4 раза). Это означает, что изотермическая выдержка при всех температурах может быть прекращена при достижении степени снижения относительной концентрации -0,25*0,3.

100 110' Время, ч

Л» »

\\ л »

10 100 I '10 Время, ч

-300 К: ........-400 К:

-500 К:

-600 К:

-700 К:

Время, ч Г

-800 К:

-900 К:

Рис. 1 - Кинетические кривые десорбции водорода из листов толщиной: а- 40 мм; б- 50 мм; в- 100 мм; г-200 мм.

На рис. 2а,б приведены аналогичные кинетические кривые выделения водорода из цилиндрической заготовки диаметром 80 и 120 мм, используемой для прокатки мелющих шаров. Из них следует, что полное удаление водорода из заготовок 0 80 мм может быть достигнуто по истечении 1-10 часов при 300 К и -50 часов при 900 К. Для заготовки 0 120 мм полное выделение водорода за 1-Ю5 часов не достигается, а при 900 К для этого требуется выдержка ~100 часов. Как видно, полученные кривые позволяют определять параметры изотермической обработки, обеспечивающей достижение безопасного уровня водорода в стальном прокате.

По изложенной выше методике, основанной на решении второго уравнения Фика, выполнено аналитическое исследование кинетики десорбции водорода из стали конкретного состава- СВ08А при комнатной температуре. Для цилиндрических заготовок это решение имеет вид

т1

где г| - относительная концентрация водорода в металле; Он - коэффициент диффузии водорода; г -радиус образца; т - время выдержки.

\ ч \ \ '* \ , \ у \ \ \ \ \ 1

\ Х-\ * \ » \ » \ » \ V \ \ \ \ \ 1 \ \ \ \ 2

\ X V \ \ v\

то*

. \

\\

\% I

%V\ \

Время, ч

-ЗООК;........-400К;

-500К;

-600К;

Время, ч б

700К; . -800К;

-900К;

Рис. 2 - Кинетические кривые десорбции водорода из цилиндра диаметром: а- 80 мм; б- 120 мм.

Время, ч

Рис. 3 - Кинетические кривые десорбции водорода из цилиндрических образцов стали СВ08А диаметром: 1- 0,3 см; 2- 0,4 см.

Расчетное компьютерное построение кинетических кривых выделения водорода при комнатной температуре (рис. 3) из указанной стали, выполнено для образцов диаметром 0,3 и 0,4 см. Принятое значение коэффициента диффузии равно Dh =1,03.10-3ехР(-270^/т).

Как видно, кривые для образцов 0,3 и 0,4 см имеют совершенно аналогичный вид. Для образца диаметром 0,4 см кривая смещена вправо, что соответствует большей выдержке для достижения за-

ЧХ _ данного уровня дегазации.

Из рис. 3 следует, что интенсивное выделение водорода происходит после выдержки в течение 30-50 с. Максимальная скорость дегазации наблюдается в промежутке 100-800 с, после этого происходит затухание процесса. Полное

выделение водорода наблюдается через 3000 с для образца диаметром 0,3 см и через 4000 с для образца 0,4 см. Как видно, расчетное время ниже экспериментального, что, по-видимому, связано с заниженным значением DH.

Выводы

1. В результате выполненного исследования установлены температурно-временные зависимости степени удаления водорода из стального проката различного сечения (листы, плиты, пруты).

2. Полученные результаты могут служить исходными данными при разработке рациональных режимов охлаждения стального проката указанного профиля, с целью получения остаточного содержания водорода на заданном уровне.

Перечень ссылок

1. Калачев П. А. Водородная хрупкость металлов / П. А. Калачев.- М.: Металлургия, 1985.-216с.

2. Мороз А.Н. Водород и азот в сталях / А.Н. Мороз.- М.: Металлургия, 1968.-283с.

3. Гелъд П. В. Водород и несовершенства структуры металла / П.В.Гелъд, P.A. Рябое, Е.С. Кодес - М.: Металлургия, 1970.-221с.

4. Гелъд П. Водород в металлах и сплавах / П.В.Гелъд, P.A. Рябое.- М.: Металлургия, 1974.-272с.

5. Мороз A.B. Водородная хрупкость металлов / А.Н. Мороз, Н.В. Чечулин.- М.: Металлургия, 1967.-255с.

6. ФастДж, Взаимодействие металлов с газами / Дж, Фаст. - М.: Металлургия, 1975.-351с.

7. Даркен Л.С. Физическая химия / Л.С. Даркен, Р.В. Гурри. - М.: Металлургия, 1960.-582с.

Статья поступила 11.02.2004