Обработка результатов исследования
Лабораторная работа №1
КИНЕТИКА ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ
Теоретическая часть
Под химической коррозией подразумевают процессы взаимодействия металлической поверхности с окружающей средой, идущие по механизму химических гетерогенных реакций. Примером химической коррозии является взаимодействие металла с жидкими неэлектропроводными средами (неэлектролитами) или сухими газами.
Процессы коррозии в атмосфере или газах при обычных температурах, когда возможно образование хотя бы самых тонких слоев электролита на поверхности металла, относятся уже к атмосферной коррозии, механизм которой электрохимический.
Частным видом, химической коррозии, практически наиболее важным, является процесс окисления металла при высоких температурах (взаимодействие с кислородом) или химическое взаимодействие металлов с рядом других, активных газовых сред (сернистый газ, сероводород, галоиды, водяные пары, углекислота и др.).
Указанные процессы химической коррозии металлов при повышенных температурах носят название газовой коррозии. Борьба с газовой коррозией имеет большое значение для народного хозяйства и успешного развития новой техники. Многие ответственные детали инженерных конструкций сильно разрушаются от газовой коррозии (лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, элементы электронагревателей, колосники и арматура печей и т. д.). Большие потери от газовой коррозии (угар металла) несет металлургическая промышленность при процессах горячей обработки металлов.
|
|
|
Подавляющее большинство металлов (исключая только благородные) термодинамически неустойчивы по отношению к кислороду и некоторым другим газовым средам при обычных температурах. С повышением температур степень термодинамической нестабильности хотя и несколько снижается, но скорость процесса сильно возрастает.
Большинство металлов на воздухе, а также в атмосфере других активных газов являются термодинамически неустойчивыми. По этой причине скорость газовой коррозии будет определяться в первую очередь кинетическими возможностями протекания химической реакции.
Рост окисной пленки во времени в значительной степени зависит от защитных свойств образующейся пленки. Для незащитных пленок, например для несплошных пленок (для которых отношение 
< 1), скорость роста постоянная и контролируется, химической реакцией образования пленки. В этом случае действует линейный закон привеса пленки:
(1)
где: ∆g — привес образца, г/м2; k1 — константа, г/м2·час; τ — продолжительность коррозии, час.
|
|
|
Для обладающих защитными свойствами сплошных пленок (для которых отношение >1) скорость их роста часто контролируется диффузией и сопровождается самоторможением: по мере утолщения пленки уменьшается скорость диффузии через нее металла и кислорода, а следовательно, и скорость коррозионного процесса. В этом случае пленка растет по закономерности квадратичной параболы:
(2)
где к2 — константа 
(г2/м4·час.), для которых отношение <1 час.
Если скорость роста пленки контролируется как скоростью самой химической реакции окисления, так и скоростью встречной двусторонней диффузии через пленку металла и кислорода, то этот процесс может быть выражен общим уравнением 2-й степени Эванса (3):
к1·∆ g2 + к2∆ g = к1·к2·τ, (3)
где: к1 и к2 — константы (см. выше)
или параболическим уравнением (4):
∆gn = kn·τ (4)
где: n — показатель параболической зависимости, причем 1 < n < 2; kn —константа, гn/м2n · час.
В ряде случаев окисления металлов наблюдается торможение процесса в большей степени, чем это следует из первого закона диффузии. В этих случаях происходит рост пленки по парабалической закономерности (4):
|
|
|
∆gn = kn·τ
где n – показатель параболической зависимости при n > 2;
∆g = k 3lgτ + k 4
где k 3 и k 4 — константы гn/м2n · час.
В реальных процессах окисления металлов часто наблюдаются как нарушения приведённых выше зависимостей ∆g = f(τ) вследствие ряда факторов, осложняющих процесс (нарушение сплошости пленки за счет роста внутренних напряжений и др.), так и более сложные зависимости, которые описывают процесс роста окисной пленки во времени.
На основании опытных данных об изменении веса образца во времени может быть получено уравнение, которое дает возможность рассчитывать коррозионное разрушение металла при его окислении как функцию времени.
Цель работы
Исследовать на лабораторной установке скорость коррозии углеродистой стали марки 10 в присутствии поваренной соли при температуре 90оС и определить:
- зависимость роста окисной пленки от продолжительности окисления металла в воздухе при этой температуре, построить график этой зависимости;
|
|
|
- константу роста окисной пленки в процессе коррозии;
- отрицательный весовой показатель коррозии ( 
)
и рассчитать относительную ошибку:
- полученного среднего значения убыли веса металла (∆g);
- времени коррозии (τ);
- относительную и абсолютную ошибки при определении поверхности (S) образца металлической пластины из углеродистой стали марки 10.
Аппаратура и методика работы
В задание входит исследование кинетики окисления стали марки 10 в воздухе в присутствии поваренной соли при температуре 90оС. Исследование проводят при помощи аналитических весов 6 (рис. 1), у которых в левой
Рис. 1 Схема установки для исследования кинетики газовой коррозии металлов в воздухе при различных температурах: 1— тигельная печь; 2 — образец; 3 — термопара; 4 — терморегулятор; 5 — нихромовый подвес; 6 — аналитические весы; 7 — изолирующий экран; 8 — разъемная крышка печи с двумя отверстиями; 9 — сигнальная электролампа.
чашке прикреплен подвес 5, состоящий из нескольких звеньев нихромовой проволоки. Проволока пропущена через отверстие в доске, на которой установлены весы, а под ней помещена тигельная электропечь 1 с бифилярной обмоткой. Печь имеет разъемную керамическую крышку 8 из двух частей и снабжена термопарой 3 с электронным терморегулятором 4.
Включают тигельную печь, нагревают ее до заданной температуры и подготавливают образец 2 в виде пластинки с просверленным наверху отверстием диаметром ≈ 1 мм к испытанию: измеряют штангенциркулем размеры образца с точностью ±0,1 мм (отверстие не учитывают), затем зачищают его наждачной бумагой, обезжиривают органическим растворителем и, поместив с нижними съемными звеньями нихромового подвеса на левую чашку весов, уравновешивают разновесами, помещенными на правую чашку весов.
После того как печь нагрета до требуемой температуры, снимают щипцами половину разъемной крышки печи, помещают в печь образец (подвесив его с помощью съемных звеньев к верхнему звену нихромового подвеса) и, поставив снятую половину крышки на место, проверяют, чтобы подвес проходил через центральное отверстие в крышке, не задевая стенок.
Через определенные интервалы времени показатели изменения веса окисляющегося в атмосфере печи образца записывают в таблицу.
Если тигельная печь не имеет бифилярной (не обладающей индуктивностью) обмотки, магнитные образцы взвешивают в те моменты времени, когда терморегулятор выключает питание печи током (для этого в цепи служит сигнальная лампа).
По окончании эксперимента печь выключают и, сняв половину крышки, извлекают щипцами из печи подвес с образцом и снимают образец с подвеса.
Обработка результатов исследования
Условия опыта: материал образца - листовая углеродистая сталь марки 10 толщиной 2,9 мм, шириной 17,6 мм и длиной 29,5 мм.; поверхность образца S=13,11·10-4 (м2); точность взвешивания ∆g=± 0,0001(г); температура эксперимента t = 90±1oС.
Результаты измерений и расчетов записывают в таблицу 1.
Таблица 1. Результаты опыта по исследованию скорости коррозии стали марки 10 в присутствии поваренной соли при 90° C за 2 часа
| Номер образца | Начальный вес образца (go), г | Конечный вес образца (g1), г | Убыль веса металла (∆g), г | Отклонения от среднего ∆g/ г |
| 1 | 11,5762 | 11,5662 | 0,0100 | -0,0005 |
| 2 | 11,5112 | 11,5004 | 0,0108 | +0,0003 |
| 3 | 11,6548 | 11,6445 | 0,0103 | -0,0002 |
| 4 | 11,5756 | 11,5656 | 0,0100 | -0,0005 |
| 5 | 11,5876 | 11,5762 | 0,0114 | +0,0009 |
| Среднее арифметическое . . . . . | 0,0105 | 0,0005 | ||
Таблица 2. Функциональные справочные характеристики
| Объем образо-вавшегося окисла металла (Vок), см3 | Объем металла израсходо-ванного на образование окисла металла (VМе), см3 | М (Fe2O3) | А (Fe) | dок г/см3 (Fe2O3) | dМе г/см3 | х (Fe) |
| 0,00022 | 0,00134 | 160 | 55,85 | 5,24 | 7,86 | 26 |
Пользуясь справочными данными [1, приложения 1 и 3], рассчитывают отношение объема окисла к объему израсходованного на его образование металла по уравнению (5):
(5)
где: Vок. — объем окисла металла, см3; VМе — объем израсходованного металла на образование окисла металла, см3; dок — плотность окисла металла, г/см3; dМе — плотность металла, г/см3; А — атомный вес металла; М — молекулярный вес окисла; х — число атомов металла в молекуле окисла.
Зная объем израсходованного металла (VМе=0,00134 см3) и отношение 
, определяем объем образовавшегося окисла металла (Vок , см3):
Продолжительность воздействия поваренной соли на сталь марки 10 при 90°C была 0,5 час.; 1,0 час.; 1,5 час.; 2,0 час. Убыль веса листовой углеродистой стали марки 10 (∆g,) составила — 0,43; 0,72; 0,95; 1,05 (г) соответственно. На основе полученных экспериментальных данных построен (рис.2) график изменения (убыли) веса ∆g = f(τ) углеродистой стальной пластинки марки 10 от продолжительности нахождения её при 90°C в присутствии поваренной соли.
Рис.2. Кинетика убыли веса (∆ g · 10-2) листовой углеродистой стали
марки 10 от продолжительности воздействия (τ) поваренной
соли при 90°C.
При спрямлении кривой [в полулогарифмических координатах ln∆g = f(τ)], можно определить константы (постоянные коэффициенты) скорости коррозии.
По результатам исследования, показанным в табл. 1, оценивают
абсолютную и относительную ошибки эксперимента.
Так как ошибка при расчете убыли веса металла ∆(go-g1)=2∆g=2·0002 =0004 г меньше средней ошибки опыта ∆g/=0,0005 г, принимаем в качестве предельной абсолютной ошибки последнее значение.
Таким образом, среднее значение убыли веса металла составляет:
go-g1 = 0,0105± 0,0005 г.
Относительная ошибка полученного среднего значения 
т.е. 5%.
Поверхность образца рассчитывают по уравнению:
S=2ab+2c(a+b).
Рассчитываем относительные и абсолютные ошибки входящих в это уравнение значений, учитывая, что ∆ a=∆ b=∆с =∆ l = 0,0001 м:
h=2а ·b= 2·0,0295·0,0176=0,001038 м2
∆h=±0,0091·0,001038≈±0,0000094 (м2).
m = a + b = 0,0295 + 0,0176 = 0,0471 (м),
n = 2c·(a + b) = 2c·m = 2·0,0029·0,0471≈ 0,000273 (м2),
Рассчитываем теперь поверхность образца и относительную ошибку в ее определении:
S = 2a · b + 2c(a + b) = h + n = 0,001038 + 0,000273 = 0,001311(м2),
Абсолютная ошибка равна:
∆S = ±0,016·0,001311 ≈ ±0,00002 (м2).
Рассчитываем относительную ошибку времени коррозии: 
Отрицательный весовой показатель коррозии рассчитываем по уравнению (3):
(г/м2·час),
относительная ошибка в его определении равна:
или ±8%,
а абсолютная ошибка равна:
(г/м2·час).
Таким образом, 
(г/м2·час.).
Выводы:
1. Изучена коррозионные свойства углеродистой стали марки 10 в присутствии поваренной соли при 90°C.
2. На основе полученных экспериментальных данных построен график изменения (убыли) веса ∆g = f(τ) углеродистой стальной пластинки марки 10 от продолжительности нахождения её в присутствии поваренной соли при 90°C.
3. Рассчитаны отрицательный весовой показатель коррозии ( 
) и убыль веса металла, рассчитаны относительные и абсолютные ошибки в определении измерений показателей и получаемых в эксперименте результатов. Рассчитана величина защитного эффекта (z) и коэффициент защитного действия (kз).
Рекомендуемая литература:
1. Томашов Н.Д. Теория коррозии металлов. Металлургиздат, 1952 (с. 141-144).
2. Жук Н.П. Коррозия и защита металлов. Расчеты. Машгиз, 1957.
3. Клинов И.Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы. Машгиз, 1960.
4. Томашов Н.Д., Жук Н.И., Титов В.А., Веденеева М.А. Лабораторные работы по коррозии и защите металлов. Издательство ГНТИ по черной и цветной металлургии. – М. – 1961. – 240 с.
Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 89; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!