Правила техники безопасности. Цель работы:Изучение влияния температуры на скорость газовой коррозии металлов; определения коррозионной стойкости металлов весовым методом.

Лабораторная работа №2

«ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ

ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ»

Цель работы:Изучение влияния температуры на скорость газовой коррозии металлов; определения коррозионной стойкости металлов весовым методом.

Ключевые слова:Газовая коррозия, химическая коррозия, жаростойкость, жаропрочность.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Борьба с коррозией металлов является одной из важнейших проблем современной техники. В связи с этим последние десятилетия характеризуются бурным развитием работ по повышению коррозионной стойкости металлов и их сплавов.

Под химической коррозией подразумевают самопроизвольное разрушение металлов вследствие химической реакции их с окружающей средой - неэлектролитном, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды происходит в одном акте.

Химическая коррозия происходит по реакции:

(1)

где, – металл;

– агрессивный компонент коррозионной среды;

– продукт коррозии.

Механизм химической коррозии объясняется диффузией атомов или ионов металла сквозь утолщающуюся пленку продуктов коррозии и встречной диффузией атомов или ионов агрессивного компонента.

Газовая коррозия – это разновидность химической коррозии металлов, т.е. коррозия в газовой среде при высоких температурах. Наиболее частым случаем газовой коррозии является окисление стали при высоких температурах (взаимодействие с кислородом). Газовой коррозией является также химическое взаимодействие металлов с активными газовыми средами (сернистый газ, сероводород, галоиды, углекислота и др.).

Многие ответственные детали машин сильно разрушаются от газовой коррозии (лопатки газовых турбин, сопла ракетных двигателей, детали электронагревателей, колосники и арматура печей и т.д.) Большие потери от газовой коррозии (угар металла) в металлургической промышленности при горячей обработке металлов давлением (прокатке, ковке, штамповке, прессования).

Большинство металлов (за исключением благородных) термодинами-чески неустойчивы по отношению к кислороду и некоторым другим газовым средам при обычных температурах. С повышением температуры степень термодинамической нестабильности хотя и несколько снижается, но скорость химической реакции сильно возрастает, подчиняясь экспоненциальной зависимости.

Процесс окисления металла кислородом протекает по реакции:

, (2)

где Me - металл;

m - число атомов металла в молекуле окисла;

n - валентность металла.

При нагреве в воздухе или продуктах горения топлива железо может образовать три окисла: вюстит FeO, магнетит Fe₃O₄ и гематит Fe₂O₃. В зависимости от условий коррозии окалина может иметь сложное строение, например, (Fe + Fe₃O₄ + Fe₂O₃), или простое, например, FeO.

Окисление сталей и чугунов сопровождается процессом обезуглероживания, что приводит при повышении содержания углерода к торможению окисления железа.

Поведение металлов и их сплавов при высоких температурах характеризуется жаростойкостью (способность сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах) и жаропрочностью (способностью сохранять при высоких температурах высокие механические свойства - длительную прочность и сопротивление ползучести).

Скорость газовой коррозии металла при его окислении кислородом воздуха, а следовательно, и скорость роста окисной пленки, определяется скоростью химической реакции окисления (для не сплошных, не обладающих защитными свойствами пленок) или скоростью встречной двухсторонней диффузии через пленку атомов кислорода, ионов и электронов металла (для обладающих защитными свойствами сплошных пленок).

Обычно скорость газовой коррозии может быть охарактеризована весовым методом, основанным на изменении веса образца в результате газовой коррозии.

При весовом методе скорость газовой коррозии можно определить:

1) изменением веса образцов после удаления продуктов коррозии (окалины);

2) увеличением веса образцов в результате образования окалины на их поверхности.

В первом случае точность метода зависит от полноты удаления окислов (окалины) с поверхности образцов. Практически удалить все продукты газовой коррозии с образца очень трудно, поэтому этот вид весового метода применяется реже.

В лабораторной практике чаще применяется весовой метод определения результатов газовой коррозии по привесу (увеличению веса) образцов.

Экспериментальная часть

Лабораторная установка (рисунок 1) состоит из муфельной печи 1, приборов для контроля температуры 3.

Для выполнения лабораторной работы необходимы: аналитические весы, штангенциркуль, фарфоровые тигли 5, образцы металлов, ухваты.

1 - муфельная печь; 2 - регулятор температуры; 3 - термометр;

4 - термопара; 5 - тигли с образцами

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

Испытанию подвергают шесть образцов металла при температуре, заданной преподавателем. Схема установки показана на рисунке 1.

Размеры каждого образца (диаметр и высота), м², измеряются штангенциркулем и заносятся в таблицу. Вычисляется площадь полной поверхности каждого образца:

, (3)

значения, которых также заносятся в таблицу.

Определяется вес каждого образца g₀ на аналитических весах с точностью до 10^-4 г.

Образцы помещаются в тигли и вместе с тиглями устанавливаются в муфельные печи, нагретые до указанных выше температур. При каждой температуре в печь помещается по три тигля с образцами.

Тигли с образцами выдерживаются в печи 50 минут, после чего тигли извлекаются из печи, устанавливаются на асбест.

После окончательного охлаждения образцов с тиглями, определяется вес каждого тигля с образцами g_от и затем отдельно вес каждого тигля
без образца g_т.

Определяется вес каждого образца с окалиной g₁ = g_от - g_т. По разности
g₁ - g_о определяется привес образца Dg в г.

Определяется весовой показатель коррозии, г/м²×ч:

, (4)

где S - поверхность (начальная) образца, м²;

e - время выдержки образца при исследуемых температурах, ч.

Зависимость скорости газовой коррозии К⁺ от температуры выражается уравнением:

, (5)

где К⁺ - положительный весовой показатель коррозии, рассчитываемый по формуле (4), г/м²×ч;

А - постоянная, формально равная К⁺ при Т = ¥ или ;

е - основание натуральных логарифмов;

Q - теплота активации, Дж/моль;

R = 8,314 Дж/(К×моль) - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура, К.

Уравнение (5) может быть приведено к виду:

, (6)

График в координатах lgK⁺ = f дает прямую.

Эта зависимость удобна для графического нахождения скорости газовой

коррозии при любой температуре. Она же может быть использована и для определения постоянных А и Q уравнения (5) из экспериментальных данных:

при ; (7)

Q = -2,303×R×tga = 2,303×R×tgb, (8)

где a - угол, образуемый прямой lgK⁺ = f c положительным направлением оси х;

b - угол, образуемый прямой lgK⁺ = f с отрицательным направлением оси х.

Результаты эксперимента и расчетные значения заносятся в таблицу 1.

К⁺ рассчитывают по формуле (4); определяют для каждой температуры среднее значение весового показателя коррозии.

Таблица 1 – Результаты экспериментов

Результаты опытов	Температура испытания, К
Образцы
Размеры образца
а) диаметр, мм
б) высота, мм
Поверхность образца S, м2
Начальный вес образца gо, г
Время коррозии, ч
Вес образца с окалиной и с тиглем gот, г
Вес тигля gт, г
Вес образца с окалиной g1, г
Привес Dg=g1 - gо, г
K+ г/м2,ч

По полученным данным необходимо построить график в координатах
“К⁺ - Т, К”, а также в координатах lgK⁺ - ; найти постоянные коэффициенты уравнения температурной зависимости (4); рассчитать по полученной эмпирической формуле весовой показатель коррозии для всех исследований температур и сравнить его с экспериментальными данными.

В выводах необходимо отразить результаты эксперимента и привести полученную эмпирическую формулу температурной зависимости скорости газовой коррозии.

Правила техники безопасности

1. К работе на установке допускаются лица, знакомые с устройством и правилами работы на установке, а также с настоящей инструкцией, прошедшие инструктаж по технике безопасности в лаборатории с отметкой в журнале регистрации инструктажа по технике безопасности на рабочем месте.

2. Установка должна быть заземлена. Заземление осуществляется медным проводом сечением 2 - 3 мм².

3. При работе тигли необходимо брать специальными клещами или захватами, обязательно за верхнюю часть, чтобы центр был ниже плоскости захвата.

4. Соблюдать правила безопасной работы во время извлечения горячих тиглей из печей во избежание получения ожогов.

5. О всех неисправностях и отказах оборудования сообщить лаборанту или преподавателю; работы продолжить только после устранения неисправностей.

Контрольные вопросы

1. Что называется коррозией, химической коррозией металлов?

2. Что называется газовой коррозией металлов и где она встречается?

3. Какие факторы влияют на газовую коррозию металлов?

4. Написать уравнение газовой коррозии металлов.

5. Как рассчитывается показатель газовой коррозии металлов?

6. Химический состав окалины углеродистых и легированных сталей.

7. Методы защиты сталей от газовой коррозии.

8. Что называется жаростойкостью?

9. Как исследуют газовую коррозию металлов?

Литература

1 Жук Н.П. Курс коррозии и защиты металлов. - М.: Металлургия, 1976 г -472с.

2 Клинов И.Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы. - М.: Машиностроение, 1967 г. - 468 с.

3 Кравцов В.В. Коррозия конструкционных материалов и способы защиты. - Уфа: УНИ, 1982 г. - 80 с.

4 Воробьев Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств, - 2-е изд. - М.: Химия, 1975 г. - 816 с.