CC BY
17
№ 1 (70)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2020 г.
МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
НАГРЕВ И ПЛАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДОВ С ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ СМЕСЬЮ В ПОКРЫТИИ
Умарова Шахноза Олимовна
ассистент, Андижанский машиностроительный институт,
Узбекистан, г. Андижан G-mail: shakhnozaolimovna@gmail. com
Умаров Абдурахим Мухаммадумар угли
ассистент, Андижанский машиностроительный институт,
Узбекистан, г. Андижан E-mail: abduraximumarov27@gmail.com
HEATING AND MELTING OF ELECTRODES WITH EXOTHERMAL MIXTURE IN COATING
Shakhnoza Umarova
assistant Andijan, Machine building Institute, Uzbekistan, Andijan
Abdurakhim Umarov
assistant Andijan, Machine building Institute, Uzbekistan, Andijan
АННОТАЦИЯ
Известно, что повысить производительность ручной электродуговой сварки возможно введением в состав электродного покрытия экзотермических смесей, при этом недостаточно изучено распределение тепла между электродом и изделием. Б работе исследованы тепловые характеристики нагрева и плавления электродов с различным содержанием экзотермической смеси в покрытии.
ABSTRACT
It is known that it is possible to increase the productivity of manual electric arc welding by introducing exothermic mixtures into the electrode coating composition, however, the distribution of heat between the electrode and the product is not well understood. In this work, we studied the thermal characteristics of heating and melting of electrodes with different contents of the exothermic mixture in the coating.
Ключевые слова: дугова сварка, покрытые электроды, экзотермическая смесь, нагрев и плавление электрода, тепловые характеристики.
Повышение производительности процессов и изыскание новых видов сырья для изготовления сва -рочных и наплавочных материалов является одной из главных задач, стоящих перед разработчиками. Одним из направлений решения этой задачи может быть использование эффекта экзотермических реакций при введении в состав используемых материалов экзотермических смесей в виде соответствующих окислителей (окалины, гематита, марганцевой руды) и раскислителей (ферротитана, ферросилиция, алюминиевого порошка) [1-4], при нагреве и плавлении которых экзотермический процесс протекает до расплавления электродного стержня. При недостаточном количестве в покрытии электродов оксидов железа и элементов-раскислителей экзотер-
мический процесс протекает на стадии формирования и переноса капли. Проведенные исследования [5] показали, что при изменении от 35 до 64 % содержания экзотермической смеси в покрытии электродов, состоящей из окалины и алюминиевого порошка, прирост температуры составляет 1280 °с и является достаточным для полного расплавления покрытия. Однако исследователями до настоящего времени недостаточно изучено распределение тепла между электродом и изделием, выделяемого при экзотермической реакции.
Целью данной работы является исследование влияния количества экзотермической смеси в покрытии электродов на тепловые характеристики их плавления.
Библиографическое описание: Умарова Ш.О., Умаров А.М. Нагрев и плавление электродов с экзотермической смесью в покрытии // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 1(70). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/8653
№ 1 (70)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2020 г.
Для исследования изготавливали электроды, содержащие в покрытии мрамор, плавиковый шпат, ру-тиловый концентрат, ферромарганец, ферроти- тан, железную окалину и алюминиевый порошок. При диаметре стержня 5 мм и различном содержание в покрытии экзотермической смеси коэффициент массы покрытия был постоянным. Этими электродами на пластины размером 10-80-120 мм с хвостовиками, предварительно установленными на теплоизолированную подставку, производили наплавку валиков на постоянном токе обратной полярности. Б качестве источника питания использовали сварочный преобразователь Пс-500 с балластными реостатами типа РБ-300. Наплавку каждого образца проводили в течение 20 с.
Рисунок 1. Модель нагрева и плавления электрода с экзотермической смесью в покрытии: 1 — основной металл; 2 — капля электродного металла; 3 — сварочная ванна; 4 — покрытие;
5 — стержень; обозначения — см. текст
Время плавления электрода устанавливали секундомером, средние значения сварочного тока и напряжения на дуге определяли по самопишущим приборам, а температуру нагрева воды — термометром с точностью до 0,05 °с. Для каждого состава электродов выполняли по 3...5 замеров.
Как показано на рис. 1, в процессе нагрева электрода током тепло, выделяемое в металлическом стержне диаметром ёрасходуется на повышение температуры стержня ^з) и слоя покрытия ^5) и передается через боковую поверхность в окружающую среду ^7). На торец электрода действует тепловой поток дуги а1, теплота излучения и конвективной
теплопередачи При температуре 1000 °с (при содержании в покрытии электродов свыше 35% экзотермической смеси) протекает экзотермическая реакция с выделением теплоты q4, одна часть которой расходуется на нагрев и плавление покрытия ^5), а другая передается стержню электрода ^б). Б этом процессе имеет значение теплота от конвективной теплопередачи через боковую поверхность электрода в окружающую среду (д?) и теплота, теряемая с каплями расплавленного металла
Мгновенный тепловой баланс
0= Я1 + Я2 + Яз +^4+^5 + Чв + 47 +^8 или б = ^ + Ц2 + Яз +44=45 + Чв + 47 +48
Электрод нагревается от трех источников. Бо-первых, это сосредоточенный источник — сварочная дуга, тепло которой вводится через пятно нагрева на рабочем торце электрода ^1). Бо-вто- рых, это теплота излучения и конвективной теплопередачи ^2) и распределенный по объему источник — тепло, выделяемое электрическим током по закону Ленца-Джоуля по всей длине электродного стержня от токопод-водящего контакта до дуги ^3). Б-третьих, это тепло, выделяемое при протекании экзотермической реакции ^4).
Было исследовано распределение температур Т(х) в стержне электрода при нагреве источником тепла на торце в зависимости от количества экзотермической смеси в покрытии электрода. источник тепла на торце электрода можно рассматривать как подвижный, перемещающийся со скоростью плавления электрода. используя уравнение предельного состояния процесса распространения тепла от подвижного плоского источника в стержне в области перед источником (при начальном коэффициенте темпера-туроотдачи для стержня Ь = 0), можно получить распределение температур Т(х) в стержне электрода при нагреве источником на торце. Подставив заданные величины в известное уравнение [6] при х > 0 и / л да, получаем уравнение:
Т - Тт = (Тк - Тт )е№х/а,
где Тт -температура подогрева электродного стержня током, °С; х - расстояние от торца плавящегося электрода, температура конца которого равна средней температуре капель Тк, см; ^-скорость плавления электрода, см/с.
Температуру капель, отделяющихся от плавящегося электрода, определяли по известной формуле [7] с учетом данных работы [8] по среднему значению энтальпии капель (А Н = 1850 Дж/г) при расплавлении проволоки св-08А и I = 290 А (полярность обратная):
Тк.ср = 1798 + (А Н - 1330)/0,92 = 565 + 1798 = 2363 К = 2090 °с.
1798 + 520/0,92
Б табл. 1 приведены данные, характеризующие влияние количества экзотермической смеси в покры-
№ 1 (70)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2020 г.
тии электродов на температуру участка х, нагреваемого дугой при Тк = 2100 °с; Тт = 20 °с; w = 0,475.. .0,645 см/с; а = 0,08 см2/с. Температура 1000 °с, при которой эффективно протекает экзотермическая реакция, достигается на расстоянии около 1 мм от торца электрода.
Была определена температура нагрева покрытого электрода ЭТ-2 [9] диаметром 5 мм через 60 с после начала горения дуги на постоянном токе 290 А. Начальная температура электрода То = 20 °с. Расчет
выполняли с учетом научных рекомендаций [6] следующим образом:
плотность тока в электроде
. 4/ 4 -290 . 0 . 2
j~ ———7=14.8 А/0мм2
rcd2 я -0.52
где I — сварочный ток, А; d — диаметр стержня, см; коэффициенты
^о = 2,4 • 10-2 ]2= 2,4 • 10-2 • 14.82= 5,26 град/с;
Таблица 1.
Температура участка х электрода, нагреваемого дугой, и количество экзотермической смеси в покрытии
при различной скорости плавления электрода
Длина участка х, см Количество экзотермической смеси (%) при Т (°с) и w (см/с)
0 10,0 17,5 26,2 35,2 42,5 44,4 47,5 53,4
0,475 0,505 0,525 0,55 0,575 0,6 0,615 0,63 0,645
0,09 1230 1190 1164 1131 1099 1069 1051 1034 1017
0,1 1159 1117 1090 1056 1023 992 973 955 938
0,2 640 595 565 531 499 469 451 435 419
0,5 108 89,5 79 67,5 57,7 49,4 44,1 41 37,3
1,0 5,6 3,8 2,97 2,3 1,6 1,2 0,96 0,8 0,7
Таблица 2.
Экспериментальные и расчетные значения характеристик плавления электродов с экзотермической
смесью в покрытии при 1св = 290 А
Показатель Количество экзотермической смеси, %
0 10,5 17,5 26,2 35,2 42,5 44,4 47,5 53,4
а г/(А-ч) ^пл.ст 8,7 9,4 9,7 10,2 10,4 10,9 11,2 11,4 11,6
а г/(А-ч) ин, 8,1 9,1 9,7 10 10,9 11,4 12 12,2 13
25 25,7 26 26,5 27 27,3 27,5 27,7 28
, Дж/с 7250 7453 7540 7685 7830 7917 7975 8033 8120
&им , Дж/с 0 45,2 138,7 274,6 442,5 619,5 701,6 777,3 926,5
w, см/с 0,475 0,52 0,525 0,55 0,58 0,6 0,615 0,63 0,645
^пл.пок, г/с 0,40 0,42 0,44 0,47 0,50 0,54 0,56 0,58 0,59
Скалл, Дж/с 5220 5610 5716 6046 6405 6700 6886 7090 7373
^шл,г 7,5 7,43 7,37 7,3 6,7 6,4 6,2 6,3 6,3
шст ,г 14 15 15,8 16,7 17,1 18,5 19,2 19,6 20
Шн.м,г 10,5 12,1 13,5 15 17,5 18,5 19,5 20 20,8
Пе 0,28 0,3 0,315 0,34 0,365 0,385 0,392 0,405 0,415
По.м 0,715 0,735 0,745 0,76 0,773 0,79 0,795 0,805 0,815
Ое, Дж/с 2030 2236 2375 2613 2858 3048 3126 3253 3370
1п 0.96 -10-2 0.96 10-2 1 Л-21/
Ь0=-=-=0.192 • 10 2 1/ град
а 5
пЛ = [5-10-3-5,26 + 0,192 10-2(1 + 5^10-320) ] •бО = 1,68;
Р^о/Ъо + То) = 5-10-3(5,26/0,192-10-2) + 20) = 13,8.
По известной номограмме [6] коэффициенты ДТ =3,5; Р = 5^10-3 1/град. тогда максимальная температура подогрева исследуемых электродов оптимальным током составляет Т = 3,5/ 5^ 10-3 = 700 °С.
Тепловой эффект экзотермической реакции от взаимодействия элементов-раскислителей с оксидом железа определяли по известному уравнению [10]
^хим ^¿=1 t к 100 "¿ес
где Gрст — количество расплавленного стержня, г; К—коэффициент массы покрытия; ^¿ес — количество экзотермической смеси в покрытии электрода при взаимодействии /-го элемента-раскислителя (А1, Т1, 81, Мп) с оксидом железа, %; ^¿ес — тепловой эффект экзотермической смеси при взаимодействии 1 % закиси железа с элементами-раскислителями, Дж/с. Показатели влияния количества экзотермической смеси в покрытии электродов на характеристики их плавления приведены в табл. 2.
A UNI
1Ш. ТЕ)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2020 г.
№ 1 (70)
Полученные результаты показали, что введение в покрытие электродов экзотермической смеси увеличивает количество расплавленного стержня в пределах 14-20 г и покрытия от 8 до 11,8 г при постоянном коэффициенте массы покрытия. Это происходит в основном за счет теплоты, выделяющейся при протекании экзотермической реакции, и снижения затрат теплоты на плавление покрытия вследствие соответствующего уменьшения содержания газошлакообра-зующей части покрытия и увеличения металлической составляющей. Введение в состав покрытия до 5З,4 % экзотермической смеси изменяет коэффициент нагрева электрода 0,280 до 0,415, причем изменение носит прямо пропорциональный характер. Увеличение количества наплавленного металла в пределах 10,5...20,8 г при почти одинаковом количестве шлака на пластине показывает, что дополнительный нагрев пластины происходит в основном за счет увеличения количества электродного металла, переносимого за одно и то же время. электроды с экзотермической смесью в покрытии максимально эффективно могут использоваться для сварочных и наплавочных работ, при выполнении которых необходим предварительный и сопутствующий нагрев и замедленное охлаждение.
ВЫВОДЫ
1. Введение в покрытие электрода до 53,4 % экзотермической смеси увеличивает коэффициент расплавления стержня (аплст = 8,7_11,6 г/(А-ч)) и
наплавки (ан = 8,1.. .13,0 г/(А-ч)), эффективные КПД нагрева основного металла (пом = 0,715.0,815) и электрода (пэ = 0,280...0,415).°м
2. Введение в покрытие электрода экзотермической смеси повышает скорость расплавления электродов за счет увеличения тепловой мощности дуги; тепла, выделяющегося при протекании экзотермической реакции; снижения затрат на плавление газо-шлакообразующей части покрытия; улучшения технологических характеристик дуги.
3.Установлено, что максимальная температура подогрева исследуемых электродов проходящим оптимальным током составляет 700 °С.
4. Температура 1000 °С, при которой эффективно протекает экзотермическая реакция, была получена на расстоянии около 1 мм от торца электрода.
Список литературы:
1. Карпенко В. М, Власов А. Ф, Билык Г. Б. Показатели плавления сварочных электродов с экзотермической смесью в покрытии // Свароч. пр-во. - 1980. - № 9. - С. 23-25.
2. Иоффе И. С. Влияние титанотермитной смеси, входящей в электродное покрытие, на повышение производительности сварки // Там же. - 1980. - № 3. - С. 26-28.
3. Зареченский А. В. и др. Особенности плавления порошковых лент с термитными смесями // Там же. - 1985. - № 8. С. 39-41.
4. Чигарев В. В., Зареченский Д. А., Белик А. Г. Особенности плавления порошковых лент с экзотермическими смесями в наполнителе // Автомат. сварка. - 2007. - № 2. - С. 53-55.
5. Власов А. Ф., Карпенко В. М., Лещенко А. И. Экспериментальное определение экзотермического процесса, протекающего при нагреве и плавлении электродов // Вюник ДДМА. - 2006. - 4, № 2. - С. 65-68.
6. Теоретические основы сварки / Под ред. В. В. Фролова. - М.: Высш. шк., 1970. - 592 с.
7. Ando K., Nishiguchi K. Melanism of formation of pencil point-like wire tip in MIG welding // IIW Doc. 212-15668 -69.
8. Ерохин А. А. Основы сварки плавленим. - М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.
9. А. с. 737175 СССР. МКИ В 23К, 35/36. Состав электродного покрытия / А. Ф. Власов, Ю. Н. Опарин, В. М. Белая, А. А. Перепелица. - Заявл. 10.11.77. Опубл.30.05.80; Бюл. № 20.
