CC BY
53
При гидратации жиры обрабатывают водой или слабыми растворами солей, кислот, щелочей, танина и некоторых других веществ. Вода, взаимодействуя с гидрофильными группами фосфатидов, находящихся в масле, вызывает образование специфических двойных слоев: с одной стороны, в каждом из них находится мономолекулярный слой глицеридов, а с другой -слой гидратированных молекул фосфатидов. Такой смешанный слой, самопроизвольно образующийся при гидратации жиров, так называемый гидратационный осадок, или фуз, наряду с фосфатидами всегда содержит глицериды.
Объектами исследования являются:
- сточная вода (СВ) предприятия по производству растительного масла ООО «Бунге СНГ», которая образуется на стадии гидратации растительного масла и представляет собой расслаивающуюся фосфатидную эмульсию молочно-белого цвета, по консистенции напоминающую скисшее молоко.
- активный ил с иловых карт Левобережных очистных сооружений (ЛОС) г. Воронежа, представляющий собой густую массу бурого цвета.
По физико-химическим показателям фосфатидная эмульсия должна соответствовать требованиям, указанным в таблице 1.
Таблица 1 - Физико-химические показатели фосфатидной эмульсии
Показатель Значение
Кислотное число, мг КОН/г, не менее 8,0
Массовая доля неомыляемых веществ, %, не более 2,5
Массовая доля нежировых примесей, %, не более 1,5
Массовая доля влаги и нелетучих веществ, %, не более 70,0
Массовая доля сырого жира, %, не менее 18,0
Массовая доля фосфоросодержащих веществ, %, не менее:
в пересчете на стеароолеолецитин 6,0
в пересчете на Р2О5 0,5
Химический состав активного ила (содержание сухого вещества, мг/кг) следующий: СПАВ - 205; железо - 22,91; марганец -1,089; литий - 0,003; медь - 0,817; хром общий - 0,556; свинец - 0,016; никель - 0,037; цинк - 0,103; кадмий - 0,01; кобальт - 0,014; алюминий - 12,8; нефтепродукты (г/кг) - 2,08.
Качественный и количественный состав жировой части отхода был исследован с использованием тонкослойной хроматографии и определен групповой состав фосфолипидов методом двумерной тонкослойной хроматографии.
Выделение фосфатидной эмульсии проводили термическим методом. При нагревании до 65-70 оС удается отделить до 60 % воды. Для увеличения сроков хранения фосфатидной эмульсии применили метод высаливания (денатурация и осаждение белков). Химические показатели фосфолипидного слоя представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Химические показатели фосфолипидного слоя
Наименование показателя Содержание
по ТУ фосфолипидный слой
Массовая доля влаги и летучих веществ, % не более 70 57-59
Массовая доля P2O5, % 0,5 0,8
Массовая доля фосфолипидов, % не менее 6 8,3
Сравнение содержания влаги и фосфолипидов в верхнем фосфатидном слое с аналогичными показателями фосфатидного концентрата для пищевой промышленности (ТУ 9146-004-01899304-2004) показывает, что в полученном нами фосфатидном слое массовая доля фосфолипидов выше, а влажность ниже, чем нормативные показатели.
Отделение белково-липидного комплекса позволяет получить эмульсию с содержанием фосфатидов до 8 % и влажностью 58 %. Установлено, что добавление фосфатидной эмульсии в компосты (соотношение активный ил - наполнитель от 1:1 до 1:2) позволяет снизить количество подвижных форм тяжелых металлов в среднем на 30 %.
Литература
1. Лобанов, А. А. Равновесные и кинетические закономерности процесса экстракции масла из фосфолипидного концентрата и частично обезжиренных фосфолипидов [Текст] / А. А. Лобанов, Е. Н. Константинов // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2002. - № 2-3. - С. 39-41.
2. Лобанов А.А., Бутина Е.А., Черкасов В.Н., Константинов Е.Н. Особенности равновесия системы фосфолипидный концентрат - ацетон [Текст] / А. А. Лобанов, Е. А. Бутина, В. Н. Черкасов, Е. Н. Константинов // Изв. вузов. Пищевая технология-2001. - № 4. - С. 64-67.
Черных А.В.
Кандидат технических наук, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет ОСОБЕННОСТИ ПЛАВЛЕНИЯ И КАПЛЕПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ В
МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Аннотация
В технике большое место занимает класс задач, связанных с фазовыми превращениями, а также с изменением химического состава среды. К ним относятся задачи, связанные с движущимися источниками тепла, например, при дуговой сварке. Сложность решения отмеченных проблем обусловлена тем, что большинство физико-химических процессов происходят вблизи тройной точки. Что характеризуется, во-первых, изменением плотности при фазовом переходе; во-вторых, фазовые переходы из-за высоких градиентов температур происходят практически мгновенно и теплофизические характеристики среды изменяются скачкообразно.
Одним из важных технологических факторов сварки является плавление и перенос электродного металла через дугу. Осветить круг проблем связанных с плавлением электродного металла, а также показать идеи и методы, используемые для их решения и практические пути реализации, направленные на разработку эффективной технологии сварки входило в задачу исследований.
Определены основные характеристики, влияющие на скорость расплавления электрода при дуговой сварке. Показано, что использование внешних магнитных полей при сварке, способствует повышению эффективности расплавления электрода при неизменной электрической мощности. Теоретически и экспериментально определены форма и размеры электродных капель в магнитном поле. Исследованы химический состав и механические свойства сварных соединений.
Предложенная математическая модель и данные экспериментов плавления и переноса электродного металла при дуговой сварке позволяют сделать вывод о перспективности использования внешних магнитных полей при дуговой сварке.
Ключевые слова: дуговая сварка, внешнее продольное магнитное поле, плавление электрода, капля, устойчивость формы, свойства сварных соединений.
75
Chernykh, A.V.
PhD in Technical Sciences, assosiate professor, Voronezh State University of Civil Engineering MELTING AND DROP TRANSFER OF ELECTRODE METAL CHARACTERISTICS DURING ARC WELDING IN A
MAGNETIC FIELD
Abstract
Tasks concerning phase transformations command a large part in engineering. These include tasks concerned with moving heat sources, such as arc welding. The complexity of solving the mentioned problems is caused by the fact that the majority of physical and chemical processes take place near the triple point. That is characterized, firstly, by density change at phase transition; secondly, phase transitions because of high gradients of temperatures happen almost instantly and thermal properties of the medium change very abruptly.
One of the important technological factors is melting and transfer of the electrode metal through the arc. The main characteristics influencing the rate of melting of the electrode during arc welding are defined. It is shown that the use of external magnetic fields during welding increases the melting efficiency of the electrode at constant electric power. The shape and size of the electrode drops in a magnetic field are defined experimentally and theoretically. The chemical composition and mechanical properties of welded joints are investigated.
Keywords: arc welding, magnetic field, electrode melting, drop, stability of shape, welded joints properties.
I. Введение
Анализ работ, посвященных изучению влияния внешних электромагнитных полей на кинетику плавления и каплеперенос электродного металла через электрическую сварочную дугу показал, что имеющиеся на этот счет представления носят в основном качественный характер [1-4].
Это объясняется сложностью процессов плавления электрода непосредственно при сварке (высокой частотой отрыва капель и температурой дуги порядка 6000-100000С, многообразием действующих сил, взаимодействием магнитного поля и жидкого электродного металла и т.п.). Кроме того, магнитное поле, оказывает влияние и на дугу, изменяя ее энергетические параметры.
Поэтому назрела необходимость в новом научном осмыслении способа сварки в магнитном поле и обобщении опыта его практического использования.
В настоящей работе предпринята попытка всесторонне проанализировать ранее известные результаты, а также изучить механизм воздействия внешнего продольного (по отношению к оси электрода) магнитного поля на кинетику плавления электрода и перенос капель через электрическую дугу, исследовать скорость расплавления электродной проволоки, провести сравнительные испытания химического состава и механических свойств сварных соединений.
II. Макрохарактеристики, определяющие скорость расплавления электродного металла
Характер плавления и переноса электродного металла через электрическую дугу оказывает значительное влияние на энтальпию, температуру капель, производительность сварки, ход металлургических реакций [1,5]. От него зависят устойчивость процесса, потери металла, формирование шва и другие технологические факторы.
На передачу теплоты от активного пятна дуги к твердому металлу электрода существенное влияние оказывают время существования и размеры капель.
Рассмотрим математическую модель, описывающую зависимость между средней скоростью Vcp плавления электрода при
дуговой сварке без коротких замыканий и основными характеристиками каплепереноса: частотой отрыва и толщиной капли.
Расчет выполнен по схеме установленной экспериментально в работах [1,6] (рис. 1).
Формирование и отрыв капли от электрода носит линейный периодический характер с сигналами треугольной формы. В пределах периода 0 < t < T зависимость размеров жидкой капли на торце от времени можно представить уравнением прямой:
S
S(t) = —t + S0, (l)
Рис. 1 Расчетная схема для определения средней скорости расплавления электрода
где S и S0 - толщина отрывающейся и остающейся на электроде капли соответственно; T - период образования капли; t -
текущее время.
Разложим выражение (1) в гармонический ряд
с/.\ a0^ Ink
S(t) = — + ^ (ak c°s-
k=1
2
t + ck sin-
2n k
t),
(2)
где a0 , ak , ck - коэффициенты, определяемые следующими выражениями:
a0
2 1
- J S(t )dt = S + 2S0; T 0
a
k
2_
T
2nk
----tdt = 0 ;
T
ck
— JS(t)sin 2nktdt = -TT
_S_
nk
где k - любое целое положительное число.
76
Выражение (2) преобразуем к виду
S(t)
Откуда после дифференцирования находим скорость роста капли.
S _ SA
7+S ■ 7 Z
2 К k=1
. Ink sin---1
T
k
dS(t) dt
2S
T
Z cos
k=i
2nk
T
t.
(3)
(4)
Возведем выражение (4) в квадрат и осредним скорость V на периоде. В общем виде средняя функция на периоде представляет собой интеграл
1 т
< f (t)> = - J f (t)dt. (5)
T 0
После подстановки выражения (4) в формулу (5) и интегрирования получим
I— S
Vcp =J2 T ■ (6)
1
Учитывая, что — = V - частота каплепереноса, находим
Vcp =42sv (7)
Анализ выражений (6) и (7) показал, что, чем меньше период образования капли на торце электрода (или выше частота отрыва) и чем больше размеры отрывающейся капли, тем больше средняя скорость расплавления электродного металла.
Для подтверждения полученной зависимости выполняли скоростную киносъемку расплавления электрода [5]. Сварочная горелка [7] оставалась неподвижной, а тележка со стальной пластиной перемещалась под дугой. После химической обработки на пленке получали негативное изображение, которое увеличивали в 10 раз. По кадрам кинопленки снимали основные характеристики каплепереноса: толщину отрывающейся капли и время между двумя последовательными отрывами, по которому находили частоту.
Результаты экспериментальных исследований каплепереноса, а также данные расчета, выполненного по выражению (7), представлены в табл. 1 и на рис.2.
Таблица 1
Толщина капли (S ), частота отрыва (V ) и сравнительные скорости расплавления электрода (экспериментальные и расчетные
соответственно)
S, мм V 1/с ’ VЭ ,м/ч VP ,м/ч
ОБРАТНАЯ ПОЛЯРНОСТЬ
1,95 11 99 109
0,78 29 107 115
0,59 43 125 129
0,48 58 135 141
ПРЯМАЯ ПОЛЯРНОСТЬ
2,45 19 215 226
1,39 32 232 236
1,12 47 250 267
1,00 64 295 325
Рис. 2 Кинетика роста и отрыва металлической капли на торце электрода (кадры киносъемки): верхний ряд - при обычной сварке; нижний ряд - при сварке в магнитном поле.
Расчетные значения средней скорости плавления VP электрода хорошо согласуются с экспериментальными результатами VЭ
Согласно [8] теплопроводность жидкого металла скачкообразно падает на 30-40% по сравнению с теплопроводностью такого же металла, находящегося в твердой фазе.
Следовательно, жидкий электродный металл является теплоизолирующей прослойкой, препятствующей передаче тепла от
77
дуги к твердому металлу электрода. Поэтому необходимо уменьшать время существования капли на торце электрода. Уменьшение перегрева капель сопровождается меньшим выгоранием легирующих элементов, а также улучшением формирования швов.
Экспериментально подтверждено, что, средняя скорость плавления электрода определяется частотой и размерами переносимых капель.
С увеличением частоты и размеров переносимых капель средняя скорость плавления электрода увеличивается.
Ш.Определение формы свободной поверхности электродной капли в постоянном продольном магнитном поле и коэффициента
расплавления электродного металла
При сварке во внешнем магнитном поле характер теплопередачи от дуги через жидкую каплю к твердому металлу электрода меняется [6]. Капля на торце электрода под действием электромагнитных сил начинает вращаться и принимает форму сплюснутого эллипсоида вращения [6,9]. Время нахождения и ее толщина (эллипсность растет) на торце электрода уменьшаются с ростом индукции магнитного поля рис.3,4. Максимальная частота отрыва достигает 60 Гц при индукциях магнитного поля в зоне сварке порядка 50 мТл. Дальнейшее увеличение индукции магнитного поля не влияет на скорость расплавления электрода [6] (рис. 3).
Рост капли начинается не с нуля, а с некоторого объема, составляющего существенную часть отрывающейся капли (рис. 4).
Время между двумя последовательными переходами в свариваемый металл уменьшается с увеличением индукции магнитного поля (рис.4). При достижении индукции 40 мТл и более характеристики плавления электрода не изменяются.
Рис.3 Зависимость максимальной толщины жидкой прослойки S на торце электрода (1) и частоты каплепереноса V (2) от
индукции продольного магнитного поля
Рис.4 Зависимость толщины жидкой прослойки S на торце электрода от времени для различных индукций продольного
магнитного поля в зоне сварки: 1-5 - 0; 10; 20; 40 и 80 мТл.
Для математического описания формы вращающейся капли запишем уравнения Эйлера в виде проекций массовых сил на координатные оси Oxyz:
X = о2 x Y = о1 у
Z = - g
R
z
где О - угловая скорость вращения капли; X,Y,Z проекции сил на оси координат; x,y,z - текущие координаты рассматриваемой точки в объеме капли.
Давление массовых сил, действующих на элементарный объем вращающееся капли определяется уравнением
dP = (Xdx + Ydy + Zdz)p ,
где p - плотность жидкого металла электрода.
После интегрирования уравнений Эйлера общее решение примет вид
P =—(о2x2 + о2у2 -gz2)p + C 2 R
Последнее выражение представляет собой уравнение сплюснутого эллипсоида вращения [6].
Постоянную интегрирования C находим из граничных условий. Для точки, находящуюся на границе раздела двух фаз, с
78
координатами X = y - 0, z - — —, где 5 - толщина капли в направлении оси OZ (рис.5) справедлива следующая запись
О 1 о ^
—=-pg5+C, r 2
О J .
где — - давление на поверхности раздела двух фаз; О - коэффициент поверхностного натяжения; Гэ - аэ12 (рис. 5).
r
Рис.5 Схема капли, вращающейся на торце электрода в продольном магнитном поле Давление P от объемных сил уравновешивается давлением от сил поверхностного натяжения согласно уравнению Лапласа
' - о( R+R-
где R1, R2 - главные радиусы кривизны эллипсоида в данной точке поверхности. Для осесимметричного эллипсоида a - b - R1.
Учитывая, что
pa2R - jrB,
z 2
где jr - радиальная составляющая плотности тока в капле; B - индукция продольного магнитного поля; R2 — — запишем
Ri
z2 -
oR1
R1 jrB — о / R1 + о / гэ — 0,5pg5
(8)
Анализ выражения (8) показал, что с точностью до + 15 % последними тремя слагаемыми в знаменателе можно пренебречь, и оно приобретает вид
z2 -
О
jrB
(9)
Радиальную составляющую плотности тока в жидкой капле возьмем из работы [6].
с
jr - 0,5 j-,
r
где j3 - —— - плотность тока в электроде; z - 0,55 пгэ
Окончательно выражение для толщины 5
5 - з
'8rnrr' IB
(10)
Толщина капли пропорциональна радиусу электрода, корню кубическому из коэффициента поверхностного натяжения и обратно пропорциональна тому же корню из произведения сварочного тока на величину магнитной индукции (10).
По выражению (10) был выполнен расчет толщины капли, висящей на электроде. Результаты приведены в табл. 2, которые
79
удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.
Для определения производительности расплавления электродного металла в продольном магнитном поле необходимо знать тепловые потери в жидкой капле. Рассмотрим уравнение теплового баланса при фазовом переходе (задача Стефана). Считая в первом приближении, что температура в капле определяется следующими условиями: на границе фазового перехода от твердого металла к жидкому она поддерживается на уровне температуры плавления (1812 К). На поверхности капли (фазовый переход жидкость - газ) со стороны дуги она равна температуре кипения (3013 К). Кроме того, примем, что по длине капли температура распределяется по линейному закону [10]. Тогда в аналитическом виде распределение температуры можно описать выражением
(T - T )
гГ/'„\ гг V кип пл / _
T (z) = Ткип----------1------z
(11),
где I - средняя длина пути, по которому распространяется теплота от дуги через жидкую каплю к твердому металлу электрода.
Таблица 2 - Зависимость толщины капли и коэффициента расплавления от индукции магнитного поля
Индукция магнитного поля на уровне капли, В мТл Толщина капли, 8 мм Коэффициент расплавления, аР г/А ч
расчетная экспери- ментальная расчетный экспери-ментальный
25 1,8 1,9 8,9 12,0
55 1,3 1,4 12,0 13,4
110 1,1 1,1 13,3 14,4
140 1,0 1,0 13,9 14,8
Примечание. Сварочный ток 225 А; коэффициент поверхностного натяжения 1,2 Н/м; радиус электрода 1 мм.
В первом приближении можно принять I = 8+r (12).
По уравнению теплопередачи от дуги к электроду [11] можно записать
и
ft - 42 = С j (T(z) - Тпл )dz + Qnn5
(13)
где q1 = rjUI и q2 = nr^VcpT - соответственно плотности входящего и выходящего из капли тепловых потоков, (Вт с/ м2); с - удельная теплоемкость (Дж/кг К); Qnn - скрытая теплота плавления (Дж/кг); г - КПД источника для питания электрической
а I
сварочной дуги; U - напряжение дуги (35 В); V =-------- - скорость плавления электрода; ар - коэффициент расплавления
жргэ
электродного металла (г/А ч).
После интегрирования (13) с учетом (11) и (12) и несложных преобразований получим выражение для определения коэффициента расплавления электродного металла а .
2л/82 + г2 - 8
nUI - c8(T - T ) v , э - - Q 8
I К кип пл ' I Z о л^пл
а =-
р
2^8
2 2 2 + r
cI AT
(14),
где AT - средняя температура капель [10].
Результаты расчета а представлены в табл. 2.
Во внешнем продольном магнитном поле капля, имеющая форму сплюснутого эллипсоида вращения, что позволяет улучшить теплопередачу от электрической дуги к электроду и способствует более интенсивному расплавлению последнего.
Выражение (14) позволяет рассчитать коэффициент расплавления электродного металла при сварке в продольном магнитном поле с удовлетворительной для практических целей точностью.
Анализ (14) показал, что продольное магнитное поле позволяет увеличить коэффициент расплавления электродного металла в среднем на 40% по сравнению с обычной сваркой без увеличения общей тепловой мощности дуги.
^.Угловая скорость вращения капли на торце электрода при дуговой сварке в магнитном поле При сварке в продольном магнитном поле металлическая капля на торце электрода имеет форму сплюснутого эллипсоида
вращения (a=b>c).
Запишем дифференциальное уравнение вращения вокруг вертикальной оси:
da sr-\
J' ------= > M7
z dt ^ z
(15)
где Jz = 2/5 ma2 [12] — момент инерции эллипсоидной электродной капли; СО — угловая скорость вращения; t — время;
^ M z — сумма моментов внешних сил, действующих на каплю, относительно оси вращения.
Момент силы тяжести относительно вертикальной оси вращения равен нулю, так как эта сила параллельна оси. Момент силы Лоренца относительно той же оси равен Мz = jrVBx, где jr — плотность тока; x — расстояние от оси до рассматриваемой точки капли; B — величина магнитной индукции; Vоб — объем эллипсоида. Тогда дифференциальное уравнение вращения примет вид
2 2 da . тг „
-ma ■ — = jr ■Va6B ■x. (16)
5 dt
80
Учитывая, что
da da da
---= v-----= ax----, (17)
dt dx dx
а также, m = pVo6, где p— плотность жидкого металла, получим решение уравнения (16); с учетом (17), начальных и конечных условий задачи х0 = 0, w0 = 0, х = а запишем
a =
5jB
pa
(18)
В работе [6] было показано, что
J
Г
IS
2™l ’
где I — сварочный ток; S — толщина капли; гэ — радиус электрода (рис. 5).
5ISB
a =
V
2пгъэр ’
(19)
где a= R1 (рис.5).
Видно, что угловая скорость вращения капли пропорциональна квадратному корню из индукции магнитного поля, сварочному току и размерам капли. И обратно пропорциональна тому же корню из радиуса электрода в кубе и плотности жидкого металла. Предложенная математическая модель может быть использована для качественной оценки угловой скорости вращения металлической капли на торце электрода при сварке с использованием магнитных полей.
V. Противоустойчивость формы эллипсоидной металлической капли на торце электрода при дуговой сварке в магнитном поле
Исследована противоустойчивость (противоустойчивость - движение, где наличие устойчивости является нежелательным [13]) заряженной капли идеально проводящей жидкости, имеющей форму осесимметричного эллипсоида вращения (рис.5).
Обозначим обобщенную координату, отсчитываемую от положения равновесия, через q.
Кинетическая энергия капли при вращательном движении [14]
т = - Jzq2,
2
где Jz - момент инерции капли относительно оси вращения.
В однородном поле потенциальная энергия силы тяжести [15]
П = —Cq,
где С - постоянный коэффициент.
Положительность коэффициента С следует из того, что процесс формирования и отрыва капли от электрода носит линейный периодический характер с сигналами треугольной формы (рис. 4) [6]. Размеры капли растут, начиная от некоторой положительной величины [6] до некоторого предельного значения. Следовательно, константа С > 0.
Силой вязкого трения пренебрегаем при температурах значительно выше температуры плавления металла [16].
Составим уравнение возмущенного движения (за невозмущенное принимаем состояние покоя, при которых q = 0, q = 0 ). В случае потенциальных сил уравнение Лагранжа примет вид
d 5T 5T дП
dt dq dq dq
Учитывая выражения для Т и П, получим:
jq = с.
Положим q = x1, q = x2 тогда X2 = x1.
С учетом принятых обозначений уравнение возмущенного движения примет вид
В качестве функции Ляпунова возьмем полную механическую энергию [17]: Е = Т+П
1 2
или E = — Jq + Cq.
В новых обозначениях
E = — J x + Cx,,
2 z 1 2*
J x = C .
(20)
E = J x x + Cx,.
z j 1 2
Из (20) x
C
J
= 2Cx1.
то E > 0 и, следовательно, форма капли в виде эллипсоида вращения не является устойчивой.
Форма поверхности капли в магнитном поле в момент отрыва с электрода показана на рис. 2 (последний кадр внизу справа). Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что при дуговой сварке плавящимся электродом, неустойчивость формы жидкой капли возникает при вытягивании усеченного шара в эллипсоид вращения. Совокупность всех отмеченных выше взаимосвязанных факторов дополнительно приводит к уменьшению времени ее существования на электроде, снижению
C
Тогда E = J zx1--+ Cx1
Jz
Так как при t > t0 x1 > 0 ,
81
демпфирующего действия на тепловой поток, и, следовательно, к увеличению скорости расплавления электрода.
Такая трактовка влияния электромагнитного поля на процесс плавления электрода вполне адекватна реальности, так как объясняет экспериментально обнаруженные закономерности [6].
VI. Экспериментальное исследование скорости расплавления электродного металла при дуговой сварке во внешнем
постоянном продольном магнитном поле
Исследовали скорость расплавления электродной проволоки диаметрами 2-5 мм при автоматической сварке под флюсом в диапазоне токов 200-1000 А. Скорость расплавления оценивали коэффициентом расплавления (а р ).
Исследования проводили наплавкой на пластины размерами 12х200х500 мм из стали 10ХСНД, применяемой в мостостроении, аппаратом АДФ-1002 проволокой Св-08А под флюсом АН-348АМ.
Внешнее продольное магнитное поле генерировали в зоне горения дуги с помощью электромагнита, закрепленного на сварочной головке соосно с электродной проволокой [7]. Индукцию магнитного поля изменяли в интервале 0-100 мТл.
Результаты исследований представлены на рисунках 6-8, которые показывают, что во внешнем продольном магнитном поле увеличивается скорость расплавления электродной проволоки при неизменной тепловой мощности дуги. При увеличении индукции до 40 мТл наблюдается практически линейный рост производительности расплавления электродной проволоки, дальнейшее увеличение индукции не влияет на коэффициент ар .
Рис.6 Зависимость коэффициента расплавления от индукции продольного магнитного поля и рода сварочного тока при неизменной мощности дуги: 1 - прямая полярность; 2 - переменный ток; 3 - обратная полярность (электродная проволока d3 =3
мм, I = 500 А, U = 30В)
Наибольшее влияние на скорость расплавления магнитное поле оказывает при токе прямой полярности (до 50%), наименьшее - при обратной (25-30%). При питании дуги переменным током производительность процесса расплавления электродной проволоки на 10-12% выше, чем при питании постоянным током обратной полярности (рис.6). Экспериментальные результаты подтверждают сделанные теоретические ранее выводы о том, что магнитное поле способствует повышению эффективности использования теплоты, выделяющейся в активном пятне.
Рис.7 Зависимость коэффициента расплавления электродной проволоки от индукции внешнего продольного магнитного поля для различных диаметров электрода: а-г - диаметр электрода соответственно 2,3,4, и5 мм; 1-9 I соответственно равен 200,300,400,500,600,700,800 и 900 А; I,II - прямая и обратная полярность
На рис.7 представлены экспериментальные зависимости коэффициента расплавления электродной проволоки от индукции внешнего продольного магнитного поля для различных сварочных токов и диаметров электрода. При наплавке дугой обратной полярности в диапазоне индукций магнитного поля до 40 мТл темп нарастания коэффициента расплавления с увеличением
82
сварочного тока уменьшается, что обусловливает наличие точки пересечения. При достижении определенного значения сварочного тока, называемого критическим, магнитное поле перестает влиять на а .
Сварка на критических токах характеризуется струйным переносом электродного металла. Струйный перенос приводит к насыщению эффективности расплавления металла электрода (горизонтальная штриховая линии на графиках рис.7). Отсутствие влияния магнитного поля на коэффициент а связано с изменением характера каплепереноса.
Полученные при наплавке токами обратной и прямой полярности его критические значения, при которых прекращается влияние магнитного поля на производительность расплавления электродной проволоки, графически представлены на рис.8. Эта зависимости носят линейный характер и хорошо описывается уравнением для токов обратной полярности 1КР = 200d3 —100 , где d3 - диаметр электрода, мм.
Рис.8. Зависимость критического значения сварочного тока от диаметра электродной проволоки: 1 - прямая полярность; 2 -
обратная
При наплавке дугой прямой полярности характер изменения коэффициента расплавления такой же, как и при наплавке дугой обратной полярности. При достижении критических значений сварочного тока магнитное поле также не влияет на изменение ар . Как видно (рис. 8), значения критических токов прямой полярности значительно выше, чем обратной. Полученная зависимость также носит линейный характер и описывается уравнением 1КР = 100d3 + 600 .
Экспериментальные результаты (рис. 8) позволяют определять критические токи, при которых наступает струйный перенос электродного металла [18].
Максимальное увеличение коэффициента расплавления составляет при сварке током прямой (обратной) полярности 50% (30%), переменным - 40% [19].
Экспериментальные зависимости подтверждают теоретические расчеты и позволяют определять необходимую скорость плавления электродной проволоки с использованием продольного магнитного поля при разработке технологических процессов дуговой сварки.
VII. Влияние внешнего продольного магнитного поля на состав наплавленного металла шва
Состав металла шва определяется в зависимости от свариваемого металла, вида и условий эксплуатации конструкции, термического цикла сварки и других факторов.
Физико-металлургические процессы, протекающие при сварке на торце электрода, должны обеспечить металл шва такого химического состава, при котором были бы получены необходимые его свойства, определяемые условиями его работы. При сварке происходит сложная физико-химическая обработка электродного и свариваемого металла, завершающаяся в жидком металле шва. Управление такими процессами позволяет получить сварное соединение необходимого состава с требуемыми свойствами.
Поэтому вопросы легирования металла шва через сварочные материалы имеют важное практическое значение.
При сварке под слоем флюса вращение капли приводит к увеличению времени и площади контакта, жидких металла и флюса, что способствует более высокому содержанию легирующих элементов в металле шва.
Исследовали химический состав сварных швов выполненных по обычной технологии и швов, полученных в продольном магнитном поле.
Исследования показали, что в сварных соединениях эти элементы распределяются равномерно по всему шву. Поэтому в дальнейшем количественные значения содержания легирующих элементов Cr, Mn, Ni, Si, Cu, а также вредной примеси серы определяли спектральным методом с относительной ошибкой + 3%. Количество углерода (C) и серы (S) определяли методом сжигания стружки в потоке кислорода с последующей оценкой содержания углекислого газа и сернистого ангидрида инфракрасной ячейкой. Чувствительность метода 0,0001%, относительная шибка + 0,5%.
Результаты исследований представлены на (рис. 9).
Рис. 9 Содержание легирующих элементов в металле шва в зависимости от индукции магнитного поля [20].
83
Содержание C, Cr, Ni, Cu в металле шва при обычной сварке меньше, чем при сварке в магнитном поле, что, очевидно, связано с выгоранием указанных элементов под воздействием электрической дуги.
При сварке в магнитном поле (рис. 9) с увеличением индукции содержание элементов в металле шва возрастает. Это связано, во-первых, с повышением скорости плавления электрода, что уменьшает перегрев капли и выгорание легирующих элементов, во-вторых, центробежные силы способствуют дроблению электродных капель, в результате увеличиваются время и площадь контакта жидких металла и флюса, в-третьих, с выравниванием температур осевых и периферийных зон расплава в свариваемом металле из-за его вращения [16]. В результате вращения в жидком металле образуются вихревые потоки, которые обладают свойством понижать температуру среды, в которой они возникли. Экспериментальное подтверждение этому факту можно найти в работе [4]. Проведенная авторами [4] съемка в инфракрасных лучах показала заметное снижение температуры при наложение на дугу продольного магнитного поля.
Содержание S практически не изменяется с увеличением индукции магнитного поля (рис. 9).
Микроструктура сварных соединений из низколегированных сталей ферритно-перлитная с вытянутыми направленными дендритами в металле шва и для обоих способов сварки практически одинаковая (рис. 10).
Рис. 10 Микроструктура сварного соединения, выполненного в продольном магнитном поле: а - свариваемый металл; б - шов увеличение х200; в - околошовная зона увеличение х95.
Кристаллы растут ортогонально к границе между твердой и жидкой фазами. Зона термического влияния при сварке в магнитном поле заметно меньше. Количественные исследования микроструктуры, при которых измерялась величина зерна по зонам сварного соединения, представлены в табл. 3.
Таблица 3 Результаты металлографических исследований сварных соединений
Зоны сварного соеди-нения Номер зерна Характеристика зерна
Сварка без магнит-ного поля Сварка в магнит-ном поле Сварка без магнит-ного поля Сварка в магнитном поле
Металл шва 3 3 Столбчатая мелко-дисперсная ферритно-перлитная структура То же
Участок перегрева 4-5 4-5 Крупно-зернистая ферритно-перлитная структура То же
Участок перекристаллизации (нормализации) 9-10 9-10 Мелкодисперсная ферритноперлитная микроструктура То же
Участок неполной перекристал-лизации - - Неоднородная ферритноперлитная микроструктура То же
Свариваемый металл 8-9 8-9 Ферритно-перлитная волокнистая микро-структура То же
Исследования показали, что магнитное поле в интервале индукций 0-50 мТл не ухудшает структуру металла.
При сварке в магнитном поле в результате меньшего выгорания и более интенсивного протекания химических реакций между жидкими металлом и флюсом происходит обогащение металла шва легирующими элементами, что должно улучшать технологические и механические свойства сварных соединений.
VIII. Механические свойства сварных соединений при сварке в продольном магнитном поле
Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки и конструктивными особенностями соединения.
Проводили сравнительные испытания соединений, сваренных в продольном магнитном поле и по обычной технологии. Из листовой стали 10ХСНД толщиной 12 мм с помощью автоматической сварки под флюсом АН-348АМ (электродная проволока Св-08А диаметром 2 мм) изготовили стандартные образцы.
Цилиндрические образцы для испытаний на растяжение и усталостную прочность согласно вырезали непосредственно из швов. При этом сварные швы выполняли таким образом, чтобы они располагались поперек направления прокатки в свариваемом металле.
Отклонения от среднего значения пределов прочности и текучести составили ± 15 МПа (± 5%).
Пределы текучести 8Т и прочности GВ , относительное удлинение (510 определяли по стандартной методике на разрывной машине при растяжении не менее пяти образцов табл. 4.
Результаты механических испытаний сварных швов на статическое растяжение представлены в табл.4.
84
Таблица 4 Сравнительные механические свойства сварных соединений [21,22]
Сварка Скорость плавления электрода, м/ч Индук-ция магнит-ного поля, мТл Ско-рость сварки, м/ч СУ j УВ 510, %
МПа
Без магнит-ного поля 146 - 26 545 625 24
В продоль-ном магнит-ном поле 250 50 36 520 660 24
Как следует из приведенных данных табл.4, прочность и пластичность сварных соединений, выполненных в магнитном поле не ниже аналогичных показателей, чем для обычных швов.
Усталостные испытания проводили при частоте нагружения 10 Гц, на базе 2 000 000 циклов и коэффициенте асимметрии цикла 0,25 при нагрузках 350, 250, 200, 175 и 150 МПа (не менее пяти образцов на каждую точку). Для установления зависимости между логарифмом числа циклов до разрушения и максимальным напряжением цикла результаты усталостных испытаний обрабатывали методом математической статистики.
Наибольшие отклонения от средних значений напряжений равнялись 18 МПа и 31 МПа для базы испытаний 2 000 000 и 200 000 соответственно.
Результаты усталостных испытаний показывают (рис.11), что долговечность сварных соединений, выполненных в продольном магнитном поле, в среднем на 5-10 % выше долговечности обычных соединений.
Повышение усталостной прочности при сварке в магнитном поле объясняется благоприятными условиями формирования шва, а также активизацией химического взаимодействия на границе расплавленных металла и шлака, что обеспечивает рафинирование и легирование наплавленного металла [20], и более мелкозернистую дезориентированную структуру кристаллов.
Сравнительные испытания свидетельствуют о более высокой работоспособности сварных соединений.
Замеры твердости металла сварных угловых швов проводили на макрошлифах с чистотой обработки 12. Измеряли твердость свариваемого металла, зону термического влияния и металл шва. Измерения проводили по Виккерсу. В каждой зоне сварного соединения выполняли не менее 15 измерений. Отклонения от среднего значения составляли ± 23 HV (10%).
Рис. 11. Результаты усталостных испытаний: 1 - сварка в продольном магнитном поле; 2 - по стандартной технологии.
Максимальное значение твердости не превышает 220 HV, в то время как нормами на сварные швы установлено, что HV металла шва и околошовной зоны не должна превышать 350 единиц. Такое различие, очевидно связано с уменьшением закалочных структур из-за вращения металла [16], снижения температуры расплава и выравнивания температурного поля.
Твердость HV основного металла равна 158; металла шва 177 и186; околошовной зоны 177 и 200 по стандартной технологии и в магнитном поле соответственно.
Исследовали распределение микротвердости поперек шва соединений, выполненных при обычной сварке и в магнитном поле (не менее 50 измерений на точку). Ширина измеряемой зоны в свариваемом металле составляла 4 мм. Околошовной зоны - 0,8-1,0 мм. Микротвердость образцов по зонам сварных соединений практически не различается и составляет для основного металла 25002700 МПа, для околошовной зоны 3000-3300 МПа, для металла шва 2800-3000 МПа. Размеры зерна металла околошовной зоны 4,59,0 мкм, основного металла 18-22 мкм.
Сравнительные испытания свидетельствуют о более высоких свойствах сварных соединений, выполненных в продольном магнитном поле по сравнению с аналогичными образцами, сваренными по традиционной технологии.
IX. Заключение
Исследования показали, что наиболее рациональным направлением повышения производительности дуговой сварки плавящимся электродом является увеличение эффективности расплавления электродного металла за счет увеличения коэффициента полезного действия нагрева электрода дугой без увеличения полной тепловой мощности.
Экспериментально и теоретически подтверждено, что средняя скорость плавления электрода определяется частотой и размерами переносимых капель.
При сварке в продольном магнитном поле, за счет снижения перегрева капель электродного металла, увеличивается количество эффективной теплоты поступившей на электрод.
Магнитное поле повышает производительность расплавления электродного металла при дуговой сварке. Максимальное увеличение коэффициента расплавления составляет при сварке током прямой (обратной) полярности 50% (35%), переменным -40%.
Экспериментальные зависимости подтверждают теоретические расчеты и позволяют определять необходимую скорость плавления электродной проволоки с использованием продольного магнитного поля при разработке технологических процессов
Литература
1. А.А. Ерохин, Основы сварки плавлением /А.А. Ерохин. - М.: Машиностроение, 1973.
2. Ю.Г. Гаген, Сварка магнитоуправляемой дугой / Ю.Г. Гаген, В.Д. Таран. -М.: Машиностроение,1970.
3. Я.Ю. Компан, Электрошлаковая сварка и плавка с управляемыми МГД-процессами / Я.Ю. Компан, Э.В. Щербинин. - М.: Машиностроение, 1989.
4. F.Erdmann-Jesnitzer, Beobachtungen zur Wirkung von Magnetffedern beim Lichtbogenschweisen / F. Erdmann-Jesnitzer, W. Schroder, J. Schubert // Werkstatt und Betrieb, 94/ Jahrg/ 1961. Helf 8.
5. А.М. Болдырев, Влияние основных характеристик каплепереноса на среднюю скорость плавления электрода / А.М. Болдырев, В.А. Биржев, А.В. Черных // Сварочное производство. 1995. № 1.
6. А.М. Болдырев, Особенности плавления электродного металла при сварке во внешнем продольном магнитном поле /
85
А.М. Болдырев, В.А. Биржев, А.В. Черных // Сварочное производство. 1991. № 5. С.28-30.
7. 7.А. с. 1382614 СССР, МКИ4 В 23 К 9/08. Горелка для сварки магнитоуправляемой дугой / А.М. Болдырев, В.А. Биржев, А.В. Черных (СССР). - №4019054/31-27; заявл. 11.02.86; опубл.23.03.88, Бюл. №11.
8. Г.С. Жданов, Физика твердого тела /Г.С. Жданов. - М.: Изд. МГУ, 1962.
9. А.В. Черных, Определение угловой скорости вращения капли на торце электрода при дуговой сварке в магнитном поле /
A. В. Черных, В.В. Черных // Сварочное производство. 2010. №7.
10. А.В. Черных, Расчет температуры электродных капель при дуговой сварке плавящимся электродом с помощью метода конечных элементов / А.В. Черных, В.В. Черных // Сварочное производство. 2008. № 3.
11. Г.Ф. Мучник, Методы теории теплообмена. В 3 ч.Ч.1. Теплопроводность. / Г.Ф. Мучник, И.Б. Рубашов. - М.: Высшая школа, 1970.
12. Д.В. Сивухин, Общий курс физики. Механика. / Д.В. Сивухин - М.: Наука, 1979.
13. Н. Моисеев, О некоторых вопросах теории устойчивости / Н. Моисеев // М.: Труды воной воздушной ордена Ленина академии РККА имени Жуковского. 1939. Выпуск № 45. - 60 с.
14. Н.В. Бутенин, Курс теоретической механики. Т.2 / Н.В. Бутенин, Я.Л. Лунц, Д.Р. Меркин. - М.: Наука, 1985.
15. Л.Д. Ландау, Теоретическая физика. Т.1. Механика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: Физматгиз, 2007.
16. А.В. Черных, К оценке угловой скорости вращения жидкого металла при дуговой сварке в постоянном продольном магнитном поле / А.В. Черных, В.В. Черных // Известия ВУЗов. 2011. № 10.
17. Д.Р. Меркин, Введение в теорию устойчивости движения / Д.Р. Меркин. - 4-е изд. - С-Пб., М., Краснодар: «Лань», 2003.
18. 18.А. с. СССР, В 23 К 9/173, 31/12. Способ определения характера каплепереноса электродного металла при дуговой сварке плавящимся электродом / А.М. Болдырев, В.А. Биржев, А.В. Черных (СССР). - №1698005; заяв. 27.12.88; опубл. 15.08.91, Бюл. №46.
19. А.М. Болдырев, Повышение производительности расплавления электродной проволоки при сварке в продольном магнитном поле / А.М. Болдырев, В.А. Биржев, А.В. Черных // Сварочное производство. 1989. № 4.
20. А.М. Болдырев, Влияние внешнего продольного магнитного поля на состав наплавленного металла шва / А.М. Болдырев,
B. А. Биржев, А.В. Черных // Сварочное производство. 1993. № 8.
21. А.М. Болдырев, Свойства соединений из стали 10ХСНД при сварке в продольном магнитном поле / А.М. Болдырев, В.А. Биржев, А.В. Черных // Сварочное производство. 1990. № 9.
22. Александр Черных, Электродуговая сварка с повышенной скоростью в магнитном поле. Технология сварки металлов и сплавов [Текст] / Черных, Александр. - Saarbruchen: Lambert Academic Publishing, 2013. ISBN № 978-3-659-42964-4.
Авраменко Е.В.1, Белов Н.П.2, Лапшов С.Н.3, Шерстобитова А.С.4, Яськов А.Д.5
'Аспирант; 2инженер; 3аспирант; 4кандидат технических наук, доцент; 5доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕЛЕНЫХ ЩЕЛОКОВ И КОНТРОЛЬ ИХ СОСТАВА В ПРОИЗВОДСТВЕ
СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Аннотация
Представлены результаты измерений показателя преломления, его концентрационной и температурной зависимостей, а также ультрафиолетового поглощения в зеленых щелоках, образующихся при производстве сульфатной целлюлозы.
Ключевые слова: оптические свойства зеленых щелоков, показатель преломления, ультрафиолетовое поглощение.
Avramenko E.V.1, Belov N.P.2, Lapshov S.N.3, Sherstobitova A.S.4, Yaskov A.D.5 'Postgraduate student; 2engineer; postgraduate student; 4PhD in Technical sciences, associate professor; 5D.Sc. in Technical sciences, professor, Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics OPTICAL PROPERTIES OF GREEN LIQOURS AND MONITORING OF THEIR COMPOSITION IN SULFATE PULPING
Abstract
Refractive index measurement results, its concentration and temperature dependences and ultraviolet absorption in green liquors received at sulfate pulping are represented.
Keywords: optical properties of green liquors, refractive index, ultraviolet absorption.
Зеленые щелока представляют собой продукт частичного восстановления плотных черных щелоков в замкнутых циклах производства сульфатной целлюлозы. Полное восстановление требуемого химического состава варочных щелоков обеспечивается в процессе каустизации зеленых щелоков. При каустизации в раствор добавляется известь [1], дозировка которой определяется общей щелочностью исходного зеленого щелока C (г/л). Здесь значительный интерес могут представлять оптические технологии.
Цель настоящей работы состояла в исследовании концентрационной и температурной зависимостей показателя преломления растворов зеленых щелоков в технологически значимых диапазонах концентрации общей щелочности C = 0 150 г/л и температур
t = 20 90 °C, а также исследование коротковолнового ультрафиолетового поглощения в этих средах.
Еще одна цель работы заключалась в анализе результатов промышленных испытаний погружного рефрактометрического датчика для определения общей щелочности в растворах зеленых щелоков.
Образцы растворов зеленых щелоков были предоставлены Сегежским целлюлозно-бумажным комбинатом. Общая щелочность в них находилась в пределах C = 3.79 153.5 г/л; плотность растворов при t = 20 °C составляла d = 1040 1200 г/дм3.
Показатель преломления n был измерен на длинах волн X = 589 и 633 нм в диапазоне температур t = 20 90 °C для
приведенных выше концентраций общей щелочности и плотностей растворов. В лабораторных измерениях n использовался серийный рефрактометр Аббе (УРЛ-1) с термостатом MLW U2C. Измерение спектров ультрафиолетового пропускания T(X) в зеленых щелоках проводилось в области длин волн X = 200 400 нм при t = 20 °C с применением спектрофотометра, аналогичного
представленному в [2]. В исследованиях использовались стандартные кварцевые кюветы с длиной прохода 10 мм. Кювета, заполненная дистиллированной водой, служила эталоном T = 100% для калибровки прибора.
Зависимость общей щелочности C (г/л) растворов зеленых щелоков от их показателя преломления при t = 20 °C и X = 589 нм представлена на рис. 1.
86
