ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ РУЧНОЙ СВАРКИ

Теоретические основы сушки электродов

Обмазочная масса, предназначенная для электродного покрытия, состоит из различных по свойствам, составу и форме зерен порошко­вых материалов, перемешанных с раствором жидкого стекла. При этом вокруг каждой твердой частицы при тщательном приготовлении массы образуется тонкая жидкостная пленка, толщина которой при дальнейшем введении жидкого стекла возрастает. Покрытие электро­дов, нанесенное под высоким давлением, пронизано разветвленной се­тью капилляров. В связи с различием форм и размеров твердых час­тиц сухой шихты капилляры в покрытии имеют переменное сечение.

Как уже отмечено в гл. 7, жидкое стекло имеет коллоидное стро­ение, что связано с наличием сложных комплексов (мицелл), со­стоящих из большого числа молекул Si02, Н20 и щелочи ROH. Прочность связи влаги в жидком стекле различна. При сушке жид­кого стекла очень матой плотности и вязкости сначала начинают удаляться молекулы воды, менее прочно связанные с комплексами. Прочность связи таких молекул близка к прочности связи, сущест­вующей между молекулами свободной воды.

По мере повышения плотности жидкого стекла прочность связи влаги непрерывно растет, и для отрыва последующих молекул во­ды требуется затрата все большей энергии. Это подтверждается графиком (см. рис. 59): даже при температуре выше 400 °С из сухо­го остатка жидкого стекла удаляется не вся влага.

Испарение воды из покрытия усложнено также его капилляр­ным строением. Во-первых, это связано с тем, что капилляры до­полнительно удерживают воду за счет сил поверхностного натяже­ния, во-вторых, что не менее важно, диффузия пара и влаги из глу­бины покрытия по весьма тонким капиллярам затруднена.

Удаление влаги из капилляров происходит следующим обра­зом. В первые моменты сушки, когда в поверхностном слое покры­тия существует неравновесное состояние влаги (давление паров жидкости в воздухе меньше давления паров в данном слое), влага будет испаряться из капилляров. При этом ее испарение происхо­дит ступенчато. Сначала будет испаряться почти свободная влага, слабо связанная с мицеллами, что приведет к повышению концент­рации раствора силиката в данном месте.

Известно, что наличие разных концентраций в слое жидкости вызовет явление диффузии. Силикаты, находящиеся в растворе, будут стремиться из мест с высокой концентрацией в районы малой концентрации, т. е. в случае сушки электродов с поверхно­сти — внутрь покрытия; наоборот, почти свободная влага под действием тех же сил диффузии устремится наружу — в верхние слои. В начальный момент сушки, когда весь электрод не прогрелся и установился значительный градиент (перепад) температур, этому стремлению влаги будут препятствовать капиллярные силы, поскольку известно, что при наличии градиента температур в капилляре происходит движение от более нагретого к менее нагретому месту.

В последующие периоды сушки при равномерном прогреве по­крытия, когда градиент температур станет незначительным, уста­новится некоторый градиент влажности, приводящий к диффузии влаги из участков с большей влажностью в участки с меньшей влажностью. Скорость диффузии будет меньше скорости испаре­ния жидкости с открытой поверхности, поэтому при обдуве элект­родов нагретым воздухом поверхность испарения будет переме­щаться в глубь покрытия. Это будет продолжаться до тех пор, пока не удалится вся капиллярная влага.

На процесс удаления капиллярной почти свободной влаги на­кладывается процесс удаления влаги, связанной с коллоидными частицами силикатов. Часть сравнительно слабо связанной влаги может удаляться одновременно с капиллярной влагой. Однако вла­га, прочно связанная с коллоидами, образованными силикатами на­трия или калия, начнет удаляться при более высоких температурах. Следовательно, этот процесс будет проходить в слое, лишенном ка­пиллярной влаги. Чем выше прочность связи молекул воды с кол­лоидными частицами, тем при больших температурах начнется удаление этих молекул. Прочность связи влаги определяют модуль и вид примененного жидкого стекла (натриевое, калиевое, комби­нированное), а количество связанной влаги в основном зависит от количества сухого остатка жидкого стекла.

Скорость сушки электродов одной марки в атмосфере с одними и теми же параметрами (температура, давление, влажность) нахо­дится в обратной зависимости от толщины покрытия: чем толще покрытие, тем медленнее проходит сушка. Это происходит по двум причинам. Первая — энергия, необходимая для удаления влаги при сушке нагретым воздухом, поступает через поверхность покрытия. При увеличении толщины площадь поверхности покрытия элект­рода растет медленнее, чем масса покрытия. Поэтому на единицу массы покрытия в единицу времени поступает меньшее количество энергии. Вторая причина — испарение влаги происходит с различ­ных слоев, постепенно углубляющихся в толщу покрытия. В ре­зультате пар, образующийся внутри покрытия, должен пройти по капиллярам путь большей длины.

Причины образования трещин в покрытии электродов. Экспе­риментально установлено, что в процессе воздушной сушки образ­цов из обмазочной массы происходит уменьшение их линейных размеров на 2-4%. Это связано с сокращением объема жидкого стекла при удалении из него влаги.

Образование трещин связано также с существенной разницей деформации покрытий и стержней, особенно для стержней из вы­соколегированной стали. Например, коэффициент термического расширения (КТР) стержня из проволоки марки Св-04Х19Н9 со­ставляет а30_400“ = 16,9 мм/(м-°С), а для рутил-алюмосиликатного покрытия КТР (Хэд 220“= 7,44 мм/(м-°С), (Х220-400"= 9,49 мм/(м-°С) [89]. Такая разница в КТР покрытия и стержня вызывает образо­вание значительных напряжений как на стадии нагрева электродов, так и при их охлаждении. Но и покрытия электродов для сварки конструкционных сталей при завышенных скоростях нагрева (охлаждения) могут давать трещины [90].

В обмазочной массе частицы сухой шихты окружены тонкой пленкой жидкого стекла, а вся масса пронизана также тонкими ка­пиллярами. При сушке покрытия электродов толщина пленки жид­кого стекла уменьшается, и поперечное сечение капилляров сокра­щается. В результате в покрытии электродов возникают усадочные напряжения. Чем меньше размер частиц компонентов шихты и больше их суммарная поверхность, тем большее число капилляров и элементарных пленок жидкого стекла приходится на единицу длины покрытия электродов, следовательно, появляется большая возможность возникновения напряжений. Вследствие этого возни­кающие напряжения могут достичь высоких значений. При повы­шенной разнотолщинности покрытия может произойти заметное искривление электрода: в эксперименте с удаленным с одной сто­роны покрытием стрела прогиба после прокалки превысила 2 мм. Напряжения в покрытии при этом достигли порядка 510 МПа (72].

При сушке покрытия, нанесенного на металлический стержень, процесс влагоотдачи с концевых участков происходит быстрее, по­скольку влага удаляется одновременно с поверхности и с торца по всему сечению покрытия. В результате концевые участки покры­тия жестко закрепляются на металлическом стержне и препятству­ют перемещению при продольной усадке частиц покрытия, распо­лагающихся на остальной длине электрода.

Если влагоотдача происходит достаточно медленно, а покрытие при этом сохраняет пластичность, то возникающие усадочные на­пряжения имеют возможность компенсироваться за счет пластиче­ской деформаций покрытия. При быстром процессе влагоотдачи скорость возрастания усадочных напряжений может превысить до­пустимую скорость пластических деформаций, в результате чего покрытие даст трещины. Если покрытие при сушке теряет пластич­ность, то трещины неизбежны. В основном это будут кольцевые (поперечные усадочные) трещины, расположенные примерно на одинаковых расстояниях друг от друга.

Чувствительность к трещинам может быть снижена за счет ра - ционального подбора гранулометрического состава. Наряду с нали­чием тонких фракций, обеспечивающих пластичность массы, жела­тельно ввести сравнительно крупные частицы (размером 200- 250 мкм) мрамора или рутила в зависимости от вида покрытия. На­личие определенного количества таких фракций образует сравни­тельно жесткий каркас, не снижая пластичность массы.

Долевые (продольные) трещины часто появляются при сушке соприкасающихся электродов в местах их прилегания или даже только соприкосновения. Причина появления этих трещин связана с тем, что в местах прилегания покрытий сырых электродов про­цесс влагоотдачи идет значительно медленнее, чем на основной по­верхности, находящейся в непосредственном контакте с нагретым воздухом или печными газами. Основная поверхность покрытия высыхает гораздо раньше, а возникающие при этом усадочные на­пряжения разрывают неокрепшие долевые участки покрытия по линии их прилегания (соприкосновения).

Иногда наблюдают случаи появления трещин в покрытиях эле­ктродов, расположенных без соприкосновения, но очень близко один к другому. И в этом случае сушка покрытий происходит неравномерно.

В объемах, где покрытия соседних электродов расположены близко одно к другому, влажность повышена, сушка замедлена и прочность покрытия нарастает медленнее, чем в местах непосред­ственного контакта с нагретым воздухом или газом. По указанным причинам в начальный период сушки электроды, особенно с тол­стым покрытием, должны быть разложены раздельно. Стандартные электроды с рутиловым и ильменитовым покрытиями к долевым трещинам склонны мало.

Вснухание покрытия. При жестких режимах сушки (100— 120 “С) часто наблюдают чрезмерное вспухание электродного по­крытия. Это связано с тем, что при быстром нагреве покрытия часть влаги с его поверхности будет испаряться, а часть по капил­лярам будет перемещаться в глубинные холодные слои покрытия. Затем, когда покрытие прогреется, парциальное давление пара, об­разующегося внутри покрытия, может превысить атмосферное дав­ление. Кроме того, объем имеющихся внутри покрытия мелких пу­зырьков воздуха под влиянием повышенной температуры будет возрастать. В связи с этим давление газов и паров превысит атмо­сферное давление, и неокрепшее покрытие вспухнет. Поэтому предварительная сушка должна происходить или в процессе подвя - ливания, или в печах при умеренных температурах, начиная с 40 60 °С, с медленным ее повышением до 80-90 °С. После потери влаги в количестве 30-40% от ее общего содержания в покрытии электродов температуру можно повышать выше 100 °С.

Вспухание может произойти также за счет выделения газов от реакции взаимодействия активных ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, металлического марганца) с жидким стеклом, на­ходящимся в покрытии. Повышение температуры даже до 50-60 °С будет интенсифицировать процесс газовыделения, в результате че­го покрытие может вспухать и при относительно низкой темпера­туре. Поэтому активные металлы и сплавы необходимо применять только пассивированными, а жидкое стекло — выдержанным.

В некоторых случаях вспухание покрытия за счет жестких теп­ловых режимов или в результате реакций газообразования может сопровождаться трещинами. Обычно такие трещины являются следствием грубого нарушения предписанной технологии.

Способы нагрева, укладки и транспортировки электродов

Для термообработки электродов используют различные спо­собы нагрева, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Выбор оборудования обусловлен условиями конкрет­ного производства, номенклатурой выпускаемых электродов, тех­нико-экономическими показателями. Наиболее распространен конвективный способ нагрева, применяемый как для конвейерных, так и для тоннельных печей. При этом используют газовый или электрический нагрев. В газовых печах теплоносителем являются топочные газы, в электропечах — воздух, нагретый в электро­калориферах.

В конвейерных многопроходных печах нагрев электродов в зоне прокалки часто осуществляется за счет радиационного излучения нагретыми металлическими поверхностями или спиралями. В дру­гих зонах печей радиационный нагрев применим реже. Вообще го­воря, радиационный нагрев обязательно сочетается с конвектив­ным, так как при этом воздух также нагревается до высокой темпе­ратуры и становится теплоносителем.

При конвективном и радиационном способах нагрева теплота распространяется от поверхности в глубь покрытия. Это затрудня­ет процесс влагоудаления в начальный момент сушки, так как на­правление удаления влаги противоположно. В силу законов движе­ния жидкости по капиллярам при нагреве поверхностного слоя влага будет стремиться вглубь.

В этом отношении несомненны преимущества индукционного нагрева, 'когда теплота подается через электродный стержень. При этом нагрев внутренних слоев покрытия происходит в первую оче­редь. В первый период сушки жидкость движется по капиллярам из глубинных слоев к поверхности покрытия, где и испаряется. В этом случае направления движения жидкости и теплоты совпада­ют. При индукционном способе нагрева снижается время термооб­работки электродов. В индукционных печах необходимо индивиду­альное (поштучное) подведение теплоты. Слишком высокий темп удаления влаги приводит к повышенному вспуханию покрытия.

В конвейерных сушильно-прокалочных печах трудно обеспе­чить равномерный и непрерывный нагрев электродов. В много­ярусных установках теплота теряется при перевалках электродов с яруса на ярус. Электроды, находящиеся на ярусе внутри слоя, прогреваются медленнее верхних. Активная теплопередача элек­тродам занимает только около половины общего времени их на­хождения в зоне прокалки. Поэтому при одинаковой продолжи­тельности термообработки в конвейерных печах влаги удаляется несколько меньше, чем в камерных печах при раскладке электро­дов в один слой [91]

В газовых печах имеют место паузы в нагреве электродов на гра­ницах тепловых зон. При невысоких скоростях подачи теплоноси­теля велик перепад температур между верхними и нижними гори­зонтами прокалочной зоны.

Помимо способа нагрева, существенное значение для эффектив­ности процесса удаления влаги и обеспечения равного для всех электродов цикла нагрева имеет расположение тепловых зон. В од­нопроходных печах тепловые зоны расположены по длине печи. Их разделяют или шиберами, или разнонаправленностью воздушного потока.

В многопроходных конвейерных печах тепловые зоны располо­жены по вертикали одна над другой. Обычно один последний про­ход расположен в зоне принудительного охлаждения электродов.

Важнейшее значение для внешнего вида покрытия имеет при­меняемый при термообработке электродов способ их укладки и транспортировки. В промышленных печах электроды укладывают и перемещают:

• на металлической цепи (многопроходная конвейерная печь);

• в подвесных кассетах;

• на полочках контейнера (тоннельная печь);

• магнитными прихватами;

• втулками втулочно-роликовых цепей (индукционная установка);

• на полочках металлических или деревянных рамок.

В многопроходных конвейерных печах электроды укладывают на транспортерные втулочно-роликовые цепи. Передача электро­дов из прохода в проход, в которых поддерживается различная тем­пература, механизирована; как правило, ее осуществляют барабан­ными перекладчиками. Общим недостатком такой укладки, являет­ся возможность повреждения нежного покрытия, особенно в мо­менты перевалок, и образования «завалов» электродов в проходе. Существуют системы сигнализации, которые предупреждают обра­зование завалов, останавливая печь.

В однопроходных конвейерных печах электроды укладывают в специальные подвесные кассеты, заполняемые автоматически.

м

Крепление электродов во втулках или на магнитах, которыми оснащены втулочно-роликовые транспортерные цепи, используют только в индукционных установках. Крепление электродов на по­стоянных магнитах применяют ограниченно.

При термообработке электродов в тоннельных печах укладку электродов производят на рамки, которые устанавливают в стопки или в специальные контейнеры. Металлические рамки позволяют размещать на них электроды разных типоразмеров, они максималь­но открыты для воздушных потоков и могут быть использованы в комплектации с механизмами загрузки-разгрузки. Заполнение ра­мок ручное или при помощи специальных укладчиков, заполнение контейнеров — механизированное. Стопки рамок и контейнеры ус­танавливают на транспортер, проходящий через печь.

Электроды, уложенные на рамки, набранные в контейнер, подвесные кассеты, удерживаемые втулками или магнитами, в течение всего процесса термообработки не подвергаются допол­нительным механическим воздействиям. Это снижает брак из-за повреждения покрытия и практически устраняет опасность «за­валов» электродов.

Оценивая различные способы укладки электродов, можно отме­тить, что при укладке на цепи, полки рамок и контейнеров, в гнезда кассет возможно прилипание электродного покрытия к металлу (вплоть до последующих вырывов), образование вмятин, сминание участка покрытия зажигательного конца с образованием трещин. Вероятность образования вмятин на поверхности покрытия осо­бенно велика в начальный период принудительной сушки, когда тепловое размягчение покрытия опережает процесс его упрочнения с потерей влаги. Склонность к перечисленным дефектам растет с увеличением общей массы электрода и массы покрытия на нем. К прилипанию существенно более склоны основные покрытия.

Применение фетровых подкладок, способных впитывать влагу, на участках соприкосновения покрытия с металлом позволяет из­бежать появления дефектов при тепловом размягчении покрытий в начальный период сушки. Однако применение фетра возможно лишь при температурах сушки и практически используется только в первых проходах многопроходных конвейерных печей. Значи­тельно большие температуры (до 250-330 °С) выдерживаю т специ­ализированные ленты. В индукционных установках втулку, удер­живающую зажигательный конец электрода, изготавливают из де­рева, что устраняет опасность прилипания покрытия.