Многоэлектродная наплавка

Электрические особенности многоэлектродной наплавки под флюсом

Плавление металлического электрода в шлаке — процесс сложный и недостаточно изученный. Когда же в системе плавится не один, а несколько электродов, да еще не одновременно, а в определенной последова­тельности, сложность эта возрастает.

Общеизвестные представления об электрошлаковой ванне с плавящимися электродами как о ванне с чисто активным сопротивлением, где кривые тока и напряже­ния синусоидальны и синфазны [28], не согласуются с классической теорией электрохимии и электротехники.

Согласно современным представлениям расплавлен* ный шлак является электролитом со сложной проводи­мостью [11, -28 и др.]. Если в такой электролит, нагре­тый до температуры выше 1500 °С, поместить металли­ческие электроды, то последние поляризуются, а про­ходящий через них электрический ток это явление усиливает.

На границах раздела фаз возникает скачок потен­циала.

Одна из наиболее общих причин возникновения скачка потенциала — обмен заряженными частицами. В момент появления контакта между фазами он про­текает преимущественно в каком-либо одном направ­лении, в результате чего создается избыток частиц дан-

ного знака заряда по одну сторону границы раздела и ьх недостаток по другую. І

Второй причинок возникновения скачка потенциа­лов следует считать преимущественную (избиратель­ную) адсорбцию ионов определенного знака вблизи поверхности раздела фаз. В этом случае одна поверх­ность непроницаема для ионов и скачок потенциала локализуется не по обе стороны поверхности раздела (как это наблюдается при обменном механизме обра­зования скачка потенциала), а внутри одной из фаз, в непосредственной близости от границы раздела.1 Типичный пример: жидкий раствор — газ.

Третья возможная причина появления скачка потен­циала связана со способностью полярных незаряжен­ных молекул ориентированно адсорбироваться вблизи границы раздела двух фаз. При ориентированной ад­сорбции один из концов полярной молекулы обращен к границе раздела, а другой — в сторону той же фазы, которой принадлежит данная молекула. Значение воз­никающего здесь потенциала определяется числом адсорбированных молекул, их дипольным моментом и степенью ориентации. Если из д»ух граничащих фаз только одна полярна, двойной слой появится на сто­роне границы раздела, лежащей в данной фазе; в дру­гой, неполярной фазе, скачка потенциала не будет. Если обе фазы полярны, то в каждой из них вблизи границы раздела возникнет двойной электрический слой и соответствующий ему скачок потенциала. Кроме этого в объеме расплавленного шлака могут быть сле­дующие виды поляризации: концентрационная, омиче­ская, активационная. Все это приводит к образованию двойного электрического слоя как на границе между электродом и ионным расплавом, так и в объеме элек­тролита. Его обычно рассматривают как плоский кон­денсатор, состоящий из двух обкладок: одной является поверхность электрода, второй — слой прилегающего к нему ионного расплава.

Скачок потенциала на двойном слое, будучи местом разрыва сплошности градиента потенциала, может рассматриваться как самостоятельно заряженная по­верхность в исследуемом объеме. В системах с разви­той межфазной поверхностью, например многоэлектрод­ной, состояние жидкости и ее движение у межфазной поверхности оказывают решающее влияние на состоя-

икс всей системы, особенно ссли последняя находится н районе действия электрического или магнитного полей Специфика такого состояния в значительной степени определяется двойным электрическим слоем и гго структурой на поверхности раздала фаз [11].

Кроме наличия объемного электрического заряда двойной слой характеризуется изменением свойств жидкости. Жидкость в двойном слое отличается по структуре и свойствам от той же жидкости в объеме. Ориентация и поляризация молекул у межфазной по­верхности приводят к изменению ее механических свойств [11]. Особенно сильное изменение происходит и ближайших трех-пяти слоях жидкости, т. е. в об­ласти адсорбционного заряда. Диэлектрическая прони­цаемость в этих слоях снижается на порядок [11], в плотность значительно увеличивается. Например, для поды, чтобы получить такую плотность, необходимы давления порядка 108—109 Па.

Ввиду наличия модуля упругости и повышенной нязкости в приграничном слое жидкости адсорбцион­ные слои прочно связаны с поверхностью, а адсорб­ционная часть заряда двойного слоя движется вместе с межфазной поверхностью.

На поверхности плавящегося электрода благодаря повышенному напряжению можно предположить, что двойной электрический слой претерпевает изменения.

На основании изложенного многоэлектродный про­цесс плавления электродов под флюсом можно описать следующим образом. Каждый плавящийся электрод

ского электрода с поверхностью, покрытой жидким металлом, находящимся в контакте с расплавленным шлаком. В такой системе двойной электрический слой позникает как на границе жидкий металл — жидкий шлак, так и на границе твердый металл — жидкий металл. Таких систем будет столько, сколько плавя­щихся электродов плюс две, включающие в себя основ­ной и наплавленный металл, а также жидкий шлак на поверхности металлической ванны.

Указанные системы имеют сложное сопротивление, состоящее из активного (сопротивление электродов, шлака) и реактивного (емкость двойных слоев, индук - «ивность электродов и окружающих металлических чпстей установки и подводящих проводов).

Рис. 2. Схема цепи электрода, плавящегося в шлаке (Л), и ее эквивалентная схема (Б);

L — индуктивность цепи; г - активное сопротивление, гх — активное сопротивление про­водов; г2 — активное сопро- тивление двойного электриче­ского слоя на плавящемся конце электрода; rs — актив­ное сопротивление шлаковой ванны; — активное сопротивление границы перехода шлак—ванна жидкого металла; г5 — активное сопротивление ванны жидкого металла и наплавляемой детали; С — емкость; Сі—емкость двойного электрического слоя на конце плавящегося электрода, погруженного в шлак; С* — концентрацион­ная емкость шлаковой ванны; С3 — емкость на границе шлак—ван­на жидкого металла

Таким образом, для правильной оценки тепловых и металлургических процессов в ванне при изучении закономерностей протекания многоэлектродной на­плавки необходимо учитывать электрохимические явле­ния, возникающие в системе.

На основании приведенного анализа каждый плавя­щийся электрод много^лектродной* системы может быть представлен как комплексное сопротивление. Активная составляющая его обусловлена электронной и ионной проводимостью межэлектродного промежутка, а реак­тивная— индуктивностью конца плавящегося электрода и емкостью, возникающей в расплавленном шлак' на границе электроды — расплавленный шлак и ра плавленный шлак — ванна жидкого металла.

Исходя из этих соображений, на рис, 2 представлен схема цепи электрода, плавящегося в шлаке, и экв валентная схема, имеющие активное, индуктивное емкостное сопротивления и хорошо согласующие с практическими наблюдениями.

При установившемся многоэлектродном процес суммарный ток и напряжение по форме близки к сину соидальным, поэтому для анализа распределения мо ностей в цепи с достаточной точностью может бы использована формула для расчета синусоидальн величин:

P = Pr + PL + Pc = i*r + (,d/di) WM + (d/dt)W9,

где Рг — активная мощность; PL — индуктивная моз ность; Рс — емкостная мощность; і — мгновенное зн1

чпіие тока; г — активное сопротивление; WM — энергия магнитного лоля; Wэ— энергия электрического поля.

Активная мощность всегда положительна и харак­теризует необратимый процесс преобразования электри­ческой энергии в тепловую, которая служьг основным источником нагрева при сварке.

Индуктивная мощность при Рь>0 определяет ско­рость «юступления энергии в магнитное поле электрода, при PL<0 — скорость возвращения энергии магнитного

ПОЛЯ.

Ьмкостная мощность при Рс>О определяет скорость поступления энергии в электрическое поле (вызывая н шлаке появление концентрационной емкости, а на границах фаз — двойного электрическою слоя), при /'с<0 — скоросіг> возвращения энергии из этого поля (иызывая в шлаке перезарядку концентрационной

* мкости и двойного поляризационного слоя).

Статистическая обработка осциллограмм позволила определить величину емкости по формуле

С = і м/(2л/ sin ф UM),

і де /„— математическое ожидание амплитудного значе­ния тока; f — частота переменного тока, ф — угол сдвига фаз тока и напряжения; <7М — математическое ожида­ние амплитудного значения напряжения.

Обработка осциллограмм, исходя из предложенной •квивалентной схемы, показала, что значение емкости, обусловленное поляризационными явлениями при семи - ♦лектродном электрошлаковом процессе, оказалось рав­ным 274 мкФ. При этом активная мощность источника юкя составила 50—60% номинальной (табл. I). Таким образом, поляризационные явления отрицательно ска - імваются на балансе мощности наплавочной цепи и должны учитываться.

При наплавке под флюсом на переменном токе и шлаковой ванне возникает «вентильный эффект», а в

• іектрической цепи появляется постоянная составляю­щий тока, которая создает падение напряжения на от­ельных элементах активного сопротивления, нагревает ічоричную обмотку трансформатора и отрицательно ьлияет на электрический баланс источника тока (рис. 3).

В литературе, описывающей физические явления и шлаковой ванне [20, 32], имеются сведения об актив-

Pm*. 3. Эквивалентная элек­трическая схе^а наплавочной ищи с учетом вен тильного эффекта:

/ •— активное сопротивление двоГ м. . о слоя на границе со шлаком у конца электрода; 2 — емкость

ліюПиого слоя на границе со шла - Кмм у конца электрода; 3 —ак - ішшос сопротивление шлаковой ипшп-, 4—концентрационная єм­ної, ть шлаковой ванны; 5 — вен - I ильные свойства шлаковой ван­ны из за разной температуры; € — активное сопротивление вентиля: 7 —

4*іи»ное сопротивление границы шлак—ванна жидкого металла. 8 — емкость рноЛного слоя на границе шлак—ванна жидкого металла; 9 — индуктив­ность элементов цепи

ных сопротивлениях 3 и 6, о вентиле 5 и индуктивном сопротивлении 9. В предложенной эквивалентной схеме сопротивления 2, 4, 8 емкостные, а /, 3, 6, 7 активные. И комплексе они характеризуют сопротивление двойного электрического поля на границе шлак — металл и гра­нице электрод — шлак.

Значение электрической емкости двойного слоя из­меняется в зависимости от потенциала, приложенного К нему. Вольт-кулонная характеристика ее может быть аппроксимирована полиномом

C(U) = bt + 2bJJ + kbKUk~l, (3)

где b и k — коэффициенты; U — напряжение на ванне.

По данным работы [18] зависимость C(U) для шла - кол представлена кривыми, которые приближенно мож­но описать уравнением

C(U) = C0 + aU

где U — напряжение на двойном поляризационном «ткос; а — коэффициент, обусловленный химическими снойствами шлака и металлической ванны, имеющей размерность | C/U2 = Ф/jB2; Go — емкость при U=0.

Емкость двойного поляризационного слоя на границе жидкий шлак—металл не остается постоянной во вре­мени, а изменяется в зависимости от приложенного напряжения, которое обусловлено активным сопротив - Н'ИНеМ двойного слоя и током, проходящим через него. «Нентильный эффект» искажает синусоидальную кри - иую тока, и в цепи появляются постоянная и перемен - к їм составляющие тока. Следовательно, емкость двой­ного слоя находится под действием двух напряжений:

Cj (/) “ Cc - f - oUm cos2 (0)/ - f- ф)» C& = Cq + aUrn/2.

Качественный анализ уравнений (5), (6) показы-, вает, что эффективная емкость при «вентильном эф-| фекте» выше, следовательно, при наплавке под флюсом «вентильный эффект» не только нагревает обмотку трансформатора, но и значительно изменяет реактив­ную составляющую полного сопротивления. Поэтому] снижение «вентильного эффекта» приводит к уменьше­нию непроизводительных затрат электроэнергии и улуччі шению работы наплавочного устройства.