Многоэлектродная наплавка

Характеристики шлаковой ванны и явлений, происходящих в ней

Плавление электрода в расплавленном шлаке при электрошлаковой сварке и переплаве описано в работах [9, 32 и др.]. Все авторы представляют себе электро - шлаковую сварку как разновидность сварки плавле­нием — основанную на выделении теплоты при про­хождении электрического тока J*epes расплавленный шлак, который нагревается до ^PFHraK>f

тих 2000 UC, и расплавляет металл электрода, находя­щегося в контакте с ним.

В работе Д. А. Дудко и В. С. Сидорука [32] на осно­вании обобщения исследований, выполненных многими авторами, электрошлаковая ванна представлена как расплав сслей, окислов, сульфидов и других соедине­ний, обладающий ионной проводимостью и подчиняю щийся закону Ома в широких пределах температур и плотностей тока. Возможна также электронная и дырочная проводимость шлака, если флюс содержит диоксид титана. В шлаковой ванне наибольшая плот­ность тока наблюдается у торца электрода и наимень­шая— у свободной поверхности металлической ванны. Поэтому следует ожидать наибольшую объемную плот­ность теплоты, выделяемой в шлаковой ванне, вблизи торца электрода. Изложенное означает, что у торца электрода температура шлака должна быть наиболь­шей. Экспериментальное определение температуры шлака по глубине ванны показало, что она макси­мальна на некоторой глубине, близкой к глубине погру­жения электрода в ванну, и ниже у металлической ванны [32].

Моделирование [7] в ртутной ванне гидродинамиче­ских процессов шлаковой ванны и кинофотосъемка через оптически прозрачную среду {14] позволили уста­новить, что электродинамические силы деформируют свободную поверхность металлической ванны, образуя лунку под электродом. С возрастанием скорости подачи электродной проволоки, а следовательно, и силы тока глубина лунки увеличивается. При этом увеличивается глубина металлической ванны, глубина погружения электрода в шлак и скорость его плавления. На осно­вании этих данных Д. А. Дудко и В. С. Сидорук утверждают, что наибольшее количество теплоты выде­ляется в шлаковой ванне вблизи электрода и под ним, в так называемой активной зоне. Тепловая энергия переносится отсюда в периферийные области шлаковой ванны. Авторы высказали предположение, что темпе­ратура перегрева капель электродного металла в актив­ной зоне составляет более 1800 °С и что такой перегрев электродная капля получает в результате не только теплопередачи от шлака. В подтверждение этого авторы попытались определить расчетным путем температуру электродной проволоки за счет теплопередачи от шлака.

Согласно выполненным расчетам установлено, что плавление проволоки диаметром 2 мм может происхо­дить, если скорость ее подачи примерно в 2 раза меньше реальной, а температура шлака выше 1800 °С. Иными словами, простой теплопередачи от шлака к металлу недостаточно для осуществления электро - шлакового процесса.

В последние годы в литературе [9, 28 32 и др.] стали появляться высказывания о том, что при электро - шлаковом плавлении электрода имеется дополнитель­ный источник нагрева. По аналогии с дуговой сваркой таким источником называют приэлектродные процессы в виде приэлектродного падения напряжения в резуль­тате образования двойного электрического слоя [9, 20, 32]. Приэлектродное (избыточное) напряжение может привести к нагреву поверхности раздела металл — шлак до температуры испарения и тогда начнете* локальное кипение шлака. Между поверх­ностью электрода и шлаком возникает электрическая дуга. Это явление усиливается тем, что в шлаковой ванне, как и во всякой проводящей среде, возникает электрическое поле, если в нее поместить проводник с током [17] Распределение потенциала в этом поле удовлетворяет уравнению Лапласа [5].

На основании теоремы единственности решения уравнения Лапласа можно утверждать, что распреде­ление потенциала в электростатической задаче, при одинаковых граничных условиях, будет совпадать с распределением потенциала в проводящей среде с то­ком [5]. Линии плотности электрического тока будут совпадать с силовыми линиями в электростатической задаче. Это открывает большие возможности для ис­следований распределения тока в электрошлаковой ванне при многоэлектродной наплавке. Исследования можно вести как теоретически с помощью закономер­ностей электрического поля, так и методом моделиро­вания с использованием электролитических ванн, про­водящей бумаги или электроинтегратора.

В электростатике электрическое и магнитное поля представляют собой математические понятия, упрощаю­щие вычисления у. облегчающие понимание многих физических явлений. В учении о переменном магнитном поле, в частности в учении об электромагнитных вол­нах, понятие поля имеет глубокий физический смысл,

так как электромагнитное поле есть объективная реаль­ность [5]. Электрическое поле содержит некоторый запас энергии, которая может быть превращена в меха­ническую, тепловую или какую-нибудь другую форму энергии.

При изменении магнитного поля в неподвижных проводниках возбуждается электрическое поле. Такое поле имеет напряженность Е. Под напряженностью Е следует понимать общую напряженность электрического поля вне зависимости от того, возбуждается ли это поле (частично или полностью) стационарными электриче­скими зарядами или же изменением магнитного поля.

Самое общее условие стационарности токов и поля может быть получено на основании двух условий [27]. Если рассматривать плотность тока / как вектор, на­правление которого совпадает с направлением тока в динной точке проводника, то при любом направле­нии dS (элемента сечения проводника) справедливо соотношение

dl = jjiS

или

/п = dl/dSf

где /п — проекция вектора j на внешнюю нормаль к dS, a dJ — сила тока, протекающего через dS.

Соїласно этому соотношению § jndS по произволь-

ной замкнутой поверхности S должен равняться алгеб­раической сумме сил токов, проходящих через отдель­ные элементы dS этой поверхности, т. е. должен рав­няться количеству электричества, выходящего за еди­ницу времени из ограниченного поверхностью S объема V (если п есть внешняя нормаль к 5).

С другой стороны, согласно закону сохранения элек­тричества, лежащему в основе теории электричества, количество электричества, вышедшего за 1 с за пределы объема V, должно равняться de/dt, т. е. уменьшению за тот же промежуток времени заряда ет находящегося внутри этого объема [27].

Таким образом, приходим к равенству

§ j^S = -.defit. (1)

s

Это уравнение носит название уравнения непрерыв­ности и является математическим выражением посту­лата сохранения количества электричества.

В случае постоянных токов распределение зарядов стационарно, т. е. dejdt—0, и уравнение (1) примет вид:

В теории электричества рассмотрено понятие двой­ного электрического слоя. Если две весьма близкие и параллельные друг другу поверхности S и S, заряжены электричеством противоположного знака и притом так, что плотности зарядов о и ot на противолежащих эле­ментах обеих поверхностей равны по величине и про­тивоположны но знаку (а=—Cj), а а>0, то при исче­зающе малом расстоянии между 5 и Si по сравнению с расстоянием этих поверхностей до рассматриваемых точек иОЛл совокупность поверхностей S и Si назы­вается двойным электрическим слоем [27]. Потенциал двойного слоя в некоторой точке Р электрического поля, когда расстояние ее от элемента dS заряженных поверхностей слоя равно /?, имеет выражение

Ф = —J xngrada(l/R) dS,

где т=0/; / — толщинг слоя; п — направление нормали; gradfl(l/#) —значение градиента І/R, когда точка О фиксирована, а R— функция положения точки наблю­дения.

В этом выражении предполагается, что радиус-век­тор R проведен от слоя в исследуемую точку ноля Р. Величина х называется мощностью слоя. Тогда оче­видно, что двойной электрический слой можно рассмат­ривать как совокупность параллельных нормалей п диполей длины /, заряды которых располагаются на поверхности слоя с плотностью о [27].

Если мощность слоя т постоянна на всем его про­тяжении (такой слой называется однородным), тс его потенциал ср принимает вид

Ф = т § dQ = tQ,

т. е. потенциал однородного двойного слоя в точке Р равен произведению мощности слоя г и взятого с над-

лежащим знаком телесного угла Q, под которым из точки Р виден контур этого слоя [27].

Всякая замкнутая поверхность видна под углом :г4я из всех точек, лежащих внутри этой поверхности. Стало быть, потенциал замкнутого двойного слоя равен нулю во всем внешнем пространстве и равен ±4я во всех точках, охватываемых слоем; знак потенциал я зависит от того, какая сторона поля (положительная или отри­цательная) обращена внутрь. Таким образом, напря­женность поля замкнутого слоя равна нулю (ибо grad<p=0), а потенциал поля при прохождении через поверхность слоя испытывает скачок 4лт [27]. Сущест венно, что точно такой же скачок 4ят испытывает потенциал любої о незамкнутого слоя при прохождении через его поверхность.

Итак, в связи с тем, что потенциал всякого (как замкнутого, так и незамкнутого) двойного слоя испы­тывает на его поверхности скачок 4лт, двойной слой является поверхностью разрыва сплошности потен­циала, что равносильно образованию дополнительных заряженных поверхностей. При многоэлектродной на­плавке на конце каждого электрода образуется двой­ной электрический слой, который можно рассматривать как дополнительную заряженную поверхность в объеме шлаковой ванны. Наряду с этим вокруг каждого электрода благодаря высокой плотности в нем тока возникает неоднородное электрическое поле, причем поля соседних электродов, расположенных в непосред­ственной близости друг от друга, взаимодействуют, изменяя суммарное действие каждого в отдельности.

Согласно дифференциальному уравнению Джоуля— Ленца

Q - оЕ** (2)

где о— электрическая проводимость; Е — вектор напря­женности электрического поля.

Зная напряженность электрического поля в прово­дящей среде, можно найти тепловыделение в ней. Неоднородность электрического поля приводит к не­однородности тепловыделения в шлаковой ванне, когда максимальное количество теплоты выделяется в местах максимальной концентрации электрического поля. I

В этом плане примечателен вывод А. Митчела [20] о том, что при электрошлаковом плавлении на поверх­ностях раздела шлак—металл, т. е. в местах образова­ния двойного электрического слоя, выделяется до 50 % тепловой мощности. Повышение напряжения сварки и увеличение скорости подачи электрода усиливает этот эффект. Общеизвестно [32], что с повышением напряже­ния сварки при неизменной скорости подачи электрода расстояние между ванной жидкого металла и торцом электрода увеличивается. Для того чтобы сохранить

УГО раССТОЯНИе, Необходимо ПОВЫСИТЬ СКОРОСТЬ ІіОдаЧИ

>лектрода в ванну, т. е. увеличить скорость его плав­ления. Это происходит потому, что уменьшение меж - электродного промежутка увеличивает падение напря­жения в приэлектродных областях, повышает в них тепловыделение, в результате чего плавление электро­дов ускоряется.