Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов
В ходе исследований обмазочной массы низководородных электродов УОНИ-13/55, выполненных с помощью капиллярного вискозиметра, установлено, что их реологические показатели и структура в состоянии напорных потоков существенно зависят от зернового состава материалов покрытия. С точки зрения минимизации...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102166 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов / А.Е. Марченко // Автоматическая сварка. — 2014. — № 6-7 (733). — С. 167-175. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859914125854900224 |
|---|---|
| author | Марченко, А.Е. |
| author_facet | Марченко, А.Е. |
| citation_txt | Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов / А.Е. Марченко // Автоматическая сварка. — 2014. — № 6-7 (733). — С. 167-175. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | В ходе исследований обмазочной массы низководородных электродов УОНИ-13/55, выполненных с помощью капиллярного вискозиметра, установлено, что их реологические показатели и структура в состоянии напорных потоков существенно зависят от зернового состава материалов покрытия. С точки зрения минимизации энергетических затрат,
необходимых для экструзионного нанесения обмазок на стержни, в шихте должно содержаться 50 % мелкой фракции.
Отклонение ее доли в большую или меньшую сторону от указанного оптимума существенно повышает энергетические
затраты на опрессовку электродов. Обмазки с крупно- и мелкозернистым наполнителем не идентичны друг другу по
структуре. Это подтверждает характер изменения степени диссипативного разогрева обмазки, величины естественного
конвергентного угла в заходной зоне, а также форма деформационных (экструзионных) кривых при увеличении скорости течения. Профиль потока обмазок с крупнозернистым наполнителем с повышением скорости напорной струи
расширяется. У потока обмазок с мелкозернистым наполнителем он остается почти таким же узким, как и при скоростях
течения ползучести. Результаты анализа формы экструзионных кривых Р = f(t) свидетельствуют о том, что напорное
течение обмазки с крупнозернистым наполнителем осуществляется по вязкостному механизму. Обмазки с избытком
мелкозернистого наполнителя более структурированы, поскольку в этих случаях наряду с заполнением междузеренных пустот жидкостекольное связующее должно покрыть значительно более развитую поверхность зерен. Возрастает
их молекулярное взаимодействие и прочность образованной ими структуры, которая разрушается при деформации,
сопровождаясь специфическими эффектами нестационарности потока.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:04:14Z |
| format | Article |
| fulltext |
1676-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
УДК 621.791.042
влиЯние ЗернОвОГО сОстава Шихты
на реОлОГичесКие хараКтеристиКи и стрУКтУрУ
напОрнОГО пОтОКа ОбмаЗОчных масс
ДлЯ ниЗКОвОДОрОДных элеКтрОДОв
А. Е. МАРЧЕНКО
иэс им. е. О. патона нанУ. 03680, г. Киев-150, ул. боженко, 11. е-mail: office@paton.kiev.ua
в ходе исследований обмазочной массы низководородных электродов УОни-13/55, выполненных с помощью капил-
лярного вискозиметра, установлено, что их реологические показатели и структура в состоянии напорных потоков су-
щественно зависят от зернового состава материалов покрытия. с точки зрения минимизации энергетических затрат,
необходимых для экструзионного нанесения обмазок на стержни, в шихте должно содержаться 50 % мелкой фракции.
Отклонение ее доли в большую или меньшую сторону от указанного оптимума существенно повышает энергетические
затраты на опрессовку электродов. Обмазки с крупно- и мелкозернистым наполнителем не идентичны друг другу по
структуре. это подтверждает характер изменения степени диссипативного разогрева обмазки, величины естественного
конвергентного угла в заходной зоне, а также форма деформационных (экструзионных) кривых при увеличении ско-
рости течения. профиль потока обмазок с крупнозернистым наполнителем с повышением скорости напорной струи
расширяется. У потока обмазок с мелкозернистым наполнителем он остается почти таким же узким, как и при скоростях
течения ползучести. результаты анализа формы экструзионных кривых Р = f(t) свидетельствуют о том, что напорное
течение обмазки с крупнозернистым наполнителем осуществляется по вязкостному механизму. Обмазки с избытком
мелкозернистого наполнителя более структурированы, поскольку в этих случаях наряду с заполнением междузерен-
ных пустот жидкостекольное связующее должно покрыть значительно более развитую поверхность зерен. возрастает
их молекулярное взаимодействие и прочность образованной ими структуры, которая разрушается при деформации,
сопровождаясь специфическими эффектами нестационарности потока. библиогр. 8, табл. 2, рис. 8.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварочные электроды низководородного типа, разнотолщинность покрытия, реология обма-
зочных масс, вязкость и показатели упругости обмазочных масс
Введение. Зерновой состав материалов покрытия
существенно влияет на консистенцию и технологи-
ческие свойства электродных обмазочных масс. это
подтверждают и опубликованные нами в [1, 2] ре-
зультаты исследований вязкости обмазочной мас-
сы УОни-13/55. ее оценивали как потери напора
при нагнетании обмазки из расходного цилиндра
вискозиметра в круглый насадок диаметром 5 и
длиной 50 мм при постоянном расходе Q = 5 см3·с-1
(средний градиент скорости сдвига 100 с-1). по-
рошки для сухой шихты составляли из предва-
рительно высеянных фракций материалов так,
чтобы получить для каждого из них непрерывные
укладки частиц с двумя заранее выбранными по-
казателями дисперсности и полидисперсности.
Затем набирали подготовленные таким образом
порошки в соотношениях, предусмотренных ма-
тематическим планом эксперимента так, чтобы
зерновой состав шихты изменялся в пределах, ко-
торые могут встретиться в практике электродного
производства: объемную долю частиц в шихте,
мельче 0,063 мм, варьировали в пределах от 5 до
95 об. %, при этом ее удельная поверхность изме-
нялась от 3000 до 12000 см-1.
в результате зерновые составы одной части об-
разцов шихты получились с непрерывной, а дру-
гой — с выборочной укладкой частиц. по этой
причине выявлено множество зерновых составов,
обеспечивающих минимальную для данной се-
рии опытов потерю напора, значение которой из-
меняется при переходе от одной серии составов
к другой. в то же время даже небольшие откло-
нения зернового состава смеси влево или вправо
от каждого оптимального зернового состава со-
провождаются резким, как правило, почти сим-
метричным возрастанием вязкости обмазки. и
только у серий, относящихся к области крупно-
и мелкозернистых композиций, отклонение зер-
нового состава от оптимума сопровождается не-
симметричным повышением вязкости обмазки.
Другими словами, одинаковое повышение доли
мелкозернистой фракции в шихте по сравнению
с оптимумом в первом случае сопровождается
намного меньшим увеличением вязкости обмаз-
ки, чем во втором [2]. причина этого явления не
установлена.
в работе [3] исследованы жидкостекольные
композиции порошков мрамора с аналогичным
по ширине диапазоном зерновых составов (про-
© а. е. марченко, 2014
168 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
ход через сетку 0063 изменялся в пределах 0 до
94 мас. %, а удельная поверхность — от 1500 до
11500 см-1). в этой серии опытов зерновые соста-
вы порошков характеризовались тремя уровнями
крупности и ширины распределения частиц по
размерам, и все укладки частиц были непрерывны-
ми. при содержании 30 % жидкого стекла с модулем
(м) 3,2 и вязкостью 670 мпа·с композиции по кон-
систенции соответствовали реальным обмазоч-
ным массам. в качестве измерительного инстру-
мента использованы круглые насадки с диаметром/
длиной 4/20 мм при Q = 1 см3·с-1 или 8/60 мм при
Q = 5 см3·с-1 (средний градиент скорости сдвига
40 и 25 с-1 соответственно).
в этой серии опытов выявлен один относи-
тельно широкий минимум вязкости, который
приходится на 30…60 % подситовой фракции
в шихте. в изученном диапазоне скоростей по-
тока положение минимума неизменно. Одна-
ко скорость течения заметно влияет на вязкость
крайних (наиболее крупно- и мелкозернистых) об-
разцов мрамора. при этом одно и то же уменьше-
ние градиента скорости сдвига с 40 до 25 с-1 со-
провождается повышением вязкости суспензий
с крупнозернистым наполнителем и понижени-
ем ее у суспензий с мелкозернистым наполните-
лем. можно предположить, что такие суспензии,
характеризующиеся примерно одинаковой по-
розностью (свободным межзеренным простран-
ством) наполнителя, обладают в то же время раз-
ной структурой.
в общем полученные в указанных выше ра-
ботах результаты достаточно хорошо объясняют-
ся с позиций гидродинамической теории вязко-
сти, основанной на сопоставлении фактической
плотности упаковки частиц наполнителя Ф, с пре-
дельно допустимой их концентрацией Фm, при до-
стижении которой суспензия теряет способность
к течению. вследствие понижения порозности,
свойственной монодисперсному наполнителю,
благодаря заполнению пустот более мелкими ча-
стицами, значительная доля связующего стано-
вится кинетически свободной жидкостью. За счет
этого облегчается сдвиговое перемещение зерен
друг относительно друга, т. е. понижается вяз-
кость суспензии.
целью настоящей работы является исследова-
ние влияния зернового состава шихты на реоло-
гические характеристики и структуру напорно-
го потока обмазочных масс для низководородных
электродов при скоростях течения, соответству-
ющих реальным условиям опрессовки электро-
дов на производственных электродообмазочных
прессах.
Методика исследований. исследовали рео-
логические характеристики опытной обмазки со
следующим вещественным составом сухой шихты
(мас. %): 51,0 мрамора, 18,0 плавиковошпатового
концентрата, 5,0 кварцевого песка, 3,0 синтети-
ческой слюды, 2,0 ферромарганца, 13,0 гранули-
рованного ферросилиция (15 % si) и 8,0 ферро-
титана. Зерновой состав шихты регулировали,
изменяя соотношения массовых долей предвари-
тельно высеянных фракций порошков мрамора,
плавикового шпата и кварцевого песка. порош-
ки ферросплавов и синтетической слюды анс-1
использовали с постоянным зерновым составом.
Общую долю мелкой фракции в шихте изменя-
ли в пределах от 25 до 65 мас. %, при этом соот-
ношение фракций менялось так, как показано на
рис. 1. Зерновой состав смеси с наиболее плотной
упаковкой зерен, который соответствует правилу
Фурнаса, находится в промежутке между кривы-
ми Гс-4 и Гс-5. Фактические показатели удель-
ной поверхности шихты и плотности их случай-
ных упаковок, а также пластической прочности
обмазок приведены в табл. 1.
Обмазочные массы готовили в интенсивном про-
тивоточном смесителе. использовали Na–K жидкое
стекло с модулем 2,9, плотностью 1495 кг/м3 и вяз-
костью 1000 мпа·с. массовая доля жидкого стекла
в обмазке составляет 25 %.
Т а б л и ц а 1 . Характеристики шихты и обмазочной
массы
Обозна-
чение об-
мазочной
массы
Доля
мелкой
фракции,
%
Удельная
поверх-
ность
шихты,
см-1
предельно
допусти-
мая кон-
центрация
Фm
пласти-
ческая
прочность
Рm, мпа
Гс-1 26,0 2250 0,720 0,13
Гс-2 36,0 3900 0,800 0,10
Гс-3 43,0 4900 0,815 0,12
Гс-4 47,0 5850 0,815 0,13
Гс-5 56,0 8100 0,750 0,22
Гс-6 65,0 9250 0,705 0,28
рис. 1. Зерновые составы сухих шихтовых смесей, исполь-
зованных для приготовления электродных обмазочных масс
1696-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
исследования выполнены на капиллярном ви-
скозиметре модели Об 1435, представляющем
собой плунжерный экструдер [2, 4] с электроме-
ханическим приводом и диаметром рабочего ци-
линдра 30 мм. изменяя ступенчато маршевую ско-
рость штока, секундный расход обмазочных масс
Q регулировали в пределах от 1 до 25 см3·с-1.
использование при таких расходах круглых на-
садок («капилляры») с плоским входом и диаме-
тром dк от 1 до 6 мм позволяло регулировать сред-
ний градиент скорости сдвига на гладкой стенке
канала в пределах от 10 до 65000 с-1.
напряжение сдвига на стенке канала τ рассчи-
тывали по формуле Pdк/4L, где L = 10dк — длина
канала; P = (Рс – Р0) — перепад давления на этой
длине; Р0 — потери напора на входе в насадок
(определяли, пропуская обмазку через круглое от-
верстие диаметром dк в центре стального диска
толщиной 1 мм); Рс — общие потери напора перед
входом в насадок и на его длине.
постоянством соотношения L/dк поддержива-
лась одинаковая степень тиксотропного разруше-
ния (восстановления) коагуляционной структуры
обмазочных масс при всех диаметрах насадков.
продолжительность экструдирования обмазки
колебалась в зависимости от скорости потока в
пределах 5…15 с, а величины Рс и Р0 регистри-
ровали в момент остановки штока. Капилляры не
термостатированы. выборочно контролировалась
температура поверхности струи термопарой, заче-
каненной в корпус капилляра диаметром 4 мм и
длиной 56 мм, при Q = 1 см3·с-1. термоэДс реги-
стрировали потенциометром Ксп-4. эксперимен-
ты выполнены с участием канд. техн. наук м. Ф.
Гнатенко и инженера в. с. ворошило.
эффективную сдвиговую вязкость обмазочной
массы в состоянии напорного потока рассчитыва-
ли по формуле η = τ/ g
, а продольную вязкость λ −
по формуле из работ [5, 6]
22
0 09( 1)
,32
n P+
λ = h g
(1)
где n0 = d(lg P0)/d(lg g
) — индекс течения обма-
зочной массы в конвергентной зоне, который на-
ходили по углу наклона реограмм Р0 = f( g
), пред-
ставленных в логарифмических координатах, к
оси градиентов скорости сдвига. использовали
также аналогичный по смыслу индекс сдвигового
течения обмазочной массы сквозь цилиндриче-
ский канал nк = d(lg τ)/d(lg g
). Оба индекса харак-
теризуют отношение энергий активации вязкого
течения материала соответственно при g
= const
и τ = const. Как правило, nк < n0.
О структуре потока обмазочной массы судили
по значению угла естественной конвергенции α0,
который соответствует равенству сдвигающей и
растягивающей компонент усилия, преодолеваю-
щего сопротивление указанной зоны [6].
Для тех материалов, у которых продольная вяз-
кость понижается интенсивнее, чем сдвиговая,
угол α0 уменьшается по мере увеличения скоро-
рис. 2. влияние доли мелкой фракции в шихте на потери давления на входе (а, б) и напряжение сдвига на стенке капилляра (в, г):
1 — Q = 25,5 см3·с-1; 2 — 5,3; 3 — 1,0
170 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
сти течения. Конвергентная зона таких материа-
лов приобретает лейкообразную форму [1, 2, 4, 5].
Для определения среднего напряжения растя-
жения обмазочной массы использовали формулу
( ) 0 0
3 ( 1) ,8ñðE n Ps = +
(2)
а градиент скорости растяжения вычисляли по
формуле
( )
.ñðEs
ε = λ
(3)
Угол естественной конвергенции при входе об-
мазочной массы в формующий цилиндрический
насадок рассчитывали по формуле
1/2
0
2tg .h a = λ
(4)
Результаты исследований и их обсуждение.
выявленные в ходе проведенных экспериментов
зависимости входовых сопротивлений Р0 и на-
пряжений сдвига на стенке цилиндрического на-
садка τ, полученные при использовании насадков
с крайними сечениями каналов, от доли мелкой
фракции в шихте, а также зависимость их от гра-
диента скорости сдвига на стенке канала показаны
на рис. 2, 3. видно, что зерновой состав шихты,
изменяясь даже в пределах столь узких границ,
существенно влияет на реологические характери-
рис. 3. Зависимость градиента скорости сдвига на сопротивление входа (а) и напряжение сдвига на стенке капилляра (б) от
доли мелкой фракции в обмазочной массе: 1 — dк = 6 мм; 2 — 4; 3 — 2; 4 — 1
1716-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
стики обмазочных масс. Особенно, если речь идет
о сопротивлениях потоку обмазки в конвергентной
зоне. Как и ожидалось, величина Р0 изменяется в за-
висимости от доли мелкой фракции в шихте по экс-
тремальному закону, существенно возрастая по мере
ее отклонения в большую и в меньшую сторону от
50 % как от оптимального значения. чем меньше се-
чение выпускного отверстия и чем больше объем-
ный расход обмазочной массы, тем сильнее реагиру-
ет обмазка на изменение зернового состава шихты,
преодолевая сопротивление входа в формующий ци-
линдрический канал. тем не менее лишь самая мел-
козернистая из них (65 % мелкой фракции в ших-
те) не прошла сквозь диафрагму диаметром 1 мм
при Q = 25,5 см3·с-1. Остальные обмазки прошли
сквозь эту и другие диафрагмы при всех объем-
ных скоростях истечения.
Значительно сложнее ведут себя обмазки в
цилиндрических насадках. во-первых, при Q =
= 25,5 см3·с-1 ни одна из обмазок не преодолела
сопротивление насадков с диаметрами канала 1 и
2 мм. часть обмазок прошла сквозь насадки диа-
метром 2 мм, если расход не превышал 5,1 см3·с-1.
насадок с диаметром канала 6 мм прошел сквозь
все обмазки при всех расходах и зерновых соста-
вах шихты. во-вторых, экстремальное изменение
напряжения сдвига на стенке насадка в зависимо-
сти от доли мелкой фракции в шихте выражено в
меньшей мере, чем у сопротивлений входа. при
использовании же насадков с диаметром кана-
лов 4 и 6 мм экстремальная зависимость τ от доли
мелкой фракции в шихте вырождается в режимах
течения с расходами 1 и 5,1 см3·с-1 в монотонно
возрастающую. исходя только из положений ги-
дродинамической теории вязкости, эти особенно-
сти не могут быть объяснены.
важно отметить, что все обмазки ведут себя
как материалы с ярко выраженными неньютонов-
скими свойствами. Об этом свидетельствуют зна-
чения индексов течения, которые существенно
меньше единицы: в конвергентной зоне n0 = 0,16
независимо от зернового состава шихты; в капил-
ляре nк монотонно понижается от 0,20 до 0,10 по
мере возрастания доли мелкой фракции в шихте.
следовательно, неньютоновское природа обмазоч-
ных масс проявляется заметнее.
изменение зернового состава шихты отража-
ется на структуре потока как в заходной зоне, так
и в цилиндрическом насадке. приведенные ниже
результаты показывают, что с увеличением доли
мелкой фракции в шихте изменяются значения
и продольной, и сдвиговой вязкости, а вместе с
ними и конвергентный угол в заходной зоне, ко-
торый, как следует из (4), определяется их соот-
ношением. при этом в насадке должна усилиться
тенденция к пробковому характеру течения обма-
зочной массы (индекс течения уменьшается) из-за
чего сдвиг все больше концентрируется в присте-
ночном слое.
на рис. 4 приведены результаты расчетов сдви-
говой и продольной вязкости исследуемых обма-
зочных масс в зависимости от градиента скоро-
сти сдвига и растяжения соответственно. видно,
что η и λ уменьшаются по мере увеличения ско-
ростей деформаций. этим подтверждается струк-
турированность электродных обмазочных масс
и тиксотропное разрушение их коагуляционной
структуры при увеличении g
и ε
. видно также,
что в логарифмической метаморфозе эксперимен-
тальные точки хорошо укладываются на прямые
линии, обобщающие интересующие нас зави-
симости. сами прямые η = f( g
) и λ = f( ε
) почти
взаимно параллельны и лишь смещены друг от-
носительно друга по шкалам соответственно гра-
диентов скорости сдвига и растяжения. создает-
ся впечатление, что зерновой состав шихты мало
влияет на соотношение значений сдвиговой и про-
дольной вязкостей (а, значит, на профиль потока
обмазки в заходной зоне).
на самом деле, близкий к параллельному друг
другу ход реограмм η = f( g
) и λ = f( ε
) в логариф-
мических координатах вовсе не означает посто-
янство соотношения вязкостей λ/η. это выявлено
следующим образом. сначала в логарифмическом
масштабе раскрыли взаимосвязь сдвиговой и про-
дольной вязкости обмазочных масс для каждого
зернового состава смеси. примеры таких зависи-
мостей для трех зерновых составов с крайними и
рис. 4. Зависимость сдвиговой (1) и продольной (2) вязкости
электродных обмазочных масс с разным зерновым составом
шихты от среднего градиента скорости сдвига g
и растяже-
ния ε
172 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
средней долей мелкой фракции в шихте показаны
на рис. 5. Затем оценили наклон прямых lg λ / lg η к
оси абсцисс. с увеличением доли фракции –0063
в шихте он сначала уменьшается, а после дости-
жения минимального значения — возрастает
(рис. 6). в связи с этим значение конвергентного
угла α0 неоднозначно реагирует на изменение зер-
нового состава шихты и режимов течения обма-
зочной массы. из рис. 7 следует, что при низких
и средних градиентах скорости сдвига угол кон-
вергенции тоже изменяется в зависимости от доли
мелкой фракции в шихте по экстремальному зако-
ну (ход ее антибатен зависимости Р0 от доли тон-
ких фракций в шихте, а максимум приходится на
50 % мелкой фракции).
в этом случае мелко- и крупнозернистый на-
полнитель провоцирует узкие профили потока
обмазок, следствием чего может быть опережаю-
щий выток его внутренних слоев по сравнению с
внешними слоями. Обычно узкие профили пото-
ка провоцируют пульсирование и закручивание
струи, т. е. положение таких потоков в принципе
не может быть стабильно ориентировано в про-
странстве. использование же шихт с промежуточ-
ной зернистостью, обладающих, как правило, и
наиболее широким распределением зерен по раз-
мерам, способствует образованию при низких ско-
ростях течения более рассредоточенного и, следу-
ет полагать, более стабильно ориентированного
потока в пространстве.
с увеличением градиента скорости сдвига мак-
симумы на кривых постепенно сглаживаются и
при градиентах (1…2)·103 с-1, которые ожидают-
ся при скоростях истечения обмазки в реальных ус-
ловиях опрессовки электродов, указанные зависи-
мости становятся монотонными. при этом обмазки
с крупнозернистым наполнителем, у которых доля
мелкой фракции составляет 20…25 мас. %, образу-
ют более широкие профили потока. поток с таким
профилем должен стабильнее ориентироваться в
пространстве. в нем опережающее истечение ма-
териала в ядре, а следовательно, возникновение
периферийных застойных зон менее вероятно.
Обмазки со средне- и особенно мелкозерни-
стым наполнителем (у которых доля фракции
-0063 составляет 40 и 60…65 мас. % соответ-
ственно) при этих режимах течения почти сохра-
няют начальный профиль напорных потоков. при-
чины таких изменений могут быть связаны как с
неизотермическими условиями течения, так и с
различной структурой сравниваемых обмазочных
масс.
рис. 5. взаимосвязь продольной (λ) и сдвиговой (η) вязкости электродных обмазочных масс с разным зерновым составом
шихты (а–в): 1 — dк = 6 мм; 2 — 4; 3 — 2
рис. 6. влияние зернового состава шихты на соотношение
продольной и сдвиговой вязкостей электродных обмазочных
масс серии Гс
Т а б л и ц а 2 . Результаты оценки температурной обста-
новки в зоне течения обмазок при диаметре насадка 4 мм
расход
обмазки,
см3·с-1
Градиент
скорости
сдвига, с-1
температура струи, °с
Гс-1 Гс-4 Гс-6
1 11,8 34 37 37
5,1 203,0 58 54 53
25,5 1015,0 76 91 77
1736-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
из табл. 2 видно, что диссипативный разогрев
их в режиме течения ползучести (Q = 1 см3·с-1) не-
значителен (до 34…37 °с) и одинаков для всех.
Он вряд ли может повлиять на вязкостные харак-
теристики обмазок и не позволяет судить об их
структурных особенностях. с увеличением гра-
диента скорости сдвига обмазки разогреваются
до более высокой температуры, наиболее интен-
сивно обмазка Гс-4. поскольку доля кинетически
свободного жидкого стекла в межзеренном про-
странстве у этой обмазки наибольшая, она менее
структурирована, чем обмазки Гс-1 и Гс-6. Дис-
сипативный разогрев ее не вуалируется энергети-
ческими затратами на разрушение структуры, и
это является причиной столь резкого повышения
температуры. следующая по степени структури-
рованности обмазка Гс-1 с крупнозернистым на-
полнителем. Она разогревается до температуры
76 °с, но с несколько более высоким промежуточ-
ным темпом по сравнению с обмазкой Гс-4. Об-
мазка Гс-6 выходит на тот же уровень темпера-
туры с наименьшей промежуточной скоростью.
следовательно, у нее следует ожидать наиболь-
ший уровень структурированности.
выше показано, что изменение функции α0 =
= f(–0063) этих же обмазок также демонстрирует
неоднозначную реакцию на увеличение скорости
сдвига, что говорит в пользу высказанного ранее
предположения о том, что мы имеем дело с мате-
риалами с разными реологическими структурами.
в этом также можно убедиться, сравнив кон-
фигурацию приведенных на рис. 8 экструзионных
(деформационных) P = f(t) кривых, полученных
при исследовании различных обмазочных масс.
Указанные кривые описывают изменение давле-
ния с момента пуска вискозиметра, включая вы-
ход на максимум, последующий спад, вызванный
истечением обмазки, разрушением ее структуры и
релаксацией накопленных напряжений, вплоть до
установления давления, соответствующего стаци-
онарному истечению обмазки.
при этом следует учитывать, что при посто-
янном секундном расходе обмазки Q скорость ее
деформации в ходе экструзии возрастет по мере
уменьшения диаметра капилляра. Конфигурация
указанных кривых свидетельствует о том, что со-
поставляемые друг с другом обмазки должны от-
личаться между собой соотношением вязкости и
упругости, накопленной в процессе экструдирова-
ния [7].
Как следует из рис. 8, б, обмазка Гс-4 характе-
ризуется постоянной крутизной фронта нараста-
ния давления во времени, независимо от скорости
деформации. Она, единственная из трех, оказа-
лась способной преодолеть сопротивление капил-
ляра диаметром 1 мм при Q = 25,5 см3·с-1. исходя
из положений теории вязкоупругости, это свиде-
тельствует о низкой способности материала нака-
пливать упругие напряжения в ходе предстацио-
нарной стадии напорного течения.
У обмазок Гс-1 и Гс-6 с избытком крупно- и
мелкозернистого наполнителя фронт нарастания
давления после начала деформирования тем кру-
че, чем выше скорость экструзии. следовательно,
с возрастанием скорости экструзии они интенсив-
нее накапливают упругие напряжения и уменьша-
ют долю полезной энергии, которая расходуется
на экструдирование обмазки.
течению обмазок сопутствует релаксация на-
пряжений. чем выше заданная скорость деформа-
ции, тем в большей степени, после начала дефор-
мирования, нарастает давление, обгоняя скорость
релаксации напряжений. именно это усиливает
накопление упругих деформаций. У обмазки Гс-6
с мелкозернистым наполнителем этот процесс вы-
ражен в большей мере, о чем свидетельствует поч-
ти прямолинейный фронт нарастания давления, с
одной стороны, и острая форма пика давления в
максимуме, с другой. Обмазка Гс-1 менее струк-
турирована, поэтому на подходе к пику восходя-
щая ветвь экструзионной кривой заметно откло-
рис. 7. влияние зернового состава шихты и скорости течения обмазочной массы на значение естественного конвергентного
угла ее напорного потока в предкапиллярной зоне: 1 — g
= 118 с-1; 2 — 203; 3 — 318; 4 — 1015; 5 — 2550
174 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
няется от прямой линии, что вызвано накладкой
вязкого течения на упругое деформирование.
после прохождения максимума релаксация на-
копленных напряжений у сравниваемых обмазок
происходит по-разному. У обмазки Гс-6, экстру-
дируемой на малых скоростях (рис. 8, в, кривая 1),
релаксация мгновенных упругих напряжений про-
воцирует короткий, но резкий провал давления.
после провала оно частично восстанавливается,
а затем продолжает плавно понижаться вплоть до
наступления стационарного течения. при средней
скорости экструзии (рис. 8, в, кривая 2) давление в
максимуме сглажено, структурная ветвь понижа-
ется без промежуточного спада. Уровень давления
в состоянии стационарного течения выше, чем
на предыдущей кривой. при наибольшей скоро-
сти течения (рис. 8, в, кривая 3) структурная ветвь
кривой вслед за острым максимумом понижает-
ся столь интенсивно, что опускается ниже, чем
у аналогичной кривой, зарегистрированной при
промежуточной скорости экструзии. именно та-
кую аномалию деформационных кривых обычно
связывают с высокой структурированностью коа-
гуляционных дисперсий. У обмазок Гс-1 и Гс-4
такой аномалии не наблюдалось.
большая степень структурированности обмаз-
ки Гс-6 по сравнению с обмазкой Гс-1 объясня-
ется следующим образом. при увеличении доли
мелкой фракции в шихте сверх оптимального зна-
чения возрастает не только доля межзеренных пу-
стот (а следовательно, уменьшается количество
кинетически свободной связки из жидкого стек-
ла), но и удельная поверхность частиц, которую
должно покрыть связующее. тем самым система
как бы переводится в состояние с большим объ-
емным наполнением, т. е. с более высокой концен-
трацией контактирующих друг с другом твердых
частиц. вследствие указанных факторов толщи-
на межзеренной пленки уменьшится, а молеку-
лярное взаимодействие частиц наполнителя, наи-
более интенсивное в точках их соприкосновения,
существенно возрастет. это подтверждается по-
вышением прочности коагуляционной структуры
Рm (см. табл. 1).
результаты наших экспериментов согласуют-
ся с выполненными в работе [8] расчетами, кото-
рые показывают, что положение минимума вязко-
сти суспензий с мультимодальным наполнителем
все больше отклоняется в сторону меньшей кон-
центрации крупных фракций в наполнителе по
сравнению с той, которой обеспечивается самой
плотной для данного зернового состава упаковкой
частиц.
подобного эффекта можно достигнуть, если
вязкое жидкое стекло заменить низковязким,
уменьшив при этом в разумных пределах его
долю в обмазочной массе. в этом случае релак-
сация упругости обмазки Гс-6 не компенсирует-
ся демпфирующей способностью низковязкого
жидкого стекла и может спровоцировать пульса-
цию ее потока в режиме течения ползучести или
разного рода иррегулярные эффекты при режимах
течения, превышающих по скорости деформа-
цию ползучести. и то и другое может, в частно-
сти, стать причиной разнотолщинности покрытия.
пульсирование потоков обмазок Гс-1 и Гс-4,
в наполнителе которых имеется меньше мелких
фракций, в этом случае не наблюдалось.
Выводы
1. исследованы реологические характеристики
электродных обмазочных масс в зависимости от
зернового состава шихты. Долю мелкой фракции в
шихте изменяли в пределах, близких к предписан-
ным в технологической документации границам
(40…60 % частиц мельче 0,063 мм). выявлено, что
с точки зрения минимизации энергетических за-
трат, необходимых для экструзионного нанесения
обмазок на стержни, в шихте должно содержаться
50 % мелкой фракции. Отклонение ее доли в боль-
шую или меньшую сторону от указанного опти-
мума, даже в столь узких пределах, существенно
повышает энергетические затраты на опрессовку
электродов, особенно на скоростях, которые ис-
пользуют в реальных условиях их изготовления.
рис 8. Кривые экструзии обмазочных масс Гс-1 (а), Гс-4 (б),
Гс-6 (в) с разным количеством мелкой фракции в шихте, про-
ходящей сквозь капилляры диаметром 6 (1), 4 (2), 2 (3) и 1
(4) мм при Q = 1 см3·с-1
1756-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
2. с позиций гидродинамической теории такая
зависимость объясняется повышением вязкости
обмазочных масс, вызванным увеличением сво-
бодного объема пустот между зернами наполни-
теля, который с определенным избытком должен
быть заполнен жидким стеклом, прежде чем об-
мазка приобретает способность к напорному тече-
нию. Заполнение мелкими частицами пустот меж-
ду крупными зернами наполнителя вытесняет из
них жидкое стекло, превращая его в кинетически
свободную жидкость. это и приводит к уменьше-
нию вязкости обмазки.
3. Обмазки, содержащие в избытке крупные
или мелкие фракции по сравнению с установ-
ленным оптимумом, не идентичны друг другу
по структуре. Об этом свидетельствуют характер
изменения температуры обмазки, величины кон-
вергентного угла, который образуется в заходной
зоне, а также формы экструзионных кривых при
увеличении скорости деформации. профиль по-
тока обмазок с крупнозернистым наполнителем с
увеличением скорости напорной струи расширя-
ется, и это способствует его стабилизации в про-
странстве и времени. У потока обмазок с мелко-
зернистым наполнителем он остается почти таким
же узким, как и при скоростях течения ползуче-
сти, что с технологической точки зрения является
неблагоприятным моментом.
4. результаты анализа формы экструзионных
кривых Р = f(t) свидетельствуют о том, что напор-
ное течение обмазки с равными долями крупно- и
мелкозернистого наполнителя осуществляется по
вязкостному механизму с наименьшими энергети-
ческими затратами. течение обмазки с избытком
крупнозернистого наполнителя тоже осуществля-
ется по вязкостному механизму, но с большей вяз-
костью, так как часто стекло идет на заполнение
пустот. их вязкость выше, чем обмазок с равны-
ми долями крупно- и мелкозернистого наполни-
теля, поскольку часть жидкого стекла расходуется
на заполнение межзеренных пустот наполнителя,
объем которых в этом случае больше, так как нет
необходимого количества мелких частиц для их
заполнения. Обмазки с избытком мелкозернистого
наполнителя более структурированы, поскольку
наряду с заполнением межзеренных пустот жид-
костекольное связующее должно покрыть значи-
тельно более развитую поверхность мелких зе-
рен. возрастает молекулярное взаимодействие
зерен наполнителя и прочность образованной ими
структуры, которая легко разрушается при сдвиго-
вой деформации, сопровождаясь специфическими
эффектами нестационарности потока.
5. при рассмотрении особенностей напорных
течений электродных обмазочных масс на высо-
ких скоростях деформирования наряду с положе-
ниями гидродинамической теории вязкости высо-
коконцентрированных дисперсных систем следует
учитывать особенности образованных ими коагу-
ляционных структур и их реакции на изменение
скорости деформирования.
1. Разработка технологии производства низководородных
электродов / а. е. марченко, и. К. походня, н. в. скори-
на и др. // свароч. пр-во. – 1994. –№ 5. – с. 14–18.
2. Марченко А. Е. О реологических методах оценки тех-
нологических свойств электродных обмазочных масс //
информ. материалы сэв. Координац. центр по пробл.
«развитие научных основ и разработка новых технологи-
ческих процессов сварки, наплавки и термической резки
различных материалов и сплавов для получения сварных
конструкций и создания эффективных сварочных мате-
риалов и оборудования...»)». – Киев: наук. думка, 1978.
– вып. 1. – с. 121–128.
3. Марченко А. Е. исследование концентрированных су-
спензий мрамора в жидком стекле как реологической мо-
дели электродных обмазочных масс // сб. докл. VII меж-
дунар. науч.-практ. конф. «сварочные материалы. Дуговая
сварка. материалы и качество», г. Краснодар, пос. агой, 17–
21 июня 2013. – Краснодар, 2013. – с. 98–115.
4. Марченко А. Е., Гнатенко М. Ф. Особенности течения
электродных обмазочных масс, обнаруженных капил-
лярным пластометром // информ. материалы сэв. Ко-
ординац. центр по пробл. «развитие научных основ и
разработка новых технологических процессов сварки,
наплавки и термической резки различных материалов и
сплавов для получения сварных конструкций и создания
эффективных сварочных материалов и оборудования»)».
– Киев: наук. думка, 1980. – вып. 1. – с. 106–117.
5. Марченко А. Е. О реологических свойствах электродных
обмазочных масс в конвергентной зоне при опрессовке
электродов // сб. докл. VI междунар. конф. по свароч.
материалам «сварочные материалы. разработка. тех-
нология. производство. Качество. Конкурентоспособ-
ность», Краснодар, 6–9 июня 2011 г. – Краснодар, 2011.
– с. 223–232.
6. Cogswell F. N. Converging flow of polymer melts in extrusion
dies // Polym. Eng. аnd sci. – 1972. – 12, № 2. – P. 64–70.
7. Белкин И. М., Виноградов Г. В., Леонов А. И. ротацион-
ные приборы. измерение вязкости и физико-механиче-
ских характеристик материалов. – м.: машиностроение,
1967. – 272 с.
8. Мошев В. В. вязкостные закономерности высоконапол-
ненных полимеров // реология (полимеры и нефть): тру-
ды всесоюз. школы по реологии, 1977. – новосибирск:
ин-т теплофизики сО ан ссср, 1977. – с. 53–64.
поступила в редакцию 23.04.2014
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102166 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:04:14Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Марченко, А.Е. 2016-06-10T19:18:17Z 2016-06-10T19:18:17Z 2014 Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов / А.Е. Марченко // Автоматическая сварка. — 2014. — № 6-7 (733). — С. 167-175. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102166 621.791.042 В ходе исследований обмазочной массы низководородных электродов УОНИ-13/55, выполненных с помощью капиллярного вискозиметра, установлено, что их реологические показатели и структура в состоянии напорных потоков существенно зависят от зернового состава материалов покрытия. С точки зрения минимизации энергетических затрат, необходимых для экструзионного нанесения обмазок на стержни, в шихте должно содержаться 50 % мелкой фракции. Отклонение ее доли в большую или меньшую сторону от указанного оптимума существенно повышает энергетические затраты на опрессовку электродов. Обмазки с крупно- и мелкозернистым наполнителем не идентичны друг другу по структуре. Это подтверждает характер изменения степени диссипативного разогрева обмазки, величины естественного конвергентного угла в заходной зоне, а также форма деформационных (экструзионных) кривых при увеличении скорости течения. Профиль потока обмазок с крупнозернистым наполнителем с повышением скорости напорной струи расширяется. У потока обмазок с мелкозернистым наполнителем он остается почти таким же узким, как и при скоростях течения ползучести. Результаты анализа формы экструзионных кривых Р = f(t) свидетельствуют о том, что напорное течение обмазки с крупнозернистым наполнителем осуществляется по вязкостному механизму. Обмазки с избытком мелкозернистого наполнителя более структурированы, поскольку в этих случаях наряду с заполнением междузеренных пустот жидкостекольное связующее должно покрыть значительно более развитую поверхность зерен. Возрастает их молекулярное взаимодействие и прочность образованной ими структуры, которая разрушается при деформации, сопровождаясь специфическими эффектами нестационарности потока. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Технологии, оборудование и контроль в производстве материалов Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов Effect of grain composition of charge on rheologica properties and structure of pressure flow of electrode compounds for manufacture of low-hydrogen electrodes Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов Марченко, А.Е. Технологии, оборудование и контроль в производстве материалов |
| title | Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов |
| title_alt | Effect of grain composition of charge on rheologica properties and structure of pressure flow of electrode compounds for manufacture of low-hydrogen electrodes |
| title_full | Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов |
| title_fullStr | Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов |
| title_full_unstemmed | Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов |
| title_short | Влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов |
| title_sort | влияние зернового состава шихты на реологические характеристики и структуру напорного потока обмазочных масс для низководородных электродов |
| topic | Технологии, оборудование и контроль в производстве материалов |
| topic_facet | Технологии, оборудование и контроль в производстве материалов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102166 |
| work_keys_str_mv | AT marčenkoae vliâniezernovogosostavašihtynareologičeskieharakteristikiistrukturunapornogopotokaobmazočnyhmassdlânizkovodorodnyhélektrodov AT marčenkoae effectofgraincompositionofchargeonrheologicapropertiesandstructureofpressureflowofelectrodecompoundsformanufactureoflowhydrogenelectrodes |