Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока
Обобщены и проанализированы результаты выполненных в ИЭС им Е. О. Патона исследований технологических свойств обмазочных масс, ответственных за появление разнотолщинности электродных покрытий. Исследования проведены с применением капиллярного вискозиметра постоянных расходов – реометра с электромех...
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/123456789/102168 |
| 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: | Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока / А.Е. Марченко // Автоматическая сварка. — 2014. — № 6-7 (733). — С. 182-194. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102168 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Марченко, А.Е. 2016-06-10T19:19:39Z 2016-06-10T19:19:39Z 2014 Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока / А.Е. Марченко // Автоматическая сварка. — 2014. — № 6-7 (733). — С. 182-194. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102168 621.791.042 Обобщены и проанализированы результаты выполненных в ИЭС им Е. О. Патона исследований технологических свойств обмазочных масс, ответственных за появление разнотолщинности электродных покрытий. Исследования проведены с применением капиллярного вискозиметра постоянных расходов – реометра с электромеханическим приводом, в котором можно воспроизвести условия экструзионного нанесения обмазок на электродные прутки, характерные для промышленных электрообмазочных прессов. Так, удельное давление на обмазку в состоянии стационарного течения достигает 60-75 МПа, средний градиент скорости сдвига ступенчато регулируется в пределах от 1,0 до 5,0·103 с-1, а для отдельных видов обмазки — до 65·103 с-1. Исследовали обмазки для рутиловых, низководорродных и целлюлозных электродов, отличающиеся широким диапазоном показателей консистенции. Наряду со сдвиговой и продольной вязкостью оценивали диапазон изменения величины их модуля сдвиговой упругости, периода релаксации, критерия эластической турбулентности Рейнольдса, упругого потенциала и обратимой (упругой) деформации. Полученные результаты проанализированы с позиций существующей феноменологической теории эластической турбулентности полимерных материалов, сочетающих в себе вязкие и упругие свойства. В течение многих лет она с успехом используется в реологии расплавов и растворов высокомолекулярных соединений для решения технологических проблем их экструзионной переработки. Проанализированы варианты эластической турбулентности, выявленные в капиллярной и предкапиллярной зоне. Показана качественная связь этого явления с появлением и характером проявления разнотолщинности покрытия при реальном экструзионном нанесении обмазки на электродные прутки. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Технологии, оборудование и контроль в производстве материалов Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока Thickness variation of electrode coating as a consequence of elastic turbulence of electrode compounds in condition of non-isometric flow Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока |
| spellingShingle |
Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока Марченко, А.Е. Технологии, оборудование и контроль в производстве материалов |
| title_short |
Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока |
| title_full |
Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока |
| title_fullStr |
Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока |
| title_full_unstemmed |
Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока |
| title_sort |
разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока |
| author |
Марченко, А.Е. |
| author_facet |
Марченко, А.Е. |
| topic |
Технологии, оборудование и контроль в производстве материалов |
| topic_facet |
Технологии, оборудование и контроль в производстве материалов |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Thickness variation of electrode coating as a consequence of elastic turbulence of electrode compounds in condition of non-isometric flow |
| description |
Обобщены и проанализированы результаты выполненных в ИЭС им Е. О. Патона исследований технологических
свойств обмазочных масс, ответственных за появление разнотолщинности электродных покрытий. Исследования проведены с применением капиллярного вискозиметра постоянных расходов – реометра с электромеханическим приводом,
в котором можно воспроизвести условия экструзионного нанесения обмазок на электродные прутки, характерные для
промышленных электрообмазочных прессов. Так, удельное давление на обмазку в состоянии стационарного течения
достигает 60-75 МПа, средний градиент скорости сдвига ступенчато регулируется в пределах от 1,0 до 5,0·103 с-1, а для
отдельных видов обмазки — до 65·103 с-1. Исследовали обмазки для рутиловых, низководорродных и целлюлозных
электродов, отличающиеся широким диапазоном показателей консистенции. Наряду со сдвиговой и продольной вязкостью оценивали диапазон изменения величины их модуля сдвиговой упругости, периода релаксации, критерия эластической турбулентности Рейнольдса, упругого потенциала и обратимой (упругой) деформации. Полученные результаты
проанализированы с позиций существующей феноменологической теории эластической турбулентности полимерных
материалов, сочетающих в себе вязкие и упругие свойства. В течение многих лет она с успехом используется в реологии
расплавов и растворов высокомолекулярных соединений для решения технологических проблем их экструзионной переработки. Проанализированы варианты эластической турбулентности, выявленные в капиллярной и предкапиллярной
зоне. Показана качественная связь этого явления с появлением и характером проявления разнотолщинности покрытия
при реальном экструзионном нанесении обмазки на электродные прутки.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102168 |
| citation_txt |
Разнотолщинность электродных покрытий как следствие эластической турбулентности обмазочных масс в состоянии неизотермического напорного потока / А.Е. Марченко // Автоматическая сварка. — 2014. — № 6-7 (733). — С. 182-194. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT marčenkoae raznotolŝinnostʹélektrodnyhpokrytiikaksledstvieélastičeskoiturbulentnostiobmazočnyhmassvsostoâniineizotermičeskogonapornogopotoka AT marčenkoae thicknessvariationofelectrodecoatingasaconsequenceofelasticturbulenceofelectrodecompoundsinconditionofnonisometricflow |
| first_indexed |
2025-11-25T22:20:20Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:20:20Z |
| _version_ |
1850562906156957696 |
| fulltext |
182 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
УДК 621.791.042
раЗнОтОлщиннОсть элеКтрОДных пОКрытий
КаК слеДствие эластичесКОй тУрбУлентнОсти
ОбмаЗОчных масс в сОстОЯнии
неиЗОтермичесКОГО напОрнОГО пОтОКа
А. Е. МАРЧЕНКО
иэс им. е. О. патона нанУ. 03680, г. Киев-150, ул. боженко, 11. е-mail: office@paton.kiev.ua
Обобщены и проанализированы результаты выполненных в иэс им е. О. патона исследований технологических
свойств обмазочных масс, ответственных за появление разнотолщинности электродных покрытий. исследования про-
ведены с применением капиллярного вискозиметра постоянных расходов – реометра с электромеханическим приводом,
в котором можно воспроизвести условия экструзионного нанесения обмазок на электродные прутки, характерные для
промышленных электрообмазочных прессов. так, удельное давление на обмазку в состоянии стационарного течения
достигает 60-75 мпа, средний градиент скорости сдвига ступенчато регулируется в пределах от 1,0 до 5,0·103 с-1, а для
отдельных видов обмазки — до 65·103 с-1. исследовали обмазки для рутиловых, низководорродных и целлюлозных
электродов, отличающиеся широким диапазоном показателей консистенции. наряду со сдвиговой и продольной вязко-
стью оценивали диапазон изменения величины их модуля сдвиговой упругости, периода релаксации, критерия эласти-
ческой турбулентности рейнольдса, упругого потенциала и обратимой (упругой) деформации. полученные результаты
проанализированы с позиций существующей феноменологической теории эластической турбулентности полимерных
материалов, сочетающих в себе вязкие и упругие свойства. в течение многих лет она с успехом используется в реологии
расплавов и растворов высокомолекулярных соединений для решения технологических проблем их экструзионной пе-
реработки. проанализированы варианты эластической турбулентности, выявленные в капиллярной и предкапиллярной
зоне. показана качественная связь этого явления с появлением и характером проявления разнотолщинности покрытия
при реальном экструзионном нанесении обмазки на электродные прутки. библиогр. 24, табл. 4, рис. 9.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, покрытые электроды, разнотолщинность покрытий, обмазочные массы, вяз-
кость, модуль упругости, эластическая турбулентность
Введение. из многих показателей ГОст 9466–75,
по которым заказчик в первую очередь оценивает
качество изготовления электродов, одним из са-
мых важных является соосность оболочки покры-
тия и стержня [1, 2]. разнотолщинность покрытия
препятствует осуществлению нормального про-
цесса сварки, а также приводит к ухудшению каче-
ства и механических свойств сварных швов. Уже
при предельно допускаемой стандартом, т. е. не
превышающей 5 % диаметра стержня, а тем более
при сверхнормативной разнотолщинности покры-
тия на торце плавящегося электрода образуется
односторонний «козырек», из-за чего нарушается
газовая и шлаковая защита расплавленного метал-
ла от воздуха при сварке, а также формирование
металла шва. это приводит к неблагоприятным
изменениям химического состава, ухудшению ме-
ханических свойств, образованию пор и других
дефектов шва [3–5].
из-за множества факторов, под влиянием кото-
рых, как считают, возникает разнотолщщинность
покрытия (вид, доля и зерновой состав составля-
ющих, технологические характеристики обмазок,
качество стержней, состояние оборудования, ква-
лификация и уровень исполнительской дисципли-
ны персонала, изготовляющего электроды [6]) на
протяжении многих лет не удавалось выяснить
истинные причины и закономерности ее возник-
новения. и это ограничивало возможности надеж-
ного прогнозирования качества электродов по это-
му показателю.
Обмазка наносится на стальные прутки путем
экструзии. так следует называть этот процесс,
поскольку формоизменению с целью превраще-
ния обмазки в концентричную кольцевую оболоч-
ку вокруг стержня предшествует ее всестороннее
сжатие в головке электродообмазочного прес-
са. это ключевая операция в технологии произ-
водства сварочных электродов, в пределах кото-
рой, собственно, и возникает разнотолщинность
покрытия.
Опыт, приобретенный в других технологиче-
ских процессах, экструзионным методом перера-
батывающих пастообразные, в том числе и напол-
ненные материалы, по консистенции подобные
электродным обмазочным массам, показывает, что
нарушение их стабильного и равномерного выто-
ка из формующего инструмента определяется сле-
дующими основными причинами [7]:
© а. е. марченко, 2014
1836-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
♦ проскальзыванием потока у стенок формую-
щего инструмента;
♦ разрушением упругих жидкостей под дей-
ствием огромных напряжений;
♦ упругой гидродинамической неустойчиво-
стью, сопровождающейся возникновением нарас-
тающих возмущений (ее называют эластической
турбулентностью);
♦ структурной неустойчивостью, обусловлен-
ной аномалией вязкости (проявляющейся, в част-
ности, в виде ее понижения под влиянием увели-
чения градиента скорости и температуры).
исследования реологических свойств элект-
родных обмазочных масс, в течение ряда лет вы-
полнявшиеся в иэс им е. О. патона, показывают,
что главной причиной появления разнотолщинно-
сти покрытия следует считать их эластическую
турбулентность. Остальные могут усиливать ее,
а разрушение потока под влиянием огромных на-
пряжений может встретиться крайне редко.
Упругая гидродинамическая неустойчивость
возникает в обмазочных массах, сочетающих в
себе вязкие и упругие свойства, соотношение
между которыми изменяется в ходе их экструзи-
онной переработки. избыток упругости может
вызвать регулярные (колебательные) или ирре-
гулярные возмущения в потоке. вязкость высту-
пает в качестве демпфирующей составляющей
реологической системы, т. е. подавляет упругую
составляющую. при равенстве вязкости и модуля
упругости наступает потеря устойчивого течения
обмазочной массы. местом, в котором это про-
исходит, может стать поверхность калибрующей
втулки и других участков формующего инстру-
мента. время, когда она наступит, зависит от того,
когда в результате температурного и/или струк-
турного разрушения коагуляционной структуры
вязкость обмазки понижается настолько, что теря-
ет способность погашать пульсации потока, про-
воцируемые упругими напряжениями. чем выше
упругость по сравнению с вязкостью, тем в боль-
шей мере иррегулярное проявление возмущений
будет отличаться от регулярной формы. Особенно,
если в системе имеется не один, а несколько цен-
тров таких возмущений. цель работы: показать
взаимосвязь пластической турбулентности элект-
роднх обмазочных масс и разнотолщинности по-
крытия электродов.
Реологическая модель вязко-упругих мате-
риалов и математические формулы их описа-
ния. простейшую одномерную реологическую
модель вязко-упругой жидкости, которую мы мо-
жем использовать при изучении свойств элект-
родных обмазочных масс, предложил максвелл
[8] . Она представляется в виде пружины (упру-
гое тело Гука), последовательно соединенной с
гидравлическим демпфером (вязкая жидкость
ньютона). модель раскрывает причину появле-
ния и позволяет объяснить процесс релаксации
напряжений в вязкоупругом материале при посто-
янной деформации или напряжении. подвергну-
тая деформации, вызванной приложенным к ней
постоянным усилием, вязко-упругая жидкость
по модели максвелла должна скачкообразно сде-
формироваться на величину сжатия (растяжения)
упругого элемента, а дальше продолжать дефор-
мироваться с постоянной скоростью, соответству-
ющей приложенному усилию. если же эту модель
быстро сдеформировать на заданную величину γ
и после фиксации ее на этом уровне наблюдать
за изменением силы (или напряжения), пропор-
циональных заданной деформации, то они будут
постепенно уменьшаться (релаксировать) во вре-
мени за счет смещения поршня демпфера. мате-
матический закон, описывающий реологическое
поведение такой модели имеет вид
1 ,G
t
g = + t
h
(1)
а процесса релаксации напряжений при постоян-
ной деформации:
( / )
0 .G te ht = t
(2)
поскольку, ( / )lim lim 0G t
t t
e h
→∞ →∞
t = = , то при посто-
янной деформации напряжение τ с течением вре-
мени экспоненциально стремиться к нулю.
Отношение динамической вязкости η к модулю
упругости G имеет размерность времени и назы-
вается периодом релаксации, τ1= θ. с учетом этого
( / ) 11
1
0
; 0,37,G tt e eG
h -th
= = = ≈t
(3)
а τ1 = 0,37τ0.
Значит, за время θ начальное напряжение
уменьшается на 67 %.
сопоставляя период релаксации θ с продолжи-
тельностью th внешнего воздействия на материал,
можно оценить, как он поведет себя при измене-
нии скорости деформирования.
чтобы оценить реологическое поведение обма-
зочной массы при ее напорном течении [9], пре-
жде всего определяют τ, η. Затем, пользуясь фор-
мулами, предложенными и апробированными в
технологии экструзионной переработки полимер-
ных материалов, рассчитываются такие показа-
тели, как G, θ и упругий потенциал W, которые в
совокупности полностью и объективно характери-
зуют вязко-упругие показатели обмазок.
имеется 3 метода вычленения падения дав-
ления на длине капилляра ∆Р, необходимого для
вычисления τ и η, из общего сопротивления изме-
рительной ячейки в составе капилляра и предка-
пиллярной (заходной) зоны. это — методы Куэт-
та, бэгли и запорного диска.
184 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
в методе Куэтта, полагая, что сопротивление ка-
пилляра течению возрастает пропорционально его
длине, для вычисления напряжения сдвига на стен-
ке капилляра используют разницу давлений, заре-
гистрированных при использовании длинного и
короткого капилляров одного и того же диаметра
(∆Р = Рдл – Ркор).
в методе бэгли [10] зависимость перепада дав-
ления от относительной длины канала L/R при
фиксированной скорости сдвига тоже принима-
ется линейной, а величина ∆Р0 находится путем
экстраполирования зависимости ∆Р = f(L/R) к ну-
левому значению L/R. экстраполяция той же за-
висимости на нулевое значение давления дает
величину фиктивного удлинения канала nB, экви-
валентного по сопротивлению входовым потерям
давления. его называют поправкой бэгли.
методы Куэтта и бэгли не всегда могут быть
использованы при реологическом тестировании
электродных обмазочных масс, поскольку потери
напора при их течении через капилляры не всегда
пропорциональны их приведенной длине L/dк.
с одной стороны, это вызвано накоплением
упругих напряжений на начальных участках ко-
ротких капилляров, а с другой — чрезмерным дис-
сипативным разогревом струи обмазки в пристен-
ном слое при использовании капилляров слишком
большой длины. и то и другое не дает возможно-
сти определить наклон прямой ∆Р = f(L/dк) c точ-
ностью, необходимой для вычисления τ. по этой
причине, для определения Р0, мы пользовались за-
порным диском, а ∆Р находили как разность (РL –
– Р0) при L = 10dк = 20R. такая методика дала в
нашем случае самую высокую точность результа-
тов тестирования.
вместе с тем, по примеру других авторов, мы
использовали подходы бэгли, чтобы раскрыть ре-
ологическую сущность поправки, nB, а также вы-
делить из нее упругую составляющую, необходи-
мую для расчетов G.
реологический смысл поправки бэгли на-
ходится путем следующих математических
преобразований.
напряжение сдвига на стенке капилляра по
методу Куэтта с учетом принятых нами обозна-
чений (см. примечание к табл. 1) вычисляется по
формуле
.2 2( / ) 2 C
PR P P
L L R nt = = =
(4)
с учетом поправки бэгли выражение для рас-
чета τ из (4) преобразуется к виду
2
; 2 ( ) ; .2( ) 2 2
C
C B B C
C B
P nP Pn n P n nn n
- t
t = t + = = = -+ t t
(5)
Когда L = 0 (как в случае, когда сопротивление
входа находят методом запорного диска), nС = 0,
Р = Р0, nВ = P0/2τ. следовательно, поправка бэгли
представляет собой величину входовых сопротив-
лений, нормированных по напряжению сдвига на
стенке капилляра.
в таком виде поправка бегли использовалась
как база для оценки величины естественного кон-
вергентного угла, который образуется в предка-
пиллярной зоне при экструзионной переработке
вязко-упругих материалов [11–13].
можно показать, что в этом смысле поправ-
ка nB эквивалентна критерию эластической тур-
булентности рейнольдса, Ree, или, как назвал ее
раньше рейнер, — числу Деборы (имя древней
прорицательницы) [14, 15].
в общем — это обратимая упругая деформация
вязко-упругого материала γ, которую материал пре-
терпевает, находясь под действием деформирующей
нагрузки. выше упоминалось, что ее оценивают как
отношение периода релаксации к характерному вре-
мени, θ/th. Для капиллярного вискозиметра th равно
величине, обратной градиенту скорости сдвига [14,
15], и, следовательно, Ree = θ g
.
Критерий рейнольда преобразуется к этому же
виду следующим образом
2 2
2
Re .
( / )e
R
UT UT R T
q q q
= = = = q g
g
(6)
с другой стороны, учитывая, что θ = η/G , G =
= τ2/P0, уравнение (6) можно привести к выраже-
нию P0/τ, подтверждая таким образом, что входо-
вая поправка бегли представляет собой критерий
эластической турбулентности рейнольдса.
если учесть, как это предложено в работе [16],
что nB в формуле (5) наряду с куэттовской поправ-
кой содержит еще и упругую деформацию SR, ко-
торая входит в формулу закона Гука τ = GSR, то
nB = nС + (SR/2) = nC +(1/2G)τ. Отсюда следует, что
по величине τ и Р0, найденных путем капилляр-
ных измерений, можно рассчитать модуль упруго-
сти сдвига G электродных обмазочных масс.
Действительно, при nС = 0
G = τ/2(nB) = τ2/P0. (7)
по входовым сопротивлениям вычисляется
упругий потенциал W — отнесенная к секундно-
му расходу упругая энергия, запасаемая обмазоч-
ной массой в процессе течения через капилляр:
W = Р0/12. на выходе из капилляра она высвобо-
ждается в виде свободного упругого восстановле-
ния струи, которое сопровождается деформаци-
ей — увеличением ее диаметра в β раз и длины
в β2 раз. баланс накопленной и высвободившейся
энергии описывается соотношением [8]
4 2( 2 3),2
GW -= b + b -
(8)
а величина деформации, вызванной разбуханием
струи, — соотношением
4 23( 2 3).-g = b + b - (9)
1856-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
Для удобства использования полученные фор-
мулы сведены в табл. 1.
Электродные обмазочные массы как пасто-
образные композиции, обладающие вязкоупру-
гими свойствами. имеется достаточное количе-
ство публикаций, свидетельствующих в пользу
того, что электродные обмазочные массы наряду с
вязкостью действительно должны обладать упру-
гими свойствами.
так, автор работы [17] характеризует пла-
стичность обмазочной массы такими реологиче-
скими коэффициентами, как упругость сдвига и
вязкость, а кривую ее течения представляет в пе-
ременных «давление, Р — секундный расход, Q».
От классической реограммы бингама, описыва-
ющей пластично-вязкое тело, впоследствии на-
званное его именем, она при низких расходах от-
личается мощным всплеском давления,
который при Qкрит ≈ 1 см3·с-1 плавно пе-
реходит в прямую, слегка наклоненную
к оси расходов. причину появления мак-
симума не были объяснены. мы предпо-
ложили, что это — результат релаксации
накопленных упругих напряжений.
в диссертационной работе [18] опи-
сана методика определения упомянутых
выше показателей упругости и вязкости
электродных обмазочных масс. Для этого
обмазку медленно продавливали плунже-
ром сквозь секционированный по длине
капилляр. Дважды (в момент остановки
плунжера и после отключения при не-
подвижном плунжере крайней секции
капилляра) регистрировали давление ис-
течения и объем обмазки, вышедшей из
капилляра под действием упругих сил.
вычисленные с использованием полу-
ченных данных показатели упругости
сдвига и вязкости, приведены в табл. 2.
наши исследования обмазочной мас-
сы анО-4, запрессованной между двумя
рифлеными пластинками, тоже проведен-
ные в режимах течения ползучести, пока-
зали, что под влиянием сдвиговых напря-
жений, величиной порядка 0,01 мпа, она,
как и другие виды концентрированных
дисперсий частиц с кристаллической структурой,
существенно упрочняется. при повторном нагруже-
нии начальная деформационная способность обмаз-
ки воспроизводится только после 4-х часового «от-
дыха», когда релаксируют напряжения, накопленные
в результате упрочнения образцов [19].
результаты испытания таких же по консистен-
ции обмазок с помощью конического пластометра
показали, что накопленные ими упругие напряже-
ния понижаются (вслед за прекращением внедре-
ния в них конуса) с периодом релаксации, равным
100…150 с [20]. на полную релаксацию упругих
напряжений требуется время, значительно превы-
шающее длительность испытания.
таким образом, можно считать, что получен-
ные показатели обмазочных масс, даже испы-
танные в свободном состоянии, содер-
жат в себе значительную долю упругой
составляющей.
в прессовой камере капиллярного
пластометра Об 1435 [9] обмазки в ходе
тестирования реологических свойств
пребывают в условиях всестороннего
сжатия, такого же по величине, как и в
прессовой камере промышленного элек-
тродообмазочного агрегата. приведен-
ные на рис. 1 экструзионные кривые от-
Т а б л и ц а 1 . Сводная таблица формул, использованных для вы-
числения реологических показателей обмазочных масс в состоянии
напорного течения через капилляр вискозиметра
показатель вязко упругого материала Формула
сдвиговая вязкость, мпа·с η = τ/ g
продольная вязкость, мпа·с
22
0 09( 1)
32
n P+
λ = h g
модуль сдвиговой упругости, мпа G = h/q = P0/t
2
Угол естественной конвергенции, град 0tg 2 /a = h λ
характеристическое соотношение мак-
свелла. безразмерное время релаксации nB = θ/th = θ g
= P0/2τ = Ree
Упругий потенциал, мпа W = τ2/6G = P0/12
Обратимая (упругая) деформация 4 2/ 3( 2 3)G -g = t = b + b -
Примечание. t — напряжение на стенке капилляра, мпа; g
– средний
градиент скорости сдвига, с-1; n0 — индекс течения, равен lgt/lg g
; P0 —
потери напора в заходной зоне, мпа; G — модуль упругости сдвига,
мпа; q — период релаксации, с; a0 — угол естественной конвергенции,
град; g — обратимая упругая деформация струи; th — характеристиче-
ское время наблюдения, в капиллярной вискозиметрии th = 1/ g
; W —
упругий потенциал, удельная упругая энергия , запасаемая обмазкой
при течении через капилляр, в расчете на единицу ее объема (секундный
расход, Q); b, b2 — степень расширения струи обмазки при выходе из
капилляра по диаметру и длине, соответственно, отн. ед.
Т а б л и ц а 2 . Технологические свойства обмазочных масс ЦМ-7 и
УОНИ 13/55 в режиме напорного течения ползучести [18]
жидкое стекло
Доза
Na2CO3, %
P,
мпа
G,
мпа
h·10-6,
мпа·смодуль плотность,
кг/м3
Доза,
масс. %
Обмазка электродов цм-7
Na2O2,8siO2 1450 23,0
- 88,0 0,300 6,1
2 50,0 0,225 3,1
Обмазка электродов УОни-13/55
Na2O2,8siO2 1430 23,0
- 40,0 0,080 -
2 34,0 0,030 5,0
186 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
ражают изменение давления в ходе выпрессовки
обмазки из камеры пластометра через запорный
диск 1 или капилляр 2. видно, что в ходе капил-
лярного тестирования она проходит несколько
стадий:
♦ стадия доведения обмазки до всесторонне-
го сжатия в течение времени от начала движения
штока до момента, когда давление достигает мак-
симума (Рmax);
♦ предстационарная (структурная) стадия, со-
провождающаяся понижением давления (от Рmax
до Рс);
♦ установление давления стационарного (ус-
ловно равновесного) капиллярного течения, Рс, по
величине которого обычно вычисляют τ и θ;
♦ сброс давления в момент безынерционной
остановки штока, вызванный свободным упругим
восстановлением струи, сопровождающимся до-
статочно быстрой релаксацией накопленных упру-
гих напряжений (∆Рс = Рс – Pcк).
на протяжении первой стадии исходная струк-
тура материала деформируется, а элементы ее
ориентируются и уплотняются настолько, что в
результате образуется так называемая структура с
ограниченным объемом [21]. если учесть, что это
происходит в условиях почти нулевых скоростей
деформаций, то на образование такой структуры
тратится огромная энергия. Значительная ее часть
аккумулируется в виде упругой составляющей. в
условиях всестороннего сжатия материал стано-
вится упругим телом, не зависимо от того, был он
перед этим твердым телом или жидкостью [14].
причины следующего за максимумом спа-
да напряжения кроются в нарастающем механи-
ческом и температурном разрушении структуры
обмазки, сформировавшейся в ходе предыдущей
стадии. Очаг разрушения структуры возникает пе-
ред входом в капилляр под влиянием градиента
давления и вызванной ним асимметрии потенци-
ала молекулярного взаимодействия между зернами
наполнителя. Он облегчает перемещение зерен на-
полнителя по сдвиговому механизму [21]. с опре-
деленного момента деформационные процессы,
ответственные за разрушение структуры, сосредо-
точиваются преимущественно в пределах образую-
щейся естественной конвергентной зоны течения.
спусковым крючком такой энергетической пере-
стройки структуры и перевода обмазок в напорное
течение становится упругий потенциал, накоплен-
ный нею на протяжении первой (нарастающей) вет-
ви предстационарного процесса. разрушение струк-
туры сопровождается изменением релаксационных
свойств обмазки (уменьшается θ).
в ходе равновесного капиллярного течения
скорости разрушения и восстановления структу-
ры выравниваются по величине. Однако систе-
ма сохраняет в себе значительно больший запас
упругого потенциала, чем в рассмотренных выше
испытаниях открытых образцов, и он «разряжает-
ся» только после остановки штока. мгновенный
сброс давления, как правило, сопровождается вы-
ходом из формующей головки какого-то количе-
ства обмазки.
поскольку экструзия проходит в неизотерми-
ческих условиях (изотермические при реальной
скорости истечения обмазки, в принципе, не мо-
гут быть созданы), на величину сброса давле-
ния, наряду с консистенцией обмазки, несомнен-
но, должен влиять вязкостный нагрев, которому
обмазка подвергается, начиная со структурной
ее фазы. следует также учитывать, что жидкое
стекло является пьезочувствительной жидкостью
[22]. понижение его вязкости, вызванное избы-
точным давлением, влияет на структуру обмаз-
ки аналогично вязкостному разогреву. при очень
высокой степени сжатия их свойства могут под
влиянием температуры и давления изменяться в
противоположных направлениях. таким образом,
трудно предсказать, каким будет окончательный
результат.
Результаты экспериментальной оценки вяз-
коупругих характеристик обмазочных масс в
состоянии напорного течения. О величине запа-
сенной упругой энергии можно судить по значе-
нию ∆Р0, если используется запорный диск, как в
случае определения входовых сопротивлений, или
∆Рс, если используется капилляр. результаты оце-
нок сопоставляются по абсолютной шкале (∆Р0 и
∆Рс), а также по соотношениям (∆Р0/Р0 и ∆Рс/Рс),
(Р0 – ∆Р0)/(Р0) или (Рс – ∆Рс)/(Рс).
рис. 1. вид экструзионных кривых Р = f(t) обмазочной мас-
сы анО-4, полученных при ее тестировании капиллярным
пластометром Об 1435. секундный расход 5 см3·с-1, диаметр
капилляра 0,4 см, длина 0 (1) и 4 см (2)
1876-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
Для оценки вязкоупругих показателей нами
были использованы результаты тестирований об-
мазочных масс рутилового, низководородного и
целлюлозного типа, которые были выполнены
в разное время в иэс им е. О. патона с приме-
нением капиллярного пластометра Об-1435. ха-
рактеристика обмазок представлена в табл. 3.
Консистенция обмазок регулировалась за счет
изменения состава наполнителя, зернового его
состава, а также характеристик жидкого стек-
ла. пластическая прочность обмазок изменялась
при этом в пределах от 0,13 мпа (очень слабая
консистенция) до 1,40 мпа (структурированная
композиция).
предварительной оценкой величины сброса
давления ∆Р0 и ∆Рс в момент остановки плунжера
выявлено, что обмазки существенно отличаются
между собой по упругим свойствам. Доля упругой
составляющей в результатах их тестирования в за-
висимости от скорости течения и способа ее ре-
гулирования (Q = const или dк = const) изменялась
пропорционально величине Р0 и Рс в пределах от
0 до 60 %. на нее влияли многие сопутствующие
факторы.
например, заметный диссипативный разогрев
струи особенно сильно проявлялся при испытани-
ях обмазок анО-4, обладающих низкой теплопро-
водностью наполнителя, и обмазок УОни-13/55
(ст), изготовленных на вязком стекле, которые
существенно «разжижались» под влиянием даже
умеренного вязкостного разогрева. и в том и дру-
гом случае влияние диссипативного фактора до-
минировало в режиме течения Q = const, из-за
чего доля высвобождающейся упругой энергии
завышалась. напротив, у обмазок УОни-13/55
(нт), изготовленных на низковязких жидких
стеклах, результаты вязкостного нагрева вуалиро-
вались расходом тепла на разрушение их коагуля-
ционной структуры. в этом случае результаты ис-
пытаний получались заниженными.
в целом получена интересная информа-
ция о многих свойствах сравниваемых обмазоч-
ных масс, однако по ним нель-
зя однозначно судить об упругих
характеристиках.
результаты оценок вязких и
упругих свойств обмазок, выпол-
ненных с использованием рас-
четных формул, приведенных в
табл. 1, обобщены в табл. 4.
величина градиентов скоро-
сти, а, следовательно, и напря-
жения сдвига, которые исполь-
зовались в ходе исследований,
ограничены пределами, в кото-
рых исследуемые обмазки могли
экструдироваться сквозь насадки
используемых сечений (секундные расходы из-
меняли в пределах от 1 до 25,5 см3, а dк — от 1
до 6 мм). с превышением определенной скорости
сдвига некоторые обмазки запирали каналы, осо-
бенно малых диаметров. сдвиговая (так же, как
продольная вязкости) уменьшалась с увеличением
скорости деформации, и это подтверждает тиксо-
тропное разрушение обмазок, форсированное их
вязкостным разогревом в той степени, в какой они
ему подвержены. продольная вязкость на два по-
рядка больше сдвиговой, а соотношение между
ними λ/η либо возрастает по мере увеличения ско-
рости сдвига, в результате чего угол естественной
конвергенции уменьшается [23], либо уменьшает-
ся, но при этом возрастает α0. малая величина α0
косвенно свидетельствует о том, что струя обмаз-
ки в предкапиллярной зоне преодолевает сопро-
тивление материала с высокой упругостью. мо-
дуль упругости в этих условиях тоже изменяется
неоднозначно.
У всех обмазок анО-4 его величина не зависит
от их консистенции и от скорости сдвига.
Для обмазок УОни-13/55 (ст) модуль упруго-
сти, изначально наименьший по величине у вари-
анта Гс-1 с самым крупнозернистым наполните-
лем, существенно возрастает по мере увеличения
скорости сдвига. чем мелкозернистее наполни-
тель, тем выше модуль упругости этого типа об-
мазок при малых скоростях сдвига, и ниже — при
высоких скоростях сдвига. самую слабую реак-
цию на скорость деформации наблюдали у обмаз-
ки Гс-6 с наиболее ярко выраженной структури-
рованностью. аналогично влияет зерновой состав
наполнителя и на модуль упругости обмазочных
масс УОни-13/55 (нт) с низковязким жидким
стеклом. Однако величина их модуля упругости,
изначально меньшая по величине, чем у обмазок
ст, слабее откликается на скорость деформации.
а у обмазки со средней зернистостью наполните-
ля зафиксирован очень большой разброс результа-
тов. причина этого не выяснена.
Т а б л и ц а 3 . Характеристика шихт, жидких стекол и обмазочных масс, ис-
пользованных в работе
Обмазка индекс Sуд,
см-1
показатели и доза жидкого стекла Рm,
мпамодуль r, кг/м3 h, мпа·с Доза, %
анО-4
а2
8300 2,9 1465 800
29,6 0,30
а1 29,8 0,75
а4 29,8 1,30
УОни-13/55
(ст)
Гс-1 2250
2,9 1495 1000 25,0
0,15
Гс-4 3900 0,13
Гс-6 4900 0,28
УОни-13/55
(нт)
Гс-1 2250
3,2 1334 50 22,0
0,45
Гс-4 3900 0,30
Гс-6 4900 0,80
всц-4 ц - 2,9* 1407 100 51,5 -
Примечание. натриевое стекло, остальные стекла — натрово-калиевые.
188 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
У обмазки всц-4 модуль упругости уменьша-
ется с увеличением градиента скорости сдвига.
в общем, следует отметить, что, несмотря на
широкий диапазон изменения консистенции срав-
ниваемых обмазочных масс, средняя величина их
модуля упругости изменялась в достаточно узких
пределах.
Осваивая методику оценки упругости обмазоч-
ных масс, мы не имели никакой информации, кро-
ме данных в. и. Клементова, полученных в режи-
ме течения ползучести, о фактической величине
их модуля упругости. в связи с этим ожидаемый
порядок величины этого показателя рассчитали
следующим образом.
Как известно, одним из эффектов, сопрово-
ждающих свободное восстановление струи вяз-
коупругих композиций, является ее разбухание
при выходе из капилляра (баррус-эффект). в тех-
нологии переработки полимеров, характеризу-
ющихся ярко выраженными неньютоновскими
свойствами, соотношение диаметров струи и фи-
льеры может достигать четырехкратной величи-
ны. введением в полимеры наполнителей наряду
с удешевлением продукции достигается подавле-
ние этого нежелательного явления. электродные
обмазочные массы — тоже наполненные компо-
зиции с жидкостекольной матрицей, обладающей
слабо выраженными неньютоновскими свойства-
ми. по этой причине разбухание струи у таких
композиций не должно бы иметь места. в поль-
зу этого говорит хорошее совпадение диаметров
покрытия (струи, когда речь идет об экструдиро-
вании обмазки при капиллярном тестировании) и
фильеры (капилляра).
на самом деле незначительное разбухание
струи из обмазки все же имеет место. Как уста-
новлено в гидравлике и реологии на выходе из ка-
пилляра происходит перестройка профиля скоро-
стей в струе, в результате чего, исходя из закона
сохранения количества движения, ее диаметр дол-
жен уменьшиться, по крайней мере, на 13 %.
Другими словами, упругое разбухание струи
обмазки как бы не выходит за пределы β = 0,13,
компенсируя ее сужение, вызванное перестройкой
профиля скоростей.
если подставить β = 0,13 в уравнение (9), полу-
чим, что вызванная разбуханием деформация со-
ставит γ = 18,5 %. с другой стороны, принимали
во внимание, что γ и G связаны друг с другом со-
отношением γ = τG [8].
Обычно у обмазочных масс напряжение сдви-
га на стенке капилляра колеблется в пределах от
0,5 до 1,5 мпа. исходя из этого, следует ожидать,
что величина модуля упругости электродных об-
мазочных масс должна находиться в пределах от
0,025 до 0,075 мпа. по порядку величины это со-
гласуется с нашими результатами, приведенными
в табл. 4, и с результатами в. и. Климентова (см.
табл. 2).
изменение упругого потенциала и входовых
сопротивлений при увеличении скорости сдвига
симбатны друг другу. этим подтверждается, что
Т а б л и ц а 4 . Показатели вязкоупругости электродных обмазочных масс (капиллярная зона)
Обмазка индекс γ, c-1
величина показателей вязкоупругости
t, мпа h, мпа·с G, мпа q, с W, мпа /см3
θ g
P0, мпа
анО-4
а2
11,8
1445
0,43
0,70
0,000470
0,039090
0,018
0,035
0,014
2,110
0,83
1,92
19,4
33,3
10,0
23,0
а1
11,8
1211
0,61
1,10
0,008900
0,055890
0,022
0,034
0,026
2,320
1,23
2,83
22,3
32,6
15,5
34,0
а4
11,8
1211
0,78
1,19
0,000860
0,025785
0,020
0,045
0,040
2,830
1,96
4,10
11,7
48,5
23,5
49,0
УОни-13/55
(ст)
Гс-1
11,8
1650
0,50
1,55
0,000950
0,041113
0,017
0,085
0,010
2,450
1,15
2,75
11,8
31,7
14,0
33,0
Гс-4
11,8
1650
0,70
1,40
0,000550
0,060170
0,038
0,065
0,018
1,255
1,15
2,55
14,8
21,3
10,5
42,0
Гс-6
11,8
1650
0,80
1,25
0,000080
0,069500
0,028
0,075
0,008
1,425
1,15
2,50
16,8
38,5
13,8
90,2
УОни-13/55
(нт)
Гс-1
11,8
8120
0,31
0,75
0,000090
0,026270
0,005
0,019
0,005
4,370
1,25
2,50
34,8
61,8
15,3
30,0
Гс-4
11,8
64970
0,25
0,75
0,000010
0,033900
0,003
0,023
0,001
3,390
1,28
2,50
25,0
86,0
15,9
37,2
Гс-6
11,8
64970
0,40
0,95
0,000015
0,037290
0,007
0,027
0,001
3,720
1,35
2,25
26,0
65,0
19,8
33,0
всц-4 ц
150,0
64970
0,38
060
0,000005
0,003490
0,005
0,025
0,001
0,140
0,90
3,10
20,9
65,0
11,0
37,0
Примечания. 1. в числителе приведены минимальные, а в знаменателе – максимальные значения. 2. использовалось
вязкое (ст) и низковязкое стекло (нт).
1896-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
упругое состояние обмазок возникает в конвер-
гентной зоне. За ее пределами происходит глав-
ным образом его релаксация.
период релаксации изученных обмазочных
масс на капиллярной стадии в логарифмической
интерпретации прямолинейно понижается по
мере увеличения скорости деформации. это сви-
детельствует о рассасывании упругой энергии,
накопленной в предкапиллярной зоне, благодаря
механическому и температурному разрушению
структуры обмазок. при малых скоростях сдвига
уровень вязкости превышает модуль упругости,
а при высоких становится меньше его. точку пе-
рехода через нуль легко определить, полагая, что
при θ = 1 вязкость и модуль упругости сравнива-
ются по величине. в этот момент любое случай-
ное воздействие на систему может вызвать разно-
го рода колебания скорости течения обмазки под
влиянием упругой составляющей напряжений, по-
скольку вязкость экструдируемого материала уже
не способна их гасить. чаще всего пульсации про-
являются на стадии падающей (структурной) вет-
ви экструзионной диаграммы. в качестве приме-
ра на рис. 2 показан вид пульсирующей кривой,
зарегистрированный при экструдировании обмаз-
ки Гс-6 (нт) через капилляр диаметром 4 мм при
скорости γ = 40 с-1. характер пульсации позволя-
ет предположить, что срывы струи происходят на
стенке капилляра. У других параллельно тестиру-
емых вариантов обмазок серии Гс пульсация не
наблюдалась. можно объяснить это двумя при-
чинами. первая связана со ступенчатым характе-
ром изменения режима экструдирования обмазок
в пластометре Об 1435, в результате чего только в
опыте с обмазкой Гс-6 (нт) условия экструдиро-
вания оказались соответствующими критическо-
му периоду релаксации θ = 1, при котором может
появиться пульсация напорного потока. в осталь-
ных опытах замеры не попадали в такую крити-
ческую точку. вторая причина связана с тем, что
пульсация потока в капиллярной зоне возникает
на поверхности канала. с уменьшением диаметра
капилляра скорость потока возрастает, вязкость
материала понижается и при относительно ста-
бильной величине модуля упругости, казалось бы,
условия для пульсирования улучшаются. на са-
мом деле, уменьшение диаметра канала приводит
одновременно к увеличению удельной (в расчете
на единицу объема) поверхности насадка и без ее
тормозящего действия на струю. из теории при-
стенного скольжения известно, что он чаще все-
го возникает при использовании широких каналов
и подавляется при замене их капиллярами малого
диаметра.
на рис. 3 приведены диаграммы экструзии
этих же обмазок Гс-1, Гс-4 и Гс-6, изготовлен-
ных на низковязких жидких стеклах, сквозь ка-
пилляр диаметром 4 мм с подвижной вставкой
(«флюгером») перед входом в капилляр. Она
предназначалась для провоцирования нестацио-
нарности потока. Оказалось, что потоки обмазок
с крупнозернистым (Гс-1) и среднезернистым
(Гс-4) наполнителями не отреагировали на гиб-
кую вставку перед входом в формующий канал.
в случае же обмазки Гс-6 с мелкозернистым на-
полнителем указанная вставка спровоцирова-
ла достаточно длительную постепенно затухаю-
щую пульсацию потока. этот опыт доказывает,
что склонность к нестационарным режимам тече-
ния является, прежде всего, свойством обмазки,
а уже потом условий ее напорного течения. сами
же пульсирующие режимы течения обмазки могут
рис. 2. Кривые экструзии обмазочных масс Гс-6 при расходе
Q = 1 см3·с-1. Диаметр капилляра: 6 (1), 4 (2), 2 (3) и 1 (4) мм
рис 3. Диаграммы экструзии обмазочной массы УОни-13/55,
изготовленной на высокомодульном жидком стекле с вязко-
стью 100 мпа·с, при расходе Q = 1 см3·с-1. Конический на-
садок (2α = 40°, диаметром 4/40 мм), объемная доля мелкой
фракции: 20 (а), 40 (б) и 60 % (в)
190 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
создавать не только на стенке капилляра, но и в
конвергентной зоне. и условия для их проявления
в конвергентной зоне значительно благоприятнее,
чем на стенке капилляра.
это подтверждается результатами исследо-
ваний опытных вариантов обмазочной массы
УОни-13/55, обозначенной индексом т-9.
Обмазка изготовлена на трехмодульном жид-
ком стекле с вязкостью 850 мпа·с. Доза жидкого
стекла в ней — 26 %.
Отличительная черта наполнителя — его зер-
новой состав. Он в соответствии с целями экс-
перимента имел следующее долевое соотноше-
ние фракций: суммарный остаток на сетках 250,
160, 100 и 63 мкм составлял соответственно 6, 8,
13 и 37 об. %. Удельная поверхность шихты Sуд =
= 10000 см-1, степень заполнения объема частица-
ми Фm = 0,67. Консистенция обмазки довольно ту-
гая, так что Pm = 0,58 мпа (0,85 мпа после часо-
вой выдержки). результаты опытов приведены на
рис. 4.
в процессе экструзионных испытаний было
установлено, что давление истечения обмазки че-
рез запорные диски с диаметром отверстия 6, 4
и 2 мм составляло 50, 55 и 57 мпа. цифры сами
по себе не высокие. через отверстие диаметром 6
мм обмазка прошла с весьма небольшими пульса-
циями. течение через отверстия с диаметром 4 и
2 мм сопровождалось существенными пульсация-
ми скорости. первая из них отражает течение при
градиенте скорости сдвига 40 с-1 — точно таком
же, как и в опыте с обмазкой Гс-6 в капилляре та-
кого же диаметра. стало быть, в первом опыте с
обмазкой т-9 тоже воспроизведены критические
условия (равенство η и G), в которых возникают
пульсации скорости потока, на этот раз в заход-
ной зоне. экструзия обмазки т-9 через отверстие
в диске диаметром 2 мм происходит со скоростью
318 с-1, т. е. в 8 раз большей, чем в предыдущем
случае. при этом сдвиговая вязкость обмазки
должна существенно понизиться, а модуль — воз-
расти. Условия для пульсирования потока стали
еще более благоприятные, и вид экструзионной
кривой подтверждает это. Действительно пуль-
сация потока, вызванная избытком упругости об-
мазки, уже не подавляется ни вязкостьью, ни огра-
ничительной поверхностью капилляра, поскольку
течение обмазки в конвергентной зоне осущест-
вляется по сдвиговым слоям. Форма пиков более
сглаженная в отличие от острых пиков в случае
обмазки Гс-6, которая проскальзывала по поверх-
ности капилляра.
мгновенная релаксация накопленных упругих
напряжений в конвергентной зоне часто наблю-
дается в виде пульсирующих выходов обмазки из
формующих каналов прессовой головки в реаль-
ных условиях опрессовки электродов. К примеру,
при наличии в прессовой головке двухканальной
проводки слишком упругие обмазки могут выби-
рать поочередно один из каналов для течения, в то
время как в параллельном канале точно такого же
профиля ее течение на это время прекращается. в
следующей фазе процесса картина течения сменя-
ется на противоположную, т. е. обмазка выбира-
ет для прохождения канал, в котором до этого мо-
мента была неподвижной. в параллельном канале,
поток обмазки на то же о время прекращается.
Некоторые результаты изучения закономер-
ностей появления разнотолщинности покры-
тия в реальных условиях опрессовки элект-
родов. разнотолщинность покрытия возникает в
бикомпонентном потоке из оболочки покрытия на
стержне, как результат стохастического по своей
природе энергетического взаимодействия компо-
нентов, один из которых, покрытие, характери-
зуется нелинейными вязкоупругими свойствами,
склонными проявиться в виде пульсирующих
течений, а другой, стержень, является упругим
элементом. соотношение вязкости и упругости
в материале оболочки в большей или меньшей
мере изменяется под влиянием диссипативного
и режимного факторов течения, и сопровожда-
ется нарушениями его устойчивости, в то вре-
мя как упругие свойства стержня остаются при
этом неизменными. роль эффектов, связанных с
эластической турбулентностью, характеризует-
ся критерием Ree = Ut2/θR. эффекты нарушения
устойчивости течения, проявляющиеся на участ-
ке поворота потока обмазки, в рассекателях, в ко-
нических каналах перед заходом в формующую
головку, а также в области гидродинамической
стабилизации потока на входе в фильеру, можно
рис. 4. сравнение экструзионных кривых Р0 = f(t) обмазки
т-9, полученных с помощью капиллярного вискозиметра.
цифрами указаны диаметры насадков в миллиметрах
1916-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
охарактеризовать критерием монохромности H0 =
= Ut/R [15].
постоянные или затухающие, регулярные или
иррегулярные колебания скорости обмазки, со-
провождающиеся пульсацией скорости и давле-
ния, провоцируют чередующиеся поперечные от-
клонения стержня от оси калибрующей втулки,
в результате чего равномерная по сечению коль-
цевая форма покрытия существенно искажается.
сочетание поперечных колебаний с продольным
перемещением стержня могут привести не толь-
ко к колеблющемуся, но и винтообразному изме-
нению положения максимальной величины разно-
толщинности вдоль электрода.
эксцентричное расположение поперечного се-
чения покрытия относительно стержня не изме-
няет его площадь по сравнению с концентричной
его формой. тем не менее, многие жидкости ис-
пытывают меньшее сопротивление при их тече-
нии через эксцентричные каналы по сравнению
с каналами концентричной формы. в работе [24]
это установлено при исследовании напорного те-
чения водных растворов Кмц, Гэц и мц через
кольцевые каналы между коаксиальными труба-
ми. было установлено, что перепады давления,
необходимые для осуществления их напорного
течения через эксцентричные каналы при фикси-
рованной скорости потока, уменьшаются по мере
увеличения эксцентриситета. жидкости с более
ярко выраженными неньютоновскими свойства-
ми показывают более медленную скорость умень-
шения падения давления по мере того, как возрас-
тает величина эксцентриситета между внешней
и внутренней трубой. эту картину течения мож-
но распространить и на экструзионное нанесе-
ние кольцевой оболочки покрытия на стержни,
заменив поверхность внутренней трубы поверх-
ностью стержня, синхронно перемещающимся с
обмазкой.
наблюдение за динамикой изменения разно-
толщинности покрытия показывает, что она хоро-
шо отражает влияние на этот показатель выявлен-
ных нами особенностей вязкоупругого поведения
обмазочных масс.
на рис. 5 приведены результаты испытаний
пяти видов обмазки для низководородных элект-
родов, которые отличались между собой техноло-
гическими свойствами. в начале, средине и конце
каждого электрода, вышедшего из головки пресса,
измеряли разнотолщинность покрытия. Опрессов-
ку электродов с диаметром стержня 3 мм прово-
дили на прямоточном прессе ер-120 фирмы Оэр-
ликон. видно, что в изменении разнотолщинности
покрытия в процессе нанесения каждой из испы-
танных обмазок на стержни можно выделить, пре-
жде всего, более или менее ярко выраженный на-
чальный период, в течение которого обмазка из
состояния наибольшего сжатия переходит в со-
стояние относительно стационарного режима те-
чения. в это время большая по величине началь-
ная разнотолщинность покрытия уменьшается и
постепенно выходит на уровень, который коле-
блется относительно какого-то среднего, тоже из-
меняющегося значения. волны этих колебаний от-
личаются по амплитуде и частоте, при этом спад и
подъем низкочастотной волны тоже сопровожда-
ется более мелкими по амплитуде, но более ча-
стыми (даже в пределах одного электрода) колеба-
ниями разнотолщинности. это свидетельствуют о
ее случайном характере, отражающем очень слож-
ные изменения в соотношении вязких и упругих
характеристик обмазочных масс в состоянии на-
порного течения со стержнем. в приведенных
примерах не наблюдался ни один случай разно-
толщинности, причину которого можно было бы
трактовать, как попадание в обмазку каких-то слу-
чайных включений.
на рис. 6 приведены данные о величине и об
угле ориентирования (в плоскости, перпендику-
лярной оси электрода) вектора разнотолщинности
покрытия. их получили, проведя осциллографи-
ческие измерения ее горизонтальной и вертикаль-
ной составляющих в ходе опрессовки электродов
УОни-13/55 с диаметром стержня 4 мм на гори-
зонтальном угловом прессе фирмы хейвелок [26].
в течение времени наблюдения из головки
пресса вышло 200 электродов, величина вектора
рис. 5. Динамика изменения разнотолщинности покрытия во
время опрессовки опытных низководородных электродов ди-
аметром 3 мм с индексом К1, К2, К3, У1 и У2
192 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
разнотолщинности еR изменилась от 0,15…0,17 до
0,07…0,10 мм (т. е. почти вдвое), а угол его ориен-
тирования относительно горизонта αе увеличился
от 0 до 60°. на фоне указанных общих изменений
еR и αе наблюдалась их пульсация. Особенно пуль-
сирует вертикальная составляющая разнотолщин-
ности, и это объясняется расположением по вер-
тикали двух окон диафрагмы–рассекателя, через
которые обмазочная масса нагнетается из обма-
зочного цилиндра в прессовую камеру (зазор меж-
ду наконечником стержнепроводки и калибру-
ющей втулкой). на рис. 7 показана взаимосвязь
величины и угла ориентации вектора разнотол-
щинности покрытия. чем больше он отклоняет-
ся от горизонтали, тем меньше амплитуда его ко-
лебаний, хотя его абсолютная величина при этом
возрастает. по-видимому, имеют место волноо-
бразные несинхронные колебания еR и αе (первые
опережают во времени вторые), так что образу-
ется своего рода пространственная волна (спи-
раль). в одном направлении еR уменьшается с ро-
стом αе, а в другом — перпендикулярном первому
— растет при тех же самих увеличениях еR и αе.
по-видимому, на пульсацию обмазки через окна
рассекателя накладывается колебания потока, об-
условленные его поворотом по горизонтали на
90° при выходе из цилиндра перед рассекателем.
можно предположить, что в этом случае из-за не-
обходимости выполнения на повороте принципа
гомохромности (неразрывности) потока обмазки
внешняя и внутренняя его поверхности вынуж-
дены перемещаться с разной скоростью. влияние
этого фактора на разнотолщинность проявляется
тем в большей степени, чем ближе к горизонту
расположен вектор разнотолщинности.
О границах и степени случайности отклонений
вектора разнотолщинности покрытия от преиму-
щественной его ориентации можно судить по ре-
зультатам измерений, выполненных концентроме-
тром Крп-12, при опрессовке электродов анО-4
с диаметром стержня 4 мм на угловом прессе
маОэ-1.
пресс вертикальный с углом поворота потока
обмазки 90°. в головке пресса «окна» рассекате-
ля потока обмазки ориентированы вертикально.
точкой отсчета угла αе служила сплошная линия,
нанесенная как образующая в зенитном положе-
нии покрытия электродов, выходящих из прес-
са. в процессе измерений в каждой из 11 контро-
лируемых сечений электрода наносилась вторая
контрольная метка, соответствующая положению
максимальной разнотолщинности. Угол между
этими метками в плоскости, перпендикулярной
оси электрода, принимали за угол ориентации
еR. частотное распределение результатов заме-
ров по заранее выбранным секторам представлено
на рис. 8. по нему можно судить о том, что мак-
симальные значения разнотолщинности покры-
рис. 6. изменение величины и угла ориентации вектора раз-
нотолщинности покрытия по данным осцилографирования
рис. 7. связь величины и угла ориентирования вектора разно-
толщинности покрытия, выявленные осциллографированием
рис. 8. статистическое распределение угла ориентирования
вектора максимальной разнотолщинности покрытия в пло-
скости, перпедикулярной оси выходящих электродов. в вы-
борке — 980 электродов
1936-7/2014
Технологии, оборудование и контроль
тия ориентируются преимущественно в секторах
между 120 и 180°. смещение стержня, являюще-
еся причиной разнотолщинности покрытия, осу-
ществляется преимущественно внешней сторо-
ной потока обмазки вверх и влево относительно
вертикали.
на рис. 9 представлены результаты оценки раз-
нотолщинности покрытия электродов, в покрытии
которых изменялась доза жидкого стекла в преде-
лах от 29,5 до 26 мас. %.
по мере того, как консистенция обмазки ста-
новилась все более упругой, доля электродов со
сверхнормативной разнотолщинностью покрытия
возрастала от 2 до 17 %. под влиянием повыше-
ния доли упругой составляющей возрастала сред-
няя величина разнотолщинности от 0,067 до 0,140
мм и изменялась форма и ширина статистического
рассеяния этого показателя (от одностороннего до
гаусовского).
Выводы
1. разнотолщинность покрытия возникает в би-
компонентном потоке, в котором оболочка из об-
мазочной массы характеризуется нелинейными
вязкоупругими свойствами, а стержень является
компонентом с постоянным модулем упругости.
соотношение вязкости и упругости в материале
оболочки уменьшается под влиянием разрушения
структуры и диссипативного разогрева, и это, в
конце концов, провоцирует неустойчивость режи-
мов сдвиговых деформаций, а значит, может стать
причиной нарушения равномерного нанесения
покрытия на стержни.
2. Установлено, что математический аппа-
рат, разработанный в реологии полимеров, мож-
но использовать для вычисления таких вязкоу-
пругих характеристик электродных обмазочных
масс в состоянии капиллярного течения, как пе-
риод релаксации, модуль упругости, упругий по-
тенциал и критерий эластической турбулентности
рейнольдса.
3. с применением указанного аппарата вычис-
лены перечисленные показатели вязкоупругости
электродных обмазочных масс для рутиловых,
низководородных и целлюлозных электродов,
консистенцию которых регулировали в достаточ-
но широких пределах, изменяя зерновые составы
шихты, характеристики жидкого стела и долю его
в обмазочной массе. с другой стороны, изменяя
режимы капиллярного тестирования указанных
обмазочных масс, выяснили, как они влияют на их
реологические показатели.
4. Установлено, что режимы напорного тече-
ния обмазочных масс в наибольшей мере влияют
на сдвиговую вязкость и период релаксации обма-
зочных масс и в значительно меньшей степени —
а их модуль упругости. так, при увеличении гра-
диента скорости сдвига на 4-5 порядков вязкость
и период релаксации обмазок уменьшается на 4
порядка. это вызвано механическим и диссипа-
тивным разрушением коагуляционной структу-
ры обмазочных масс. модуль упругости в тех же
самых условиях тестирования для многих обма-
зок остается постоянным (все виды рутиловых и
низководородные обмазки с мелкозернистым на-
полнителем), возрастает не более чем на порядок
(низководородные обмазки с крупнозернистым
наполнителем, изготовленные на вязком жидком
стекле) или незначительной степени понижается
(целлюлозные обмазки).
5. антибатный характер изменения вязкости
и периода релаксации, с одной стороны, и моду-
ля упругости, с другой стороны, означает, что при
определенной скорости течения вязкость и модуль
упругости выравниваются по величине, а период
релаксации, который представляет собой отно-
шение вязкости и модуля упругости, становится
равным единице. с этого момента вязкость теря-
ет способность демпфировать колебания упруго-
сти обмазок, которые могут быть спровоцированы
любыми случайными причинами, а система пере-
ходит в режим неустойчивого течения, выражен-
ный с разной степенью регулярности.
рис. 9. влияние дозы жидкого стекла в обмазочной массе на склонность электродов анО-4 к разнотолщинности покрытия
194 6-7/2014
Конференция «Сварочные материалы»
6. в работе демонстрируются 2 вида неу-
стойчивого течения: в капиллярной и в заходной
(предкапиллярной) зоне. в первом случае оно
имеет признаки срыва струи на стенке капилляра
и его удается погасить при использовании капил-
ляров меньших сечений, что характерно для яв-
ления пристенного скольжения. во втором слу-
чае при переходе на запорный диск с отверстием
меньшего сечения нерегулярный режим течения
не исчезает. следовательно, при повышении ско-
рости сдвига неблагоприятное соотношение вяз-
кости и упругости в этом случае сохраняется.
включение в поток мягких элементов, способ-
ных спровоцировать нестабильное течение, сра-
батывает только с теми обмазками, которые пуль-
сировали и без гибкой вставки. таким образом,
склонность к неустойчивым режимам течения,
способным привести к разнотолщинности по-
крытия, является свойством обмазки, а внешние
возмущающие факторы только раскрывают эту
способность.
7. показана качественная связь явления эласти-
ческой турбулентности электродных обмазочных
масс с появлением и характером проявления раз-
нотолщинности покрытия при реальном экструзи-
онном нанесении обмазки на электродные прутки.
1. Марченко А. Е. разнотолщинность покрытия как индика-
тор состояния процесса и качества изготовления свароч-
ных электродов // электродное производство на пороге
нового тысячелетия: материалы науч.-техн. семинара
(с.-петербург, 22–26 мая 2000 г)». – череповец: ассоци-
ация «электрод», 2000. – с. 124–125.
2. Ворновицкий И. Н. разнотолщинность покрытия – основ-
ной показатель качества электродов // свароч. пр-во. –
1989. – № 4. – с. 7–19.
3. Majasaka K., Oshiba F., Akamatsu T. Effect Eccentricity of
the coating upon the Deposition of Weld Metal // J. Japan
Welding soc. – 1982. – № 7. – P. 47–55.
4. Овчинников В. А., Баженов В. В. влияние геометрии
электродных покрытий и наличия дефектов в нем на на-
дежность защиты плавящегося металла от воздействия
воздуха // свароч. пр-во. – 1978. – № 5. – с. 39–40.
5. Походня И. К., Макаренко В. Д., Миличенко С. С. влия-
ние эксцентричности покрытия на сварочно-технологи-
ческие свойства электродов и качество наплавленного
металла // автомат. сварка. – 1985. – № 11. – с. 20–22.
6. Cтепаносов А. Р. экспертная оценка причин разнотол-
щинности покрытия сварочных электродов // свароч. пр-
во. – 1989. – № 4. – с. 7–9.
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. Виноградов Г. В., Малкин А. Я. реология полимеров. – м.:
химия, 1977. – 440 с.
9. Марченко А. Е., Гнатенко М. Ф. Особенности течения
электродных обмазочных масс, обнаруженные капил-
лярным пластометром / информ. материалы сэв. Ко-
ординац. центр по пробл. «развитие научных лснов и
разработка новых технологических процессов сварки,
наплавки и термической резки материалов и сплавов для
получения сварных конструкций и создания эффектив-
ных сварочных материалов и оборудования»). – Киев,
1980. – вып. 1. – с. 106–117.
10. Bagley E. B. End Correction in the Capillary Flow of
Polyethylene // J. Appl. Phys. – 1957. – 28, № 5. – P. 624–627.
11. Cogswell F. N. Converging flow of polymer melts in extrusion
dies // Polym. Eng. and sci. 1972. – 12, № 2. –P. 64–68.
12. Марченко А. Е. О реологических свойствах электродных
обмазочных масс в конвергентной зоне при опрессовке
электродов // сб. докл. IV междунар. конф. по свароч-
ным материалам стран снГ: «сварочные материалы.
разработка. технология. производство. Качество. Кон-
курентоспособность». – Краснодар, 2011. – с. 223–232.
13. Shoff R. N., Cancio L.V., Chida M. Extrusial flow of polimer
melts // trans. soc. Rheol. – 1977. – 21, № 3. –P. 429–434.
14. Хан Ч. Д. реология в процессах переработки полимеров.
– м.: химия, 1979. – 368 с.
15. Малкин А. Я., Леонов А. И. О критериях неустойчиво-
сти режимов сдвиговых деформаций упруго-вязких по-
лимерных систем // Докл. ан ссср. – 1963. – 151, № 2.
– с. 380–383.
16. Philippoff W., Gaskins F. H. the сapillary experiment in
rheology // trans. soc. Rheol. – 1958. – P. 263–284.
17. Соколов Е. В. электроды с качественным покрытием и их
производство // автоген. дело. – 1950. – № 11. – с. 26–29.
18. Клементов В. И. жидкое стекло, как материал электрод-
ных покрытий для электродуговой сварки: Дис. … канд.
– м., 1953. – 186 с.
19. Состояние и перспективы совершенствования техноло-
гии и оборудования для производства сварочных элект-
родов / а. е. марченко, н. в. скорина и др. // сб. докл.
всесоюз. конф. по сварочным материалам в 2-х частях
(Киев, 31 окт.–3 нояб.). – ч. 2-я. – с. 210–250.
20. Марченко А. Е., Шкурко С. А. Контроль электродных об-
мазочных масс коническим пластометром // электроды
и флюсы для электродуговой сварки: материалы к кра-
ткосрочному семинару 12–14 марта 1973 г. – ленинград:
лДни, 1973. – с. 22–32.
21. Бибик Е. Е. реология дисперсных систем. – л.: изд-во:
лГУ, 1981. – 172 с.
22. Исследование вязкости жидких стекол при давлении
опрессовки электродов / а. е. марченко, н. в. скорина,
З. а. сидлин, в. п. Костюченко // новые сварочные и
наплавочные материалы и их применение в промышлен-
ности: материалы науч.-техн. семинара, посвященного
100-летию со дня рождения К. в. петраня (с.-петербург,
19–20 мая 1992). – с.-петербург, 1992. – с. 43–49.
23. Mitsubishi N., Aoyagi Y. Non-newtonian fluid flow in an
eccentric annulus // J. Chem. Eng. of Japan. – 1973. – 6, № 5
– P. 402–408.
24. Марченко А. Е., Гнатенко М. Ф. Особенности форми-
рования разнотолщинности покрытия, обнаруженные
осциллографированием // междунар. науч.-техн. конф.
«металлургия сварки и сварочные материалы (с.-петер-
бург, 1–2 июня 1992 г.): тез. докл. – с.-петербург, 1993.
– с. 98–100.
поступила в редакцию 22.04.2014
|