книги из ГПНТБ / Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью

образования капли наиболее близко ко времени образо­ вания капли жидкой стали (/‘„= 0,12 с). Однако модели­ рование с ртутью надо производить с такой же большой скоростью, как и со сталью. Это моделирование не эф­ фективно, так как из-за большой скорости роста капли невозможно наблюдать отдельные стадии образования ее. Кроме того, как показывают эксперименты, капли ртути диаметром больше 4 мм не удается получить, что затрудняет наблюдения. Бензин и особенно глицерин также не применимы из-за необходимости очень боль­ ших скоростей роста капли. Наиболее подходящей ока­ зывается вода, которая применяется для моделирования и в металлургии [13]. У воды есть ценное свойство — прозрачность, что очень удобно для наблюдения внутрен­ них перемещений. Чтобы режим образования капли во­ ды был подобен режиму образования электродной кап­ ли, необходимо соответственно изменить значения гк или w, например при том же радиусе у капли воды надо уменьшить скорость роста радиуса в 0,122/0,026 = 4,7 ра­ за. Можно одновременно уменьшать скорость роста кап­ ли воды в 2—2,5 раза при соответствующем увеличении радиуса ее и т. д.

Для наблюдения за образующейся каплей па моде­ лях применялся микроскоп от твердомера с 25-кратиым увеличением, имеющий шкалу с ценой деления 0,1 мм. Наблюдение велось одновременно в два микроскопа: че­

20

рез один наблюдали осевые размеры, через другой — ра­ диальные. Скорость роста капли, а также фиксирование ее на любой стадии образования регулировалось скоро­ стью подачи жидкости. Для получения капель на труб­ ках диаметром более 4 мм в пижием конце трубки поме­ щали проницаемую перегородку (сукно). Это улучшало условия образования капли, обеспечивая более равно­ мерный подход жидкости по всему сечению трубки. Кро­ ме того, перегородка воспринимала на себя напор жид­ кости, что позволяло получать капли на трубках боль­ шого диаметра с заданной скоростью роста.

Образование и отрыв капли

Наблюдения за образованием и ростом капли произ­ водились на нескольких жидкостях. Установлено, что для всех жидкостей характер образования и рост капель одинаковы. Если рассматривать уже идущий процесс образования капли, то после отрыва предыдущей капли на конце трубки остается «зародыш» будущей капли — часть жидкости в форме сферического конуса, основание которого покрывает всю торцовую поверхность трубки. При поступлении новых порций жидкости рост капли происходит вследствие увеличения размеров зародыша одновременно в осевом и радиальном направлениях. Однако в осевом направлении капля растет с большей скоростью, т. е. быстрее удлиняется. Рост капли в ради­ альном направлении происходит преимущественно в нижней конической части зародыша, расширяя ее и де­ лая каплю более тупой. Общий характер роста капли создает впечатление, что резиновая оболочка капли как бы заполняется тяжелой жидкостью. Стадии роста капли воды схематично показаны на рис. 4, а.

Наблюдения за ростом капли при введении в жид­ кость взвешенных частиц показали, что жидкость посту­ пает равномерно по всему торцу трубки; также равно­ мерно распределяется она по всему объему растущей капли. При этом отдельные части или струи потока жидкости внутри капли получают характерные завихре­ ния, но какой-либо закономерности в перемещении взве­ шенных в капле частиц не наблюдается. Скорее это хао­ тическое движение отдельных струй жидкости, как это схематично показано на рис. 4, б.

21

Поверхностный слон капли жидкости еще более не­ спокоен, чем объем ее. На поверхности капли наблю­ даются самостоятельные, не связанные с внутренними перемещениями струи жидкости впхреобразиые течения (рис. 4, б ). Центр этих течений в свою очередь переме­ щается по поверхности капли, преимущественно по эква­ тору. Скорость перемещения па поверхности зависит от самой жидкости и условий, в которых капля находится. Так, на капле воды и особенно масла движения жидко-

1

2

3

4

5

струіі потока жидкости внутри капли; в — завихрения, па поверхности капли

сти медленны и малозаметны, а на капле бензина — очень быстрые, и скорость их так велика, что визуально невозможно определить ее. Во всяком случае она боль­ ше 5—6 об/с.

Движения на поверхности капель воды и масла зави­ сят от температуры. Подогрев капли, осуществляемый снизу электрогрелкой, увеличивает скорость перемеще­ ния на поверхности капли тем больше, чем выше темпе­ ратура подогрева. При температурах, близких к кипе­ нию, скорость перемещения на поверхности капель воды была такой же, как и на поверхности капель бензина при нормальной температуре. При этом несколько уве­ личивается и скорость хаотического движения взвешен­ ных частиц внутри капли. Такое влияние нагрева указы­ вает, что движение на поверхности жидкости связано с испарением. Так как бензин заметно испаряется и при нормальной температуре, то и без дополнительного на­ грева движения на поверхности капли очень велики.

22

20—30 периодов в секунду. При анализе кадров уско­ ренной киносъемки капельного перехода А. В. Петров [7] обнаружил подобные явления деформации электрод­ ных капель в сварочной дуге. Несмотря на такую дефор­ мацию капель в полете, капли, собираемые в воду, име­ ли форму, близкую к шарообразной. Более правильную

верхним концом отделяется от маточной жидкости и в зависимости от свойств жидкости образует одну каплю меньшего размера, падающую вслед за основной каплей (вода), или несколько более мелких капель (бензин). Иногда одна из последующих капелек с силой отбрасы­ вается вверх и объединяется с маточной жидкостью. Для вязких жидкостей (глицерин) шейка перед обрывом кап­ ли образуют очень длинную пить, которая, отделившись, перемещается вертикально вниз. При этом длина нити уменьшается вследствие образования утолщений (шари­ ков) по концам ее. Подобные явления наблюдаются и в сварочной дуге [19].

Для наблюдения за образованием капли на моделях применялись трубки разного диаметра. Скорость обра­ зования капли регулировали подачей воды, а размер ка­ пель определяли путем сбора их в мензурку. Зная объем упавших капель и их число, вычисляли объем, вес и диа­ метр каждой капли, принимая шарообразную форму их. Образующаяся капля по форме заметно отличается от шарообразной, при этом диаметр трубки оказывает за­ метное влияние (рис. 5, а). Это объясняется тем, что основанием капли служит весь смоченный торец трубки независимо от ее диаметра. Диаметр же оторвавшейся капли в известной мере зависит от диаметра трубки. Масса G падающих капель определяется как поверхно­

где Е — величина, являющаяся функцией отношения объема капли к кубу радиуса трубки, значение которого берется из таблиц (см., например, [20]). В довольно широких пределах этого отношения (от 0,4 до 20)

24

£ = 0,25, уменьшаясь до 0,17 при увеличении отношения до 5000.

Размер падающих капель воды для трубок разного

Рис. 5. Форма образующихся капель: а — на трубках разного диа­ метра; 6 — при разных условиях образования (1 — нормальная; 2 — подогретая снизу; 3 — в парах)

Рис. 6. Зависимость массы (/) и диаметра (2) капли воды от диа­ метра трубки (/ — экспериментальная; 11 — расчетная)

25

ментальные размеры капель меньше расчетных. По-вн- днмому, можно принять, что для данной жидкости раз­ мер образующихся капель стремится к некоторому пре­ дельному значению н дальнейшее увеличение диаметра трубки не увеличивает размер капли.

Для воды предельный радиус капли составляет око­ ло 0,4 см. Очевидно, такой предельный размер капель существует и для других жидкостей, в частности для стали. Пользуясь уравнением (20), можно определить предельный радиус капли стали сравнением с каплей воды, приняв, что обе жидкости вытекают из трубок оди­ накового диаметра. Заменяя вес капли через ее объем, получаем радиус трубки

В этих уравнениях га и гс — радиус капель соответствен­ но воды и стали; ав, ас и ‘ув, ус — их поверхностные на­ тяжения и удельные веса.

Из экспериментальных данных видно, что при соот­ ветствующем диаметре прутка диаметр стальной капли может достигать 10 мм. Такую возможность проверяли экспериментально, 'применяя прутки малоуглеродистой стали марки Ст. 3 разного диаметра. В начале эксперн-

26

мента прутки расплавляли в косвенном пламени дуги, горящей между угольными электродами: один конец прутка опускали в пламя дуги и падающие капли соби­ рали в воду. Получены следующие результаты.

Эти данные показывают, что диаметр стальных ка­ пель может достигать величины порядка 10 мм. Для определения зависимости диаметра капли от диаметра электрода при расплавлении его в сварочной дуге сталь­ ные прутки, покрытые мелом, расплавляли при силе то­ ка, определяемой по уравнению.

/ = 50d3.

Расплавление электродов производили на обычной установке для сбора капель [5]. Получены следующие результаты.

Из приведенных данных видно, что в сварочной дуге наблюдается нормальное соотношение между диаметром прутка и капли и имеется возможность получать капли предельного размера. Однако количество капель пре­ дельного размера очень мало. Обычно образуются кап­ ли в 1,5—2 раза меньшего диаметра по сравнению с мак­ симально возможным. Такое явление можно объяснить тем, что увеличение диаметра электрода требует более мощной дуги. Это способствовало повышению темпера­ туры металла капель и испарению. Поверхностное натя­ жение уменьшалось, и образовывались более . мелкие капли. Уменьшение размера капель в дуге наблюдалось неоднократно [4, 7].

Следует отметить еще одну особенность этого явле­ ния — капли, собираемые в воду, внутри имели полость. Это результат как литейной и термической усадок, так и обильного выделения газов. Размер полости тем больше,.

27

чем больше диаметр капли. Газы, выделяющиеся внутри капли, могут выходить взрывообразно и разрывать кап­ лю, являясь одной из причин размельчения ее, увеличе­ ния разбрызгивания.

Поверхностное натяжение жидкости и размер капель

Из уравнения (20) видно, что при изменении величины поверхностного натяжения соответственно изменяется и

при заданной температуре Т и нормальной Т0\ do/dT — температурный коэффициент поверхностного натяжения. Для большинства жидкостей do/dT<0, т. е. поверхност­ ное натяжение уменьшается с повышением температуры, но для некоторых жидкостей, в том числе и для железа

(стали), da/dT>0.

Влияние температуры на размер переходящих ка­ пель исследовалось на водяной модели. На конце труб­ ки образовывали висящую каплю, которую с нижней ча­ сти подогревали накаленной спиралью. Температуру нагрева контролировали термометром, ртутный шарик которого располагали на том же расстоянии от нагретой спирали, что и каплю. Нагрев капли снизу вызывал свое­

уменьшении диаметра. Переход капли происходит свое­ образно: обычной шейки не образуется, а нижняя часть ее вытягивается, принимая коническую форму. В опре­ деленный момент внизу капли (в точке наибольшего на­ грева) как бы открывалось «отверстие», и жидкость вы­ текала через пего. При этом вес и общий размер падаю­ щей капли заметно снижались.

28

Если считать, что железо (сталь) имеет положитель­ ный коэффициент поверхностного натяжения [20 и др.], то повышение температуры металла будет сопровож­ даться увеличением поверхностного натяжения. Вследст­ вие этого капля примет грушеобразную форму, что иногда наблюдается [7]. Однако Г. И. Лесков [10] счи­ тает, что грушеобразность капли может произойти изза реактивного давления потока паров с активного

•пятна. С другой стороны, наличие активного пятна, повы­ шая температуру металла, способствует усилению паро­ образования. Поверхностное натяжение снижается, кап­ ли образуются более мелкие [4].

2. П а р ы ж и д к о с т и. Пары того же вещества, что и капли, снижают поверхностное натяжение жидко­ сти тем больше, чем выше насыщено ими пространство вокруг капель. Это очень важно для сварочного пламени,

парах эфира выявили во всех случаях одинаковую кар­ тину: по мере насыщения пространства, окружающего каплю парами, размер капли равномерно уменьшается (см. рис. 5, б) вплоть до мельчайших капелек, которые быстро покидали торец трубки. При известных условиях, по-видимому, можно создать очень частый струйный пе­ реход таких мелких капель. Наблюдающийся иногда струйный переход электродного металла при большой плотности тока на электроде напоминает подобное явле­ ние. Возможность струйного перехода электродного ме­ талла объясняется тем, что при большой плотности тока сильно повышается температура плазмы, вызывая интен­ сивное испарение металла электрода. Так как при данном режиме в единицу времени расплавляется постоянное ко­ личество металла, то мелких капель появляется больше, частота перехода их увеличивается, и они образуют «струю». Можно предположить, что наличие паров в сва­ рочном пламени является одной из причин невозмож­ ности образования капель предельного размера.

3. П о в е р х н о с т н о - а к т и в н ы е ве ще с т в а . Сни­ жая величину поверхностного натяжения, поверхностно­ активные вещества способствуют уменьшению размера переходящих капель. Наблюдения за каплями воды, в которую вводили поверхностно-активные вещества

29