Записка
.pdf
3 - тривалий вторинний струм, кА (на одному витку), 01 - реєстраційний
номер, УХЛ4 - вид кліматичного виконання.
2.2 Розрахунок охолодження катоду (електрод)
Тепловий потік термохімічний катод від катодної плями становить,
Вт: |
|
Рк = 0,45 · 4,48 · I + 600 · t, |
(2.1) |
де t – глибина кратера активної вставки, мм . |
|
Із аналізу експериментальних даних: t = 1,5 мм. |
|
Рк = 0,45 · 4,48 ·250 + 600 · 1.5 = 1656 Вт. |
(2.2) |
Величина дійсної густини теплового потоку на стінці катода , який |
|
охолоджується: |
|
qw = Рк /(2 · π · r²), |
(2.3) |
де r – радіус обойми катода: |
|
r = 13- 8 = 5 мм. |
(2.4) |
qw = 1656/(2 · π · 0,005²) = 10,54 МВт/м². |
(2.5) |
Коефіцієнт надійності охолодження приймаємо |
kох ≥ 3 … 4. Це |
зумовлено небезпекою переходу до плівкового режиму кпіння в разі
випадкових локальних теплових перенавантажень. |
|
|
||
qкр = kох · qw, |
|
|
|
|
qкр = 4· 10,54 · 106 = 42,16 МВт/м². |
|
(2.6) |
||
Визначається |
температура |
солевідкладення, |
яка |
визначає |
максимальну температуру води на виході із сорочки охолодження електродугової камери tвих. Якщо є температура на вході (20 °C) та виході, знаходимо перепад температур, °C:
Δtв = (tвих – tвх).
Для спрощення перепадом температур можемо задатися. Як правило це 3 – 4 °C. Задаючись перепадом температур у сорочці охолодження Δtв
Арк.
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
47 |
|
та тиском води p = (3…5) · 10 5 Н/м², визначаємо секундну витрату води необхідної для охолодження катода, кг/с:
Gв = Рк/(св · Δtв), |
|
де св = 4,18 · 10³ Дж/(кг·град.) – питома теплоємність води. |
|
Gв = 1656/(4180 · 3,5) = 0,113 кг/с. |
(2.7) |
Після цього розраховуємо середню температуру води, °C: |
|
tf = tвх + Δtв/2, |
|
tf = 20 + 3,5/2 = 21,8 °C. |
(2.8) |
Температура насичення, °C: |
|
tвn = 100 · (p · 10 -5 )¼ , |
|
tвn = 100 · (4· 10 5 · 10 -5 )¼ = 141,2 °C. |
(2.9) |
Величина недогріву води до температури кипіння (насичення), °C:
Δtn = tвn – tf, |
|
Δtn = 141,4 – 21,8 = 119,6 °C. |
(2.10) |
Далі визначаємо потрібну швидкість води в зазорі, м/с:
Vв = Vво · [qкр/(qво ·(1+B·Δtn))]².
Значення Vво, qво, В для даного тиску будуть такими:
Vво = 1,125 м/с;
qво = 1,24 · 10 6 Вт/м²;
В = 0,012 °C¯¹.
Vв = 0,125 · [42,16 · 10 6 /(1,24 · 10 6 · (1+0,012 · 119,6))]² = 24,35 м/с.
(2.11)
З´ясуємо, який режим теплообміну має місце при вибраному kох-
конвективний чи бульбашковий. Для цього порівняємо розраховану густину теплового потоку із густиною, яка відповідає початку кипіння.
Визначимо число Рейнольдса:
Rep = Vв · dg/ν,
де ν вибирається для дійсного tf [ @ ] .
ν = 102 · 10 -9 кг · сек./м².
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
Арк.
48
Для кільцевого зазору:
Dg = 2 · δв, м,
де δв- зазор, м. Величина його визначається як:
δв = Gв/(2 · π · rt · ρ · Vв).
Радіус rt ( радіус трубки, по якій підводиться вода ) вибираємо
з конст- |
|
|
руктивних міркувань: rt = 4 |
мм. |
|
δв = 0,113/(2 · π · 0,004 |
· 1000 · 24,35) = 0,0002 м. |
(2.12) |
За величину зазору вибираємо більшу цифру в мм, |
тобто δв = 1 мм. |
|
dg = 2 · 1 · 10¯³ = 2 · 10¯³ м. |
(2.13) |
|
Rep = 24,35 · 2 · 10-³/(102 · 10-9) = 477450,9. |
(2.14) |
|
Величина числа Рейнольдса визначає режим теплообміну.
При 8 · 10<Rep < 106 йде розвинена турбулентна течія.
Nup = aв · dg/λа = 0,023 · Rep 0,8 · Prр 0,4 (Prр/Prw) 0,25 · ε l,
де λа – теплопровідність рідини.
Індекси “р” і “w” показують, що фізичні властивості рідини вибираються за середньомасовими температурами рідини і стінки відповідно. Значення коефіцієнтів в´язкості ν, теплопровідності λа та числа Прандтля Рr в залежності від тиску і температури беремо із довідника.
ν = 102 · 10-9 кг · сек./м²; λа = 0,543 ккал/м · год. · град;
Рrр = 4,31;
Рrw = 1,3;
ε l – коефіцієнт , який враховує зміну середнього коефіцієнта тепловіддачі в залежності від довжини труби.
Довжина труби з конструктивних міркувань складає: l = 40 мм.
Тоді l/dg = 40/2 = 20 мм.
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
Арк.
49
З довідника [ @ ] визначаємо коефіцієнт ε l:
ε l = 1,06.
Отже:
Nup = 0,023 · 477450,9 0,8 · 4,31 0,4 · (4,31/1,3) 0,25 · 1,06 = 2061,1.
(2.15)
З рівняння для Nup , знаходимо коефіцієнт тепловіддачі – ав:
ав = Nup · λа/dg, |
|
aв = 2061,1 · 0,543/(2 · 10-3) = 5,6 · 105. |
(2.16) |
Температура стінки електрода tw залежить |
від режиму |
теплообміну, який реалізується біля стінки, яка охолоджується. Для того,
щоб його визначити, треба знайти величину густини теплового потоку,
яка відповідає початку кипіння qрк , тобто густини, при якій температура стінки дорівнює температурі кипіння (tw = tвn);
qрк = ав · (tвn – tf);
qрк = 5,6 ·105 · (141,4 – 21,8) = 66,9 · 106 Вт/м². qw = 10,5 · 106 Вт/м².
Якщо дійсна густина теплового потоку qw
температуру стінки tw слід визначити як:
tw = tf + ( qw/ав),
tw = 21,8 + (10,5 · 106 /(5,6 · 105 )) = 40.55 °C.
2.3 Розрахунок ресурсу роботи анода
Довжина ерозійної зони в гладкому циліндричному каналі визначається великомасштабним шунтуванням. При роботі на повітрі в діапазоні струмів від 100 до 500А та витрат газу (10-70)∙10-3 кг/с вона дорівнює 3-5d. Форму ерозійної поверхні електрода для простоти розрахунку представимо у вигляді різнобічного трикутника, основа якого дорівнює розмаху великомасштабного шунтування, а висота - допустимої виробленні товщини стінки електрода.
Арк.
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
50 |
|
Приймемо довжину ерозійної зони lер=4d, а глибину допустимої вироблення рівною hер=5∙10-3. У цьому випадку об’єм ерозійного матеріалу дорівнює:
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
V |
2 h |
d d |
|
h |
|
2 5 10 3 0,009 0,009 |
|
|
5 |
10 3 |
|
3,49 10 6 |
|
|
|||||||||||
ер |
ер |
|
3 |
ер |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
(2.18)
Для мідного електроду (ρа=8.9∙103 кг/м3), маса матеріалу, що уноситься дорівнює:
ma |
a Vер 8,9 103 3,49 10 6 |
0,031 кг |
(2.19) |
|||||||
При питомій ерозії мідного електрода, рівній: |
|
|||||||||
|
|
|
|
m |
5 10 10 кг/Кл |
|
|
|||
Gуд |
|
(2.20) |
||||||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
I a |
|
|
|
||
час роботи електроду складе: |
|
|
||||||||
a |
|
0.031 |
1.83 105 с або 50.7 годин. |
(2.21) |
||||||
|
|
|
||||||||
340 5 10 10 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Таким чином, час безперервної роботи плазмотрона визначається стійкістю (ресурсом) катода і анода 9.4 години.
2.4 Технологія виготовлення електродів для контактного
зварювання
В даний час основними способами виготовлення жароміцних мідних
сплавів є наступні [9]:
металургійне виробництво;
порошкова металургія;
електронно-променеве випаровування;
виготовлення біметалічних електродів методом дугової наплавки.
Розглянемо більш докладно кожний спосіб.
Арк.
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
51 |
|
Металургійне виробництво
Як показав багаторічний досвід виробництва жароміцних мідних сплавів, найбільше застосування знайшла плавка у вакуумних індукційних печах в графітових тиглях. На деяких підприємствах для отримання високоякісного металу використовують електрошлаковий переплав.
Принципова схема плавлення та лиття у вакуумних індукційних печах така:
мідь плавлять та перегрівають до 1300-1400°С з одночасною дегазацією,
потім вводять легуючі елементи у вигляді різних лігатур в залежності від складу сплаву. При відсутності напівнеперервного лиття зливки отримують наповнювальним литтям в чавунні, графітові або водоохолоджувані ізложниці.
Виготовлення виробів проводиться за схемами: лиття зливку — гаряче деформування — закалка — старіння або лиття зливку — закалка — старіння.
Обидві схеми в основному відносяться до електродів, які виготовляють точінням або з пруткової заготовки. У випадку виробництва електродів методом штамповки, процес виготовлення виконується по схемі: закалка — штамповка — старіння.
Багатоточкові зварювальні машини доцільно забезпечувати штампованими електродними насадками ковпачкового типу, конструкція якого дозволяє деформувати практично весь об’єм матеріалу.
Термічна обробка при виробництві дисперсійнотвердіючих сплавів
(закалка при Т=930-1000°С з охолодженням у воду та наступним старінням при Т=440500°С протягом 4...6 годин в залежності від складу металу)
дозволяє отримувати оптимальне поєднання механічних, фізичних та експлуатаційних властивостей.
Останнім часом у Фізико-технологічному інституті металів і сплавів НАНУ розроблений литий матеріал на основі міді, зміцнений дисперсійним включеннями, які формуються в рідкому стані (в області не змішування), що забезпечується введенням в рідку мідь 5...8% хромистого чавуну.
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
Арк.
52
Плавка проводиться в індукційній печі в графітовому тиглі під шаром деревного вугілля товщиною 75... 100мм з перегрівом розплаву до 1700-
1750°С та витримкою при цій температурі протягом 20...25 хвилин, яка супроводжується електромагнітним перемішуванням, що забезпечує інтенсивне засвоєння і рівномірний розподіл добавок в об’ємі розплаву,
охолодження розплаву до температури випуску (~1400°С) і витримка при цій температурі. Ковші з графітовою футеровкою підігріті до Т=600-700°С.
Заливання проводиться у графітові ливарні форми при температурі не нижче 950°С із наступним охолодженням у холодній воді. Формування дисперсійних включень ще в рідкому стані, а також інтенсивне охолодження розплаву в графітові форми і виливки у воді дозволяють отримати дрібнозернисту основу з дрібнодисперсними рівномірно розподіленими включеннями. Такий спосіб плавки дозволив виключити з технологічного процесу операції гартування деформації, відпуску та процесу пресування і волочіння, що значно зменшує вартість виробів із розробленого сплаву. Недоліком матеріалу, отриманого таким способом, є
його більш низькі фізико-механічні властивості.
Удосконалення складу жароміцного матеріалу, отриманого металургійним способом, і введення в розплав нанопорошкових тугоплавких , сполук, отриманих плазмохімічним методом дозволить, на наш погляд, підвищити фізико-механічні властивості та експлуатаційну стійкість жароміцного сплаву.
Порошкова металургія
Останнім часом замість литих дисперсійно-твердіючих сплавів все більше застосування знаходять дисперсійно-зміцнені композиційні матеріали (ДУКМ) на основі міді (з добавками тугоплавких окислів), які отримують методами порошкової металургії. Володіючи унікальним набором властивостей, таких як висока твердість, міцність,
електропровідність та, головне, зберігаючи ці якості при високих
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
Арк.
53
температурах, вони багаторазово підвищують стійкість зварювального інструменту.
Технологія отримання дисперсійно зміцненої міді складається з наступних основних етапів.
Вихідні порошки металу та окислу змішують в шаровому млині протягом 4...8 годин, пресуються в брикети потрібних розмірів, спікаються при 800-900°С у мікролегувальному середовищі, потім піддаються гарячій екструзії та холодному волочінню. На основі цієї технології в ІПМ НАНУ були розроблені матеріали з вмістом окислів алюмінію і цирконію до 10%, з
твердістю 130...200НВ і електропровідністю 70-82% від міді та температурою рекристалізації до 800°С. Проте ця технологія являється трудомісткою і не забезпечує зростаючих вимог зварювального виробництва.
Більш ефективним методом введення окислів в металічну матрицю є внутрішнє окиснення. Цей метод був реалізований компанією ОМС Americas (США) при розробці дисперсійно-зміцнених композиційних матеріалів Сu+А12Oз торгової марки GlidCop®.
Багато провідних автомобільних концернів і компаній в США,
Німеччині, і Японії, Іспанії та інших країнах світу успішно застосовують у масових об’ємах холодно штамповані електроди для точкового контактного зварювання, виготовлені з матеріалу GlidCop® А1-60. Цей матеріал перевершує інші існуючі матеріали за температурою рекристалізації, фізико-
механічними властивостями та експлуатаційною стійкістю.
Принципова технологія виготовлення необхідних виробів наступна.
Дисперсійно-зміцнена мідь у вигляді сплаву алюмінія й міді розпилюється в розплавленому стані в середовищі кисню. В процесі окиснення алюміній перетворюється в частинки окислу алюмінію. Діаметр частинки - біля 60А.
Така структура нано-ГКМ ДИСКОМ надає матеріалам цього класу надзвичайно високі температуру рекристалізації і жаростійкість, а також
Арк.
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
54 |
|
зносостійкість, якій також сприяє наявність в деяких типах мідних нано-ГКМ ДИСКОМ залишкового ультра дисперсного вуглецю.
Розроблені мідні дисперсійно-зміцнені композиційні матеріали нано-
ГКМ ДИСКОМ застосовуються в багатьох галузях техніки, а саме - в якості
І електроконтактних деталей зварювальної техніки (електроди контактного зварювання, струмопідводящі наконечники і т.п.), електричних контактів,
підшипників ковзання, направляючих втулок і сідел ковпаків ДВС та ін.
Матеріали виготовляються як у вигляді готових деталей, так і вигляді напівфабрикатів (прутків, труб, полос і т.п.). При виготовленні деталей,
застосовують різні методи механічної обробки (точіння, фрезерування шліфування, а також різні способи обробки металів тиском).
Електронно-променеве випаровування
Наприкінці 60-х - початку 70-х років в Інституті електрозварюваня ім.Є.О.Патона НАНУ було розроблено спосіб отримання металевих і неметалевих матеріалів шляхом високошвидкісного електронно-
променевого випаровування з наступною конденсацією у вакуумі. Завдяки цьому способу були розроблені конденсовані дисперснозміцнені матеріали
(КДУМ) марок МДК-1, МДК-2, МДК-3 на основі міді та молібдену. Вони мають високу твердість — 100...175НВ та електропровідність — 64...82% від міді. Головним достоїнством цих матеріалів є їх висока термічна стабільність
- температура рекристалізації (знеміцнення) досягає 1000°С. Вони можуть виготовлятися як з об’ємним розподілом молібдену, так і мікрошаровим
(шари міді і молібдену, що чергуються).
Враховуючи, що поки що виробляється плоский напівфабрикат товщиною А 5...7мм, його можна буде використовувати тільки при виготовленим біметалевого електроду (в якості робочого шару).
Арк.
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
55 |
|
Дугове наплавлення
В останні роки в ІЕЗ ім.Є.О.Патона проводились дослідження по розробці і технології виготовлення біметалевих електродів (для точкового контактного зварювання) методом дугового наплавлення неплавким електродом в середовищі захисного газу із застосуванням дослідних порошкових присадкових дротів. Наплавка проводилась на мідну заготовку в графітовий тигель. Попередні випробування таких біметалевих електродів при контакт- : йому точковому зварюванні оцинкованої сталі товщиною
0,5мм показали, що їх стійкість в 1,5...2 рази вища у порівнянні з широко застосовуваними в промисловості електродами з хромової та хромоциконієвої бронз.
З економічної точки зору перевага віддається застосуванню автоматичного наплавлення плавким електродом в середовищі захисного газу дротом суцільного перерізу, для чого необхідно оптимізувати склад такого дроту.
2.5 Технологічний процес виготовлення заготовок
В даний час значна увага приділяється енерго-і ресурсозберігаючих технологіям, серед яких значну роль відіграють лиття, вторинний переплав,
а також технологічні процеси термічної обробки з використанням залишкового тепла виливків. Стримуючими причинами отримання заготовок із застосуванням ливарних технологій є неоднорідність і пористість первинної структури. недоліком литих деталей є знижені фізико-
механічні властивості, обумовлені великокристалычною будовою,
структурною неоднорідністю і значною ліквацією, що виявляється в легованих сплавах, особливо в присутності елементів з малим коефіцієнтом розподілу.
Внаслідок цього комплексний підхід, що має багато факторів, які мають вплив на структурно-фазовий стан металевих систем в процесах
Зм. Арк. № документу |
Підпис Дата |
Арк.
56