книги из ГПНТБ / Чернявский И.Я. Износоустойчивые металлошлаковые трубы

Трудность определения Re шлаковых расплавов за­ ключалась в определении скорости потока ѵ, так как вопросы гидродинамики жидких шлаков исследованы, к сожалению, очень слабо. Для нахождения ѵ шлаково­ го расплава нами был предложен новый способ [46]; сущность его заключается в том, что шлак в жидком состоянии, являясь проводником второго рода, протекая по каналу заданного сечения, замыкает поочередно се­

рию контактов, расположен­ ных па одинаковых расстоя­ ниях друг от друга, и тем са­ мым последовательно выво­ дит одно за другим сопро­ тивления из цепи шлейфа осциллографа. При очеред­ ном выводе сопротивления из цепи скачкообразно воз­ растает сила тока, что фик­ сируется осциллографом; по­ лучается серия ступенчатых линий, ордината которых от­ ражает величину силы тока, а абсцисса — время прохож­ дения шлакового расплава между сопротивлениями. Зная таким образом время прохождения расплава и расстояние между контак­

тами, нетрудно подсчитать скорость его на каждом участке. Особенность измерения скорости движения шла­ кового расплава заключалась еще в том, что выводы контактов должны были находиться в ядре вязко-плас­ тичного потока, в котором поле скоростей по сечению постоянно.

Вязкость измеряли в диапазоне изменения темпера­ тур, соответствующему условиям прохождения шлаково­ го расплава по каналу исследуемой металлической фор­ мы, плотность — методом максимального давления в га­ зовом пузыре, который будет разобран ниже.

Даже в начале движения потока (у входа в канал) число Рейнольдса исследуемых шлаков значительно

меньше ReKp (на 2—3 порядка), что говорит о ярко вы­ раженном ламинарном течении шлаковых расплавов. На большем расстоянии от начала входа это значение еще меньше. Нами же показано, что скорость движения ис­ следуемых шлаковых расплавов прогрессивно уменьша­ ется со временем, и ни на одном участке мы не наблю­ даем установившегося движения (рис. 11).

Знание параметров движения расплава позволяет определять потерн за счет гидравлических п местных со­ противлений. Коэффициент гидравлических потерь А при ламинарном потоке не зависит от шероховатости канала и определяется формулой Пуазейля: А = 64 : Re. Коэф­ фициент местных потерь g зависит не только от вида

Жидкотекучесть шлаковых расплавов

Согласно А. А. Горшкову [48], жидкотекучесть — свойство жидкого расплава, способного более или менее совершенно заполнять форму и давать после затверде­ вания на поверхности отливки отпечатки всех рельефов формы. Следовательно, это свойство литейных сплавов проявляется только в процессе заполнения формы.

Жидкотекучесть имеет большое практическое значе­ ние для литья изделий. По данным изменения величины жидкотекучести шлаков в зависимости от температуры можно не только выбирать тепловые режимы заполне­ ния формы, но и косвенно определить степень перегрева расплава. Величина жидкотекучести оказывает влияние на характер брака отливок (усадочные раковины и рых­ лоты) и на оптимальные размеры литниковых систем. Наконец, по величине изменения жидкотекучести от тем­ пературы расплава можно найти оптимальное сотношение между температурой заливки, толщиной стенки и скоростью охлаждения. Таким образом, жидкотекучесть является важным обобщающим показателем при иссле­ довании литейных свойств шлаковых расплавов.

Из работ по определению жидкотекучести шлаков обращают на себя внимание исследования Б. П. Сели-

ванова [49], Я. А. Смоляницкого [50], Серебриера и Штейнберга [51], а также Г. Ф. Тобольского [52]. Кста­ ти, Б. П. Селиванов и Я- А. Смоляницкнй изучали ско­ рее текучесть шлаков, а не жидкотекучесть. Эти два понятия далеко не синонимы, хотя в литературе (напри­ мер, [53] ) они нередко отождествляются.

Текучесть, как известно, является величиной обрат­

ной вязкости ер = —. Таким образом, ф, как и і], является

л

свойством данного расплава, имеющим определенный физический смысл и служит мерой внутреннего трения жидкости. В то же время жидкотекучесть, как это мы выяснили выше, отражает способность шлакового рас­ плава заполнять форму. Поэтому ома не имеет строгого физического смысла и зависит от многих факторов, ко­ торые, как было нами установлено [54], можно условно разбить на три группы:

а) свойства заливаемого расплава (вязкость, плот­ ность, химический состав, поверхностное натяжение, температура начала и конца затвердевания, теплоем­ кость, теплопроводность и т. п.);

б) условия заполнения формы (температура залив­ ки, гидростатический напор струп, температура перегре­ ва и т. п.) ;

в) свойства самой формы (материал, газопроница­ емость, влажность, условия теплообмена между формой и расплавом и др.).

Вследствие сложности расчетно-теоретического опре­ деления (в связи главным образом с отсутствием полной теплофизической и гидродинамической картины явления) жидкотекучесть мы изучали экспериментальным путем с помощью технологической пробы. В данном случае использовали спиральную пробу, так как она хорошо удовлетворяет требованиям, предъявляемым ко всем технологическим формам, обеспечивает чувствитель­ ность, которая характеризуется абсолютной величиной изменения показателей под влиянием изменения какоголибо фактора, компактность и надежность. Жидкотеку­ честь измеряли по длине затекания шлака в канал се­ чением 12X12 мм и диаметром входного отверстия 30 мм, выполненном в металлической форме.

при сопоставлении графиков (ка рис. 13). Как видно, одним и тем же методом — выпрямлением кривых т] (Г)

ях получены пересечения прямых в точках, соответ­ ствующих температурам начала кристаллизации шлаков. Если бы жидкотекучесть не оказывала влияния на вязкость, то такой закономерности не наблюдалось бы.

С)

Рис. 13. Зависимость двойного логарифма вязкости (а) и двойного логарифма жидкотекучести (б) от температуры (обозначения те же, что и на рис. 12)

Это хорошо видно и по исследованиям зависимости скорости движения шлаковых расплавов от расстояния до начала канала (см. рис. 11); изменение вязкости

заметно влияет на скорость и режим движения рас­ плава.

Как было показано ранее [55], химический состав шлаков изменяет жидкотекучесть. Так, FeO н СаО, как правило, повышают ее, SiÖ2 и А120 3 — снижают. Как видим, характер влияния этих окислов аналогичен их влияниям на вязкость [56], что еще раз подтверждает тесную связь жидкотекучести н вязкости.

Изучение влияния температуры формы на жидкоте­ кучесть показывает (рис. 14), что возрастание темпера­ туры кокиля увеличивает жидкотекучесть лишь до опре­ деленного предела, после которого она не изменяется H даже имеет тенденцию к уменьшению. При этих тем­ пературах, как будет далее показано, заметно увеличи­ вается адгезионное взаимодействие на поверхности ме­

рийных слоев шлакового потока к форме резко сужива­ ется живое сечение струи, особенно на конце потока, температура которого ниже. Отсюда следует, что нагрев кокиля выше определенной температуры с точки зрения улучшения заполняемости теряет всякий смысл. При этом, однако, надо учитывать влияние температуры формы и на другие свойства шлаков, например на склонность к трещиноватости, фазовый и минералогиче­

ский составы и др.

Исследование влияния величины гидростатического напора на жидкотекучесть показало, что, как правило,

Силикатные расплавы, в том числе шлаки, хорошо смачивают металлическую поверхность (по крайней ме­ ре в окислительной атмосфере). В этом случае распро­ страненной характеристикой смачивания является тер­ модинамическая величина — энергия адгезии Wa, оцени­ ваемая часто по методу лежащей капли [57], если из­ вестно поверхностное натяжение расплава а. В этом случае справедливо выражение

\ѴЯ= з (1 + cos Ѳ).

Поверхностное натяжение шлакового расплава может быть рассчитано по одному из описанных ранее методов. Угол Ѳ определяется геометрическими размерами лежа­ щей капли [58] с последующим его расчетом пли непо­ средственным определением [59—61].

При изготовлении литьем двухслойных металлошла­ ковых изделий в большинстве случаев не создается ус­ ловий для установления равновесия на поверхности со­ прикосновения металл — шлак, поэтому оценка по \Ѵа может быть принята как предельная, к которой стре­ мится энергия связи между металлом и шлаком при их

ристикой адгезии для решения технических задач явля­ ется адгезионная прочность, определяемая как удель­ ная сила отрыва материалов по плоскости спайности [62, 63]. Для этого в условиях, определяемых техноло­ гией изготовления изделии или особенностями адгезии разнородных материалов, готовили образец, который затем испытывали на установке, позволяющей создавать

силикатных стекол с металлами [64, 66], для соедине­ ния этих материалов и испытания полученных образцов используется одна и та же установка.

Нами применена установка, на которой совместно осуществляются получение образца и его испытание [67]. Образец силиката 3 (рис. 16) устанавливали на подставку 1, сверху к нему микровинтом 6 подводили до соприкосновения металлический стержень 4, связанный с динамометром 5. Последний регистрирует давление, прикладываемое к образцу, и силу отрыва при испыта-

Рис. 16. Схема установки для определения прочности сцепления металла с силикатами

/ — подставка; 2 — нагревательная печь; 3 — образец силиката; 4 — металлический стержень; 5 — индикатор силы; 6 — мнкровнит; 7 — автотрансформатор; 5 — мил­ ливольтметр с термопарой

нии, которые создаются микровннтом. Образец силика­ та адгезирует как к подставке, так и к металлическому стержню. Если поверхность соприкосновения образца с подставкой больше, чем с металлическим стержнем, то вероятность отрыва его от подставки будет значитель­ но меньше и, таким образом, будет регистрироваться адгезионная прочность силиката с металлом. До задан­ ной температуры образец нагревали в печи 2 с плати­ новым нагревателем 1, позволяющим выдерживать за­

ственно под ним, включенной на электронный потенци­ ометр 8. Регулировали температуру с помощью авто­ трансформатора 7.

Для испытаний применяли пластинки пз шлака тол­

плотного контакта с прижимаемым металлическим стержнем по всей поверхности в большинстве случаев не требуется, так как при изучаемых температурах не­ ровности и шероховатости сглаживаются за счет пла­ стической деформации. Пластинку устанавливали на подставку и подводили к ней металлический стержень, температуру в печи доводили до заданной, вводили стержень в соприкосновение с образцом и после вы­ держки при постоянном давлении его отрывали.

Устанавливать адгезионную прочность методом от­ рыва можно при определенной температуре «прилипа­ ния» [66] силиката к металлу, которая характеризуется

испытания. Для многих силикатных стекол при давлении 20 • ІО3 н/м2 и выше и времени выдержки 2 мин темпе­ ратура прилипания составляет 550—650° С [64—66]. Расхождения в значениях температуры прилипания, вызываемые изменением состояния металлической по­ верхности (от необработанной через грубую до полиро­ ванной, а также окисленной), невелики. Отмеченное понижение температуры прилипания с повышением чи­ стоты поверхности составляет 10—20°, а для некоторых

фитным порошком и т. д., вызывает повышение темпе­ ратуры прилипания на 70—100° [64, 66].

Іемпература прилипания при определенных давле­ нии и времени соприкосновения определяется вязко­ стью стекломассы и не зависит от поверхностного натяжения. Например, при давлении 15 • ІО3 н/м2 и вы­ держке в течение 2 мин в соприкосновении lg т) =9,65 + +0,15 (н-сек/м2) . В комбинации стекло — стекло темпе­ ратура прилипания близка вязкости начала спекания и термической деформации стекла. Температура прилипа-

иия стекла сильно зависит от давления при соприкос­ новении (рис. 17), а также времени выдержки. Вяз­ кость прилипания для некоторых силикатных стекол опи­ сывается выражением [68]

lg т, = 0,135 lg Р - І-1,10 Ig-с Ч- 6,08,

где ц — вязкость в я- сек/лР; Р — прижимное давление в н/м-; т — время в сек.

Рис. 17. Изменение температу­ ры прилипания стекла с давле­ нием (шлак ММК)

Температура прилипания шлаков ММК и БГМК, а также силиката мелплитового состава, определяемая на­

стекол. Эти температуры характерны для стекловидно­ го состояния шлаков. Закристаллизованные шлаки адгезируют лишь, начиная от температур, близких к на­ чалу их плавления. Например, кристаллический шлак ММК проявляет заметные адгезионные свойства только

(рис. 18). Даже в этом случае адгезию кристаллическо­ го шлака следует рассматривать как проявление взаимо­ действия с металлом остаточного высокотемпературного стекла. С появлением на поверхности раздела металл — шлак жидкой фазы оценка адгезии по прочности сцеп­ ления становится непоказательной.

Для понимания роли адгезии в технологии получе­ ния металлошлаковых изделии, особенно при их отжи­ ге, имеет определенное значение абсолютная величина прочности сцепления и характер изменения ее с темпе-

Рис. 18. Адгезия шлака /ѴШК

кметаллу в зависимости от

температуры граничной зоны

ратурой. Начиная с температуры прилипания, адгези­ онная прочность резко возрастает, достигая определяе­ мого условиями опыта максимального значения (рис. 19).

Т ем п ература, °С

Рис. 19. Прочность сцепления стекловидного шлака /ѴШК с ме­ таллом (сталь Ст.З) при различном времени соприкосновения

С дальнейшим повышением температуры на регистри­ руемую этим методом величину сгаДг сказываются пла­ стические свойства шлака. Если шлак не склонен к кристаллизации, регистрируемая величина сгаДг падает