Электрошлаковый переплав стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Изложите сущность электрошлакового переплава, каковы его достоинства и перспективы развития. Приведите схему получения стали путем электрошлакового переплава. Области применения получаемой стали

металлургия электрошлаковый переплав сталь

В связи с возрастающими требованиями к качеству выплавляемой стали широкое применение получили внепечное вакуумирование, рафинирование стали синтетическими шлаками в ковше. Сталь особо высокого качества выплавляют в вакуумных электрический печах, путем электрошлакового, плазменного переплава. Внедоменные способы производства стали - одно из перспективных направлений развития металлургии.

Переплавляемый (рафинируемый) металл подается в установку в виде расходуемого электрода и плавится в слое шлака, нагретого до температуры 1700--2000°С. Проходя через слой шлака, мелкие капли металла рафинируются. Под слоем шлака накапливается жидкий металл, постепенно заполняя весь кристаллизатор-изложницу. Затвердевший слиток опускают вместе с поддоном и устанавливают новый поддон для последующей плавки. Для переплава используют переменный ток (около 20 А на 1 мм диаметра электрода) с рабочим напряжением 45--60 В.

Переплавляемые электроды представляют собой кованые или катаные прутки (штанги) круглого или квадратного сечения из рафинируемой стали, обычно выплавленной в электродуговых печах.

Электрическая цепь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Жидкий шлак электропроводен, но обладает высоким сопротивлением, он нагревается до температуры 1700--2000°С, в результате чего погруженный в него конец расходуемого электрода оплавляется, и сталь в виде капель проходит через слой шлака и застывает в ванне кристаллизатора в виде плотного слитка.

Флюс для возбуждения, состоящий из смеси алюминиево-магниевого порошка с калиевой селитрой (KN03) и добавок, обладает высокой электропроводностью в твердом состоянии. Рабочий флюс представляет собой смесь CaF2 с добавками CaO, Al2О3, SiO2 и т. д. При его расплавлении образуется шлак, являющийся электрическим сопротивлением. В шлаке генерируется тепло, обеспечивающее расплавление металла, и протекают процессы рафинирования.

Проходя через шлак, капли металла очищаются от серы, в них снижается содержание неметаллических включений, в кристаллизаторе образуется плотный качественный слиток.

Оборудование электрошлакового переплава проще и дешевле, чем при ВДП (вакуумно - дуговом переплаве). Это обусловило широкое распространение этого вида переплава. Процесс электрошлакового переплава был разработан в институте электросварки им. Е.О. Патона. Практическое распространение метода ЭШП началось в 1958 г. на металлургическом заводе "Днепроспецсталь" в Запорожье.

Электрошлаковый переплав получил большое распространение. Появился специальный термин "электрошлаковая технология" (ЭШТ), имеющая ряд разновидностей: "электрошлаковое литье" (ЭШЛ), "центробежное электрошлаковое литье" (ЦЭШЛ) и т.д. На установках одних типов переплав осуществляют с расходуемым электродом, на установках других типов -- с нерасходуемым электродом.

Сущность процесса остается при этом неизменным: капли металла проходят через слой жидкого шлака (через шлаковую ванну). Нерасходуемые электроды, используемые для поддержания требуемой температуры в шлаковой ванне, бывают графитовые или металлические водоохлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли металла попадают или в кристаллизатор или в огнеупорный тигель. В последнем случае установки называются "установками с керамическим тиглем".

Для производства стальных слитков обычно используют процесс с расходуемым электродом и охлаждаемым кристаллизатором. Расходуемые электроды получают, выплавляя предварительно сталь нужного состава в обычном сталеплавильном агрегате (чаще -- в дуговой сталеплавильной или мартеновской печи) и разливая его на слитки или непрерывно литую заготовку. Для получения расходуемых электродов необходимых размеров (по сечению) слитки могут подвергаться прокатке или ковке. Получаемые электрошлаковые слитки имеют обычно развес до 5--6 т. В отдельных случаях (например, при получении заготовок для последующего изготовления роторов турбин электростанций) отливаются электрошлаковые слитки массой 60 т и более. В СССР была разработана специальная электрошлаковая технология, позволяющая отливать слитки массой до 300 т.

Большие слитки массой 200-300 т (для роторов турбин, валов судовых двигателей и т.п.) выплавляют редко, и металлургическим заводам нерационально иметь у себя крупные агрегаты для того, чтобы использовать их несколько раз в году. Поэтому для производства сверхкрупных слитков был создан способ, получивший название способа порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО), представлен на рисунке 1.1.

В отличие от обычного электрошлакового переплава, основанного на переплаве расходуемых электродов, способ ПЭШО предусматривает получение слитков непосредственно из жидкого металла. В водоохлаждаемой изложнице с помощью нерасходуемых электродов расплавляется смесь шлакообразующих компонентов. При этом в изложнице образуется слой жидкого шлака (шлаковая ванна), обладающий высокой рафинирующей способностью (рис. 1.1.а). Через слой шлака заливают первую порцию стали, полученной в печи, емкость которой равна части емкости изложницы. При заливке металла погруженные в шлак электроды автоматически поднимаются (рис. 1.1.б). После заливки первой порции металла производят электрошлаковый обогрев зеркала металла. Подводимая мощность должна поддерживать его жидким по всему сечению изложницы. При этом залитая сталь постепенно затвердевает в направлении снизу вверх и к моменту заливки следующей порции металла под слоем жидкого шлака остается небольшой объем жидкого металла (рис. 1.1.в). Сталь следующей порции аналогичным образом заливают в изложницу, и он смешивается с остатком жидкого металла первой порции (рис. 1.1.г). Этот процесс повторяют несколько раз до заполнения всей изложницы. После заливки последней порции металла постепенно снижают электрическую мощность, подводимую к шлаковой ванне, т.е. предотвращают образование усадочной раковины в головной части слитка (рис. 1.1.д).

Интенсивная обработка металла рафинирующим шлаком обеспечивает высокую чистоту слитка металла по сере и неметаллическим включениям. Направленная снизу вверх последовательная кристаллизация металла в изложнице при постоянном наличии сравнительно небольшого объема жидкого металла и высокого градиента температур в металлической ванне ограничивает развитие в слитке зональной ликвации и исключает образование в нем дефектов усадочного и ликвационного происхождения.

Преимуществом способа порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО) является также возможность получения слитков практически неограниченной массы при наличии сталеплавильного агрегата сравнительно малой емкости. Например, слиток массой 200 т можно отлить способом последовательной заливки в изложницу четырех-шести плавок, полученных в дуговой электропечи (или ином агрегате) емкостью всего 35-50 т.

Другим технологическим приемом, позволяющим получать высококачественные крупные слитки, является технология, названная "электрошлаковый переплав с расходуемым электродом". При данной технологии у отлитого по обычной технологии крупного слитка удаляется осевая зона, в которой сталь обычно поражена дефектами вследствие ликвации вредных примесей, неметаллических включений, скопления газов и т.п. Затем образовавшуюся таким образом полость в слитке путем электрошлакового плавления заполняют доброкачественным металлом.

Разновидностью электрошлакового переплава является электрошлаковая отливка (ЭШО), при которой жидкая сталь заливается в водоохлаждаемые кристаллизаторы через слой жидкого шлака и кристаллизация протекает при электрошлаковом обогреве головной части слитков. Другой разновидностью электрошлакового переплава является электрошлаковое литье (ЭШЛ), в процессе которого происходит электрошлаковое плавление расходуемого электрода, а переплавленная сталь приобретает форму внутренней поверхности кристаллизатора или формы. Сечение формы может быть переменным. При ЭШЛ широко используется прием закладки деталей с последующим их приплавлением к основной части отливки в процессе переплава расходуемого электрода.

В отличие от ЭШЛ сущность метода центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) заключается в расплавлении и накоплении металла электрошлаковым способом с последующей заливкой этого металла во вращающуюся форму. Чистота металла, прошедшего рафинирование жидким шлаком, и своеобразные условия кристаллизации этого металла во вращающейся форме обеспечивают высокое качество получаемых заготовок, что позволяет использовать их для изготовления деталей самого ответственного назначения.

Успехи электрошлаковой технологии вызвали к жизни многочисленные предложения об организации электрошлакового переплава кусковых материалов (например, стружки), металлизованного сырья (например, металлизованных окатышей) и т.п. В этом направлении ведутся интенсивные исследования. Исследования ведутся также по разработке электрошлаковой технологии получения ферросплавов (ферротитана, феррованадия). При этом в качестве сырья используются титановая и железная губки, пятиокись ванадия и т.п. Исследуется также возможность организации процесса дугового электрошлакового переплава (ДШП), при котором сталь расходуемого электрода плавится за счет тепла электрической дуги, горящей в промежутке электрод--поверхность жидкой шлаковой ванны, а капли металла электрода, проходя через слой шлака, накапливаются в нижней части кристаллизатора и, затвердевая, образуют однородный слиток.

Недостатком электрошлакового переплава является невозможность организовать в открытом агрегате удаление водорода. В связи с этим широкое распространение получили дуплекс-процессы ВИП - ЭШП (вакуумная индукторная плавка и электрошлаковый переплав) и ЭШП - ВДП (электрошлаковый переплав и вакуумно - дуговой переплав).

2. Укажите причины появления трещин в отливках. Перечислите виды трещин. Меры их предупреждения и коробления отливок

Трещины в отливках образуются в результате внутренних напряжений. Эти напряжения появляются вследствие неравномерной усадки отливок, наличия в отдельных местах отливки сил, противодействующих усадке. Причины возникновения этих сил:

- неодинаковая скорость остывания различных частей отливки (тонкие части охлаждаются быстрее, чем толстые);

- затрудненная усадка из-за недостаточной податливости формы и стержней.

Коробление отливок - это искажение формы изделия вследствие действия внутренних напряжений, вызванных неравномерным нагревом или охлаждением, деформацией или фазовыми превращениями сплава.

Трещины в отливках бывают горячие и холодные.

Горячие трещины -- разрывы в стенках отливки, имеющие значительную ширину и небольшую протяженность. Образуются при высокой температуре и имеют темную окисленную поверхность. Трещины могут возникать в случае недостаточной податливости стержней и отдельных частей формы, ранней выбивки отливки из формы.

Формирование подобного рода дефектов можно представить в виде цепочки причинно-следственных связей в процессе изготовления детали:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Существуют несколько способов ликвидации горячих трещин, заключающихся в понижении температуры заливаемого металла, использование облицовочной смеси с повышенным коэффициентом теплоаккумуляции, использовании охлаждающих ребер и др. Наиболее распространенным приемом являются используемые на ряде заводов охлаждающие ребра жесткости. Ребра выполнены в виде углублений на вершине выступающего угла формы и входят в контакт с линией образования горячей трещины. Рёбра небольшой толщины (обычно 0,1-0,3 толщины стенки отливки) быстро затвердевают и, обладая большей прочностью, принимают на себя значительную часть напряжений. Правильно применённая система рёбер в напряжённом месте отливки, значительно упрочняет место образования горячей трещины, что снижает опасность возникновения дефекта. Наиболее эффективно применение рёбер проявляется при использовании их в отливках из стали с пониженной трещиноустойчивостью. Охлаждающее ребро полностью затвердевает и способно выдержать значительные напряжения, вызванные процессом усадки металла. В это же время термический узел затвердевает не полностью.

Холодные трещины -- сквозные и несквозные разрывы в стенках отливки, небольшой ширины и значительной длины.

Образуются при охлаждении стальных отливок ниже интервала температур 620--650°С и чугунных ниже 400--650°С, когда в их материале преобладают упругие свойства. Имеют неокисленную поверхность. Причиной образования холодных трещин является усадка сплава, приводящая к большим внутренним напряжениям.

Характерные особенности:

- слабо заметное нарушение целостности отливки, большей частью со светлой, зернистой, часто цвета побежалости поверхностью излома;

- обычно имеют правильные очертания, так как при их образовании разрушение происходит по зернам, а не по их границам; ширина их обычно незначительна, так как пластичность сплавов в период их образования мала и возможности для деформации отливки ограничены;

- образуются в зоне растягивающих напряжений и располагаются преимущественно в острых углах и других местах концентрации напряжений; причиной образования являются остаточные напряжения, возникающие в отливке при ее охлаждении.

На образование холодных трещин могут оказывать влияние также и временные температурные напряжения. Разность температур в охлаждающейся отливке возникает из-за сложности формы и приводит к возникновению временных температурных напряжений сжатия и растяжения в разных частях отливки.

3. Технология прокатки бесшовных труб от слитка до готовой продукции, применяемое оборудование, выполняемые операции

Все трубопрокатные станы можно подразделить на три группы: прошивные, раскатные и отделочные.

Прошивные станы бывают с бочковидными, грибовидными и дисковыми валками. Прошивной стан с бочковидными валками имеет два рабочих валка с двойной конусностью диаметром от 450 до 1000 мм. Оба валка расположены в горизонтальной плоскости, причем их оси в вертикальной плоскости наклонены друг к другу на угол, который можно регулировать от 5 до 18° и более (угол подачи).

При прошивке круглой заготовки оба валка вращаются в одном направлении. Для удержания металла в очаге деформации имеются две направляющие линейки, расположенные в вертикальной плоскости, или два неприводных ролика.

Заготовка, поступающая в валки, совершает сложное, вращательное и поступательное движение (вследствие наличия угла подачи).

При винтовой прокатке в валках с двойным конусом в металле возникают растягивающие и касательные напряжения, причем растягивающие радиальные напряжения достигают значительных величин и вызывают образование полости сравнительно небольшого диаметра, с неровными стенками. Для получения внутреннего отверстия нужного диаметра и с ровной поверхностью прокатку проводят на оправке -- конусообразном инструменте, устанавливаемом на конце стержня между валками на пути движения заготовки. Стержень с оправкой устанавливают в специальном упоре. При движении вперед заготовка надвигается на оправку -- прошивается, при этом происходит расширение и выравнивание прошитого отверстия.

На рис. 3.1. показана схема расположения узлов прошивного стана, который состоит из двух рабочих валков 1, соединенных с шестеренной клетыо 2 и электродвигателем 3 с помощью соединительных шпинделей 4. Между шпинделями устанавливаются толкатель 5 и направляющий желоб 6. В специальном упоре с замком 8 крепят стержень 7 с оправкой на конце. Для приема прошитой гильзы установлен рольганг 9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Заготовку для такого стана, обычно круглого сечения, нагревают в методических печах, откуда ее выдают на рольганг. С рольганга заготовка поступает в приемный желоб, по которому с помощью толкателя подается в валки прошивного стана. При выходе из валков гильза находится на стержне и снимается со стороны его заднего конца после открытия замка.

Толстостенные гильзы, полученные на различных прошивных станах, прокатывают в тонкостенные трубы в горячем состоянии на раскатных станах -- пилигримовых, автоматических, непрерывных и трехвалковых. Название трубопрокатного агрегата определяется типом раскатного стана, например, трубопрокатный агрегат с автоматическим станом.

Пилигримовый стан состоит из двухвалковой клети и подающего механизма. Направление вращения валков в этом стане противоположно движению заготовки. Металл обжимается в калибре переменного сечения только за полуоборот валков. В следующий полуоборот заготовка проходит между валками без обжатия.

Рабочий процесс прокатки труб на пилигримовом стане состоит в следующем: в поступающую с прошивного стана толстостенную гильзу пропускают оправку подающего механизма, причем длина оправки больше длины гильзы. Гильза вместе с оправкой медленно перемещается подающим механизмом к валкам. Как только металл достигает валков, зев калибра захватывает часть гильзы и обжимает ее своей рабочей частью. Во время прокатки валки стремятся вытолкнуть гильзу с оправкой назад, однако этому препятствует подающий механизм. Более того, сам механизм с малой скоростью непрерывно движется вперед. Конец оправки связан с поршнем пневматического цилиндра. После полуоборота валков гильза выходит из рабочей части калибра и становится свободной. В течение следующего полуоборота приведенный в движение поршень быстро толкает вперед оправку с гильзой, которые при этом движении поворачиваются относительно их продольной оси на 90°, и затем валки захватывают новую часть гильзы. Подающий механизм в течение одного оборота валков перемещается вперед на расстояние от 8 до 25 мм. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет прокатана вся гильза. По окончании прокатки валки разводят и подающий механизм обратным ходом вытягивает оправку из трубы.

Внутренний диаметр раскатанной трубы практически равен диаметру оправки, а ее наружный диаметр -- диаметру калибра. На периодических станах можно получать трубы с наименьшим наружным диаметром 45 мм. Для получения труб меньших размеров трубы с периодического стана передают на редукционный или волочильный станы.

Горячая прокатка бесшовных труб на установках с автоматическим станом

Автоматические раскатные станы являются наиболее распространенными для прокатки бесшовных труб; они обеспечивают вытяжку, равную 1,2--2 в зависимости от размеров труб.

Технологический процесс прокатки состоит из двух основных операций:

- прошивка круглой катаной заготовки в гильзу;

- прокатка гильзы в готовую трубу.

Диаметр заготовки для большинства труб близок к наружному диаметру готовой трубы. В настоящее время заготовку для производства бесшовных труб прокатывают из слитков спокойной высококачественной стали массой 9,0--10,0 т. Слитки подвергают обжатию на блюмингах и без промежуточного нагрева подают на трубозаготовочные станы, где и прокатывают в заготовку круглой формы. Затем такую заготовку разрезают пилами горячей резки на мерные длины и после охлаждения тщательно обрабатывают ее поверхность.

Только после удаления поверхностных дефектов круглая заготовка снова нагревается до температуры 1180--1200° С в печах (кольцевых или с наклонным подом) и выдается к приемному желобу перед прошивным станом. В валки прошивного стана заготовка подается толкателем.

Прошивку (в грибовидных валках) осуществляют на водоохлаждаемой оправке. Полученная гильза передаются по наклонному стеллажу к автоматическому двухвалковому стану, с диаметром валков 630--1000 мм и постоянным направлением их вращения; перед станом возможен подогрев гильзы. На бочке валков автоматического стана имеется ряд круглых калибров. При работе стана верхний валок перемещается двигателем в вертикальном направлении.

Перед автоматическим станом имеются приемный желоб и вталкиватель. Прошитая гильза попадает в приемный желоб и вталкивается в определенный калибр валков, в который вставляется оправка на длинном стержне, соответствующем длине раската готовой трубы.

Прокатку труб на автоматическом стане, как правило, осуществляют за два прохода. После каждого прохода труба передается на переднюю сторону роликами обратной подачи, которые находятся на задней стороне стана.

После автоматического стана прокатанная труба подается в раскатные машины (раскатные станы), на которых:

- улучшаются ее внутренняя и наружная поверхности;

- устраняется разностенность;

- увеличивается диаметр на 5--7 мм;

- устраняется овальность.

Для придания трубе хорошей поверхности валки раскатного стана делаются из закаленного чугуна. Обычно с одним автоматическим станом работают два раскатных.

После раскатного гильза подается на окончательную отделку в калибровочный стан, состоящий из клетей, расположенных под углом 45° последовательно. Валки калибруются таким образом, что первые клети имеют круг с развалом, а последняя - точный круг. Представляется возможным уменьшить диаметр круга на 3--7 мм; соответственно увеличится длина трубы.

Технологический процесс производства бесшовных труб

В настоящее время для установок с автоматическим станом принята следующая единая технологическая схема:

1) нагрев круглой катаной заготовки в кольцевой печи с вращающимся подом;

2) прошивка круглой заготовки на прошивном стане и получение толстостенной гильзы;

3) прокатка гильзы в трубу на автоматическом стане;

4) раскатка трубы на раскатном стане с целью устранения разнотолщинности стенки по ее длине;

5) горячая калибровка трубы по диаметру в калибровочном стане;

6) охлаждение трубы;

7) холодная правка трубы в косовалковом правильном стане.

Трубная круглая катаная заготовка поступает на склад трубопрокатного цеха. После предварительной подготовки поверхности каждая заготовка взвешивается на весах и далее по наклонной решетке со шлепперами подается к загрузочной машине кольцевой печи. В кольцевой печи заготовка нагревается до температуры 1230--1280°С. Кольцевая нагревательная печь представляет собой форму замкнутого пустотелого кольца, образуемого внутренней и наружной стенками, сводом и подом.Горелки расположены на наружной и внутренней стенках печи. Печь разделена на четыре зоны: подогревательную, нагревательную, сварочную и томильную. Подвесной свод, наружные и внутренние стены печи -- стационарные, а под вращается вокруг геометрического центра печи со скоростью 1,5 м/мин.

Вследствие вращения пода печи заготовка перемещается от окна загрузки к окну выдачи, проделывая путь, примерно равный длине окружности печи, так как эти окна расположены рядом. Заготовки выдаются из печи по одной.

На участке рольганга от кольцевой печи к прошивному стану установлен пневматический центровщик, центрирующий заготовку в торец. Центрированную заготовку передают при помощи выбрасывателей с рольганга на наклонную решетку, по которой она скатывается во вводной желоб переднего стола прошивного стана.

Прошивка круглой заготовки из углеродистой стали в полую гильзу осуществляется в косовалковом прошивном стане при температуре 1220--1250° С. Коэффициент вытяжки на прошивных станах достигает 4,2.

Прошитые гильзы по наклонной решетке передаются в приемный желоб автоматического стана, где производится их прокатка в трубы на короткой оправке. Температура прокатки гильз в трубу 1080--1180° С. Коэффициент вытяжки на автоматических станах 1,6--2,2. Длина заднего стола автоматического стана определяет наибольшую возможную длину прокатываемых труб и составляет 12--16 м.

От автоматического стана получения труба подается на наклонную решетку, по которой перекатывается к раскатным станам. Современные агрегаты с автоматическими станами имеют в своем составе два раскатных стана в связи с их относительно низкой производительностью. Подача труб в каждый раскатной стан производится поочередно. Раскатные станы устраняют разнотолщинность трубы, осуществляют раскат наружных и внутренних рисок, получающихся при прокатке на автоматическом стане. Процесс прокатки на этом стане осуществляется при температуре примерно 900--1080° С.

Дальнейшие технологические операции сводятся к горячей калибровке труб по наружному диаметру, охлаждению на холодильнике, правке на станах с геликоидальными валками. В специальном отделении осуществляется обточка торцов, нарезка резьбы, гидравлическое испытание, нанесение покрытий и другие отделочные операции в зависимости от назначения трубы.

Производительность агрегатов с автоматическими станами выше, чем установок с пилигримовыми станами. Кроме того, на установках с автоматическими станами можно прокатывать трубы из различных легированных сталей, что является большим преимуществом этого способа производства.

4. Электродуговая сварка, условия устойчивого горения дуги при сварке. Назовите основные типы сварочных трансформаторов и генераторов

Сварочной дугой называется мощный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров. Дуга, электрически не связанная со свариваемым изделием, называется дугой косвенного действия или независимой дугой (рис. 4.1.б). Изделие в этом случае нагревается главным образом излучением столба дуги. Процесс нагрева легко регулировать, приближая или отодвигая дугу от изделия, но удельная мощность нагрева невелика - до 103 Вт/см2, как при газовой сварке. Поэтому нагрев независимой дугой относительно медленный, мягкий. Для сварки независимую дугу сейчас почти не применяют. При всех основных способах дуговой сварки используют дугу между электродом и изделием, когда изделие нагревается главным образом в результате бомбардировки электрически заряженными частицами. Такую дугу называют дугой прямого действия или зависимой дугой (рис. 4.1.а). Удельная мощность нагрева поверхности при ее использовании велика - от 103 до 105 Вт/см2. Поэтому металл плавится быстрее, и зона разогрева около места сварки получается меньше, чем при сварке независимой дугой.

Электроды при сварке дугой прямого действия бывают плавящимися и неплавящимися. Плавящийся металлический электрод (стальной, алюминиевый и др.) является и присадочным материалом, из которого, в значительной степени, состоит металл шва. Неплавящиеся электроды - угольные и вольфрамовые -- не принимают участия в образовании металла шва. Если же нужен присадочный материал, то его вводят в дугу сбоку в виде проволоки или прутка.

Силу тока при сварке дугой прямого действия варьируют в пределах 1 - 3000 А, напряжение дуги - 1050 В. При этом диаметр пятна нагрева можно изменять от 1 мм до нескольких сантиметров, а мощность -- от 0,01 до 150 кВт. Такой широкий диапазон мощностей позволяет применять дугу для сварки металлов малых и больших толщин.

Зажигание дуги.

Зажигание сварочной дуги чаще всего осуществляют кратковременным коротким замыканием электрода на изделие (сварщик на мгновение прикасается концом электрода к изделию или «чиркает» электродом по нему). При коротком замыкании и оттягивании электрода контактирующие микровыступы на поверхностях нагреваются до температуры кипения, обеспечивая испускание электронов -- термоэлектронную эмиссию. Кроме того, между электродами в момент размыкания возникает электрическое поле очень большой напряженности -- до 1,5*1012 В/см (электроды можно рассматривать как раздвигающиеся пластины конденсатора). Это поле обеспечивает мощную автоэлектронную эмиссию, т. е. отрыв электронов под действием сильного электрического поля. Оба процесса приводят к появлению в межэлектродном промежутке свободных электронов и легко ионизирующихся паров металлов. Свободный пробег электронов и ионов при атмосферном давлении не превышает 10-2 мм, что намного меньше расстояния между электродами. Поэтому электроны и ионы на своем пути в межэлектродном промежутке многократно сталкиваются с молекулами газа, ионизируя их. Поток носителей тока (электронов и ионов) лавинообразно возрастает. Электроны и отрицательные ионы бомбардируют поверхность анода, положительные ионы -- поверхность катода. При этом кинетическая энергия носителей тока преобразуется, главным образом, в тепло, поверхности электродов нагреваются и примерно через 10-6 секунды устанавливается дуга.

Можно возбудить дугу и бесконтактным способом, ионизируя газ в межэлектродном промежутке высокочастотными импульсами высокого напряжения.

Области дугового разряда.

Схема сварочной дуги постоянного тока показана на рис. 4.1.в. Основаниями дуги являются резко очерченные, ярко светящиеся пятна на поверхности электродов. Через пятна проходит весь ток, и плотность тока в них может достигать нескольких сот ампер па 1 мм2. В дуге постоянного тока различают катодное и анодное пятна. Электропроводный газовый канал между пятнами представляет собой плазму -- смесь нейтральных атомов, электронов и ионов из атмосферы, окружающей дугу, и из веществ, входящих в состав электродов и флюсов. Он имеет форму усеченного конуса и подразделяется на 3 области:

катодную - протяженностью (толщиной) порядка 10-3--10-4мм;

анодную - протяженностью 10-2--10-3 мм;

столб дуги - наиболее протяженная и высокотемпературная зона. Температура у его оси достигает 6000--8000 К. Температура катодного и анодного пятен значительно ниже -- они обычно близки к температурам кипения материала электродов (для стали -- 3013 К). Поэтому в катодной и анодной областях очень велик градиент температур -- порядка 3*106 К/мм, который создает мощный тепловой поток от столба дуги к катодному и анодному пятнам.

В столбе дуги падение напряжения невелико: напряженность поля в нем составляет всего 1 - 5 В/мм и почти не зависит от длины. Значительная часть напряжения дуги падает в приэлектродных областях: 4--5 В в анодной области и от 2 до 20 В в катодной. Протяженность катодной и анодной областей мала, поэтому напряженность поля в них достигает 2*105 и 103 В/мм, соответственно.

Мощность Рст, выделяющаяся в столбе дуги:

Рст = E*I*L (1)

где Е -- напряженность поля в столбе, В/мм; I -- сила тока дуги, А; L -- длина столба, мм.

Она частично расходуется на нагрев металла, частично -- рассеивается излучением в пространство. Чем больше заглубление дуги в свариваемый металл, тем меньше потери на излучение столба и выше к. п. д. дуги.

Основным фактором, определяющим все параметры столба дуги, является потенциал ионизации дугового газа.

Потенциал ионизации ui - это энергия, необходимая для полного удаления электрона из атома (или молекулы) газа и превращения его в положительно заряженный ион. С ростом потенциала ионизации значительно возрастают температура столба, напряженность поля и плотность тока в нем.

Например, когда дуга горит в парах калия (ui = 4,33 эВ), при токе 200 А температура столба, напряженность поля и плотность тока в нем равны соответственно 3460 К; 0,8 В/мм и 3 А/мм2, а когда дуга горит в парах железа (ui = 7,83 эВ) - 6320 К; 2,8 В/мм и 18 А/мм2. То есть чем меньше потенциал ионизации дугового газа, тем легче зажигается и устойчивее горит дуга.

Введение в газовый столб нескольких процентов веществ с низким потенциалом ионизации существенно снижает эффективный потенциал ионизации газовой смеси, т. е. потенциал ионизации условного однородного газа, который при данной температуре ионизируется в такой же степени, как заданная смесь газов. Так, добавка к парам железа (ui = 7,83 эВ) всего 1 % паров калия (ui = 4,33 эВ) при 5800К снижает потенциал ионизации до 6,35 В. Соответственно существенно увеличивается диаметр, уменьшаются температура и напряженность столба дуги. Поэтому для повышения устойчивости горения дуги в сварочные материалы (электроды, проволоки и др.) часто вводят элементы с малым потенциалом ионизации. Это, прежде всего, щелочные и щелочноземельные металлы.

Мощность нагрева катода бомбардировкой положительными ионами равна I*uк, где uк -- падение напряжения в катодной области. Но катодная область испускает электроны в столб дуги. На переход электронов в столб дуги, независимо от механизма эмиссии (термоэлектронная или автоэлектронная) затрачивается работа выхода uв, а при силе тока дуги I -- мощность равна I*uв. Таким образом, мощность тепловыделения на катоде:

Pк = I (uк - uв) (2)

Мощность нагрева анода бомбардировкой электронами и отрицательными ионами равна I*uа, где uа -- падение напряжения в анодной области. Кроме того, когда электроны пересекают границу газ--металл, их энергия уменьшается на значение работы выхода, которая также передается аноду в виде тепла. Таким образом, суммарная мощность тепловыделения на аноде:

Pа = I (uа + uв) (3)

Мощность, выделяющаяся в катодном и анодном пятнах, расходуется в основном на нагрев металла. Но подвод мощности к единице поверхности пятен столь велик, что она не может быть полностью отведена теплопроводностью и лучеиспусканием даже при нагреве электродов до максимально возможной температуры -- до кипения. Поэтому часть подводимой мощности расходуется на испарение электродов. Интенсивность испарения тем больше, чем мощнее дуга и больше плотность тока в активных пятнах, т. е. чем больше потенциал ионизации дугового raза.

Из уравнений (2) и (3) следует, что чем больше катодное и анодное падение напряжения, тем интенсивнее идет плавление. Изменения потенциала ионизации дугового газа почти не сказываются на анодном падении напряжения, но катодное падение напряжения с ростом потенциала ионизации газа быстро растет (рис. 4.2). Поэтому элементы с малым потенциалом ионизации должны вводиться в дугу в минимально необходимых количествах, так как снижение потенциала ионизации сопровождается уменьшением скорости плавления катода.

Uк, В	Uа, В	К	Na	Al	Ti	Fe
12	6
10	5
8	4
6	3
4	2
2	1
0	0

К понижению катодного напряжения приводит и повышение температуры кипения материала катода: с ростом температуры кипения уменьшается разность температур столба дуги и катодного пятна, вследствие этого уменьшается и тепловой поток от столба дуги в сторону катода, а значит, и мощность, выделяющаяся в катодной области при установившемся процессе. Так, при прочих равных условиях напряжение у вольфрамового катода составляет 8 - 9 В, а у алюминиевого 17 - 18 В (температуры кипения 5900 и 2327°С, соответственно).

Падение напряжения в катодной и анодной областях заметно зависит от теплопроводности газа в них. Чем больше теплопроводность газа, тем больше тепловой поток от столба к электродным пятнам, и, соответственно, тем больше падение напряжения в приэлектродных областях. Теплопроводность гелия, например, существенно выше, чем аргона. Поэтому при горении дуги в среде гелия катодное и анодное напряжения больше, чем в среде аргона, соответственно, больше тепловыделение в катодной и анодной областях и больше проплавляющая способность дуги.

Общее тепловыделение на аноде сварочной дуги обычно больше, чем на катоде, но иногда бывает и наоборот. Так, в дуге между стальными анодом и катодом, горящей в воздухе, иа = 4,2 В; ик = 14 В (рис. 4.2), ив = 4,36 В. Поэтому согласно выражениям (2) и (3) каждый ампер тока передает мощность аноду:

(4,2 + 4,36) * I = 8,56 Вт

и катоду:

(14 - 4,36) * I = 9,64 Вт.

Установлено, что около 2 Вт/А и на аноде, и на катоде затрачивается на испарение металла, а остальная мощность обеспечивает расплавление и нагрев до 2933К около

11,5 г/А*ч стали на аноде и 14,5 г/А*ч на катоде. Введение в дуговой газ 1 % калия приведет к снижению потенциала ионизации дугового газа с 7,83 до 6,35 В, повышению иа до 4,9 В и снижению uк до 10 В. В результате мощность, выделяемая в анодной и катодной областях, составит соответственно (4,9 + 4,36) * I = 9,26 Вт и (10 -- 4,36) * I = 5,64 Вт на каждый ампер тока. Скорость плавления анода незначительно возрастет, а катода -- уменьшится в 1,5 раза. Таким образом, введение легко ионизирующихся элементов существенно снижает тепловыделение на катоде, и его плавление становится более медленным, чем плавление анода.

На производстве стараются пользоваться сварочными материалами, содержащими легкоионизируемые элементы, чтобы повысить устойчивость дуги. При этом электрод можно подсоединять и к минусу, и к плюсу источника питания в зависимости от того, где требуется большее тепловыделение -- на электроде или на детали. Полярность питания сварочной дуги постоянным током называют прямой, если электрод является катодом, а свариваемое изделие анодом, и обратной -- если катодом является изделие, а анодом -- электрод.

Статическая вольт - амперная характеристика дуги. Напряжение дуги, т. е. разность потенциалов между электродами, зависит от длины дуги, силы тока, а также от материалов и размеров электродов и состава плазмы дуги.

Зависимость напряжения дуги от силы тока при постоянной длине дуги называют статической вольт - амперной характеристикой дуги или просто статической характеристикой. Эта характеристика нелинейна (рис. 4.3.а) и состоит из трех участков -- падающего I, жесткого II и восходящего III. Для дуги длиной 4 мм с плавящимся стальным электродом диаметром 4 мм граница падающего участка характеристики -- примерно 40 - 50 А, жесткого -- около 350 А.

При малых токах (участок I на рис. 4.3.а) тепловые потоки из приэлектродных областей к электродным пятнам недостаточны для разогрева пятен до температуры кипения материала электродов. Поэтому перепад температур между столбом дуги и электродными пятнами велик, а значит, велико и падение напряжений в приэлектродных областях (катодной и анодной). При этом значительно и падение напряжения в столбе, так как он относительно «холодный» и степень ионизации газа мала. Поэтому для горения дуги на малых токах требуется высокое напряжение. С увеличением силы тока растут температуры разогрева электродных пятен и столба дуги, а значит, уменьшается падение напряжения и в приэлектродных областях, и в столбе дуги. В результате напряжение дуги с ростом силы тока уменьшается и характеристика получается падающей.

Изменение силы тока в области средних токов (участок II на рис. 4.3.а) сопровождается пропорциональным изменением сечения столба дуги и площадей катодного и анодного пятен (диаметр пятен остается меньше диаметра электрода). Плотность тока в столбе остается неизменной, и напряжение дуги в целом остается постоянным.

U, В		L = const			U, В							U, В
40														40
30														30
20														20
10														10
							0	200	400	600	800	I, A		0	200	400	600	800	I, A

В области больших токов (участок III на рис. 4.3.а) катодное пятно перекрывает весь торец электрода, рост силы тока происходит не за счет увеличения площади токопроводящего канала, а за счет роста плотности тока. Поэтому для увеличения силы тока необходимо увеличивать напряжение, причем зависимость между ними почти линейная. Чем меньше диаметр электрода, тем меньше сила тока, при которой характеристика дуги становится возрастающей (рис. 4.3.б).

При постоянной силе тока напряжение дуги практически линейно зависит от ее длины:

uд = a + b * L,

где а -- сумма падений напряжения в катодной и анодной областях; L -- длина дуги; b -- напряженность (градиент напряжения) столба дуги. Для стальных электродов а = 8 - 25 В;

b = 2,3 - 4,3 В/мм. Поэтому увеличение длины дуги при прочих равных условиях приводит к смещению ее статической характеристики вверх, уменьшение - вниз, так как падение напряжения в столбе дуги меняется пропорционально его длине (рис. 4.3.в).

Различным способам и режимам дуговой сварки соответствуют разные участки статической характеристики дуги. Так, при ручной сварке характеристика дуги падающая с переходом к жесткой, при механизированной сварке под флюсом -- жесткая с переходом к возрастающей, при сварке в углекислом газе -- возрастающая.

Питание дуги переменным током. Сварочная дуга будет устойчиво гореть не только на постоянном, но и на переменном токе. Основные закономерности возникновения и существования дуги в обоих случаях одни и те же. Но, когда дуга питается током промышленной частоты (50 Гц), анод и катод 100 раз в секунду меняются местами и при нулевых значениях напряжения и тока дуга гаснет. Даже при кратковременном погасании газ столба охлаждается, деионизируется. Кроме того, при изменении полярности направления движения электронов и ионов меняются на противоположные, они рекомбинируются, усиливая деионизацию. Поэтому повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода может произойти только при повышенном напряжении. Если напряжение, необходимое для повторного возбуждения дуги, больше амплитуды напряжения холостого хода использованного трансформатора, то дуга гаснет.

Основной фактор, определяющий напряжение зажигания дуги при изменении полярности -- потенциал ионизации дугового газa. Чем он выше, тем выше температура столба дуги и тем быстрее он охлаждается при погасании дуги. Поэтому в электроды и проволоки, предназначенные для работы на переменном токе обязательно вводят элементы, снижающие эффективный потенциал ионизации дугового газа. Кроме того, напряжение зажигания возрастает при увеличении длины дуги и уменьшении сварочного тока. Другими словами -- увеличение сварочного тока и уменьшение длины дуги способствуют ее устойчивому горению на переменном токе.

Возможность повышения устойчивости дуги переменного тока увеличением напряжения холостого хода сварочного трансформатора ограничена: по условиям безопасности оно должно быть не больше 90 В. В последние годы для этого созданы и довольно широко применяются специальные импульсные генераторы (стабилизаторы дуги), которые подают импульсы в дугу после перехода тока через нуль. Стабилизатор дуги фактически повторно зажигает дугу в деионизирующейся плазме и поддерживает ее горение, пока сварочный трансформатор не возьмет эту функцию на себя.

Источники питания сварочной дуги

Виды источников питания. Сварочная дуга может работать на постоянном и на переменном токе. Переменным током дугу питают от сварочного трансформатора, постоянным -- от сварочных выпрямителей и сварочных генераторов. Сварочные генераторы в большинстве -- коллекторные с приводом от трехфазного асинхронного двигателя или от двигателя внутреннего сгорания. Генератор в комплекте с приводом от асинхронного двигателя называют сварочным преобразователем, а с приводом от двигателя внутреннего сгорания -- сварочным агрегатом. Агрегаты используют, главным образом, для сварки в полевых условиях, где нет электросетей Большинство источников предназначено для питания током одного сварочного поста. Но в цехах с большим числом сварочных постов экономичнее использовать многопостовые источники, питающие несколько постов одновременно.

Постоянный ток имеет определенные технологические преимущества по сравнению с переменным. На постоянном токе устойчивей горит дуга. Меняя его полярность можно регулировать соотношение между интенсивностью нагрева электрода и изделия. Поэтому долгое время считалось, что высококачественные сварные соединения можно получать только на постоянном токе. Однако современные электроды позволяют на большинстве материалов получать качественные швы и на переменном токе. Использование переменного тока для питания дуги имеет ряд преимуществ. Главное из них -- экономичность. КПД сварочного трансформатора около 0,9; КПД сварочного выпрямителя около 0,7; КПД нового сварочного преобразователя с коллекторным генератором около 0,45. Таким образом, сварка переменным током энергетически вдвое выгоднее работы с преобразователем. Кроме того, сварочный трансформатор существенно надежнее, проще в эксплуатации и легче, чем источники питания постоянного тока. Поэтому большую часть объема дуговой сварки выполняют переменным током.

Основные типы сварочных трансформаторов и генераторов

Классификация сварочных трансформаторов приведена на рис. 4.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трансформаторы являются самыми простыми и надежными источниками питания дуги. Все они -- понижающие, с напряжением холостого хода 60--90 В, напряжением дуги 25--40 В. Большинство сварочных трансформаторов -- однофазные, с падающими характеристиками. Регулирование сварочного тока осуществляют переключая секционированные обмотки и меняя индуктивность. Переключение секционированных обмоток позволяет регулировать ток грубо, ступенями, изменение индуктивности -- плавно. Поэтому чаще всего трансформатор имеет две--три ступени грубого регулирования и плавное регулирование.

Изменение индуктивности трансформатора в большинстве случаев осуществляют либо перемещением подвижных обмоток по сердечнику с помощью винтового механизма, либо изменением сопротивления магнитного шунта между обмотками. Вдвигая и выдвигая шунт, изменяют магнитный поток в трансформаторе и соответственно, сварочный ток. В мощных трансформаторах на 1000--2000 А регулирующий магнитный шунт неподвижен, а его магнитное сопротивление регулируют подмагничиванием постоянным током с помощью обмотки управления. Ток в обмотке управления задается тиристорным выпрямителем. При этом способе регулирования в трансформаторе нет подвижных частей и можно изменять режим сварки дистанционно.

Регулирование сварочного тока можно осуществлять также включая последовательно с трансформатором реактивную катушку -- дроссель с подвижным сердечником. В настоящее время с отдельной реактивной катушкой выпускают только мощные (1000 А и более) трансформаторы для сварки под флюсом. Но в эксплуатации еще есть много давно выпущенных трансформаторов с отдельной реактивной катушкой.

В последние годы созданы трансформаторы, у которых сварочный ток регулируют тиристорами, включенными в цепи питания первичной обмотки. Плавное регулирование режима в широких пределах достигается изменением угла отпирания тиристоров. При этом удается обеспечить сочетание пологой внешней характеристики с «бросками» напряжения в моменты перехода тока дуги через нуль, способствующими повторному зажиганию дуги. Тиристорное регулирование имеет значительные преимущества перед традиционными способами регулирования: выше КПД и технико-экономические показатели, нет подвижных частей.

Сварочные генераторы подразделяют по конструкции на коллекторные и вентильные, а по принципу действия на генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Сварочные генераторы -- это в основном коллекторные машины постоянного тока. Крутизну наклона их внешних характеристик (а значит, и сварочный ток) регулируют с помощью обмоток возбуждения. Переключение секций обеспечивает ступенчатое регулирование, изменение тока в обмотке реостатом -- плавное регулирование. В зависимости от схемы подключения обмоток возбуждения, внешняя характеристика генератора получается падающей или жесткой. В некоторых моделях генераторов можно переключать обмотки возбуждения, получая жесткие или падающие внешние характеристики. Такие генераторы называют универсальными. Их можно использовать и для ручной сварки, и для механизированной сварки тонкой проволокой.

Наряду с коллекторными генераторами, для ручной сварки изготовляют вентильные генераторы. Вентильный генератор представляет собой комбинацию генератора переменного тока с выпрямителем. Его обмотки возбуждения и рабочие обмотки закреплены на зубчатом статоре, а на вращающемся зубчатом роторе обмоток нет. По обмотке возбуждения идет постоянный ток, но ее намагничивающий поток переменный, так как он зависит от взаимного положения ротора или статора. Когда зубцы ротора и статора совпадают, поток максимален. Когда зубцы статора оказываются напротив впадин ротора -- поток минимален. В отличие от коллекторного генератора, у вентильного нет скользящих контактов. Поэтому он надежнее и проще в обслуживании, меньше по массе и габаритам.

5. Опишите основные элементы конструкции металлорежущих станков. Основная характеристика подачи, регулирования скорости передачи движения, приводы станков и различные устройства

Классификация металлорежущих станков

По общности технологического метода обработки различают токарные, сверлильные, расточные, фрезерные, строгальные, протяжные, шлифовальные, зубообрабатывающие и другие станки. По назначению станки делят на широкоуниверсальные, универсальные, широкого назначения, специализированные и специальные.

Универсальные станки позволяют обрабатывать разнотипным инструментом заготовки, существенно различающиеся по размерам, форме и расположению поверхностей. В сравнении с универсальными широкоуниверсальные станки отличаются особо большим многообразием выполняемых видов работ, а станки широкого назначения -- однотипностью применяемого инструмента. Специализированные станки, например, трубоподрезные, предназначены для обработки однотипных заготовок (труб) разных размеров. На специальных станках выполняют только определенный вид работ на заготовках одинаковых размеров и конфигурации.

В абсолютной системе для всех станков вводится 5 классов, обозначаемых в порядке возрастания уровня точности I, II, III, IV, V. В относительной системе, где сопоставляются однотипные станки, вводятся классы, обозначаемые в порядке возрастания уровня точности К1, К2, КЗ.

По массе различают легкие (до 1 т), средние (до 10 т), тяжелые (св. 10 т) и уникальные (св. 100 т) станки.

Существуют и другие классификации по отдельным признакам. Так, по степени автоматизации выделяют станки с ручным управлением, полуавтоматы и автоматы. При компоновке основных рабочих органов станки могут быть горизонтальными и вертикальным и, а по числу этих органов -- одно- и многошпиндельными, одно- и многосуппортными.

Основные элементы конструкции станков

Металлорежущий станок состоит из частей, которые по функциональному назначению можно разделить на 2 группы. Одна группа обеспечивает необходимое взаимное расположение всех частей и правильное направление перемещений заготовки и инструмента, другая осуществляет формообразование обрабатываемых поверхностей и управление станком.

В первую группу входят неподвижные элементы -- станины, стойки, коробки и подвижные элементы -- столы, суппорты, планшайбы.

Ко второй группе относятся механизмы, при помощи которых выполняются движения резания; механизмы транспортирующих, зажимных стружкоотводящих и других вспомогательных движений; различные механизмы управления, копировальные, адаптивные и программные системы.

Станина является основной базовой деталью станка. Поверхности станины, несущие подвижные части станка и называемые направляющими, по роду трения делятся на направляющие скольжения и качения, по виду траектории -- на прямолинейные и круговые, по форме профиля -- на плоские, V-oбразные и другие.

Подвижные корпусные детали станков предназначены для установки, закрепления и перемещения заготовки (столы, планшайбы) или инструмента (суппорты, ползуны). Для столов и планшайб характерно наличие пазов прямоугольной, Т-образной и другой формы на рабочей плоскости. Суппорты в верхней части несут резцедержатели, часто многоместные, поворотные. Как и столы, суппорты бывают одно- и более координатными.

...