Введение к работе
Актуальность проблемы» В период рыночной экономики главнейшими факторами промышленного производства являются производительность труда и качество выпускаемой продукции, которые базируется на новых технологиях а оборудовании для их осуществления.
В современной прокыпленноств наплавка является одним из ведувдх технологических процессов. В аапияоетроении, на аелез-нодороаноы транспорте, в горнодобывающей проиыпленности и некоторых других отраслях все чаде возникает проблема нанесення больного количества металла, когда необходима производитель-гость з десятки и сотня килограіімоз наплавленного неталла в час. Однші из способов решения этой проблемы шззет слунить ии-рокослойная ыногоэлектродная элактрошлаковая наплавка проволочными электродами. Высокая производительность процесса, рассредоточение теплового потока, неравномерное периодическое плавление отдельных электродов н возникновение вдоль их фронза ло-кальЕых перегретых участков плановой ванны позволяют ропать определенные технологические вопросы только га счет споцифики процесса без усложнения аппаратуры.
До последних лат неизменной остается прншдашальвая' сущность процесса наплавка: для двух различных тепловых операций /сплавление основного н раепдазаанаэ присадочного иэталлоз/ попользуется адзныз источник тепгогы. Жесткая, слаборегулярузиая связь кегду-тештевой педгозоваой сспозного з прасадочЕОГО из--ааллоз, обусловленная этлм лрнящшоив прпводзт зо изотш случаях к еншкэкпв пропззоднтзльнойгн. Прз большее энергетических иоцностях, подаваошх на здектрод, годзко 25...30^ зпергип затрачивается па его плавление, а 55...60?э расходуемся па нагрзз п оплавление основного иегалла. Невду таи глазная задача пря наплавке состоит з расплавлоЕпп присадочного, а на основного изталла. При малых энергзтнчвеких ионсс2ях, подазаахах на электрод, распредолзнпа зноргяи меняется /полнчзстео, затраченное на расплавление Еаплавлзпного натаяла, увеличиваетсяf а проп-лавлекие осеовеого металла уионьсается/. Однако, сад процесс при это'; становится малопроизводительным. Необходимо устранить гесткуо зависимость распределения тепловой энергия источника мевду основеыы и присадочный металлом и снять связанные с зтіш
-2)-ограничения. На этом вопросе и сосредоточено внимание исследователей в поисках путей повышения технико-экономической эффектив-ности процесса и расширения области применения наплавки. Способы решения этой задачи разные. Главными из них является: раздельная тепловая подготовка основного и присадочного металла, модуляция мощности, подаваемой на электрод или в наплавочную ванну, рассредоточение источника теплоты и, наконец, комбинация этих способов.
Многоэлектродная электросшаковая наплавка, представляющая собой естественную комбинацию рассредоточенного источника теплоты с модуляцией мощности на отдельных-электродах, в'значительной степени отвечает указанным требованиям.
Перспективы использования этого процесса определяются уровнем разработки его теоретических основ. Это прежде всего касается области выделения теплоты и характера ее переноса в шлаковой ванне, а также оптимальной схемы коимутации элементов наплавочной цепи применительно к плавление нескольких проволочных электродов. Существующие представления по данным вопросам противоречивы и совершенно недостаточны для разработки технологических основ этого высокопроизводительного процесса и выдачи принципиальных рекомендаций на проектирование оборудования для его pea-» дкзации. Такое положение сложилось потому, что электрошлаковое плавление в основном изучается на электродах большого сечения при низких плотностях тока, и полученные закономерности не могут быть перенесены на процесс плавления проволочных электродов при больших плотностях сварочного тока. Для изучения процесса элек-троплаковой наплавки не привлекаются комплексно закономерности физических, электрохимических и гидродинамических явлений, происходящих одновременно в шлаковой ванне с несколькими плавящимися проволочными электродами. Наконец, отсутствует надежное серийно выпускаемое оборудование для підачи в сварочную ванну более трех электродов.
Электрошлаковое плавление и перенос электродного металла достаточно глубоко раскрыто в работах Б.Е.Патона, Б.К.Медовара» Г.З.Волошкевича, Ю.В.Латаша, В.И.Ііахненко, И.И.Фрумкна, Л.Н.Бар-мкяа, И.Г.Саысояова и других. Электрохимические явления в шлаковой ванне нашли отражение в работах Д.А.Дудко, В.В.Подгаецкого, В.В.Фролова, И.Н.Рублевского, В.Л.Артаионова, Б.Иіііаксиі!Овпча и других.
Гидродинамические явлення исследованы в работах Э.В.Щербинина, Я.В.Кошіана, И.Э.Бруцениекса, В.И.Шарапова и других.
Пс экспериментальным оценкам комплекс рассматриваемых явлений определяет производительность электроилакового плавления, проплавленеє основного металла, дефекты наплавленного сдоя и расход энергии на килограмм наплавленного металла.
Развитие пившихся теоретических представлений о природе, движущи силах и роля взаимодействия физических, электрохимических и гидродинамических явлений при электроалаковом плавлении многоэлектродной проволочной системы открывает новое направление для разработки технологических приемов при ревения проблем,
выполнение которых известными способами невозможно.
Примерами таких проблем могут быть: НА ЕЛВЗНОДОРОИКШ ТРАНСПОРТ? - клинья гасителей колебаний грузовых вагонов, расход которых более миллиона итук в год. Пря их ремонте необходимо с высокой производительностью, за один проход, без прожогов с хоровим формированием нанести слой высотой 12 мм на подложку толциной 3 км;
- изношенные крестовины стрелочных переводов и новые зубья ковша пагаваего экскаватора из плохо свариваемой стали ГІЗЛ.
При наплавке необходимо, используя больвиа тепловые ноцно-сти, обеспечить минимальный нагрев и ироплавлепае основного металла, чтобы избежать выпадения карбидов, я образования мартен-епта з зоне перехода наплавленного слоя в основной металл, вн-зываЕяях отслоеяне покрытия.
В ІШЗИН0СТР02НІШ - получений бядегадлячеекпх слябов, когда на основной металл пз углеродистой стали толашой ІОО іаі а более необходимо за один проход нанеста слой норгазогщзй стала толда-ной 30-40 на а параной более 600 нн. Характерно, что для формирования слоя нерзавевдей стала используется специальная легару-щая пахта, нзреплаБЛЗнне которой создает иеталл необходимого состава. Из-за отсутствия иеталдургкческЕХ переделов, связанных с подготовкой наплазочных катерпалов, стоа^ость последних снижается з несколько раз.
Неснотря на больиое рззлячне зтях а некоторых других проблей 3cj овп решается с пояощьэ пнрокослойкой пногоэлектродной электровлакозой наплавки, если учесть а правильно реализозать ее опзнческае, эдектрохшшческае п гидродиЕаипчсспле особенности, чек ликвидируется супестванянй пробел в теории сварочных
процессов. Следовательно, изучение технологических возможностей широкослойной многоэлектродной электрошлаковой наплавки является актуальной задачей, решение которой позволит создать высокопроизводительные технологии и новые материалы в машиностроении.
Цель работы. Разработать научные основы широкослойной много-электродной электрошлаковой наплавки, позволявшие регулировать тепловое воздействие на основной металл, обеспечить получение на-плазленного металла заданного состава и качества, снизить энергоемкость при многократном повышении производительности процесса.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
- теоретически и экспериментально исследовать тепловыделение
и перенос металла при плавлении в шлаке проволочных электродов на больших плотностях тока;
рассмотреть электрические и электромагнитные поля в шлаковой ванне с мкогоэлектродной системой;
определить закономерности магнитогидродинамических явлений в шлаковой ванне при широкослойной наплавке и их влияние на качество наплавленного металла;— "
сформулировать принципы оптимальной схемы коммутации элементов наплавочной цепи при групповой расстановке электродов вдоль фронта наплавки и-определить ее влияние на качество формирования металла покрытия;
определить-влияние электрохимических процессов на сопротивле-. ние участка электрической цепи "многоэлектродная система - шлаковая ванна - наплавленный металл" и экономичность процесса;
разработать научно-обоснованные Принципы технологии широкослойной многоэлектродной глектрошлакрвой наплавки с минимальным управляемым проплавлениеи основного и хорошим формированием наплавленного кетаддаз;
создать оборудование для реализации предлогенной технологии и композиции сплавов для износостойкой наплавки.
Научная новизна работы. На основании теоретических и экспериментальных исследований физических, электрохимических и магнитогидродинамических явлений при широкослойной многоэлектродной электрошлаковой наплавке разработаны научно-методические основы процесса, позволяющие регулировать тепловое воздействие на основной металл, получать в наплавленном слое металл заданного состава и качества, наметить пути снижения энергозатрат и многократно повысить
-.., -6-
производительность процесса.
Установлено, что вр время непрерывной подачи электродов в шлаковую ванну у их торцов (за счёт деформации эквипотенциальных и изотермических поверхностей) возникают электрическая и термическая неустойчивости, которые вызывают поочередное импульсное плавление электродов, когда при средней плотности тока 30 А/мм плотность тока на отдельных электродах колеблется от 20 до 125 А/мм , что изменяет их "мокрый вылет" и усиливает неравномерность плавления. Средняя скорость плавления электродов по сравнению с наплавкой одной проволокой при одинаковой мощности возрастает на 25+30 $, а тепловое воздействие на основной металл уменьшается, благодаря постоянному перемещению пятна максимального тепловыделения вдоль фронта электродов. Этот комплекс явлений назван нами "эффектом расщепленного электрода" .
Показано, что основное количество теплоты, расходуемое на плавление электродов, выделяется в приграничной области электрод-шлак. Эта область находится в зоне максимальной напряженности электрического поля, создаваемого током, протекающим через электрод и интенсивно поляризуется. Возникший двойной поляризационный слой обладает дополнительным омическим сопротивлением, где и выделяется теплота.
Установлено, что при широкослойной многоэлектродной электрошлаковой наплавке повышение плотности тока на электродах существенно увеличивает их поляризацию и значительно повышает емкость наплазочной цепи. Это приводит к.опережению по фазе суммарным током напряжения на 5т35 и сникает активную мощность пктагщэй цепи. Величиной сдвига фаз молно управлять, изменяя размеры шлаковой ванны, поляризационные свойства шлака и индуктивность наплазочной цепи.
При пкрокослойной многоэлектродной горизонтальной электрошлаковой наплавке системой электродов с групповой расстановкой
установлено явление двойного осесимметричного движения шлака,
„ х. транспортирование которое обеспечивает эффективноеVTBimjBoa энергии в ванне.
Причиной этого явления служит взаимодействие магнитного "ПОЛЯ наплавочного контура с токами, проходящими з ванне между локальными осескмметричным токоподводом и фронтом многоэлектрод-
-7- ...
ной системы. Использование направленной циркуляции.потоков в плоскости ванны обеспечивает отсутствие прожогов при наплавке тонкостенных поверхностей и хорошее качество формирования слоя при наплавке сложных поверхностей шириной 100 мм и более.
Показана возможность создания легированных сплавов непосредственно в процессе наплавки из ферросплавов и смеси оксидов с восстановителями, исключив при этом сложные пределы при подготовке легированных наплавочных материалов. Определены коэффициенты перехода никеля, хрома, марганца, кремния, вольфрама из оксидов в наплавленный металл.
Получены сложные высоколегированные композиции материалов с содержанием.углерода более 4,5 % и показано, что это возможно только в том случае, если весь слой наплавлять на всю ширину, высоту и длину за один проход без перерыва.
Разработаны основы новой технологии широкослойной многоэлектродной электрошлаковой наплавки с минимальным управляемым проплавлением основного металла. На .'базе этой технологии создано оригинальное специализированнное и универсальное наплавочное оборудование. ...— '""""
Практическая ценность и результаты работы. Результаты теоретических «.экспериментальных исследований использованы при разработке и промышленном опробовании новой технологии широкослойной многоэлектродной горизонтальной электрошлаковой наплавки клиньев гасителей колебаний грузовых вагонов в депо Самарканд Среднеазиатской железной дорога. Приказом министра путей сообщения № 58Ц от 30.12.86 т. результаты этой работы приняты к внедрении на сети келезных дорог. Технология включена в инструктивные материалы по сварочным и наплавочным работам при ремонте вагонов.
Технология прошла проверку при наплавке бил различных дробилок в Свердловэнергоремонте, Алмьлыкском горно-металлургическом комбинате. Демонстрировалась на ВДНХ в 1976 году и получила серебряную медаль.
На предприятиях Среднеазиатской, Западно-Казахстанской, Мо-
сковской, Белорусской и Западно-Сибирской железных дорог работают шесть установок по наплавке крестовин стрелочных переводов. Приказом министра путей сообщения № 58Ц от 30.12.86 г. эта технология принята для внедрения на сети аелеэных дорог, а в 1991г. включена в инструктивные материалы по сварочным наплавочным работам в путевом хозяйстве.
На Карагандинском металлургическсм комбинате действует установка для наплавки палет агломерационных машин. На угольном разрезе "Ангренский" действует установка для наплавки зубьев экскаваторов ЭКГ-4-у.
Работа "Технологический процесс и установка для электрошлаковой сварки перемычек хвостовиков автосцепки" на Всесоюзном конкурсе, объявленном Госконизобретений, МПС, ЦС ВОИР и ЦК профсоюза рабочих желеэнодорожного транспорта и транспортного строительства получила вторую премию и внедряется на сети железных дорог.
Новизна разработанных материалов, способов и установок, обеспечивающих повышение производительности труда при наплавочных работах защищена 20 авторскими свидетельствами.
Суммарный экономический эффект от yse внедренных установок в ценах 1991 года составил более 600 тыс. рублей в год.
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работа докладывалось и обсуждалось на Всесоюзной научно-технической совещании "Прогрессивные методы сварки и наплавки з черной металлургии" /Жданов, 1972 г./; Всесоюзной совещании "Высокопроизводительные процессы шплавки и яаплазочшо ^атерпагы" Доимунарск, 1973 г./; 2-ой и З-ей Всесоюзных научных конференциях по современным проблемам электроаеталлургин стали /Челябинск, 1974 и 1980 г.г./; Всесоюзном научно-техническом семинаре "Пути развития и совершенствования зосстаЕОВЕтедъпо-упрочЕЯ-ющей наплавка в цветной ыеталлургиа" /Свердловск, 1976 г./; 2-ой Всесоюзной научно-технической конференция "Прогрессивные методы сварки в тяжелой машиностроении я паплавкп з черной металлургии" /Жданов, 1977 г./; 4-ой з 6-ой Всесоюзных конференциях "Теплофизика технологических процессов" Дольятти', 1976 г. и Ташкент, 1934 г./; Всесоюзной семинаре "Позыиение производительности и качества наплавочиых работ при ремонте и изготовлении деталей мавиЕ к механизмов" /Москва, 1977 г./; 1-ой и 2-ой .Всесоюзных научно-технических конференциях."Новые конструкцион-
ные стали и сплавы и метода их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" /Запорожье, 1980 и 1983 г.г./; Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение качества и эффективности процессов сварки и наплавки" Дданов, 1983 г./'. Всесоюзной наяно-технической конференции "Новые процессы сварки, наплавки и газотермических покрытий в машиностроении" /Таганрог, 1986 г./» Всесоюзной семинаре "Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавка в металлургической и горной прошш-ленности" Диев, 1988 г./; на 1-ой, 2-ой и 3-ей Республиканских конференциях "Современные методы наплавки и износостойкие наплавочные материалы" /Харьков, 1970, 1975, 1981 г.г./; 2-ой Среднеазиатской конференции "Прогрессивные способы сварки в машиностроении" /Ташкент, 1973 г./; Республиканской научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы в машиностроении" /Ташкент, 1973 г./; на научно-технических конференци- ях "Разработка и внедрение прогрессивных методов сварки и изготовление сварных изделий на предприятиях машиностроения" /Омск, 1973, 1976 г.г./; Республиканской научно-технической конференции "Современная технология и перспективы развития упрочняющих методов обработки деталей машин и инструментов" /Ташкент, 1984 г./; Республиканской научно-технической конференции "О развитии порошковой металлургии и внедрении прогрессивной технологии и оборудования для' восстановления и упрочнения деталей машин много- электродной наплавкой" Дашкент, 1985 г./; на наяном семинаре кафедры "Материаловедение и технология конструкционных материалов" МйИТа /Москва, 1985 г./; на научно-техническом совете отделений сварки и металлов ВНИИЕГа /Москва, 1985 г./; на семинаре по наплавке ИЭС им. Е.О.Патона / Киев, 1985, 1989* 1991 г.г./.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 34 . публикациях и 20 авторских свидетельствах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, б глав, общих выводов и результатов работы, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на hi % листах, из них ZSi страниц машинописного текста, содержит 97 рисунков,22 -таблиці/.Список литературы содержит &35 наименований. -
