Файл: Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали.pdf

рость плавления, рассчитанная на 1 кА силы тока, с ро­ стом последнего увеличивается (табл. 2).

С ростом силы тока с 4,5 до 8 кА удельная скорость возросла на 10%. Примерно в такой же степени при из­ менении силы тока в этих пределах увеличивается и на­ пряжение дуги, поэтому можно предположить, что удель­ ная скорость плавления непостоянна из-за того, что мощ­ ность дуги растет быстрее, чем сила тока. Другую воз-

Таблица 2

Влияние силы тока на скорость плавления стали 40ХН2СМА при ВДП в кристаллизаторе диаметром 320 мм

(электрод 200X200 мм)

можную причину этого можно усмотреть в изменении ба­ ланса тепла в торцовой зоне электрода. Как видно из рис. 5, по мере роста скорости плавления зона интенсив­ ного прогрева вблизи торца становится меньше, и, следо­ вательно, должны уменьшаться тепловые потери. При этом можно ожидать роста удельной скорости плавле­ ния, рассчитанной на 1 кА силы тока.

Тем не менее, обычно стремятся все же выразить ско­ рость плавления через силу тока. Напряжение дуги из­ меряется, как правило, со значительной погрешностью, и, кроме того, с его ростом увеличивается не только мощность, но также и длина дуги, а это сопровождается увеличением потерь тепла из зоны плавления. В резуль­ тате, несмотря на увеличение мощности дуги, может на­ блюдаться снижение скорости плавления. В качествен­ ной форме такая неоднозначная зависимость скорости от напряжения на дуге показана на рис. 6. Левая ветвь соответствует предельно коротким дугам. Увеличение на­ пряжения в этой области не влечет за собой значитель­ ного роста тепловых потерь, так как форма оплавляемо­ го торца остается постоянной, типичной для короткой дуги (рис. 7 а). Правая ветвь на рис. 5 является резуль­

30

татом того, что при длинной дуге тепловые потери из зо­ ны плавления перекрывают увеличение мощности дуги, связанное с ростом напряжения. Повышенному излуче­ нию тепла на кристаллизатор благоприятствует и насту­

ограничиваться применением эмпирических формул, в ко­ торые напряжение не вводится. Предложено несколько вариантов'таких формул, в той или иной степени учиты­ вающих непостоянство удельной скорости плавления, рассчитанной на единицу силы тока. Для кристаллизато­ ров диаметром до 400—500 мм скорость плавления при обычно применяемых рабочих режимах лучше всего, на наш взгляд, выражать через силу тока:

а— константа, определяемая экстраполяцией опыт­ ных данных на нулевую скорость плавления. В действительности, как это показано, напри­ мер, М. Е. Альперовичем [30], плавление мо­

жет прекращаться при значениях силы тока, заметно превышающих а.

Для определения ka и а наряду с результатами ста­ тистической обработки данных, полученных на промыш­ ленных плавках стали разного химического состава, про-

31

вели ряд опытных плавок стали 12Х2Н4А в кристаллиза­ торах диаметром 200, 320, 400 и 460 мм. Отношение пло­ щадей сечения электрода и кристаллизатора (степень экранирования) во всех случаях было одинаковым и рав­ нялось 0,5. Диапазон применявшихся значений силы то­ ка переплава соответствовал линейной плотности тока I/DK от 140 до 400 А/см. Полученная линейная зависи-

Ѵп,г'/с

Таким образом, для стали 12Х2Н4А приведенная удельная скорость плавления kn оказалась равной 11,4 г/(кА-с). По средиестатическим данным эта кон­ станта имеет близкие значения и для многих других кон­ струкционных сталей, хотя сталь с повышенным содер­ жанием марганца, как правило, плавится сравнительно медленно:

32

Подобное влияние марганца на скорость плавления пизкоутлеродпстой стали наблюдалось и в лаборатор­ ном исследовании [31]. Снижение скорости было замет­ но во всем интервале концентраций — от 0,5% до 5,0% (рис. 9). Причины такой роли марганца пока не установ­ лены. Можно предположить, что уменьшение скорости плавления вызвано либо дополнительными потерями теп-

Содермание марганца 6злептроде, %

Рис. 9. Влияние содержания марганца в электродах на скорость плавления при ВДП в кристаллизаторе диамет­ ром 80 мм (цифры у кривых — сила тока, кЛ) [31]

ла на испарение, либо изменением условий эмиссии элек­ тронов в катодных пятнах.

Ранее мы уже отмечали ограниченную применимость эмпирического уравнения (9). Не следует, например, пытаться определять с его помощью скорость плавле­ ния в кристаллизаторах большого диаметра (800— 1000 мм и более), а также при очень низкой силе тока. Кроме того, необходимо иметь в виду, что иа скорость плавления влияет также и соотношение размеров элек­ трода и кристаллизатора, и то, что влияние этого факто­ ра чаще всего остается незамеченным, связано главным образом с его относительным постоянством.

В специальной серии опытов ' в широких пределах

1 При участии Ю. В. Кофмана и Р. Ф. Максутова.

лось, что скорость плавления тем больше, чем меньше сечение электрода (табл. 3).

Из табл. 3 видно, что удельная скорость плавления практически не меняется, если одновременно с размером электрода меняется и диаметр кристаллизатора, а отно­ шение площадей их остается постоянным. Ускоренное плавление тонких электродов, вероятно, связано с изме­ нением баланса тепла.

Т а б л и ц а 3

Влияние диаметра электрода и кристаллизатора на скорость плавления стали ЗОХГСНА

На основе анализа скорости плавления можно попы­ таться оценить распределение энергии дуги между рас­ ходуемым электродом и жидкой ванной. Судя по вели­ чине катодного падения напряжения, на торце расходуе­ мого электрода выделяется, как отмечалось ранее, по­ рядка 80—85% мощности дуги. Однако на плавление электрода идет далеко не вся эта энергия.

Выполним несложный расчет энергозатрат на плав­ ление электрода из обычной среднеуглеродистой стали. На нагрев до температуры плавления и расплавление 1 кг стали требуется 0,34 кВт-ч энергии. Так как приве­ денная удельная скорость плавления, отнесенная к 1 кА, составляет обычно 11,0— 11,4 г/(кА-с), то затрачиваемая на плавление мощность равна 11,2-3600X0,34-10-3 = = 13,7 кВт/кА. Если катодное падение равно 19 В, то вы­ деляющаяся в катодных пятнах мощность составляет 19 кВт/кА и, следовательно, на плавление расходуется примерно 70—75% этой мощности, или 55—60% полной мощности дуги. Остальная энергия, выделяющаяся на

34