673

дает завышенное на 27,6 % значение скорости v7 , а φ =1,5 – только на 2,9 %.

Для изучения этого явления были изготовлены тройники с питателями диа-

метром 4,03, 5,03, 6,03, 7,03, 8,03, 9,03, 10,03 и 12,03 мм и коллектором диа-

метром 16,03 мм. Также исследовались тройники с коллекторами диаметром 12,03, 20,08 и 24,08 мм. Во всех случаях длина питателя lп = 5dп. Производи-

ли заливку ЛС водой, находили скорости и расходы, определяли отношение расчетной скорости к экспериментальной. Результаты расчетов представлены в табл. 1 и 2 и на рис. 4.

Получили неожиданный результат: с увеличением диаметра отверстия питателя коэффициент φ растет с 0,3 до 2,5. Важно отношение суммарной

площади поперечных сечений питателей ΣSп к площади коллектора Sк : S* = ΣSп / Sк . Коэффициент φ зависит от относительной площади питателей S* . Хорошо видно происходящее на рис. 4. При малых значениях S* экспериментальная кривая соприкасается с расчетной в случае φ = 0,3, затем они пересекаются ( S* ≈ 0,55, φ =1,5 ) и сходятся в одной точке при S* =1,126 и φ = 2,5. Математически это можно представить как φ = 2,2S*.

Надо признаться, что это непонятно. Ведь суммарная площадь питателей меньше площади сечения коллектора, кроме двух случаев, когда S* =1,126. Но даже когда S* ≈0,5, расчетные значения скоростей значительно превосходят экспериментальные. По-видимому, это объясняется процессами в коллекторе при делении потока.

71

Таблица 1

Расчетные и экспериментальные значения скорости и расхода

Таблица 2

Расчетные и экспериментальные значения коэффициентов сопротивлений

Рис. 4. Зависимость скорости жидкости от относительной площади питателей S* и коэффициента φ

При диаметре питателей 4,03, 5,03 и 6,03 мм, dк =16,03 мм и φ = 0,3 расчет-

ные данные выше опытных на 2–3 %. Затем, по мере увеличения диаметра питателя, это превышение достигает 29,7 %. Возможно, что, когда S* ≤ 0,3, деление потока на две части происходит при меньших потерях энергии, чем в случае S* > 0,3. Когда питатели имеют диаметр 4,03, 5,03 и 6,03 мм ( dк =16,03 мм), коллектор, по всей видимости, работает неполным сечением

и к отверстиям питателя внутри потока жидкости в коллекторе подходят отдельные струйки. С увеличением диаметров питателей коллектор начинает работать полным сечением, кинетическая энергия потока в коллекторе растет пропорционально квадрату скорости потока, и на деление потока на две части требуется все возрастающее количество энергии.

73

Следует заметить, что в ЛС с тройниками выполняется следующее соотношение: 0,2 ≥ S* ≤1.

Далее будем говорить о коллекторе диаметром 16,03 мм: о нем больше опытных данных, а результаты на коллекторах диаметрами 12,03, 20,08 и 24,08 мм аналогичны. Как видно из табл. 1, при увеличении диаметра питателя с 4,03 до 12,03 мм в случае работы одного питателя расход в системе увеличился в 7,68 раза, с 26,47 до 203,34 см3/с, для двух питателей – в 4,42 раза, с 52,14 до 230,51 см3/с. Скорость жидкости в коллекторе при работе обоих питателей выросла с 0,258 до 1,142 м/с, в 4,43 раза, а кинетическая энергия потока в коллекторе – в 19,59 раза.

Если увеличить количество питателей диаметром 4,03 мм с одного до двух, то расход в системе возрастет в 1,97 раза; для питателей диаметром 12,03 мм – это увеличение в 1,13 раза, на 13 %, в 7,46 раза меньше.

В случае работы одного питателя диаметром 4,03 мм коэффициент местного сопротивления поворота из коллектора в питатель ζ7 = 0,321 (рассчитан по напору в пьезометре и скорости жидкости в питателе, см. [6]), а коэффициент сопротивления на деление потока по формуле (8) ζ7д = 0,316, даже меньше ζ7 . Это говорит о том, что ответвление потока из коллектора диамет-

ром 16,03 мм в питатель диаметром 4,03 мм не зависит от того, работает один питатель или два. Хотя скорость в коллекторе при этом увеличивается почти в два раза, из-за ее малости это почти не сказывается на истечении воды из питателей.

Как видно из табл. 2, коэффициент местного сопротивления поворота ζ7

увеличивается с приблизительно 0,3 до 0,531 (в 1,8 раза) при увеличении диаметра питателя с 4,03 до 12,03 мм. А коэффициент на деление потока для питателя диаметром 4,03 мм растет с 0,316 до 2,516 (в 8 раз), для питателя диаметром 12,03 мм – с 1,569 до 3,769, в 2,4 раза. Чем больше скорость жидкости в коллекторе, тем труднее поделить ее на две части и повернуть на 90º в две разные стороны, тем больше потери напора.

Интересно сравнить работу двух питателей диаметром 9,03 мм в ЛС с тройником (рис. 2) и в L-образной системе (рис. 5). У первой расход

Q =170,99 см3/с (см. табл. 1), у второй – Q = 227,42 см3/с [2], на 33 % боль-

ше. Было бы неудивительно, если бы разница составляла 3,3 %. Заметим, что литниковая чаша, стояк и коллектор – это одни и те же элементы для обеих ЛС. Получается, что на деление потока в тройнике требуется больше потерь энергии, чем на ответвление потока. А коэффициент φ для L-образной ЛС

с ростом S* уменьшается, а не растет, как в системе с тройником.

74

Надо сказать, что применяющиеся в ЛС тройники сильно отличаются от приведенных на рис. 3: у них нет радиусов скруглений, а потоки жидкости часто имеют разные диаметры.

Рис. 5. Раздача потока в L-образной литниковой системе

Таким образом, в настоящей работе установлено, что гидравлическое сопротивление тройника зависит от отношения суммарной площади сечений питателей ΣSп к площади коллектора Sк, а коэффициент φ = 2,2ΣSп / Sк.

Сопротивление на деление потока в тройнике оказалось значительно большим, чем на ответвление потока в питатель в L-образной ЛС.

Список литературы

1.Васенин В.И. Расчет расхода металла в литниковой системе // Литейное производство. – 2004. – № 12 (приложение). – С. 6–10.

2.Васенин В.И. Исследование L-образной литниковой системы // Литейное производство. – 2011. – № 8. – С. 32–35.

3.Чугаев Р.Р. Гидравлика. – М.: Бастет, 2008. – 672 с.

4.Токарев Ж.В. К вопросу от гидравлическом сопротивлении отдельных элементов незамкнутых литниковых систем // Улучшение технологии изготовлении отливок. – Свердловск: Изд-во УПИ, 1966. – С. 32–40.

5.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.

6.Васенин В.И. Экспериментальное определение коэффициентов местных сопротивлений литниковой системы // Литейное производство. – 2009. –

№1. – С. 22–25.

Получено 18.01.2012

75

УДК 620.1-1/-9, 622.23.05

С.В. Наумов

S.V. Naumov

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

State National Research Polytechnic University of Perm

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОРОШКООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

MODERN METHODS OF GRADING TEST OF POWDERED

COMPONENTS OF WELDING MATERIALS

Рассмотрены методы определения гранулометрического состава порошкообразных компонентов сварочных материалов ситовым анализом, лазерным сканированием частиц и сканирующим электронным микроскопом. Проведен сравнительный анализ методов определения гранулометрического состава порошков на примере габбро-диабаза Пермского края.

Ключевые слова: гранулометрический анализ, гранулометрический состав, дисперсность порошков, лазерное сканирование частиц, лазерный анализатор, сканирующий электронный микроскоп, ситовый анализ, порошкообразные компоненты сварочных материалов.

Methods of grading test of powdered components of welding materials by mesh analysis, laser scanning of particles and scanning electron microscope are considered. Comparative analysis of methods of grading test of powders of a gabbro-diabase of the Perm region is carried out.

Keywords: particle-size analysis, grading test, dispersion of powders, laser scanning of particles, laser analyser, scanning electron microscope, mesh analysis, powdery components of welding materials.

Качество порошковых сварочных материалов (шихты для обмазки электродов) контролируется по нескольким параметрам, среди которых одним из важнейших является гранулометрический состав. Данный параметр оказывает влияние на равномерное распределение свойств в покрытие электрода, порошковой проволоки или керамического флюса, а также на качество сварочной дуги, а впоследствии – и шва. Согласно нормативным стандартам диапазон размеров частиц порошковой шихты для покрытых электродов, керамических флюсов и порошковых проволок составляет от 50 до 400 мкм, при этом диапазон между минимальным и максимальным размером частиц порошка для каждого отдельного материала должен быть как можно меньше, поскольку состав покрытия должен быть максимально равномерным, как по химическому, так и по гранулометрическому составу. В тех случаях, когда

76

условие по равномерности гранулометрического состава не соблюдается, в составе шихты может содержаться значительное число крупных или, наоборот, слишком тонкодисперсных частиц. Наличие частицы крупной дисперсности, т.е. такого размера, который в разы превышает средний размер частиц, может привести к образованию задиров и несплошностей на поверхности покрытия электродов. Избыток тонкодисперсных частиц является причиной возникновения сетки волосяных кольцевых трещин, снижающих прочность нанесенного на электрод покрытия [1–4].

Выполнить условие равномерного гранулометрического состава достаточно затруднительно, поскольку следует учитывать режимы помола и ряд других производственных факторов. Поэтому актуальным является вопрос определения гранулометрического состава порошковых материалов для производства сварочных электродов.

Внастоящее время существует несколько методов гранулометрического контроля и анализа, каждый из которых имеет определенные преимущества

инедостатки. Представленное исследование имеет цель оценить достоинства

инедостатки различных методов гранулометрического анализа.

Висследовании рассматривается три метода: ситовой анализ, лазерное сканирование и электронная микроскопия. В качестве объекта исследования, гранулометрический состав которого оценивался различными методами, был выбран габбро-диабаз Пермского края, поскольку этот материал является перспективным для применения в качестве компонента шихты сварочных электродов [5].

Традиционным методом контроля однородности и дисперсности сыпучих и порошковых материалов является ситовой анализ. Данный вид анализа регламентируется ГОСТ 6613–86, ГОСТ 3584–5. Сущность метода заключается в том, что порошок просеивают на вибрационном стенде через ситовой анализатор, в котором сита с разным размером ячейки установлены последовательно друг над другом, вверху сита с наибольшей ячейкой книзу размер ячейки сита уменьшается. Ситовый анализ позволяет определить размер частиц, отделить частицы разного размера друг от друга и вычислить количественное соотношение частиц различной дисперсности.

Ситовый анализ позволяет оперативно и с минимальными техническими затратами получить информацию о гранулометрическом составе многокомпонентного порошкового материала. Однако данный вид анализа требует значительных временных затрат, поскольку после каждого просева необходимо вручную произвести подсчет и подготовить оборудование к следующей пробе. Сита в анализаторе следует регулярно проверять на предмет изменения размера ячейки, так как из-за взаимодействия с порошком они склонны «разнашиваться». Существенный недостаток метода в том, что он не позво-

77

ляет обнаруживать фракции менее 50 мкм. Кроме того для проведения анализа требуется достаточно большое количество исследуемого порошка, при фракции 0,1–3,0 мм масса пробы 25–300 г.

Методами, которые позволят выявить частицы любого размера, в том числе дисперсностью менее 50 мкм, являются лазерное сканирование и электронная микроскопия.

Сущность метода лазерного сканирования заключается в том, что образец порошка помещается в проточную кювету исследовательской установки, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. В проточной кювете порошок просвечивается лазерным лучом; попадая в луч света, частицы начинают рассеивать его, угловая зависимость интенсивности рассеянного света зависит от размеров частиц. Измерение интенсивности рассеянного на различные углы света производится при помощи набора светочувствительных детекторов.

Рис. 1. Принцип работы лазерного анализатора Mastersizer 2000

Картина распределения интенсивности рассеянного света зависит от угла, где источник коротковолнового синего цвета используется для регистрации рассеяния в прямом и обратном направлениях с целью улучшения аналитических характеристик системы. Существует ряд свойств, которые могут быть охарактеризованы единственно возможным числом, а именно площадью поверхности, массой и объемом, что обеспечивает получение точных размеров фракции для мелкодисперсных порошков.

Метод лазерного сканирования позволяет быстро провести контроль гранулометрического состава порошкообразных смесей шихт сварочных материалов (за 3–5 мин), измерять размер частиц в широком диапазоне (от 0,2 до 2000 мкм). Кроме того, при проведении гранулометрического контроля шихт сварочных материалов лазерным сканированием требуется меньшее количество порошка (2–5 г). Однако данный метод не позволяет определить морфологию частиц и гранулометрический состав мелкодисперсной фракции сварочных материалов менее 0,2 мкм.

78

Гранулометрический анализ с помощью электронной микроскопии подразумевает оценку образца порошка по изображениям, полученным с электронного микроскопа. На микроскопе можно определить размер частиц с разрешающей способностью при использовании детектора вторичных электронов от 0,003 мкм. В сканирующем электронном микроскопе, принципиальная схема работы которого представлена на рис. 2, пучок электронов с первичной энергией около 1–10 кэВ фокусируется системой линз в пятно диаметром 1–10 нм на поверхности исследуемого образца. Сфокусированный пучок сканируется по поверхности с помощью системы отклоняющих катушек синхронно с электронным пучком в видеотрубке, которая используется в качестве оптического дисплея. В сканирующем электронном микроскопе используется детектирование различных сигналов, включая вторичные электроны, обратно рассеянные электроны, рентгеновское излучение и ток через образец.

Рис. 2. Принцип работы сканирующего электронного микроскопа [6]

Электронная микроскопия с анализом изображения позволяет определить не только мелкодисперсную фракцию менее 0,1 мкм, но и исследовать морфологию частиц гранулометрической порошкообразной смеси, что невозможно определить рассмотренными выше методами. Однако этот метод по сравнению с ситовым анализом и лазерным сканированием дорогостоящий, требующий высокой квалификации персонала. Подготовка материала для работы с микроскопом и последующая обработка результатов требует временных ресурсов.

79

Рассмотрим преимущества и недостатки методов на примере исследования гранулометрического состава порошка на основе габбро-диабазов Пермского края. Образец порошка габбро-диабаза был получен в результате помола в шаровой мельнице [7]. Для помола была использована мельница с горизонтальной осью вращения объемом 10 л в фарфоровом корпусе, дробящими элементами которойвыступали фарфоровые ролики. Время помоласоставило 1 ч.

Вес отобранной массы для проведения ситового анализа 1000 г. Время проведения ситового анализа 30 мин. В качестве оборудования использовали вибрационный стенд Jurgen Retsch и ситовой анализатор MSS NexLab. Результаты ситового анализа представлены в табл. 1 (рис. 5, а).

Таблица 1

Гранулометрический состав порошкообразного габбро-диабаза, полученный ситовым анализом

При проведении лазерного сканирования использовали 3–5 г этого же порошка. Время определения гранулометрического состава составило 5 мин. Гранулометрический состав порошкообразного габбро-диабаза, полученный лазерным сканированием (рис. 5, б), представлен ниже и на графике рис. 3.

Установлено, что средняя удельная поверхность при плотности образца 1 г/см3 составляет 0,233 м2/г. Качество помола габбро-диабазов для электродного производства удовлетворительное (средний объемный диаметр частиц 303,2 мкм), но требует отбора фракции до 400 мкм, общий объем которой от 50 до 400 мкм составил 43,63 %.

80