Про маленькій краплі і великий електрошлакового печі

Знання завжди знайдуть притулок
І не пошкодує їх власник,
Треба тільки не втрачати хвилин,
Дорогоцінних віх в поривання до мети.

Цікава така якісна завдання Альберта Ейнштейна (1879-1955): чому чаїнки при перемішуванні збираються в центрі дна склянки?

Швидко приходить на розум така відповідь: чаїнки легше води, тому вода відтісняється до країв склянки і, сприяє тому, що чаїнки збираються на його дні в центрі. Але це неправильна відповідь. Якби це було так, то чаїнки, перш за все, спливли б вгору по Архімеда.

Ейнштейн дав таке пояснення: при обертанні води ложкою в склянці виникають відцентрові сили. Ці сили самі по собі не могли б привести до зміни потоку рідини, якби вона оберталася як тверде тіло.

Але шари рідини, що знаходяться по сусідству зі стінками чашки, затримуються завдяки тертю. При цьому біля стін вода тече вниз, а поблизу осі - вгору. Цей потік захоплює чаїнки і збирає їх в центрі дна склянки.

Альберт Ейнштейн
(1879-1955)

До цього пояснення додамо тільки, що утворення такого напрямку руху води, а не протилежної, обумовлено силами тертя води об стінки і дно склянки і способом завихрення (як і чим ви закручуєте воду). Ця, здавалося б, просте завдання має цікаві практичні застосування. Наприклад, дає пояснення, чому береги річок підмиваються з певного боку. Втім, цю тему прекрасно виклав сам А. Ейнштейн в четвертому томі своїх творів.

Можна задати читачеві схоже завдання. Якщо у вас вдома є ванна, то чому налита в неї вода, стікаючи, завжди закручується в одну сторону, скажімо вправо. Причому, якщо ви зайдете до сусіда, в його ванній картина може бути (але не обов'язково) протилежною: вода закручується вліво. З чим пов'язана така певний закручування?

Мій шеф за дипломом, Михайло Олександрович Гольдштік ( про нього я писав у попередній статті ), Навіть зробив спеціальний досвід. Зливав воду через лійку з поверхнею, обробленої за вищим класом чистоти (дуже гладку).

Як ви думаєте, куди закрутилася в ній вода? Ми не випадково почали з цієї цікавої задачі. Як ви побачите, вона допоможе нам зрозуміти, чому ж все-таки не запрацювала та сама електрошлакове піч.

Щоб розповісти цю історію, почати доведеться здалеку. Але історія дуже повчальна і про це варто розповісти. А чому? Відповідь на це питання - в епіграфі, а то, що сталося зі мною, йому доказ.

Отже, молодий фахівець потрапляє до відділу теплометрії наукового інституту. І керівник ставить перед ним завдання: на основі вимірювання теплового потоку зробити датчик рівня розплаву для зварників.

Більш детально: передбачалося зробити такий датчик для установки електрошлакового переплаву. Що це за установка? Уявіть собі металевий охолоджуваний стакан, в якому повільно кристалізується рідкий метал. В результаті виходить циліндричний злиток.

Починають з того, що в вогнетривкому тиглі готують рідкий шлак - спеціально приготований склад оксидів та інших сполук, який потім заливають в цей стакан. Потім занурюють в нього плавиться електрод.

Якщо з'єднати дно склянки (затравки) і електрод з джерелом струму, то в рідкій шлакової ванні буде виділятися теплота. Це пов'язано з тим, що питомий електричний опір рідкого шлаку на порядок вище опору металу, і теплота Джоуля, яка виділяється в шлаку, буде надходити до зануреному в ванну електрода. Електрод почне плавитися, і краплі, падаючи через шлакову ванну на дно склянки, формуватимуть злиток.

Через рідкий шлак проходить струм, який для злитків вагою в 200кг становить кілька тисяч ампер. Для прикладу, через стоваттному електричну лампочку проходить струм всього пів-ампера. Змінюючи форму охлаждаемого склянки можна отримувати злитки різної форми.

У вас може виникнути питання: навіщо один метал переробляти в інший, витрачаючи при цьому значну енергію?

По-перше, електрод зазвичай виготовляють з найдешевшого, неякісного металу. По-друге, рідкий шлак має спеціальний склад, що дозволяє очистити переплавляє метал і ввести в нього необхідні добавки.

Таким чином, здійснюють його рафінування. Нарешті, весь процес дозволяє досить повільно, нарощуючи злиток, отримати якісну структуру металу. Так методом переплавки з АРМКО-заліза (технічно чистого заліза) отримують високоякісну шарикопідшипникову сталь (ШХ-15).

Зрозуміло, що в охолоджувальної ємності, куди наливають рідкий шлак розплав, на її стінку потрапляє більше тепла при безпосередньому контакті з рідким шлаком, ніж від випромінювання з поверхні шлаку.

Тому, якщо встановити такий датчик в охолоджувальної стінці, то за величиною теплового потоку легко визначити, коли розплав торкнеться торця датчика. Це і буде межа «шлаковий розплав - повітря».

Звичайно, були труднощі, так як потоки тут дуже великі - від 300 до 1500 кВт / м2. Для порівняння, в дуже жарку погоду Сонце посилає на Землю тепловий потік всього 1,4 кВт / м2 і людина його дуже добре відчуває.

І хоча сам датчик витримував невеликі температури (до 300 ° С) і потоки, але вдалося за допомогою теплового шунтування вимірювати лише малу частину великого теплового потоку. Точно так само можна виміряти струм в 20 А, маючи амперметр зі шкалою 2 А, встановивши спеціальний шунт - опір, паралельне амперметрі. Таким чином, була вирішена задача контролю рівня «шлак - повітря».

Справа в тому, що лічильники теплоти з шунтуванням дозволяли вимірювати розподіл теплового потоку по висоті стінки, в якій формувалася виріб. Це робилося за допомогою охолоджуваного датчика, який встановлювався в охлаждаемую стінку склянки під час заповнення цього склянки розплавом.

Але ось наступна задача виявилося набагато складніше. Треба було визначити по тепловим потокам іншу кордон - кордон розділу між рідким шлаком і рідким металом. Тут ви маєте право зупинити мене і нагадати: все це цікаво, але до чого тут гідродинаміка, про яку ви обіцяли розповісти? Потрібно трошки терпіння і стане зрозуміло, до чого тут вона.

І ось ми з зварниками зняли це розподіл і виявили цікаву картину. При підході до кордону між рідким шлаком і металом тепловий потік різко зростав. Його величина навіть перевершувала ту, яка мала місце на кордоні шлак - повітря, де рідкий шлак розплав безпосередньо стосувався датчика. Величина теплового потоку зростала тут до 1300-1800 кВт / м2!

Чесно кажучи, нам здалося навіть, що ми відкрили нове фізичне явище. Це дійсно було нове явище, але, на жаль, пізніше ми дізналися, що таку картину за пару років до нас спостерігали інші вчені.

Якби це явище стабільно повторювалося, то можна було б зробити потрібний датчик рівня і, вирішивши завдання теплометрії, закрити питання. Але величина піку теплового потоку сильно змінювалася (іноді його взагалі не було) в залежності від багатьох факторів: виду переплавляється вироби, властивостей металу і шлаку, що подається на установку потужності і ще невідомо від чого.

Зауважимо, що інші відомі в той час датчики рівня мали дуже малу стійкість і надійність. Наприклад, індуктивний датчик при перебоях в його охолодженні міг просто вибухнути, і таке траплялося. Але теплометрії було явно недостатньо для вирішення завдання.

Повинен сказати, що зварювальники довго терпіли мої дослідження. Багаторазово удосконалилася конструкція, була істотно підвищена роздільна здатність приладу. Але сам датчик не вирішував виниклих труднощів. У якийсь момент з'явилося відчуття, що велика робота пророблена даремно.

Але допоміг випадок. Один металург, знаючи мою любов до гідродинаміки, попросив для науки допомогти йому вирішити задачу про стікання плівки металу з електрода. Це завдання було потрібна для визначення теплового балансу установки. Тут в нагоді відома задача Нуссельта про що стікає по вертикальній стінці плівці. Потрібно було тільки врахувати, що плівка тече не в повітрі, а в рідкому шлаку.

Треба відзначити один момент. Ще творці електрошлакового процесу помітили, що в шлакової ванні, в залежності від способу підключення токоподводящих контактів, встановлюється різний стаціонарне протягом шлаку. Тут, як ви можете правильно помітити, ми вже переходимо до гідродинаміки. В одному випадку напрямок течії шлаку під електродом збігалося з напрямком його подачі, а в іншому - було йому протилежним.

Пов'язано це з тим, що рідкий шлак є електролітом, і іони під дією електромагнітних сил рухаються по-різному в залежності від розташування токоподводов. У першому випадку шлак прискорює поверхневі шари металевої плівки, що стікає з оплавлятися торця електрода, у другому - навпаки, гальмує їх.

рис.1

На рис. 1. наведено перетин рідкої шлакової ванни з електродом, що витрачається (1). Стрілками показані вектори швидкості рідкого металу (2) в плівці і напрямок течії в шарі шлаку (3), що прилягає до металевої плівці. Зліва - при висхідному перебігу шлаку в ванні, праворуч - при низхідному.

Зрозуміло, що в плівці встановлюється певний профіль швидкостей. В одному випадку значення швидкості змінюється від нуля біля поверхні твердого електрода до максимальної - біля кордону стікає плівки металу з рідким шлаком. В іншому випадку шлак гальмує поверхню плівки, і максимальна швидкість досягається всередині неї.

При різному характері перебігу шлаку, краплі, які утворюються на оплавлятися торці електрода, закручуються по-різному. Це визначає подальший хід процесу.

Ми привели дуже спрощену картину перебігу. Краплі можуть утворюватися в різних місцях торця електрода і відриватися в різні моменти часу. Але важливо наступне. До місця утворення краплі, в залежності від характеру перебігу шлаку, метал плівки підходить з різними швидкостями по її товщині. До чого це призводить? А до того, що формуються краплі з різним напрямком внутрішнього течії.

Відвернемося трохи від переплавки і поговоримо про краплях. Цьому об'єкту присвячено багато наукової та популярної літератури. Наприклад, гідродинаміки рідкої краплі займався відомий французький математик Жак Адамар (1865-1963). Він отримав вираз (формула Адамара-Рибчинського), яке поширює на рідку краплю відому формулу Джорджа Стокса (1819-1903) про рух в рідині твердого кульки. (Нагадаємо: зі школи відомо, що сила Стокса, що діє на рухомий в воді кульку, дорівнює: F = 6πγRv, де γ - щільність рідини, R - радіус краплі і v - її швидкість). Детальніше про краплях можна прочитати, наприклад, в чудовій книжці Я. Е. Гегузін «Крапля».

Але подивіться на картинки з іншої книги - «Досліди у фізичній лабораторії», випущеної в серії журналу «Квант». На жаль, ніякого навіть якісного пояснення такому екзотичному поведінки краплі, що падає в склянці з водою, там наведено не було. Думаю, спостерігати подібну картину доводилося далеко не кожному з тих, хто коли-небудь пробував капати підфарбовані краплі звичайної піпеткою в чисту воду.

рис.2

Найчастіше спостерігають іншу картину. Слабо підфарбована крапля, після проходження поверхні води, перетворюється в тороид, подібний димового колечка. Такі кільця вміють випускати досвідчені курці. Практично не розширюючись, цей тороид в лічені секунди досягає дна склянки і тут, розтікаючись, розсіюється, змішуючись з навколишнім водою.

На малюнку 2 зображено зовсім не це - тут крапля розщеплюється на грона. Але це не все.

Насправді відбувається наступне. Після падіння на поверхню рідини крапля розщеплюється на дві частини. Одна з них розпливається по поверхні досить широким плямою, а інша - у вигляді краплі меншого розміру, помітно розширюючись, повільно занурюється в глибину. Ширина плями досягає 5-6 см (цього на малюнку не видно).

Інша частина, у вигляді краплі, має структуру закрученого в вертикальному перерізі тороида, як димове кільце (і як в завданні А. Ейнштейна). Після декількох сантиметрів переміщення розширилося колечко починає тремтіти, втрачає стійкість і розпадається на гроно з 3-5 кілець. Ті, в свою чергу, знову розщеплюються, повільно наближаючись до дна склянки. Час поширення краплі до дна склянки - близько кількох десятків секунд. В кольорі і динаміці картина виглядає зовсім зачаровує.

У чому причина такого різного поведінки підфарбованою краплі? Чому в одному випадку крапля в вигляді тороїда як снаряд пронизує товщу води, а в іншому - тороид поширюється значно повільніше і при цьому багаторазово розпадається на все менші і менші частини?

Чому краплі так себе поводять? Це пов'язано з різним взаємодією в той чи інший спосіб закрученої краплі і навколишнього рідини.

На цьому можна було б зупинитися, залишивши парадокс в якості цікавого дослідження для допитливих, але ми хочемо розповісти вам про деякі дивовижних наслідках, до яких призводить своєрідність гідродинаміки рідкої краплі. Зокрема, як по-різному влаштовані краплі впливають на якість металу, а головне, чому не запрацювала та сама величезна піч для виплавки слябів.

Тому повернемося до нашого зварювального розповіді. Ви, напевно, вже починаєте здогадуватися про те, що відбувається з краплями, що формуються на торці оплавлятися електрода.

Почнемо з якісного малюнка, що описує поширення різних крапель в шлакової ванні. На рис. 3 зліва показана схема течії шлаку в шлакової ванні (2) при висхідному його русі під електродом (1), а праворуч - при низхідному перебігу. Тут (3) - скоринка застиглого шлаку на охолоджуваної поверхні, яка перешкоджає поширенню тепла до склянки.

рис.3

У чому ж причина описаного вище своєрідності в поведінці крапель? Відповідь полягає в тому, що різні краплі по-різному взаємодіють з межею поділу шлаку (2) і рідкого металу (4). Якщо пов'язати з кожною частинкою рідини в краплі швидкість, з якою вона переміщається, можна отримати картину, яку називають полем швидкостей. Так ось, в різних краплях утворюються якісно різні поля швидкостей, див. Рис. 3.

Простіше кажучи, краплі в зазначених випадках закручуються в різні боки. І кожна із зазначених крапель при своєму русі по-різному взаємодіє з навколишнім рідким шлаком, а пізніше і металом.

Ця взаємодія пов'язана з такою важливою властивістю рідкого середовища як її в'язкість і характеризує силу, з якою один шар рідини гальмує інший. Так виникають дві істотно відмінні картини, супутні поширенню підфарбованих крапель у склянці з водою, про які ми говорили вище.

Як же отримувати такі по-різному влаштовані краплі в домашніх умовах? Є безліч способів. Але експеримент не простий, найважче отримати краплю, зображену на рис. 3 праворуч (вона якраз і призводить до картини на рис. 2). Залишимо питання розробки відповідного пристрою тим, хто цим зацікавиться.

Тепер ми готові перейти до головної мети нашої розповіді і відповісти на питання: чому не запрацювала та сама піч?

Важко собі уявити, що якась маленька, нехай навіть закручена, крапелька грає в серйозному проекті хоч якусь роль. Зауважимо, що далеко не всі вчені-зварювальники відразу повірили в справедливість описаних уявлень.

Правда, краплі рідкого металу не такі вже й маленькі. За числовим оцінками і знайденим в шматках затверділої шлаковой ванни застиглим краплях їх діаметр становить 10-15 мм (у крапель води діаметр 3-5 мм). Але що таке цей розмір у порівнянні з діаметром електродів в тій установці (1000 мм, взагалі електродів там було кілька)!

Щоб відповісти на питання - що ж сталося з тієї піччю - треба зрозуміти, як же закручена крапля взаємодіє з рідкої металевої ванни? На рис. 5 приведена уявна картина, але треба зауважити, що спроби побачити цю картину робилися.

рис.4

Чудовий учений-зварювальник Ігор Іванович Сущук-Слюсаренко з колегами зняв цілий фільм про процес зварювання через товсте кварцове скло. Фільм невеликий, він триває кілька хвилин, тому що навіть вогнетривкий кварц не може довго витримувати величезні теплові потоки (300-1500 кВт / м2), а особливо дію агресивного рідкого шлаку. До того ж це був фільм тільки про шлаковой ванні.

У рідку металеву ванну поки ніхто не заглянув. Але один з моїх вчителів у електрошлаковій справі, майстер ділянки електрошлакової переплавки металургійного заводу «Серп і Молот», кандидат технічних наук Юрій Михайлович Каменський виконав цікавий експеримент.

Він ввів в електрод спеціальну добавку і фіксував її поширення в металевій ванні в різні моменти плавки. Ці досліди допомогли зрозуміти реальну картину того, що відбувається в металевій ванні, відображену в нашій якісної картині.

Отже, закручена металева крапля падає на поверхню рідкої металевої ванни. Далі все відбувається, як у досвіді з краплями в склянці води. На рис. 4 приведена картина того, що відбувається в двох якісно різних випадках.

Почнемо з випадку, наведеного на рис. 4а.

Крапля, падаючі на ванну, розщеплюється на две части. Одна частина, як описано вище, розтікається по поверхні, переносячи запасене тепло до країв металевої ванни.

Зауважимо, що краплі відриваються від електрода досить часто, 6-8 за секунду. Потік крапель утворює своєрідну струмінь з крапель. Це додатково збільшує розмір плями. До неї можна застосувати теорію, описану в наших статтях, присвячених затопленим струменів. Дуже важливою властивістю цієї струменя є наявність зворотного потоку по осі струменя. За допомогою цієї теорії можна розрахувати величину теплового потоку у «межі шлак-метал».

Цікаво, що пляма від металевої краплі за оцінками фахівців складали 20-24 см (пам'ятаєте, у крапель води тільки 5-6 см). Ці оцінки підтвердили реальні досліди. У процесі плавки відсували електрод від стінки, в якій був встановлений тепловий датчик. Коли відстань від краю електрода до датчика доходило до 8-10 см, пік теплового потоку зникав. Про що це говорить? Про те, що діаметр плями був близько 16-20 см, що узгоджувалося з наведеної оцінкою.

Нарешті, інша частина розщепленої вихідної краплі розпадається на грона кілець. Вони, розширюючись по всій металевої ванні, повільно рухаються до її дну. Тут, завдяки рівномірному підходу різних кілець на дно ванни, відбувається зростання металевих кристалів в напрямку наплавлення з плоским фронтом кристалізації.

Це сприяє формуванню якісної щільної структури злитка. Пік теплового потоку, таким чином, супроводжує цих умов. Це багато разів підтверджувалося спеціальними зрізами готового злитка, де за допомогою присадки марганцю фіксували лінію зазначеного фронту.

Розглянемо тепер випадок, показаний на рис. 4б. Тут краплі, які мають великий стійкістю, несли таке ж тепло, але не до країв металевої ванни, а до її дну. Тому ванна виходила глибокої. Кристали тут росли нормально до осі. Це сприяло виникненню різних дефектів і пустот поблизу осі злитка. Через те, що тепло переважно йшло на дно ванни, а на краю його надходило мало, тут додатково виникали такі поверхневі дефекти, як гофри. Зрозуміло, що ніякі піки теплового потоку тут виникнути не могли.

Відзначимо важливу роль теплових датчиків. Вони дозволили не тільки реєструвати і регулювати, особливо в рухомих охолоджуваних ємностях (їх називають кристалізаторами), кордон розділу «шлак - метал», а й вказували на правильну технологію ведення плавки.

Нарешті ми підійшли до того рівня розуміння, при якому можна пояснити фіаско електрошлакового печі.

Звичайно, тут могли реалізуватися обидва описаних сценарію взаємодії крапель. Але навіть якщо б мав місце добра нагода з розширенням крапель, зіграло роль таку обставину.

Електроди, як ми говорили, мали дуже великий діаметр (1,0м), і пляма розтікання не досягало країв металевої ванни. На невеликих печах недолік тепла давав би до утворення гофр, ну а на цій гігантській печі просто виходили величезні абсолютно неїстівні млинці вагою в кілька тонн.

Ось така сталася цікава історія, і розібратися в проблемі допомогли знання, які на перший погляд були такими далекими від поставленої теплометріческой завдання.

Звичайно, навіть в довгій статті неможливо охопити всі цікаві питання, які виникали в процесі дослідження. Ми будемо дуже раді, якщо вас зацікавлять описані нами екзотичні об'єкти, і ви напишете нам про це. Ми із задоволенням продовжимо цю розмову.

Втім, загадки природи невичерпні, і цікавість, оснащене працьовитістю, обов'язково приведе вас до мети.

З побажанням успіхів у ваших дослідах,

А.М. Пальто, доцент, кафедра загальної та теоретичної фізики фізико-математичного факультету Національного технічного університету «КПІ» ім. І. Сікорського