К.т.н. Жилисбаева Р.О.

Алматинский технологический университет, Казахстан

Удар частицы расплавленного металла о поверхность костюма металлурга

Сегодня многие швейные предприятия изготавливают специальную одежду для металлургов из тканей не соответствующие предъявляемым к ним требованиям по эксплуатационным свойствам. Объясняется эта задача не только ограниченностью финансовых средств на их приобретение у потребителей, но и недостаточной информированностью в области механизма взаимодействия основного агрессивного фактора воздействующего на спецкостюм металлурга – капли расплавленного металла. Поэтому в данной статье ставилась задача раскрытия механизма взаимодействия расплавленных капель металла с поверхностью защитного материала.

Учитывая специфику работы металлурга, когда плавильщик производит фушировку ломом в отверстии печи, образуется интенсивный поток частиц металла, часть которых, неизбежно, поражает защитный костюм плавильщика. Поражение костюма возможно в самых различных его частях как обращенных к отверстию в печи, так и сзади плавильщика. Рабочая поза плавильщика и его положение относительно отверстия в печи могут быть определены с достаточной точностью и, следовательно могут быть определены частные координаты места поражения костюма.

Масса частиц расплавленного металла, выбрасываемая из расплава самым случайным образом с различными скоростями и углами перемещения, входит в соприкосновение с поверхностью материала защитного костюма. Это соприкосновение осуществляется ударом частицы жидкого металла о ткань.

Удар этот не центральный, так как частица входит под углом и не упругий, так как она является жидкостью с температурой, равной температуре плавления металла. Так как удар происходит за очень короткое время, то температура частицы в момент удара сохраняется.

Вся кинетическая энергия частицы массой m расходуется на разрушение ее формы как видно из рисунка 1.

Рисунок 1. Положение расплюснувшей капли после попадания ее на поверхность cо схемой сил, действующих на каплю.

Согласно рисунку 1. при рассматривании явления соприкосновения расплавленной капли металла с поверхностью материала, имеют место сила тяжести F= mg, сила F( подобная силе трения), однако в данном случае эта сила отличается некоторой особенностью, так как капля не скользит, а переливается по поверхности. По наклонной поверхности жидкая капля перемещается, подобно гусенице. В тыльной части капли жидкость отрывается от поверхности и перетекает в лобовую часть. В этом процессе любой участок жидкости, контактирующий с поверхностью, со временем оказывается перед необходимостью оторваться от нее. Сила, которая для этого необходима, и является аналогом силы трения для обычных твердых веществ.

Сила F, зависящая от угла наклона плоскости по отношению к горизонту , равна F=mg sin . Происхождение силы Fсвязано с тем, что жидкость и твердое тело, на поверхности которого она находится, притягиваются друг к другу силами молекулярного взаимодействия [1]. Это взаимодействие количественно можно охарактеризовать той энергией, которую необходимо затратить, чтобы отделить жидкость от твердой поверхности по площади контакта 1 см. До отрыва энергия, связанная с границей жидкость - твердое, равнялась . После отрыва жидкости от твердого тела образуются две поверхности: одна из них – свободная поверхность жидкости с энергией , вторая – свободная поверхность твердого тела с энергией . Таким образом энергия отрыва в расчете на 1 см равна .

Имея в виду каплю, которая с поверхностью твердого тела соприкасается по кругу диаметром 2R, величину силы F можно вычислить. Представим, что капля сместилась на некоторое расстояние х. При этом будет выполнена работа ( или затрачена энергия), равная произведению площади, на которой жидкость оторвалась от твердого тела, на величину . При этом площадь равна 2Rx и, следовательно, выполненная работа А=2Rx. А так как работа равна произведению силы F на путь х, то F=2 R.

Чтобы капля растекалась по наклонной плоскости, необходимо выполнить условие: F F, или mg sin 2 R. Учитывая, что основная поверхность костюма металлурга по отношению к линии горизонта находится под углом =90, sin =1, легко придти к выводу, что по поверхности будут стекаться лишь те капли, масса которых удовлетворяет условию m . Это условие выполнимо, если правильно подобрать вид поверхности и поражающий фактор, в виде капель металла.

Не маловажное значение при рассмотрении вопроса предотвращения адгезии расплавленных капель к поверхности костюма металлурга, играет площадь соприкосновения их, которая равна площади большого круга шара, деленной на некоторую величину, зависящую от скорости перемещения и механических свойств частицы жидкого металла.

Успешное решение поставленной задачи возможно путем нахождения необходимых компонент и композит, на основе теоретических обоснований, создающих условия предотвращающие поражение поверхности защитного костюма от расплавленных капель металла.

Литература:

1. Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М., Высшая школа, 1976.