автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологии изготовления воздушных фурм доменных печей нанесением алюмосодержащих газопламенных покрытий с последующей термообработкой

АКИМОВ ВАСИЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Исследование и совершенствование технологии изготовления воздушных фурм доменных печей нанесением алюмосодержащих газопламенных покрытий с последующей термообработкой

Специальность 05.16.06 - «Порошковая металлургия и композиционные материалы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 [,]Др ?011

МОСКВА-2011

4839855

Работа выполнена в Национальном исследовательском технологическом университете «Московский институт стали и сплавов»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Радкж Александр Германович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Куданов Владимир Владимирович

кандидат технических наук Бурякин Алексей Владимирович

Ведущая организация:

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»

Защита состоится 16 марта 2011 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д002.060.02 в Учреждении Российской академии наук Институте металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д.49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д.49. Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН. Диссертационный совет Д002.060.02.

Автореферат разослан «' ' у>рифU^-г 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Медь широко используются при изготовлении воздушных фурм доменных печей, которые эксплуатируются в условиях контакта с высокотемпературными агрессивными газовыми потоками абразивными веществами, вызывающими интенсивное изнашивание и прогар. Однако, обладая высокой электро- и теплопроводностью, медь имеет низкую жаростойкость и абразивную износостойкость. Одним из путей устранения этих недостатков является создание поверхностных слоев с высокими эксплуатационными свойствами формированием защитных диффузионных покрытий. Рациональным методом защиты меди при температурах до 800°С признано алитпроваиие.

Одним из методов алитирования является насыщение поверхности меди порошковыми смесями. Однако этот метод является сравнительно трудоемким и обладает низкой производительностью.

В настоящее время для создания диффузионных слоев на воздушных фурмах успешно применяется напыление покрытий методом электродуговой металлизации с последующей термообработкой. Полученный Cu-Al диффузионный слои на воздушных фурмах позволил исключить причину их замены по износу рылыюй части со стороны дутьевого капала, повысить их стойкость по износу наружного стакана па 28%, по прогару рылыюй части - на 14% и снизить тепловые потери через их поверхность на 2%.

Нанесение на рыльную часть с алюминиевым подслоем покрытий, содержащих не менее 80% никеля, позволило повысить стойкость по прогару опытных фурм на 30% по сравнению с серийными фурмами, напыленными только алюминиевым покрытием. При этом снижение тепловых потерь на отдельно взятых опытных фурмах составило 5% по сравнению с серийными фурмами, установленными на соседних фурменных приборах.

Для дальнейшего улучшения показателей работы воздушных фурм необходим поиск новых материалов. В связи с этим представляет интерес покрытие из порошка оксида алюминия, напыляемого газопламенным методом, которое в сочетании с алюминиевым покрытием и последующей термообработкой позволило бы получить материал па поверхности фурм с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Поэтому исследование и совершенствование технологии изготовления воздушных фурм доменных печей на несением алюмосодержащих газопламенных покрытий с последующей термообработкой является актуальной научной и практической задачей.

Цслыо работы является разработка состава алюмосодержащих газопламенных покрытий для повышения стойкости воздушных фурм доменных печей и снижения тепловых потерь через их поверхность.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи.

1. Исследовать структуру и свойства диффузионных слоев на меди, полученных напылением различных составов алюмосодержащих покрытий и их термообработки в окислительно!! и защитной среде.

2. Предложить методику расчета толщины диффузионного слоя, создаваемого на воздушных фурмах с использованием алюмосодержащих газопламенных покрытий.

3. Оценить тепловые потери через поверхность воздушных фурм с алюмосодер-жащим покрытием и расход кокса на тонну выплавляемого чугуна.

4. Усовершенствовать технологию изготовления воздушных фурм доменных печей нанесением алюмосодержащих газопламенных покрытий.

Научили новизна.

1. Предложен новый вид защитного покрытия на воздушных фурмах доменных печей, состоящего из переходного и диффузионного слоев толщиной 1,5-3,5 мм с содержанием алюминия не более 14% по массе и слоя оксида алюминия.

2. Разработан научно обоснованный способ формирования такого покрытия газопламенным напылением на медь композиционного двухслойного AI/AI2O3 покрытия толщиной 0,6-1,0/0,2-0,3 мм с последующим диффузионным отжигом в окислительной среде при температуре 780-800°С или в защитной среде при температуре 900-980°С.

3. Определены значения параметра, пропорционального коэффициенту диффузии алюминия в медь, для системы «медь - двухслойное AI/AI2O3 газопламенное покрытие» в интервале температуры 800—980 "С, позволяющего использовать предложенную методику для расчета толщины диффузионного слоя.

4. Показано, что диффузионный слой, полученный из двухслойного AI/AI2O3 газопламенного покрытия па меди путем диффузионного отжига при температуре 800°С в окислительной среде, имеет больше толщину на 25-40%, тепловое сопротивление на 4560%, жаростойкость и износостойкость на 25-35%, а коэффициент теплопроводности меньше на 15%, чем полученный из алюминиевого покрытия при тех же условиях.

5. Выявлен механизм образования диффузионного слоя в системе «медь - газопламенное покрытие, содержащее смеси Al и AI2O3», при диффузионном отжиге, согласно которому Cu-Al диффузионный слой образуется относительно первоначальной границы

«медь - покрытие» со стороны покрытия из-за преимущественного проникновения атомов меди в алюминий, поскольку подвижность атомов алюминия снижается из-за присутствия АЬОз в покрытии, который не участвует в диффузии и вытесняется к поверхности покрытия.

Практическая значимость.

1. Разработана технология создания на поверхности воздушных фурм защитного слоя путем нанесения и последующей термообработки двухслойного А1/А1гОз газопламенного покрытия.

2. Показано, что средняя стойкость фурм с двухслойным А!/А1гОз газопламенным покрытием на всей поверхности, снятых по всем причииам, превысила среднюю стойкость фурм с А1 покрытием на наружной поверхности в 1,8 раза.

3. Показано, что Си-А1 диффузионный слой, полученный из А1/АЬОз покрытия, на всей поверхности фурмы дает снижение тепловых потерь на 3,2-9,4 % по сравнению с Си - А1 диффузионным слоем, полученным из А1 покрытия, на наружной поверхности. При этом снижение расхода кокса составило 0,28-0,3! кг/т.

Реализация результатов работы.

Технология изготовления воздушных фурм доменных печей с защитным диффузионным покрытием прошла промышленную проверку на ОАО «НЛМК» и рекомендована для внедрения в производство (г. Липецк).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена соблюдением соответствующих методик проведения экспериментов, выполнением микроструктурных и рентгеноспектральных исследований и подтверждена результатами опытно-промышленных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на 6-ой региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 80-летию МИСиС (Старый Оскол, 2010 г.); межрегиональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Наука и производство Урала 2010» (Новотроицк, 2010г.); расширенном научном семинаре кафедры Технологии и оборудования трубного производства НИТУ «МИСиС» (Москва, 2010 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в опубликованных 5 научных работах.

Структура п объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложения. Она изложена па 140 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок п 25 таблиц. Библиографический список включает 67 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта научная новизна и практическая значимость, дана информация о структуре и публикациях основных результатов н положений работы.

В нерпой главе представлен анализ причин замены, а также способов повышения стойкости воздушных фурм доменных печей и снижения тепловых потерь через их поверхность.

Приведены основные причины замены воздушных фурм - прогар рыльной части, трещины по сварке и износ наружного стакана. Прогар рыльной части является самой непредсказуемой причиной замены воздушных фурм и может произойти в любой момент времени их эксплуатации при попадании на поверхность фурм жидкого чугуна. Доля фурм, выведенных из эксплуатации по прогару, составляет в среднем 70-75 % от общего числа замененных фурм. Износ наружного стакана является наиболее ожидаемой причиной замены фурм и возникает в зависимости от объема печи и условий ее работы через 36 месяцев их эксплуатации. Фурмы, находясь в зоне максимальных температур, подвергаются непрерывному истирающему действию шихтовых материалов, приводящему к их износу.

Самое простое решение проблемы износа заключается в увеличении толщины стенок фурм, по оно практически не обеспечивает защиту от прогара.

Одним из направлений совершенствования технологии изготовления воздушных фурм доменных печен является поиск новых материалов. Было предложено изготавливать фурмы из алюминия или его сплава, а на поверхности создавать защитное покрытие из оксида алюминия толщиной не менее 0,5 мм путем оксидирования в электролите. Однако

алюминий имеет более низкую теплопроводность, чем медь, что приводит к расплавлению фурм при подводе к ним дополнительного количества тепла.

Основным направлением повышения стойкости медных воздушных фурм является создание защитного слоя на их поверхности путем нанесения покрытий.

Известны покрытия на основе хрома, которые наносили в виде облицовочного слоя методом заливки, из парогазовой фазы и т.д. Такие способы отличаются трудоемкостью нанесения покрытия и сложностью оборудования, а материал покрытия не снижает тепловые потери через поверхность фурмы из-за его высокого коэффициента теплопроводности. Кроме того, в процессе работы происходит отслоение покрытия по причине отличия коэффициентов термического расширения материалов покрытия и основы.

Защитный слой на поверхности фурмы создавали путем диффузионного насыщения в порошкообразных смесях, содержащих алюминий. Однако данный способ обладает низкой производительностью, не позволяющей изготавливать большое количество фурм.

В последнее время большое распространение получил способ газотермического напыления покрытия на воздушные фурмы. Используют металлы, сплавы и керамику: вольфрам, молибден и другие тугоплавкие металлы, сверхпрочные сплавы на основе никеля и кобальта, оксида алюминия, диоксид циркония и др. Однако наносимые материалы и медь имеют разные коэффициенты термического расширения, что также нередко приводит к отслоению покрытия в процессе эксплуатации фурм.

Уменьшение тепловых потерь через поверхность дутьевого канала и рыльной части достигается: нанесением различных материалов с низкой теплопроводностью, с помощью экранирующей вставки из жаропрочного металла, увеличением чистоты обработки поверхности внутреннего стакана со стороны дутьевого канала и т.д. Однако отсутствуют эффективные комплексные решения, направленные как на повышение стойкости фурм, так и на снижение тепловых потерь через их поверхность.

Для уменьшения абразивного изнашивания и снижения тепловых потерь предлагается создание на поверхности медной фурмы защитного слоя путем нанесения на нее алюминиевого покрытия методом электродуговой металлизации и последующего диффузионного отжига. При диффузионном отжиге происходит диффузия алюминия в медь, что позволяет повысить прочность сцепления между покрытием и основным материалом (адгезия) и получить слой, обладающий повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Так Cu-Al диффузионный слой имеет твердость в 1,5-2,0 раза, износостойкость в 3,5-6,0 раз и жаростойкость в 4,0 раза выше по сравнению с медью, а теплопроводность не превышает 7,0% от теплопроводности меди.

Нанесение на рыльную часть с алюминиевым подслоем покрытий, содержащих не менее 80% никеля, позволило в результате последующей термообработки получить на фурмах диффузионный слой с более высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, чем Cu-Al диффузионного слоя: твердостью на 15-30%, жаростойкостью в 3,5-5 раз и износостойкостью более чем в 2 раза.

Создание такого слоя на поверхности воздушных фурм позволило повысить их стойкость и снизить тепловые потери через их поверхность. Однако в условиях современного металлургического производства это является недостаточным. В связи с этим необходимо продолжить исследования, направленные на повышение этих показателей работы воздушных фурм.

На основании литературного обзора и предварительных экспериментов сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию влияния оксида алюминия на состав и свойства медно-алюминиевого диффузионного слоя.

Для повышения стойкости воздушных фурм и снижения тепловых потерь через их поверхность необходимо было повысить жаростойкость, износостойкость и тепловое сопротивление медно-алюминиевого диффузионного слоя, определяемое как отношение его толщины к коэффициенту теплопроводности (Ц/лп).

Одним из путей достижения требуемых свойств является добавление к алюминиевому покрытию оксида алюминия. Поскольку оксид алюминия представляет собой порошок, то для напыления покрытия использовали газопламенный метод. В качестве напыляемых материалов использовали порошки алюминия АКП (ТУ 48-5-38-78, химический состав: Al-97%, Fe-3%) и оксида алюминия (а-А1203). С использованием этих порошков напыляли двухслойные покрытия и смеси оксида алюминия с алюминием (таблица 1).

Таблица 1 - Покрытия, нанесенные на медные образцы

№ образца 1 2 3 4 5 6

Материал Al два слоя смесь смесь смесь смесь

покрытия А1/А1203 А1203:А1 А1203:А1 А1203:А1 А1203:А1

Отношение объемов - - 1:1 1:2 1:3 1:4

hn, мм 0,9 0,6/0,3 0,6-0,7 0,6-0,7 0,6-0,7 0,6-0,7

Для нанесения покрытий использовали образцы из меди марки М1 (ГОСТ 85901).

Для создания на поверхности образцов диффузионного слоя проводили их диффузионный отжиг в окислительной среде при температуре 780-800 "С и выдержке 4 ч.

Структуру поверхностного слоя на меди исследовали с помощью оптического микроскопа «Neophot-21». Образцы с покрытием из алюминия и оксидов алюминия имеют после отжига достаточно ровные и четкие межслойпые границы.

Исследование распределения элементов в диффузионном слое проводили на реитгено-мнкроанализаторе «Сатеса» модель MS-46.

Было установлено, что содержание алюминия на большей части медно-алюминиевого диффузионного слоя составляет до 11%. Согласно диаграмме состояния Cu-Al, поверхностный слой представляет собой переходную зону, прилегающую к меди и состоящую из а- фазы - твердого раствора алюминия в меди, повышающего износостойкость меди, и двухфазную зону, состоящую из а - фазы и эвтектоидной смеси (а+уг)- Исключение составляют точки, расположенные у поверхности диффузионного слоя, где содержание алюминия изменяется в интервале 15-30%.

Поскольку состав напыляемых покрытии не влияет на распределение алюминия по толщине диффузионного слоя, можно предположить следующий механизм его образования. Диффузионный слой образуется в результате взаимной диффузии Al и Си. Оксиды алюминия не участвуют в диффузии и смещаются к поверхности диффузионного слоя, о чем свидетельствует увеличение содержания алюминия у поверхности образцов до 30%.

Толщина диффузионного слоя в случае напыления двухслойного покрытия AI/AI2O3 превышает толщину диффузионного слоя с использованием покрытия из алюминия на 25—40%. Толщина диффузионного слоя, полученного при напылении смесей, не превышает толщину, полученную с использованием покрытая из алюмшшя.

Теплопроводность диффузионного слоя определяли по номограмме электропроводности, построенной на основании известного соотношения Видемапа-Франца. Измерение электропроводности образцов было произведено методом вихревых токов на приборе ВЭ-17 НЦ/5 (измеритель удельной электропроводности) по стандартной методике.

Электропроводность различных фаз, входящих в диффузионный слой, отличается. Однако это различие мало относительно разницы в электропроводности медно-алюмшшевых фаз и меди. Это дает возможность рассматривать диффузионный слой как однородный. Электропроводность для меди М1 составляет 58 МСм/м. Средняя электропроводность диффузионного слоя, полученного из алюминиевого покрытия с добавлением AI2O3, изменяется в интервале 2,63-3,74 МСм/м. Поскольку для полученных значений

электропроводности соотношение Видемана-Франца выполняется условно, то без учета влияния содержания оксида алюминия в покрытии принимаем, что коэффициент теплопроводности (X) полученных диффузионных слоев на меди составляет 18,9-26,9 Вт/(м К), т.е. 4,5-6,5 % от теплопроводности меди (Хси=417 Вт/(м-К)). Коэффициент теплопроводности диффузионного слоя, полученного с использованием двухслойного AI/AI2O3 покрытия, меньше коэффициента теплопроводности диффузионного слоя, полученного с использованием алюминиевого покрытия на 15%, а полученного с использованием смесей -на 10-50%.

Наибольшие значения теплового сопротивления имеет диффузионный слой, полученный с использованием двухслойного покрытия AI/AI2O3, составляющие 5,4-5,8 м2К/Вт, который может быть рекомендован на воздушных фурмах доменных печей для снижения тепловых потерь через их поверхность.

Для оценки износостойкости диффузионного слоя, были проведены испытания на машине трения по схеме «втулка по плоскости». Цилиндр с наклеенным образцом жестко прикрепляется к валу машины трения. Осевой прижим прижимает образец к полому цилиндру из закаленной стали 45 - контртелу. Диапазон изменения скорости вращения подвижного цилиндра 250-400 мин"' и усилие осевого прижима 20 H обеспечивали стабильную работу установки.

Основным показателем износостойкости испытываемых материалов является величина интенсивности изнашивания — отношением убыли массы к площади и пути трения. Сравнивали интенсивности изнашивания образцов с медно-апюминиевым диффузионным слоем, полученным с использованием алюминиевого и AI/AI2O3 покрытий, и эталонного из меди. Из всех исследуемых составов покрытий для сравнения были выбраны образцы с двухслойным AI/AI2O3 покрытием, т.к. в этом случае диффузионный слой имеет наибольшее тепловое сопротивление (рисунок 1).

Из рисунка видно, что интенсивность изнашивания образцов с поверхностным диффузионным слоем приблизительно в 5 раз меньше интенсивности изнашивания образца из меди, причем износостойкость поверхностного слоя на образцах с AI/AI2O3 покрытием выше, чем с алюминиевым покрытием на 25-35% из-за присутствия а-АЬ03.

/-N 250 fN

s

о 200

s

¡4

^ 150 u

j 100 50 0

0 10 20 30 40 50 T, МИН

60

Рисунок 1 - Изменение интенсивности изнашивания образцов в зависимости от времени испытания: из меди (Ж) и с диффузионным слоем, полученным из покрытий AI №1 (■)иА1/А120з№2(Ф)

Поскольку возможной причиной выхода воздушных фурм из строя остается прогар их рыльной части, то дополнительно были проведены испытания на жаростойкость. Окислению подвергали образцы из меди и с медно-алюмипиевым диффузионным слоем, полученным с использованием алюминиевого и AI/AI2O3 покрытий, при температуре 800°С. Жаростойкость образцов оценивали по увеличению их массы по сравнению с первоначальной. Результаты испытания образцов представлены на рисунке 2.

Видно, что с увеличением времени термообработки возрастает разность между привесом образцов с покрытием и без покрытия, причем жаростойкость образцов с А1/А120з покрытием выше, чем с алюминиевым покрытием на 25-35%. Это происходит потому, что образец с AI/AI2O3 покрытием от окисления дополнительно защищает напыленный а-А120з, в то время как образцы с алюминиевым покрытием защищает от окисления только образующаяся на поверхности при напылении и термообработке пленка у-АЬОз.

0 1 2 3 4 5

Ч

Рисунок 2 - Изменение массы образцов в зависимости от времени выдержки при температуре 800°С: из меди (А) и с диффузионным слоем, полученным из покрытий А1 №1 (ш) иЛ1/А120з№2 (♦)

Известно, что увеличение толщины напыляемого покрытия и повышение температуры и времени термообработки, как правило, приводят к увеличению толщины диффузионного слоя. Однако увеличение толщины напыляемого покрытия сопровождается снижением его адгезии, а повышение температуры термообработки - сильным окислением покрытия и непокрытых участков медной основы. В связи с этим для увеличения толщины диффузионного слоя термообработку покрытий на меди проводили в защитной среде (в водороде). Наиболее показательные состав, толщина и режим термообработки образцов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Состав, толщина и режим термообработки в защитной среде газопламенных покрытии на меди

№ образца 7 8 9 10 11

покрытие А1 А1 А1/А1203 А1/АЬ03 АЬ03:А1=1:2

Ьп, мм 1,0 1,5 1,0/0,2 1,5/0,2 2,0

(, "С / т, ч 900/10 900/10 980/8 810/10 900/10

Исследование структуры создаваемых на меди диффузионных слоев с использованием представленных в таблице 2 составов покрытий позволило установить различное содержание в них хрупкой уг -фазы, оказывающей отрицательное влияние на их износостойкость.

Диффузионный слой образца №7 состоит из двух зон (рисунок 3). Зона у поверхности представляет собой эвтектоидную смесь (ос+уг), далее слой состоит из а - фазы и эвтектоид-ной смеси (а+у2). Толщина диффузионного слоя - 2,6-3,0 мм.

Диффузионный слой образца №8 состоит из четырех зон. Зона у поверхности слоя представляет собой уг-фазу. Далее слой состоит из уг -фазы и эвтектоида (а+72). Следующая зона представляет собой эвтектоидную смесь (а+уг), прилегающая зона к переходному слою состоит из а+(а+7г)- Толщина диффузионного слоя - 4,3-5,1 мм, однако в них 3,6 мм составляют у2 и уг+(а+у2) фазы.

Диффузионный слой образца №9 имеет двухфазное строение - а + (а+уг) (рисунок 4). Далее идет переходный слой, представляющий собой непрерывный ряд раствора алюминия в меди. Толщина диффузионного слоя - 3,2-3,8 мм.

Структура диффузионного слоя образца №10 аналогична структуре образца № 7. Толщина диффузионного слоя - 2,4-2,5 мм.

Диффузионный слой образца №11 имеет двухфазное строение - а + (а+у2). Слой, в отличие от образцов 7-10, образуется относительно первоначальной границы «медь - покрытие» со стороны покрытия, что объясняется преимущественным проникновением атомов меди в алюминий, поскольку подвижность атомов алюминия снижается из-за присутствия а-А120з в покрытии, который не участвует в диффузии и вытесняется к поверхности покрытия. Толщина диффузионного слоя -1,8-1,9 мм.

Следовательно, наблюдается уменьшение содержания уг-фазы в диффузионном слое, полученном с использованием А1/А1203 покрытия, по сравнению с диффузионным слоем, полученным из алюминиевого покрытия.

Идентификация фаз подтверждена локальным химическим анализом на растровом электронном микроскопе и измерением микротвердости. Диапазон анализируемых элементов от Ве до и. Диаметр анализируемого участка ~ 1 мкм. Содержание алюминия в Уг-фазе составило 16-16,8%, эвтектоиде (а+у2)-10,7-13,9%,ава-фазе-непревышало8,1%.

Микротвердость диффузионного слоя измеряли на ПМТ-3 по всей толщине, захватывая медную основу. Измерения твердости проводили в соответствии с методикой, установленной по ГОСТ 9450-76. На индентор устанавливали нагрузку 100 г, отпечатки ставили рядами, перпендикулярными к границе поверхность - основа. Расстояние мевду

отпечатками 80 мкм, между рядами 1000 мкм. Микротвердость у2-фазы составила 25103320 МПа, эвтектоида (а+у2) - 1210-1930 МПа, а-фазы в составе диффузионного слоя - 880— 1140 МПа, а-фазы в составе переходного слоя-730-1030 МПа, амеди-450-610 МПа.

зона эвтекто-идной смеси (а+Уг)

двухфазная область

а+(а+у2)

переходный слой

Рисунок 3 - Микроструктура диффузионного слоя образца №7

п

эвтектоидная смесь (а-н/г)

а-фаза

Рисунок 4 - Микроструктура диффузионного слоя образца №9

Как следует из проведенных исследований, толщину диффузионного слоя можно увеличить путем напыления алюминиевого покрытия толщиной 1,0 мм и термообработки при температуре 900°С в защитной среде, в частности, в водороде (образец 7). Увеличение толщины покрытия до 1,5 мм приводит к росту толщины диффузионного слоя в основном за счет образования хрупкой fi - фазы, снижающей его износостойкость (образец 8). Использование А1/АЬ0з покрытия более предпочтительно, чем алюминиевого при температуре 900°С в защитной среде, т.к. уменьшается коэффициент теплопроводности, что приводит к повышению теплового сопротивления. Кроме того, напыление а-АЬОз поверх алюминиевого покрытия сдерживает образование уг - фазы, что повышает износостойкость диффузионного слоя.

Напыление а-А120з в составе смесей, например АЬОз:А1=1:2, также сдерживает образование уг - фазы, но не позволяет получить толщину диффузионного слоя больше толщины напыляемого покрытия независимо от среды и режимов термообработки (образцы 4,11).

Таким образом, наиболее эффективным способом создания жаростойкого и износостойкого диффузионного слоя на поверхности меди с наибольшим тепловым сопротивлением является напыление А1/А120з покрытия толщиной приблизительно 1,0/0,2 мм и термообработка при температуре не ниже 900°С в защитной среде. При отсутствии защитной среды термообработку меди с AI/AI2O3 покрытием следует проводить при температуре около 800°С.

Третья глава посвящена методикам расчета толщины диффузионного слоя и тепловых потерь через поверхность воздушных фурм.

Для определения толщины диффузионного слоя в процессе термообработки предложена методика, за основу которой принято уравнение:

Ьд2 = К(1)-т, (1)

где Ьл - толщина диффузионного слоя;

K(t) - параметр, пропорциональный коэффициенту диффузии (зависит от температуры);

т - время образования диффузионного слоя толщиной Ьд.

Продифференцируем уравнение (1): Дh„ Дг

Отсюда

где ЛЬд-толщина диффузионного слоя, образующаяся за время Дт. Толщина диффузионного слоя в каждый последующий момент времени опредС' ляется так:

где Ьд и, 11Д| - толщина диффузионного слоя в ¡-1 и I моменты времени, соответственно.

Параметры К((), пропорциональные коэффициентам диффузии алюминия в медь для систем «Си основа - А1 газопламенное покрытие» и «Си основа - А1/Л1гОз газопламенное покрытие», определяются из уравнения (1) путем обработки экспериментальных данных с применением методов математической статистики.

Уравнение для параметра К(0, пропорционального коэффициенту диффузии алюминия в медь для системы «Си основа - А1 газопламенное покрытие», имеет следующий вид:

Уравнение для параметра K(t), пропорционального коэффициенту диффузии алюминия в медь для системы «Си основа - А1/АЬ0з газопламенное покрытие», имеет следующий вид:

а - среднеквадратичное отклонение расчетных значений К от экспериментальных.

В результате расчетов по соотношениям (2) и (3) с использованием значений K(t) из уравнений (4) и (5) определяли толщину диффузионного слоя, образующегося в результате термообработки образцов с газопламенным покрытием. При этом учитывали изменение температуры на поверхности изделия в каждый момент времени решением уравнения теплопроводности.

Проводили сопоставление расчетных и измеренных значений толщины диффузионного слоя после лабораторного эксперимента по нагреву в печи с температурами 800 и 900°С в течение 4 и 10 ч, соответственно, образцов из меди Ml толщиной 6,0 мм в системе

(3)

KAi=(0,0163t-12,17)-10^',CM2/c R2=0,8481, o=0,378i0'''cmj/c,

(4)

Kai/ai203 =(0.0153't-10,67)-10"6, см2/с R2=0,9203, о=0,463'10"6 см2/с, (5)

где R2 — коэффициент детерминации - достоверность аппроксимации,

«Си основа - AI газопламенное покрытие» н с температурами 790, 810 п 980°С в течение 4, 10 и 8 ч, соответственно, в системе «Си основа - AI/AI2O3 газопламенное покрытие».

В результате расчетов по предложенной методике в системе «Си основа - AI газопламенное покрытие» толщина диффузионного слоя при температуре 800°С составила 1,11 мм, при 900°С - 2,99 мм, а в результате измерения с помощью металлографической аппаратуры - 1,11 мм и 2,97 мм (средние значения), соответственно. В системе «Си основа - AI/AI2O3 газопламенное покрытие» толщина диффузионного слоя составила 1,42 мм при температуре 790()С, 2,48 мм при 810°С и 3,52 мм при 980°С, а в результате измерения с помощью металлографической аппаратуры - 1,44 мм, 2,45 мм и 3,5 мм (средние значения), соответственно. Следовательно, расхождение расчетных и экспериментальных результатов не превышает 2,0%.

Предложенная методика была использована для определения режимов термообработки воздушных фурм доменных печей с двухслойным AI/AI2O3 газопламенным покрытием, обеспечивающих получение требуемой толщины диффузионного слоя, для повышения их стойкости и снижения тепловых потерь через их поверхность.

В результате расчетов в качестве примера получена зависимость толщины диффузионного слоя от режимов нагрева (рисунок 5).

На основании полученной зависимости (рисунок 5) получена зависимость времени термообработки меди с AI/AI2O3 покрытием от температуры в печи, обеспечивающих образование на поверхности меди диффузионного слоя толщиной от 2,0 мм до 3,5 мм (рисунок 6).

Аналогичным образом можно получить подобные зависимости и для другой толщины меди.

В работе приведена методика расчета тепловых потерь через воздушные фурмы.

Согласно расчетам, Си - AI диффузионный слой, полученный из AI/AI2O3 покрытия, на всей поверхности фурмы дает снижение тепловых потерь на 3,9% по сравнению с Си - AI диффузионным слоем, полученным из алюминиевого покрытия, на наружной поверхности фурмы и на 3,3% по сравнению с таким же диффузионным слоем на всей поверхности.

Проведены расчеты расхода кокса на тонну выплавляемого чугуна по методикам с учетом и без учета температуры горячего дутья. Показано, что снижение расхода кокса при использовании фурм с алюминиевым газопламенным покрытием всей поверхности составило 0,11-0,12 кг/т по сравнению с таким же покрытием наружной поверхности, а снижение расхода кокса при использовании фурм с двухслойным AI/AI2O3 газопламенным покрытием всей поверхности составило 0,28-0,31 кг/т.

О 2 4 б Я 10

Ереш термооораоотки.ч

Рисунок 5 - Зависимость толщины диффузионного слоя от времени нагрева меди М1 с Л1/А120з покрытием: 1 - 1Печ=800°С, 2-900; 11Си—30 мм

Температура в печи. С

Рисунок 6 - Зависимость времени термообработки меди с А1/АЬОз покрытием от температуры в печи, обеспечивающих образование диффузионного слоя толщиной: 1-2,0 мм; 2-2,5; 3-3,0; 4-3,5; 11с =30 мм

Четвертая глава посвящепа разработке технологии изготовления воздушных фурм доменных печей с защитным диффузионным слоем, полученным из А1/АЬОз газопламенного покрытия.

На наружную поверхность и поверхность фурм со стороны дутьевого канала были нанесены газопламенные покрытия (таблица 3). Опытные воздушные фурмы были установлены на ДП-6 ОАО «НЛМК».

Таблица 3 - Результаты эксплуатации фурм с защитным покрытием

№ фурмы (фурменного прибора) Материал Тепловые потери 010"3, Ккал/ч, экс./сер. (Qcep-Оэкс.) / Qcep., % Стойкость, сутки Причина замены

929(23) Al 142,1/146,3 2,9 262 Химический износ сварного шва рыла и наружного стакана

921(16) AI/AI2O3 138,0/152,3 9,4 385 Трещина по сварному шву рыла и наружного стакана

227(28) А1/А120з 152,1/157,1 3,2 162 По технологии (поставили глуходоиную)

383(20) А1/А120з 131,1/142,5 8,0 658 По сроку (фурма целая)

В процессе эксплуатации фурм на доменной печи проводили измерения расхода воды через фурму и перепада температуры на входе и выходе из фурменного прибора. Контроль тепловых потерь через экспериментальные и серийные фурмы проводили с использованием результатов указанных выше измерений.

На воздушной фурме №921 было достигнуто максимальное снижение тепловых потерь (на 9,4 % ниже серийной фурмы), а у фурмы №383 отмечен максимальный срок службы (658 суток) (рисунок 7).

В результате анализа статистических данных по ДП-6 ОАО «НЛМК» было установлено, что средняя стойкость фурм с А1/АЬОз покрытием на всей поверхности, снятых по всем причинам, превысила среднюю стойкость фурм с алюминиевым покрытием на наружной поверхности в 1,8 раза.

Отличительной особенностью стало увеличение времени выдержки до 10 ч при температуре 780°С вместо принятого 6 ч. Это дало положительный результат по снижению тепловых потерь в случае нанесения двухслойного покрытия А1/А12Оз.

Рисунок 7 - Воздушная фурма №383 с А1/А120з покрытием всей поверхности

после замены

Элементы технологии создания диффузионного слоя на поверхности воздушных фурм из А1/А120з покрытия подготовлены для внесения в действующую технологическую инструкцию по созданию такого слоя из алюминиевого покрытия.

Ожидаемый экономический эффект только от повышения стойкости воздушных фурм с А1/А1203 покрытием и снижения тепловых потерь через их поверхность составит более 3,5 млн. руб. в год.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен новый вид защитного покрытия на воздушных фурмах доменных печей, состоящего из переходного и диффузионного слоев толщиной 1,5-3,5 мм с содержанием алюминия не более 14% по массе и слоя оксида алюминия и разработан научно обоснованный способ формирования такого покрытия газопламенным напылением на медь композиционного двухслойного А1/А1203 покрытия толщиной 0,6-1,0/0,2-0,3 мм с

последующим диффузионным отжигом в окислительной среде при температуре 780-800сС или в защитной среде при температуре 900-980°С.

2. Показано, что Cu-Al диффузионный слой в системе «медь - газопламенное покрытие, содержащее смеси Al и AI2O3» образуется при диффузионном отжиге относительно первоначальной границы «медь - покрытие» со стороны покрытия, a AI2O3 не участвует в диффузии и вытесняется к поверхности покрытия, что подтверждается результатами рентгеноспектрального микроанализа, согласно которому содержание алюминия на большей части диффузионного слоя не зависит от состава покрытия и отличается только у его поверхности.

3. Установлено, что в результате напыления на медь двухслойного газопламенного покрытия AI/AI2O3 и последующего диффузионного отжига при температуре 800°С в окислительной среде образуется диффузионный слой, который по сравнению с диффузионным слоем, полученным из алюминиевого покрытия, имеет: толщину на 25—40% больше, коэффициент теплопроводности на 15% меньше, тепловое сопротивление на 45-60% больше, износостойкость и жаростойкость на 25-35% больше, а в случае напыления смесей А120з:А1=1:1, 1:2, 1:3, 1:4 по объему - толщину не больше, коэффициент теплопроводности на 10-50% меньше, тепловое сопротивление на 10-30% больше.

4. Предложена методика расчета толщины диффузионного слоя, основанная на использовании экспериментально определенного параметра, пропорционального коэффициенту диффузии алюминия в медь для системы «медная основа - двухслойное AI/AI2O3 газопламенное покрытие».

5. Показано, что средняя стойкость фурм с двухслойным AI/AI2O3 газопламенным покрытием на всей поверхности, снятых по всем причинам, превысила среднюю стойкость фурм с алюминиевым покрытием на наружной поверхности в 1,8 раза. При этом тепловые потери через поверхность фурм уменьшаются по расчетным данным на 3,9%, а по результатам измерений на 3,2-9,4%, что обеспечивает снижение расхода кокса 0,28-0,31 кг на тонну выплавляемого чугуна.

6. Разработана технология создания на поверхности воздушных фурм защитного слоя путем нанесения и последующей термообработки двухслойного AI/AI2O3 газопламенного покрытия. Технология прошла промышленную проверку на ОАО «HJIMK» и рекомендована для внедрения в производство.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Акимов, В.А. Исследование влияния оксида алюминия на состав и свойства медпо-алюминиевого диффузионного слоя [Текст] I В.А. Акимов, А.Г. Радгак, А.Е. Тпт-лянов //Технология металлов. - 2010. -№7. - С. 45-50.

2. Акимов, В.А. Создание диффузионных слоев на меди в защитной среде [Текст] / В.А. Акимов, А.Г. Радюк, А.Е. Тптляиов // Цветные металлы. - 2010. -№7. - С. 67-69.

3. Акимов, В.А. Методики расчета толщины диффузионного слоя н тепловых потерь через поверхность воздушных фурм с двухслойным А1/АЬОз газопламенным покрытием [Текст] / В.А. Акимов, А.Г. Радюк, А.Е. Тптляиов // Технология металлов. - 2010. -№8. - С. 33-39.

4. Акимов, В.А. Оценка влияния двухслойного А1/А12О3 газопламенного покрытия воздушных фурм доменных печей па снижение расхода кокса [Текст] / В.А. Акимов // На|ка и производство Урала 2010: Сб. трудов межрегиональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов. - Новотропцк: НФ МИСпС, 2010. - Раздел II.-С. 14-17.

5. Акимов, В.А. Повышение свойств медпо-алюмпниевого диффузионного слоя использованием оксида алюминия [Текст] / В.А. Акимов, А.Г. Радюк // Сб. трудов 6-оп региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 80-летию МИСиС. - Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСпС, 2010. - Т. 1. - С. 6-8.

Подписано в печать: 07.02.2011

Заказ № 4945 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Объем: 1,5усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ причин замены и способов повышения стойкости воздушных фурм доменных печей.

1.1. Основные причины замены воздушных фурм.

1.2. Способы повышения стойкости воздушных фурм по износу.

1.3. Способы снижения тепловых потерь через поверхность воздушных фурм.

1.4. Применение Си—А1 диффузионного слоя на воздушных фурмах.

1.5. Создание диффузионных слоев на фурмах с использованием никельсодержащих покрытий.

1.6. Технология и оборудование для нанесения покрытий способом газопламенного напыления.

1.7. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Исследование влияния оксида алюминия на состав и свойства медно-алюминиевого диффузионного слоя.

2.1. Повышение свойств медно-алюминиевого диффузионного слоя путем добавления к алюминию оксидов алюминия.

2.1.1. Структура поверхностного слоя.

2.1.2. Распределение элементов в диффузионном слое.

2.1.3. Рентгеноструктурный фазовый анализ поверхностного слоя.

2.1.4. Толщина диффузионного слоя.

2.1.5. Теплопроводность и тепловое сопротивление.

2.1.6. Износостойкость.

2.1.7. Жаростойкость.

2.2. Создание диффузионных слоев на меди в защитной среде.

2.2.1. Микроструктура.

2.2.2. Микрозондовое исследование.

2.2.3. Микротвердость.

2.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. Методики расчета толщины диффузионного слоя и тепловых потерь через поверхность воздушных фурм.

3.1. Расчет толщины диффузионного слоя в системе «Си основа — А1/А1203 газопламенное покрытие».

3.2. Методика расчета тепловых потерь через поверхность воздушной фурмы.

3.3. Оценка влияния А1 покрытия со стороны дутьевого канала на снижение тепловых потерь через воздушные фурмы.

3.4. Оценка влияния двухслойного покрытия из алюминия и оксида алюминия на снижение тепловых потерь через воздушные фурмы.

3.5. Оценка влияния покрытия на снижение расхода кокса.

3.6. Оценка влияния покрытия на снижение расхода кокса через температуру горячего дутья.

3.7. Расчет тепловых потерь через воздушные фурмы с А1 покрытием со стороны дутьевого канала и экономии кокса на ДП-6 ОАО

НЛМК».

3.8. Расчет тепловых потерь через воздушные фурмы с двухслойным А1/А1гОз покрытием всей поверхности и экономии кокса на ДП

ОАО «НЛМК».

3.9. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. Использование воздушных фурм с покрытиями из алюминия и оксида алюминия в доменном цехе ОАО «НЛМК».

4.1. Металлография серийных фурм с алюминиевым покрытием, рано вышедших из строя.

4.2. Создание защитного слоя с использованием оксида алюминия на воздушных фурмах и их испытание на ДП-6 ОАО «НЛМК».Ш

4.3. Металлография экспериментальных фурм с покрытием на основе алюминия всей поверхности.

4.4. Расчёт экономического эффекта для доменной печи №6 ОАО «НЛМК».

4.5. Технологические указания по нанесению покрытия с использованием оксида алюминия на воздушные фурмы.

4.6. Выводы по главе.

Воздушные фурмы доменных печей (рисунок 1) являются одним из важнейших элементов конструкции доменной печи, определяющих эффективность ее работы; выход фурм из строя влечет за собой необходимость остановки печи для замены разрушенной фурмы. Простои печи по этой причине приводят к существенному снижению выплавки чугуна и увеличению расхода кокса.

Рисунок 1 - Воздушная доменная фурма (сварная): 1 - рыльная часть, 2 — наружный стакан, 3 - внутренний стакан, 4 — фланец, 5 — сварные швы, 6 - колено

Основными причинами выхода воздушных фурм доменных печей из строя являются: прогар рыльной части, трещины по сварке и износ наружного стакана.

Прогар рыльной части воздушных фурм может произойти в любой момент времени эксплуатации при попадании на их поверхность жидкого чугуна. Доля замененных по прогару фурм составляет в среднем 70—75 %. Износ наружного стакана является наиболее предсказуемой причиной замены фурм и возникает в зависимости от объема печи и условий ее работы через 3-6 месяцев их эксплуатации. Фурмы, находясь в зоне максимальных температур, подвергаются непрерывному истирающему действию шихтовых материалов, приводящему к их износу.

Известно, что на воздушные фурмы приходится 30% всех тепловых потерь в печи /1/. При этом тепловые потери через поверхность фурмы распределяются следующим образом: 18% - рыльная часть, 36% - наружный стакан, 46% - внутренний стакан /2/.

Одним из путей устранения этих недостатков является создание поверхностных слоев с высокими эксплуатационными свойствами формированием защитных диффузионных покрытий. Это выгодно отличает данный метод от других /3/, когда на её поверхность наносят керамическое покрытие. Рациональным методом защиты меди при температурах до 800°С признано алитирование.

Одним из методов алитирования является насыщение поверхности меди порошковыми смесями. Однако этот метод является сравнительно трудоемким и обладает низкой производительностью.

В настоящее время для создания диффузионных слоев на воздушных фурмах успешно применяется напыление покрытий методом электродуговой металлизации с последующей термообработкой. Полученный Си—А1 диффузионный слой на воздушных фурмах позволил исключить причину их замены по износу рыльной части со стороны дутьевого канала, повысить их стойкость по износу наружного стакана на 28%, по прогару рыльной части - на 14% и снизить тепловые потери через их поверхность на 2%.

Нанесение на рыльную часть с алюминиевым подслоем покрытий, содержащих не менее 80% никеля, позволило повысить стойкость по прогару опытных фурм на 30% по сравнению с серийными фурмами, напыленными только алюминиевым покрытием. При этом снижение тепловых потерь на отдельно взятых опытных фурмах составило 5% по сравнению с серийными фурмами, установленными на соседних фурменных приборах.

Для дальнейшего улучшения показателей работы воздушных фурм необходим поиск новых материалов. В связи с этим представляет интерес покрытие из порошка оксида алюминия, напыляемого газопламенным методом /4,5/. Однако такое покрытие отслаивается в процессе эксплуатации фурм из-за различных коэффициентов термического расширения А1203 и меди. В то же; время сочетание его с алюминиевым покрытием и последующей термообработкой позволило бы получить материал на поверхности фурм с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Поэтому исследование и совершенствование технологии изготовления воздушных фурм доменных печей нанесением алюмосодержащих газопламенных покрытий с последующей термообработкой является актуальной научной и практической задачей.

В процессе выполнения работы получены результаты, научная новизна которых заключается в следующем.

1. Предложен новый вид защитного покрытия на воздушных фурмах доменных печей, состоящего из переходного и диффузионного слоев толщиной 1,5-3,5 мм с содержанием алюминия не более 14% по массе и слоя оксида алюминия.

2. Разработан научно обоснованный способ формирования такого покрытия газопламенным напылением на медь композиционного двухслойного А1/А1203 покрытия толщиной 0,6-1,0/0,2-0,3 мм с последующим диффузионным отжигом в окислительной среде при температуре 780-800°С или в защитной среде при температуре 900—980°С.

3. Определены значения параметра, пропорционального коэффициенту диффузии алюминия в медь, для системы «медь — двухслойное А1/А120з газопламенное покрытие» в интервале температуры 800-980 °С, позволяющего использовать предложенную методику для расчета толщины диффузионного слоя.

4. Показано, что диффузионный слой, полученный из двухслойного А1/А12Оз газопламенного покрытия на меди путем диффузионного отжига при температуре 800°С в окислительной среде, имеет больше толщину на 25— 40%, тепловое сопротивление на 45-60%, жаростойкость и износостойкость на 25-35%, а коэффициент теплопроводности меньше на 15%, чем полученный из алюминиевого покрытия при тех же условиях.

5. Выявлен механизм образования диффузионного слоя в системе «медь - газопламенное покрытие, содержащее смеси Al и А12Оз», при диффузионном отжиге, согласно которому Cu-Al диффузионный слой образуется относительно первоначальной границы «медь - покрытие» со стороны покрытия из-за преимущественного проникновения атомов меди в алюминий, поскольку подвижность атомов алюминия снижается из—за присутствия А120з в покрытии, который не участвует в диффузии и вытесняется к поверхности покрытия.

Практическая значимость работы состоит в следующем.

1. Разработана технология создания на поверхности воздушных фурм защитного слоя путем нанесения и последующей термообработки двухслойного А1/А120з газопламенного покрытия.

2. Показано, что средняя стойкость фурм с двухслойным А1/А12Оз газопламенным покрытием на всей поверхности, снятых по всем причинам, превысила среднюю стойкость фурм с Al покрытием на наружной поверхности в 1,8 раза.

3. Показано, что Си - А1 диффузионный слой, полученный из АУА^Оз покрытия, на всей поверхности фурмы дает снижение тепловых потерь на 3,2-9,4 % по сравнению с Си — А1 диффузионным слоем, полученным из А1 покрытия, на наружной поверхности. При этом снижение расхода кокса составило 0,28-0,31 кг/т.

Данная диссертация является составной частью комплекса научно-исследовательских работ, выполненных в национальном исследовательском технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» на кафедре Технологии и оборудования трубного производства в соответствии с рабочим планом и планом хоздоговорной работы.

Основные результаты и положения диссертации доложены на 6-ой региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 80-летию МИСиС (Старый Оскол, 2010 г.); межрегиональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Наука и производство Урала 2010» (Новотроицк, 2010г.); расширенном научном семинаре кафедры Технологии и оборудования трубного производства НИТУ «МИСиС» (Москва, 2010 г.).

Основное содержание работы отражено в 5 опубликованных работах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложения. Она изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 25 таблиц. Библиографический список включает 67 наименований.

Основные результаты и выводы

1. Предложен новый вид защитного покрытия на воздушных фурмах доменных печей, состоящего из переходного и диффузионного слоев толщиной 1,5-3,5 мм с содержанием алюминия не более 14% по массе и слоя оксида алюминия и разработан научно обоснованный способ формирования такого покрытия газопламенным напылением на медь композиционного двухслойного А1/АЬ0з покрытия толщиной 0,6-1,0/0,2-0,3 мм с последующим диффузионным отжигом в окислительной среде при температуре 780-800°С или в защитной среде при температуре 900-980°С.

2. Показано, что Си—А1 диффузионный слой в системе «медь — газопламенное покрытие, содержащее смеси А1 и АЬОз» образуется при диффузионном отжиге относительно первоначальной границы «медь — покрытие» со стороны покрытия, а А12Оз не участвует в диффузии и вытесняется к поверхности покрытия, что подтверждается результатами рентгеноспектраль-ного микроанализа, согласно которому содержание алюминия на большей части диффузионного слоя не зависит от состава покрытия и отличается только у его поверхности.

3. Установлено, что в результате напыления на медь двухслойного газопламенного покрытия АУАЬОз и последующего диффузионного отжига при температуре 800°С в окислительной среде образуется диффузионный слой, который по сравнению с диффузионным слоем, полученным из алюминиевого покрытия, имеет: толщину на 25—40% больше, коэффициент теплопроводности на 15% меньше, тепловое сопротивление на 45-60% больше, износостойкость и жаростойкость на 25-35% больше, а в случае напыления смесей А1203:А1=1:1, 1:2, 1:3, 1:4 по объему -толщину не больше, коэффициент теплопроводности на 10—50% меньше, тепловое сопротивление на 10— 30% больше.

4. Предложена методика расчета толщины диффузионного слоя, основанная на использовании экспериментально определенного параметра, пропорционального коэффициенту диффузии алюминия в медь для системы «медная основа - двухслойное А1/А120з газопламенное покрытие».

5. Показано, что средняя стойкость фурм с двухслойным А1/А12Оз газопламенным покрытием на всей поверхности, снятых по всем причинам, превысила среднюю стойкость фурм с алюминиевым покрытием на наружной поверхности в 1,8 раза. При этом тепловые потери через поверхность фурм уменьшаются по расчетным данным на 3,9%, а по результатам измерений на 3,2-9,4%, что обеспечивает снижение расхода кокса 0,28-0,31 кг на тонну выплавляемого чугуна.

6. Разработана технология создания на поверхности воздушных фурм защитного слоя путем нанесения и последующей термообработки двухслойного А1/А1203 газопламенного покрытия. Технология прошла промышленную проверку на ОАО «НЛМК» и рекомендована для внедрения в производство.

1. Бородулин, A.B. Научные основы рационального использования энергетических ресурсов в доменном производстве Текст. / A.B. Бородулин // Автореферат дис. д-ра тех. наук — Екатеринбург. — 1994. 46 С.

2. Бондаренко, A.A. Исследование теплонапряжённости различных участков фурм Текст. / A.A. Бондаренко, A.C. Горбик, Г.Г. Дышлевич // Сталь.- 1983.-№7.-С. 11-12.

3. Фурма доменной печи Текст.: A.c. 870433 СССР: МКИ С21В 7/16 / Н.С. Антипов и др. 2861308/22-02; заявл. 28.12.79; опубл. 07.10.81.

4. Шехтер, С.Я. Плазменное напыление воздушных фурм доменных печей Текст. / С .Я. Шехтер, A.M. Резницкий, Е.А. Булатников и др. // Сталь.- 1967. №4. - С. 308.

5. Дорофеев, В.Н. Конструкция и проектирование доменных печей Текст. / В.Н. Дорофеев // Киев: УМКВО, 1991.

6. Андоньев, С.М. Охлаждение доменных печей Текст. / С.М. Ан-доньев, И.В. Филипьев , В.Н. Кудинов // Москва: Металлургия, 1972.

7. Бочка, В.В. Повышение стойкости воздушных фурм доменных печей Текст. /В.В. Бочка, Е.Г. Донсков, Е.В. Дорош и др. // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». Москва. — 2003. — №9. — С. 21—24.

8. Дутьевая фурма для доменных печей и способ ее изготовления Текст.: пат. 2233338 Рос. Федерация: С21В 7/16 / Зайнуллин, Л.А., Филиппов В .В., Рудин B.C., Филатов C.B. и др. 2002131110/02; заявл. 18.11.02; опубл. 27.04.04.

9. A.C. СССР 576341, МПК С 21 В 7/16, 1976.

10. Патент Японии N 1683-48, кл. 10А523, 1973.

11. A.C. СССР 798178, МПК С 21 В 7/16, 1979.

12. Правила безопасности в газовом хозяйстве предприятий черной металлургии, ПБГЧМ-86, Москва: Металлургия, 1987.

13. Дутьевая фурма доменной печи Текст.: пат. 2124054 Рос. Федерация: МКИ С21В 7/16 / Капнин В.В., Ларин Ю.И., Корышев А.Н. и др. -97116591/02; заявл. 06.10.97; опубл. 27.12.98.

14. Хокинг, Н. Металлические и керамические покрытия. Получение, свойства и применение Текст. / Н. Хокинг, В. Васантасри, П. Сидки // пер. с англ. Лазарева Э.Л., Симакова C.B.; под ред. P.A. Андриевского. — Москва: Мир, 2000.

15. Хасуи, А. Наплавка и напыление Текст. / А. Хасуи, О. Моригаки // пер с яп. Попова В.Н. ; под ред. B.C. Степина, H.H. Шестеринкина. — Москва: Машиностроение, 1985. -240 с.

16. Шехтер, С.Я. Плазменное напыление дутьевых фурм доменных печей Текст. / С.Я. Шехтер, A.M. Резницкий и др. // Автоматическая сварка. Киев. - 1988. - №1. - С. 54-55.

17. Антонов, A.A. Повышение стойкости воздушных фурм Текст. / A.A. Антонов, В.П. Горбачев, С.Ф. Бугаев и др. // Черная металлургия: бюл. ин-та «Черметинформация», Москва, - 1990. - №7. — С. 47-48.

18. Справочник по теплопередаче Текст. / С.С. Кутателадзе, В.М. Борищанский. Москва: Госэнергоиздат, 1959.— С. 414

19. Дутьевая фурма доменной печи Текст.: а.с. 881120 СССР: МКИ С21В 7/16 / Шостак В.М., Вишневская JI.B., Марадудин Г.И. и др. -2896528/22-02; заявл. 21.03.80; опубл. 15.11.81, Бюл. №32.

20. Способ подготовки к работе фурмы доменной печи Текст.: пат. 2215043 Рос. Федерация: МКИ С21В 7/16 / Григорьев В.Н., Урбанович Г.И., Урбанович Е.Г. и др. 20011337559/02; заявл. 11.12.01; опубл. 27.10.02, Бюл. №30.

21. Дутьевая фурма доменной печи Текст.: а.с. 929707 СССР: МКИ С21В 7/16 / Хомич И.Т., Гладуш В.Д., Шапиро С.Ю. и др. 3214673/22-02; заявл. 14.10.80; опубл. 23.05.82, Бюл. №15.

22. Дутьевая фурма доменной печи Текст.: а.с. № 840116 СССР: МКИ С21В 7/16 / Шарапов М.И., Лежнев Г.П: 2551345/22-02; заявл. 05.12.77; опубл. 23.06.81, Бюл. №18.

23. Дутьевая фурма доменной печи Текст.: пат. № 1201312 Рос. Федерация: МКИ С21В 7/16 / Гиммельфарб A.A., Бондарь В.М., Медведев Н.М. и др. 3698348; заявл. 09.02.84; опубл. 30.12.85, Бюл. №36.

24. Радюк, А.Г. Повышение стойкости доменных фурм путем газотермического напыления Текст. / А.Г. Радюк, А.Е. Титлянов, А.Г. Якоев и др. // Сталь. 2002. - №6. - С. 11-12.

25. Радюк, А.Г. Свойства поверхностного слоя на меди, образующегося после нанесения и термообработки алюминиевого газотермического покрытия Текст. / А.Г. Радюк, А.Е. Титлянов, Э.М. Самедов // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. 2007. — №3. - С. 70-74.

26. Самедов, Э.М. Повышение стойкости воздушных фурм доменных печей алитированием Текст. / Э.М. Самедов // Сборник трудов 3-й международной конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века». — М.: ВНИИМЕТМАШ им. акад. А.И. Целикова, 2007. С. 42-47.

27. Логинов, В.Н. Совершенствование работы воздушных фурм доменных печей путем нанесения газотермических покрытий Текст. / В.Н. Логинов, А.Г. Радюк, М.Ю. Суханов, М.М. Каримов, Э.М. Самедов // Сталь. -2007. — №3. С. 11-12.

28. Украинцев, А.Е. Разработка защитных покрытий для воздушных фурм доменных печей Текст. / Украинцев А.Е. // 62-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно—технические конференции. Москва, - 2007. - С. 219-220.

29. Стеблянко, В.Л. Подготовка поверхности металлических компонентов при производстве композиционных материалов Текст. / В.Л. Стеблянко, И.В. Ситников // Магнитогорск: МГМИН, 1989. 99 С.

30. Окисление металлов Текст. / под ред. Бенара Ж., т. 1. Москва: Металлургия, 1968. - 499 С.

31. Рыкалин, H.H. Физические и химические проблемы соединения разнородных материалов Текст. / H.H. Рыкалин, М.Х. Шоршоров // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. -1965. №1. — С. 29-36.

32. Елизаветин М.А., Сатель Э.А. Технологические способы повышения долговечности машин Текст. / М.А. Елизаветин, Э.А. Сатель // Москва: Машиностроение, 1969. 400 С.

33. Пузряков, А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления Текст. / А.Ф. Пузряков // Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. 257 С.

34. Кречмар, Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс Текст. / Э. Кречмар // Москва: Машиностроение, 1966. 432 С.

35. Кудинов, В.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов Текст. / В.В. Кудинов, Г.В. Бобров // Москва: Металлургия, 1992. 432 С.

36. Повышение качества поверхности и плакирование металлов. Справочник. Текст. / Под ред. А. Кнаушера // Москва: Металлургия, 1984. — 462 С.

37. Анциферов, В.Н. Порошковая металлургия и напыленные покрытия Текст. / В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, JI.K. Дружинин и др. // Москва: Металлургия, 1987. 729 С.

38. Радюк, А.Г. Исследование свойств поверхностных слоев на меди, получаемых путем нанесения и термообработки газотермических покрытий на основе алюминия Текст. / А.Г. Радюк, А.Е. Титлянов, С.В. Филатов // Цветные металлы. 2006. -№8. - С. 106—110.

39. Исследование влияния оксида алюминия на состав и свойства медно-алюминиевого диффузионного слоя Текст. / В.А. Акимов, А.Г. Ра-дюк, А.Е. Титлянов // Технология металлов. — 2010. —№7. — С.45-50.

40. Медь. Марки Текст.: ГОСТ 859-01 — Москва: Издательство стандартов, 2001.

41. Металлографическое травление металлов. Справочник Текст. / JI.B. Баранова, Э.Л. Демина // Москва: Металлургия, 1986.

42. Fournier, С., An expert system for ЕРМА Текст. / С. Fournier, С. Merlet, Р. F. Staub e.a // Mikrochim. Acta. 2000. - P. 531-539.

43. Новиков, И.И. Металловедение, термообработка и рентгенография: Учебник для вузов Текст. / И.И. Новиков, Г.Б. Строганов, А.И. Новиков // Москва: МИСиС, 1994. 480 С.

44. Савицкий, Е.М. Электрические и эмиссионные свойства сплавов Текст. / Е.М. Савицкий, И.В. Буров, C.B. Пирогова и др. // Москва: Наука, 1978.-296 С.

45. Николаев, А.К. Материалы для кристаллизаторов непрерывного литья слитков Текст. / А.К. Николаев // Цветные металлы. — 1983. -№12. -С. 51-55.

46. Акимов, В.А. Создание диффузионных слоев на меди в защитной среде Текст. / В.А. Акимов, А.Г. Радюк, А.Е. Титлянов // Цветные металлы. -2010.-№7.-С. 67-69.

47. Neih, T.G. Superplasticity in metals and ceramics Текст. / T.G. Neih, J. Wardsworth, O.D. Sherby // Cambridge university press, 1997.

48. Коломыцев, П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия Текст. / П.Т. Коломыцев // М.: Металлургия, 1979. 272 С.

49. Бокий, Г.В. Кристаллохимия Текст. / Г.В. Бокий // Москва: Наука, 1971.-400 С.

50. Бокштейн, Б.С. Диффузия в металлах Текст. / Б.С. Бокштейн // Москва: Металлургия, 1978. 286 С.

51. Золоторевский, B.C. Механические испытания и свойства металлов Текст. / B.C. Золоторевский // Москва: Металлургия, 1974.

52. Твердость. Методика измерения, единицы, обозначения Текст.: ГОСТ 9450-76. — Москва: Издательство стандартов, 1979.

53. Рябов, В.Р. Алитирование стали Текст. / В.Р. Рябов // Москва: Металлургия, 1973. 240 С.

54. Акимов, В.А. Методики расчета толщины диффузионного слоя и тепловых потерь через поверхность воздушных фурм с двухслойным AI/AI2O3 газопламенным покрытием Текст. / В.А. Акимов, А.Г. Радюк, А.Е. Титлянов // Технология металлов. 2010. - №8. - С. 33-39.

55. Титлянов, А.Е. Исследование температурных полей при получении стальной полосы с алюминиевым покрытием Текст. / А.Е. Титлянов, А.Г. Радюк / Москва: МИСиС. 1985. - 16 С. - Деп. в Черметинформации 11.10.85, №3135.

56. Титлянов, А.Е. Исследование температурного поля при нагреве стальной полосы с алюминиевым покрытием Текст. / А.Е. Титлянов, А.Г. Радюк // Москва: МИСиС. 1987. - 31 С. - Деп. в Черметинформации 10.08.87, №4126.

57. Демидович, Б.П. Основы вычислительной математики для вузов Текст. / Б.П. Демидович, И.А. Марон // Москва: Наука, 1970. 669 С.

58. Справочник конструктора печей прокатного производства Текст. / Под ред. В.М. Тымчака, т.1. // Москва: Металлургия, 1969. 576 С.

59. Прядко, В.М. Фурменные приборы, футерованные бетонами / В.М. Прядко, К.И. Котов, B.C. Магала // Москва: Металлургия, 1970. 97 С.

60. Способ подготовки фурмы доменной печи Текст.: пат. 2387716 Рос. Федерация: С21В 7/16 / Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Ляпин С.С. и др. -2008111753/02; заявл. 27.03.08; опубл.27.04.10, Бюл. №12.