автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка металлосберегающей технологии нагрева многогранных слитков в камерных печах

На правах рукописи

БАЗАЙКИНА Ольга Леонидовна

РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА МНОГОГРАННЫХ СЛИТКОВ В КАМЕРНЫХ ПЕЧАХ

05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 / ИАР 2014

005546360

Новокузнецк - 2014

005546360

Работа выполнена на кафедре теплофизики и промышленной экологии в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

доктор технических наук, профессор Темлянцев Михаил Викторович

Бабенко Анатолий Алексеевич, доктор технических наук,

ведущий научный сотрудник ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения РАН»

Жибинова Ирина Анатольевна, кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой систем автоматизации управления Новокузнецкого института (филиала) ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Юргинский технологический институт-филиал Томского политехнического университета»

Защита состоится « 15 » апреля 2014 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.252.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова, 42, СибГИУ. Факс (3843) 46-57-92, e-mail: ds21225201@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан « 13 » марта 2014 г.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.252.01, д.т.н., профессор

О.И. Нохрина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

По данным ассоциации World Steel в 2013 г. мировое производство стали превысило 1,6 млрд. т. Важную и востребованную группу стальных изделий составляют поковки, производимые из слитков. В современном кузнечно-прессовом производстве удельный вес поковок из слитков массой до 10 т составляет более 50 %. Особую актуальность имеет производство изделий и поковок массой свыше 50 т (крупногабаритных роторов паровых, газовых турбин или генераторов, а также валов для силовых агрегатов большой мощности), изготовляемых из слитков массой свыше 70 т.

Перед обработкой давлением слитки подвергают нагреву в камерных печах. От рациональности применяемой технологии нагрева металла в значительной степени зависят качество получаемых поковок и их себестоимость. Для осуществления расчетов теплового состояния слитков требуется применение адекватных методов теоретического анализа нестационарных температурных полей в шести-, восьми- и двенадцатигранных слитках.

Нагрев металла в печах сопровождается безвозвратными потерями, связанными с угаром. Для камерных печей в зависимости от марки стали, температурного режима, размеров нагреваемых слитков и некоторых других факторов угар может достигать от 1 до 3 % от массы слитка. Немаловажным обстоятельством является и то, что в процессе ковки массивных заготовок металл подвергают промежуточным подогревам, которые дополнительно увеличивают потери от угара. Поскольку поковки большой массы производят из дорогостоящих легированных сталей, металлосберегающие технологии нагрева представляют практический интерес. Для разработки таких технологий необходимы данные о кинетике высокотемпературного окисления промышленных марок сталей, об особенностях влияния на кинетику содержания легирующих элементов и температурно-временного фактора.

В процессе охлаждения слитка с момента его кристаллизации в нём возникают значительные термические напряжения, обусловленные градиентом температурного поля. Термические напряжения могут быть причиной образования трещин. Оценки значений термонапряжений необходимы при разработке температурных режимов для для определения длительностей и границ временных интервалов обработки давлением горячих слитков и заготовок.

В связи со сказанным разработка металлосберегающей технологии нагрева многогранных слитков в камерных печах актуальна и имеет большое отраслевое значение.

Работа выполнена по гранту Губернатора Кемеровской области для поддержки молодых ученых и в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».

Цель работы. Разработка и совершенствование металлосберегающих технологий нагрева многогранных стальных слитков в камерных печах.

Задачи исследования.

1. Разработать метод и методику аналитических и графоаналитических расчетов процессов нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных термически тонких и термически массивных слитков и заготовок при граничных условиях III рода.

2. Оценить значения термических напряжений и степень их опасности при назначении температурных режимов нагрева-охлаждения многогранных слитков, предварительно решив связанную задачу термоупругости для многогранных слитков и заготовок.

3. Исследовать кинетику высокотемпературного окисления хром-, никель- и молибденсодержащих сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ. Получить количественные данные о температурах плавления окалин, влиянии температурно-временного фактора на угар и обезуглероживание исследуемых марок сталей.

4. На основании систематизации результатов, полученных в экспериментальных и теоретических исследованиях, разработать и внедрить металлосберегающую технологию нагрева многогранных кузнечных слитков для условий Ремонтно-механического комплекса - филиала ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат».

5. Внедрить результаты исследований в учебный процесс в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Металлургия».

Научная новизна.

1. С целью осуществления инженерных расчетов температур в теле многогранного слитка впервые разработаны метод и методика расчетов процессов нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок на основе полученного аналитического решения задачи для уравнения теплопроводности при граничных условиях III рода, построены соответствующие номограммы для центра, середины грани и ребра слитка .

2. Построены поля тензора термических напряжений в слитках, полученные как решения связанной задачи термоупругости, необходимые для определения границ интервалов температур охлаждения, нагрева и кузнечной обработки многогранных слитков.

3. В результате исследований кинетики высокотемпературного окисления получены новые количественные данные по влиянию температурно-временного фактора на угар сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ в атмосфере воздуха и кислорода.

4. Установлены температуры плавления окалин легированных сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ, определено и обосновано влияние на эти температуры легирующих элементов.

Практическая значимость.

1. Разработаны компьютерная программа вычисления относительных температур и графоаналитические методики расчёта температурных полей, реализованные в виде пакета номограмм, позволяющие рассчитать температуры в многогранных слитках и заготовках при разработке температурных режимов нагрева и охлаждения и соответствующих технологических инструкций.

2. Предложенные методы расчета термических напряжений позволяют определять безопасные с точки зрения трещинообразования интервалы температур и времени охлаждения-нагрева многогранных слитков и заготовок.

3. Получены зависимости угара от температурно-временного фактора для сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ, даны конкретные рекомендации по температурным интервалам выдержки и томления металла в печи для использования при разработке технологических инструкций по нагреву.

4. Разработаны температурные режимы нагрева слитков, обеспечивающие металлосбережение, снижение угара, многогранных слитков при нагреве в камерных печах.

Реализация результатов.

1. Разработанная металл осберегающая технология нагрева 15-т восьмигранных слитков принята к внедрению в Ремонтно-механическом комплексе - филиала ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат». При годовом производстве порядка 1400 т экономия металла составляет 17,3 - 19,7 т/год.

2. Разработанные аналитические и графоаналитические методы и методики расчета нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок при граничных условиях III рода внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» и используются при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Металлургия».

Методы исследований.

Кинетику окисления сталей исследовали с помощью гравиметрического (по потере массы) и дифференциально-термического (по увеличению массы) методов на дериватографе и термоанализаторе LABSYS. Тепловое состояние шестигранных заготовок определяли с помощью метода термометрирования. Глубину обезуглероженного слоя стали измеряли с помощью металлографического метода. Угар слитков при нагреве в камерных печах рассчитывался методом планиметрирования. Химический и фазовый состав окалины определяли с помощью рентгенофазового анализа и спектрометра ARL 9800.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: адекватностью математического моделирования физическим условиям охлаждения и нагрева слитков; статистическими методами обработки экспериментальных данных; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей;

сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с результатами промышленных испытаний.

Предмет защиты.

На защиту выносятся:

1. Методы и методики расчета температурных полей в слитках и заготовках, основанные на аналитических решениях задачи нагрева и охлаждения шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок при граничных условиях III рода.

2. Оценки значений компонент тензора термических напряжений как факторов разрушения слитков, основанные на аналитическом решении связанной задачи термоупругости для многогранных слитков и заготовок.

3. Результаты экспериментальных исследований кинетики высокотемпературного окисления и обезуглероживания легированных сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ и температуры плавления их окалин.

4. Металлосберегающие температурные режимы нагрева многогранных слитков в камерных печах.

Автору принадлежит: получение аналитических и графоаналитических решений задачи нестационарной теплопроводности при нагреве и охлаждении шести-, восьми- и двенадцатигранных слитков и заготовок при граничных условиях III рода; проведение экспериментальных исследований кинетики высокотемпературного окисления, обезуглероживания легированных сталей марок 40ХН, 5ХНМ, 34ХН1М и определение температур плавления их окалин; проведение лабораторных экспериментов по термометрированию шестигранных заготовок; проведение промышленных экспериментов по исследованию угара восьмигранных слитков при нагреве в камерных печах; статистическая обработка полученных результатов, анализ, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности ВАК 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов, п.З «Твердофазные процессы в металлургических системах», п.7. «Тепло- и массоперенос в низко- и высокотемпературных процессах», п.20. «Математическое моделирование процессов производства чёрных, цветных и редких металлов».

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: I Всероссийской научно-практической конференции «Исследования молодых - регионам» (Томск, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии» (Екатеринбург, 2012 г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2013 г.); X Международной научно-практической

конференции «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2013 г.); VIII Международном симпозиуме «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (Непряхино, 2013 г.); XVII Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, качество» (Новокузнецк, 2013 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций, 4 статьи в сборниках научных трудов, 8 работ в материалах международных и всероссийских конференций.

Струю-ура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 101 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе «Современное состояние вопроса и постановка задачи исследования» рассмотрены перспективные технологии нагрева многогранных слитков и заготовок под ковку, известные методы расчёта нестационарных температурных полей и термонапряжений. Проанализировано влияние технологии нагрева на энерго- и металлосбережение, на процессы окисления и обезуглероживания металла.

Обзор технической литературы показал, что стальные заготовки и слитки, имеющие в поперечном сечении многогранную (шесть и более граней) форму или близкую к ней (со скругленными углами или вогнутыми гранями), получили широкое распространение. Они используются для производства валов, осей, валков прокатных станов, вал-шестерней, шестерней, пальцев, брусьев, пластин (плит), дисков, колец, а также валов крупногабаритных роторов паровых, газовых турбин и генераторов большой мощности. Ковке и прессованию подобных изделий предшествует нагрев слитков в камерных печах.

Для разработки металлосберегающих технологий нагрева таких слитков и заготовок требуются соответствующие аналитические методы и методики расчета их нагрева и охлаждения.

Получившие наибольшее распространение при расчете нагрева многогранных слитков в камерных печах расчетные методики для цилиндра позволяют определить только среднюю температуру поверхности слитка. Однако при тепловой обработке многогранных слитков практическое значение имеет различие температур середины грани и ребра. Соответственно расчетные методики для цилиндра не учитывают таких важных явлений как перегрев и переохлаждение ребер многогранных слитков и заготовок. Существуют методики расчета температурных полей в четырехгранных слитках и заготовках, позволяющие определять температуру середины грани и ребра,

однако их использование для шести-, восьми-, двенадцатигранных слитков весьма проблематично вследствие отсутствия теоретического обоснования.

Анализ специальной литературы показал, что малоизученной областью является кинетика высокотемпературного окисления сложнолегированных хром-, никель- и молибденсодержащих сталей. Фактически полностью отсутствуют количественные данные по влиянию температурно-временного фактора на интенсивность угара указанных сталей.

Во втором разделе «Разработка аналитических методов расчёта температурных полей и напряжений при нагреве и охлаждении слитков и заготовок» представлены результаты теоретических исследований.

Решения задач для уравнения теплопроводности с граничными условиями III рода в брусе с многогранным сечением получены методом разложения по собственным функциям задач; метод применялся в следующей постановке.

В момент времени т = 0 температура в теле бруса равна to, брус помещается в среду с заданной постоянной температурой t*. На поверхности бруса задан теплообмен со средой по закону Ньютона. Правильный ш-угольник сечения бруса вписан в окружность радиуса R = |ОА| и разбит на ш одинаковых треугольников, а задача ставится для половины такого треугольника (рисунок 1).

Обозначая I (т, х, у) переменную температуру точек тела бруса с декартовыми координатами х, у в плоскости его поперечного сечения, получили задачу для уравнения теплопроводности (а - коэффициент температуропроводности материала бруса, м2/с):

с граничными условиями:

а) на обращенной к среде части АВ границы задан теплообмен со средой;

б) отрезок ОА границы теплоизолирован.

В начальный момент т = О температура постоянна по сечению: I (0, х, у) = Введены удобные для анализа безразмерные переменные 4. П> 9. и постоянная Вг.

Рисунок 1 - Координатные системы в сечении слитка

(1)

, 0<|<1; ц=

У

(2)

Äcos(/?)' ■

Äcos(/?)'

Го = 2 т , 0 < Fo< со; = e = 0 < б < 1, (3)

где Р - угол, задающий число сторон многоугольника сечения бруса, переменная Fo и постоянная Bi являются числами Фурье и Био соответственно; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); X - коэффициент теплопроводности материала бруса, Вт/(мК).

В силу симметрии задачи значения температуры на общей части ОВ границ двух половин треугольников совпадают, возможные перетоки тепла через общую границу взаимно компенсируются.

Подставляя решение в безразмерных переменных в виде: 0(Fo, £,r/) = T(Fo) ■ m(¿;, //), в уравнение теплопроводности, получили уравнение Гельмгольца для функции со(§, г|):

тК+апч +М2(О = 0. (4)

Решение уравнения Гельмгольца возможно при представлении ш(4, г|) в виде функции одной переменной s = а Ь, + Ъ r|: cog, ri) = co(s), а и Ъ -произвольные постоянные. Уравнение Гельмгольца сведено к обыкновенному дифференциальному уравнению:

co"(s)+n2 l{a2 + b2}e}(s) = 0, (5)

одним из решений которого является семейство функций

со (<f, r¡) = A eos [ц ■ eos(/?) • (<f +1 g(P) •/;)), (6)

где А — произвольная постоянная, автоматически удовлетворяющая граничному условию (б). Выполнение граничного условия (а) приводит к уравнению:

f т

\cosp) ц 1 eosр ' v '

решения /л которого являются собственными числами задачи и определяют собственные функции задачи:

(<?, п) = eos (//. • cos(/?) • 4 + ц• • sin( Р) ■ rj). (8)

Эти функции не ортогональны. В результате ортогонализации Грама семейства функций {co¡(£, ti)}°Vo получили ортогональный базис {h¡(£, n)}"W) пространства собственных функций.

Возвращаясь к начальному условию задачи: 0(0, г|) = о)гД, r|) = 1, пришли к разложению начального условия по базису r\)}r',=o- Условие для функционального ряда:

= l (9)

м

принимает форму разложения начального условия по пространственным собственным функциям задачи, что позволило найти коэффициенты bj разложения:

= (Ю)

1-1 У-1

Для временной части Г(Fo) = С • ехр(-у2 • Fo) решения использовались собственные числа решения задачи для цилиндра с эффективным радиусом Яэф. Значение ЯЭф находится из условия равенства площади сечения бруса и цилиндра радиусом Яэф'

^Я^ШрЙЩ (П)

Собственные числа у; задачи для цилиндра являются корнями известного уравнения для функций Бесселя. В результате решение поставленной задачи получили в безразмерных переменных и постоянных:

6»(^О^^) = £б,ехр(-1/^о)сО5(//;СО5(/0)^ + А51п(^)7/). (12)

Поле физической температуры / в половине треугольника рассчитывается в размерном времени т (в часах, минутах) и в безразмерных пространственных координатах 4, г):

= I' -и-П-^Ь,ехр(-ч?тЕо0)-со$(нсх>$(/3)£ + иып(Р)п) (I3) (=1

где /<оо - значение числа Фурье, соответствующее принятой единице измерения времени.

Рассчитанное таким образом поле 0 (т, 4 , г|) для бруса восьмигранного сечения было тестировано сравнением расчётных физических температур с опубликованными данными по естественному охлаждению кузнечного слитка массой 10 т из стали 35 на воздухе. Согласие опытных и расчётных значений

удовлетворительное.

Для расчета нагрева термически тонких тел, имеющих в поперечном сечении форму правильного многоугольника, используется приближение решения первым членом ряда, позволяющее определить время нагрева до заданной температуры:

•см.»)--<14) '-^ЧтЗ) (,5>

здесь с - удельная теплоёмкость материала бруса, Дж/(кг-К); р - его плотность, кг/м3, к! = г£|(р)/р - коэффициент формы тела бруса относительно цилиндра. Значения Ъ для некоторых форм сечения бруса:

кх = 1,000,

кх = 1,023, ¿1 = 1,055, кх = 1,ЮЗ, 1,273.

Для практической реализации полученных решений построены номограммы (рисунок 2), позволяющие находить температуры в характерных точках (центр,

круг ....................

двенадцатиугольник восьмиугольник ....

шестиугольник .....

квадрат ...............

середина грани, ребро) шести-, восьми- и двенадцатигранных брусьев, нагреваемых или охлаждаемых в среде с постоянной температурой.

Номера линий (значения ВО : 1 (0,02), 2(0,06), 3 (0,10), 4 (0,14), 5(0,18), 6(0,22), 7(0,26), 8(0,30), 9(0,35), 10(0,40), 11(0,50), 12(0,60), 13(0,70), 14 (0,80), 15(0,90), 16(1,00), 17(1,25), 18(1,50), 19(2,0), 20(3,0), 21(4,0), 22(5,0), 23(7,0), 24(9,0), 25(12,0)

Рисунок 2 - Фрагменты номограммы для нахождения температур 8 ребра 8-гранного слитка в зависимости от чисел Ро и В1

На основе полученного поля температур в брусе решена связанная задача термоупругости для многогранных слитков и заготовок, найдены компоненты тензора термонапряжений, проведена оценка уровня их возможных значений.

Для системы уравнений равновесия плоской задачи термоупругости, выраженной через декартовы компоненты вектора 11), л)) упругих смещений, ставились граничные условия для смещений - требование нулевых

значений на оси бруса: u(¿¡,rj)

{,o=v(í,'7)

5=0

= о ; для напряжений — на оси бруса

значения ах и ау должны совпадать: аД,ц)

= V)

; грань бруса должна

быть свободной от напряжений: <тХ£,л)\ел =0 ; на оси бруса касательные

напряжения должны быть равны нулю: tJ£,t¡)

, = 0.

Приняты линейные

зависимости модуля Юнга Е и предела текучести ат от температуры I.

Решение задачи было переведено в компоненты тензора напряжений, с учётом граничных условий решение в напряжениях имеет вид:

(16)

(17)

(18) (19)

2(1-и)

2(1 -V)

2(1-и)

■ г • (/„ -tc) • ¿■ [sin2 ß■ cos2 ß■ (<f:2 -1) + sin4 ß■ if ], ■rit0-l,) ±arf {ún> ß-cos*ß\r,*-\)+Cos< У Л2 ■ sin/3-cos/S[cos2 jS-f2 +sin2 /S í;2],

и (cos2 ß ■ f2 + sin2 ß ■ ц1 - cos2 ß ■ sin2 ß) Y^ - £ a,

где a¡ = b¡ exp(-v,2 • Fo„) (из выражения 9(x,^,ri)), v- коэффициент Пуассона, у -коэффициент линейного термического расширения.

На рисунке 3 приведены распределения относительных нормальных компонент тензора термических напряжений для модели 8-гранного слитка из стали 40ХН с радиусом R = 0,4 м для моментов времени т, равных 5 (начало ковки) и 20 (конец ковки) минутам, соответствующих температурам 1100 и 850 °С средней точки грани слитка.

в третьем разделе «Методика экспериментальных исследований» описаны методика экспериментальных исследований и применяемое оборудование. Исследование кинетики высокотемпературного окисления хром-, никель- и молибденсодержащих сталей и температур плавления печной окалины проводили на сталях марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ. В экспериментах по исследованию кинетики угара использовали образцы с литой структурой, имеющие форму дисков диаметром 30 мм и толщиной 10 мм, которые вырезали из слитков. Масса исходных образцов составляла 65 - 75 г. Для определения температуры плавления печной окалины использовали образцы размером 4^4x10 мм.

а) б)

Рисунок 3 - Распределение относительных нормальных компонент сх/ат (а) и оу/от (б) тензора термических напряжений вдоль координаты £, сечения бруса; — 1100 °С , — 850 °С

Лабораторные эксперименты по термометрированию проводили с использованием заготовок горячекатанного шестигранного проката стали марки 45. Проведены две серии экспериментов с заготовками длиной 300 и 400 мм с диаметрами вписанного в сечение круга (размер «под ключ») 41 мм и 60 мм соответственно.

При исследовании кинетики высокотемпературного окисления и температур плавления печной окалины нагрев осуществляли в электрической печи сопротивления СУОЛ-0,25.1/12,5-И1 с нагревателями из карбида кремния в атмосфере воздуха. Температуру металла измеряли хромель-алюмелевой термопарой. Ее показания фиксировали многоканальным программным регулятором температур «Термодат 19Е2». Образцы нагревали до температур 1000, 1100 и 1200 °С и выдерживали при этих температурах 20, 40 и 60 мин. При выдержке температура образцов менялась не более ± (5 — 10) °С. Угар определяли с помощью гравиметрического метода по потере массы образцов. Взвешивание образцов проводили на весах Vibra AF-220CE с точностью до 10 кг. Окалину с поверхности образцов удаляли посредством травления в растворе серной кислоты. Глубину обезуглероженного слоя определяли с помощью металлографического метода при увеличениях оптического микроскопа х200 и х400.

Дополнительно для каждой марки стали проведена серия экспериментов по дифференциально-термическому анализу образцов при помощи термоанализатора LABSYS.

Рентгенофазовый анализ (РФА) окалины проводили на дифрактометре ДРОН - 2,0. Полуколичественный анализ состава окалины проводили на рентгеновском флуоресцентном спектрометре со встроенным дифракционным каналом ARL 9800.

При определении температур плавления печной окалины для более точного измерения температуры образцы крепили непосредственно к спаю термопары. Начало оплавления окалины фиксировали визуально через окно печи.

В четвертом разделе «Экспериментальное исследование нагрева шестигранных заготовок и кинетики высокотемпературного окисления и обезуглероживания сталей марок 5ХНМ, 40ХН и 34ХН1М» представлены результаты лабораторных экспериментов по термометрированию, исследованию кинетики окисления и обезуглероживания сталей и определению температуры плавления их окалин.

По результатам обработки экспериментальных данных окисления образцов при постоянной температуре построены графики (рисунок 4) зависимости величины логарифма константы скорости окисления от температуры.

1289 1197 1116 1043 977 Г °С 0.00064 0.00068 0.00072 0.00076 0.00080 1Я, 1/К

-6.5

-8.5

1п к. г2/(см4мин)

1 1

о> ^^¿^^л О 40ХН

^¡Г'ЗТт— 34ХН1М = 0,77 о

: 5ХНМ 0.90

= 0.90

Рисунок 4 — Зависимость логарифма константы скорости окисления от температуры для сталей марок 40ХН (о), 34ХН1М (□), 5ХНМ (А)

На рисунке 5 приведены зависимости угара сталей исследуемых марок от температуры и времени выдержки.

Для прогнозных расчетов угара исследуемых марок сталей получены соотношения, определяющие массу У угара в зависимости от температуры Т и времени т нагрева, погрешность аппроксимации экспериментальных данных составляет не более 10%:

для стали марки 40ХН: У=1,18 ехр(-5097,0/7> л/т, (20)

марки 34ХН1М: У=806,23 ехр(-14439,5/7> л/т, (21)

марки 5ХНМ: У=4301,16 ехр(-16840,5/7> а/т. (22)

Рисунок 5 - Зависимость угара сталей марок 40ХН (а), 5ХНМ (б), 34ХН1М (в) от температуры и времени выдержки

Результаты анализа экспериментальных данных показывают, что увеличение температуры с 1000 до 1200 °С и времени выдержки от 20 до 60 минут приводят к росту угара стали марок 40ХН с 0,09 до 0,29 г/см2 (в 3,2 раза), 34ХН1М - с 0,05 до 0,39 г/см2 (в 7,8 раза), а 5ХНМ - с 0,03 до 0,36 г/см2 (в 12 раз). С точки зрения интенсификации угара сталь марки 40ХН менее чувствительна к температурному фактору. При аналогичном содержании других легирующих элементов в исследуемых сталях молибден, присутствующий в образцах из стали марок 5ХНМ и 34ХН1М, оказывает двоякое влияние на интенсивность окисления. Пары оксида МоОз разрыхляют оксидную пленку и способствуют угару стали.

На поверхности раздела РеО - сталь образуются соединения РегМо04 и РеСгг04, являющиеся продуктами реакций:

2 РеО+МоОг Ре2Мо04, (23)

РеО+СггОз -> РеСг204. (24)

Реакции (23) и (24) приводят к образованию соединений, повышающих защитные свойства окалины.

Наличие летучего оксида МоОз, является причиной большего угара молибденсодержащих сталей по сравнению со сталью 40ХН при температурах 1150- 1200 °С.

Стали 5ХНМ и 34ХН1М имеют близкие интенсивности окисления во всем исследуемом температурном интервале, несмотря на то, что в стали марки 34ХН1М, по сравнению с маркой 5ХНМ, содержится почти в 2 раза больше хрома, способствующего повышению защитных свойств окалины.

Для снижения угара при нагреве под обработку давлением слитков из молибденсодержащих марок стали выдержку или томление (с целью повышения равномерности прогрева слитка) рекомендуется проводить при температурах менее 1000 - 1050 °С.

Установлено, что температуры плавления окалин исследуемых марок сталей близки к температуре плавления вюстита, которая составляет 1377 °С

(таблица 1), Окалина стали марки 34ХН1М имеет более высокое содержание никеля и хрома, способствующих повышению температуры плавления, и меньшее по сравнению с окалиной стали 40ХН содержание кремния, который способствует снижению температуры плавления окалины. Такой состав окалины стали марки 34ХН1М предопределяет более высокую, по сравнению с другими исследуемыми сталями, температуру плавления её окалины. Молибден, ввиду его малого содержания, не оказывает существенного влияния на температуру плавления окалины.

Таблица 1 - Результаты спектрального анализа и определения температур

плавления окалин исследуемых марок сталей

Марка стали Содержание элементов в стали/окалине, % Температура плавления окалины, °С

Ni Cr Si Mo

34ХН1М 1,34/0,80 1,44/0,61 0,28/0,47 0,22/0,14 1379

40ХН 1,07/0,70 0,60/0,35 0,29/0,55 -/- 1368

5ХНМ 1,50/0,57 0,67/0,20 0,32/0,46 0,19/0,09 1362

В пятом разделе «Разработка металлосберегающей, малоокислительной технологии нагрева многогранных кузнечных слитков» на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в настоящей работе для условий Ремонтно-механического комплекса - филиала ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (РМК ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК») разработана металлосберегающая технология нагрева восьмигранных кузнечных слитков в камерных печах перед их ковкой.

В настоящее время в РМК ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» для нагрева восьмигранных 15-т слитков из молибденсодержащих сталей 5ХНМ и 34ХН1М диаметром 1080 мм используют традиционный трехстадийный режим нагрева. Наблюдения за динамикой нагрева и окалинообразования в печи показали, что наибольший рост окалины происходит в период высокотемпературной выдержки в третьем периоде нагрева.

Разработанная металлосберегающая технология нагрева в камерных печах основана на переносе стадии выдержки металла с целью прогрева по сечению в область температур относительно малоинтенсивного окалинообразования, которые для указанных марок сталей не превышают 1000 — 1050 °С. Первый период нагрева не оказывает влияния на окалинообразование, его оставили без изменений (рисунок 6).

Проведены расчеты угара слитков при нагреве по действующему и разработанному режимам нагрева. Продолжительность пребывания слитков в области температур интенсивного окисления более 900 °С при действующем режиме составляет 7,5 часа, угар достигает 1,44 г/см2. При реализации предлагаемого температурного режима нагрева время пребывания слитков при температуре поверхности более 900 °С составляет 5 часов, угар находится на уровне 1,15 г/см2.

Предлагаемый температурный режим обеспечивает снижение угара металла на 25 - 50 % (в зависимости от марки стали), уменьшение толщины слоя окалины в среднем на 1 мм. Экономия металла с одного слитка составляет 25 - 50 кг. Снижение угара способствует менее интенсивному зарастанию подины окалиной и шлаком, повышению срока службы огнеупоров печи.

В целях предотвращения случаев трещинообразования проведен расчет термонапряженного состояния слитков при первом и повторных нагревах горячих слитков, позволивший определить требуемую продолжительность пребывания слитка в интервале ковочных температур.

температуры: 1, 1* - печи, по показаниям термопары, и усредненные для осуществления расчетов; 2 - ребра; 3 - середины грани и 4 - центра восьмигранного слитка; 5 - перепад температур между серединой грани и центром слитка

Рисунок 6 - Разработанный металлосберегающий температурный режим нагрева восьмигранных слитков в камерных печах

Для ковки горячих слитков разработаны рекомендации (таблица 2) по длительностям нагрева при первом их выносе под ковку в зависимости от среднего диаметра слитка. В таблице 2 позиции I, II, III схемы посадки определяют способы укладки слитков на выкатной под камерной печи (I -одиночные слитки вдоль печи, II - несколько слитков в один ряд, III -несколько слитков в два ряда).

Разработанная технология нагрева принята к внедрению в Ремонтно-механическом комплексе - филиале ОАО «ЕВРАЗ Объединенный ЗападноСибирский металлургический комбинат». При годовом производстве порядка

Таблица 2 - Рекомендуемые режимы нагрева горячих слитков в камерной печи

Макс. диам. слитка, мм Температура печи при посадке, "С Время быстрого подъема температуры слитка с температуры 600 °С, ч Время выравнивания температуры по сечению слитка, ч Общая продолжительность нагрева, ч

Схема посадки Схема посадки

I II III I II III

350 1180 2,0 1,0 1,0 1,3 3,0 3,0 3,3

450 2,5 1,0 1,3 1,3 3,5 3,8 3,8

500 2,5 1,3 1,3 1,7 3,8 3,8 4,2

550 3,0 1,7 1,7 2,0 4,7 4,7 5,0

600 3,0 1,7 2,0 2,3 4,7 5,0 5,3

650 3,5 2,0 2,3 2,7 5,5 5,8 6,2

700 4,0 2,3 2,7 3,0 6,3 6,7 7,0

750 4,5 2,7 3,0 3,3 7,2 7,5 7,8

800 5,0 3,0 3,5 3,5 8,0 8,5 8,5

1400 т экономия металла (от снижения угара и предотвращения трещинообразования слитков) составляет 17,3 - 19,7 т/год. При себестоимости сталей 5ХНМ и 34ХН1М 41800 и 43400 руб. соответственно, совокупный прогнозный экономический эффект от внедрения технологии составляет 723 -855 тыс. руб. в год в ценах 2013 г.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан метод расчёта температур охлаждения и нагрева кузнечных слитков многогранного сечения, основанный на выделении из задачи для уравнения теплопроводности подзадачи для уравнения Гельмгольца по пространственным координатам и её решении. По полученным решениям построены номограммы, позволяющие вычислить температуры в зависимости от значений чисел Фурье и Био для центра, ребра и середины грани 6-, 8- и 12-гранных слитков, нагреваемых (охлаждаемых) при граничных условиях III рода. Результаты теоретических исследований нагрева-охлаждения слитков внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» и используются при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Металлургия».

2. Получены значения коэффициентов формы тела и формулы для расчёта времени, необходимого для нагрева до заданной температуры термически тонких многогранных заготовок.

3. В схеме плоской деформации решена задача для термоупругих напряжений, возникающих при нагреве-охлаждении многогранного слитка (при этом используется найденное поле температур слитка). Показана возможность образования в теле слитка поверхностных трещин под действием квазиокружных термических напряжений.

18

4. Экспериментально определены температурные зависимости констант скорости окисления и температуры плавления окалин легированных сталей марок 40ХН, 5ХНМ, 34ХН1М. Установлено, что увеличение температуры с 1000 до 1200 °С и времени выдержки от 20 до 60 минут приводят к росту угара стали марок 40ХН с 0,09 до 0,29 г/см2 (в 3,2 раза), 34ХН1М - с 0,05 до 0,39 г/см2 (в 7,8 раза), а 5ХНМ - с 0,03 до 0,36 г/см2 (в 12 раз). Угар стали марки 40ХН менее чувствителен к температурному фактору по сравнению с угаром молибденсодержащих марок 5ХНМ и 34ХН1М. При малых концентрациях и температурах 600 - 1000 °С молибден формирует соединение Fe2Mo04, замедляющее окалинообразование. Однако при взаимодействии с кислородом молибден образует летучий оксид МоОз, интенсивно разрыхляющий окалину и снижающий ее защитные свойства. Этим объясняется больший угар молибденсодержащих сталей. Для повышения равномерности нагрева слитков или заготовок их томление рекомендуется проводить при температурах менее 1000-1050 °С.

5. Для условий Ремонтно-механического комплекса - филиала ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» разработана металлосберегающая технология нагрева в камерных печах восьмигранных 15-т кузнечных слитков диаметром 1080 мм из молибденсодержащих сталей 5ХНМ и 34ХН1М. Предлагаемый температурный режим снижает угар металла на 25 - 50 % (в зависимости от марки стали). Экономия металла с одного слитка составляет 25 - 50 кг. Разработанная технология нагрева принята предприятием к внедрению. Совокупный прогнозный экономический эффект от внедрения предложенных температурных режимов нагрева составляет 723 - 855 тыс. руб. в год в ценах 2013 г.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах из перечня ВАК:

1. Базайкина О.Л. Расчёт нагрева и охлаждения восьмигранных кузнечных слитков при граничных условиях III рода / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев // Известия вузов. Черная металлургия. - 2011. -№ 12. - С. 29 - 33.

2. Базайкина О.Л. Решение задачи о нагреве двенадцатигранных слитков при граничных условиях III рода / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев, В.И. Базайкин // Известия вузов. Черная металлургия. - 2012. - № 6. - С. 30 - 34.

3. Базайкина О.Л. Оценка термических напряжений, возникающих при горячей ковке кузнечного слитка / О.Л. Базайкина, Б.Ю. Бобров // Известия вузов. Черная металлургия. - 2013. - № 8. - С. 14 - 20.

Труды периодических изданий и научно-практических конференций:

4. Базайкина О.Л. Задача об остывании стального бруса с сечением в виде правильного многоугольника / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. Сб. научных трудов. - Москва-Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2010. - вып.25. - С. 61 - 66.

19

5. Базайкина O.JI. Метод решения задачи о нагреве бруса шестиугольного сечения при граничных условиях третьего рода / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. Сб. научных трудов. - Москва-Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2011,- вып.28.-С. 28-36.

6. Базайкина О.Л. О расчете времени нагрева термически тонких тел / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. Сб. научных трудов. - Москва-Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2011. - вып.28. - С. 37 - 42.

7. Базайкина О.Л. Исследование высокотемпературного окисления и обезуглероживания легированных сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХН при нагреве под обработку давлением / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев, С.А. Казимиров, Е.М. Запольская И Вестник Сибирского государственного университета. - 2013. -№ 2(4). - С. 13 - 17.

8. Базайкина О.Л. Задача о нагреве бруса многоугольного сечения с граничными условиями третьего рода / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев, В.И. Базайкин // Исследования молодых - регионам: сб. трудов I Всероссийской научно-практич. конф. (29 - 31 марта 2011 г.). Т. 2. - Томск: Изд. ТПУ. - 2011.

- С. 264 - 268.

9. Базайкина О.Л. Модель влияния температурного фактора не начало горячей протяжки цилиндрической заготовки в плоских бойках / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев // Теория и практика тепловых процессов в металлургии: сб. докладов Международной научно-практ. конф. (18 - 21 сентября 2012 г.). - Ектеринбург: УрФУ. - 2012. - С. 168 - 173.

10. Базайкина О.Л. Исследование угара легированных сталей марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ при нагреве под обработку давлением / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев, С.А. Казимиров, М.О. Самойлов, А.О. Чапурина // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: сб. докладов II Всероссийской научно-практ конф. (28 - 29 марта 2013 г.). - Екатеринбург: УрФУ.-2013.-С. 12-15.

11. Базайкина О.Л. Термические напряжения при нагреве слитков многогранного сечения / О.Л. Базайкина // Современные металлические материалы и технологии: труды 10-ой Международной научно-практ. конф. (25

- 29 июня 2013 г.). - СПб: Изд-во Политех, универ. - 2013. - С. 298 - 303.

12. Базайкина О.Л. Термические напряжения в процессе охлаждения слитка многогранного сечения / О.Л. Базайкина // Фундаментальные и прикладные проблемы науки. Том 2: материалы VIII Международного симпозиума (10 - 12 сентября 2013 г.). - М.: МСНТ. - 2013. - С. 111 - 118.

13. Базайкина О.Л. Разработка малоокислительных температурных режимов нагрева многогранных кузнечных слитков / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев, С.А. Казимиров // Металлургия: технологии, управление, качество: труды XVII Всероссийской-научно-практ. конф. (9 - 10 октября 2013 г.). -Новокузнецк: СибГИУ. - 2013. - С. 146 - 150.

14. Базайкина О.Л. Метод расчёта времени горячей обработки и подогрева кузнечного слитка при его свободной ковке / О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев // Металлургия: технологии, управление, качество: труды XVII Всероссийской научно-практ. конф. (9 - 10 октября 2013 г.). - Новокузнецк: СибГИУ. - 2013. - С. 157-161.

15. Базайкина О.Л. Метод оценки термонапряжений при горячей свободной ковке кузнечного слитка / О.Л. Базайкина // Металлургия: технологии, управление, качество: труды XVII Всероссийской научно-практ. конф. (9 - 10 октября 2013 г.). - Новокузнецк: СибГИУ. - 2013. - С. 161 - 166.

Подписано в печать 11.03.2014г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага 80 г/м2. Усл. печ. л. 1,20. Тираж 100 экз. Заказ № 135.

654007, Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ