автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка технологии снижения окисления и обезуглероживания стальных заготовок при нагреве под обработку давлением с применением кратковременных технологических защитных покрытий

На правах рукописи

Манюров Шамиль Борисович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ОКИСЛЕНИЯ И ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК ПРИ НАГРЕВЕ ПОД ОБРАБОТКУ ДАВЛЕНИЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ.

05.16.05 «Обработка металлов давлением»

1 г ДЕК 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005543833

Москва-2013

005543833

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии имени И.П.Бардина (ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина»)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Куклев Александр Валентинович директор ЦНМТ, «ЦНИИчермет», доктор технических наук

Радюк Александр Германович Ведущий научный сотрудник НИТУ «МИСиС»

доктор технических наук, профессор

Булкин Николай Николаевич главный научный сотрудник Научно-производственная фирма ЛВС (лаборатория высокопрочных сталей), кандидат технических наук

Ведущее предприятие:

НПО «ЦНИИТМАШ»

Защита состоится « 26 » декабря 2013 г. в l!l часов на заседании диссертационного совета Д 217.035.02 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина (ЦНИИчермет им. И.П.Бардина)» по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина».

www.chermet.net

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23. Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина (ЦНИИчермет)». Диссертационный совет Д 217.035.02.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

«20>НвЯЪ?5к 2013 г.

Т.П.Москвина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Перед металлургическими предприятиями при современных масштабах производства стали и возрастающей потребности в ней на передний план выдвигается задача повышения качества проката, снижения потерь металла, обеспечения ресурсосбережения при его производстве и обработке.

Окисление стальных заготовок при нагреве под обработку давлением приводит к угару металла в 1,5-3,0%, сопровождается обезуглероживанием их поверхностей, снижающим механические свойства изделий и вызывающим необходимость сплошной зачистки, а также ведёт к поражению готового проката вкатанной окалиной, приводящей к повышенному износу деформирующего инструмента и переводу металлопродукции в пониженный сортамент.

При окислении на поверхности стальной заготовки образуется слой оксидов железа (окалина), который по сравнению со сталью имеет приблизительно в 20 раз меньшую теплопроводность, являясь тепловой изоляцией, замедляющей поступление теплоты в заготовку. В связи с этим, для достижения необходимой рабочей температуры под обработку давлением при нагреве стальных заготовок расходуется дополнительная энергия.

Существующие в настоящее время способы снижения или даже полного исключения окисления и обезуглероживания сопряжены со сложными техническими решениями, токсичностью и взрывоопасностью сред, не всегда допустимы технологическим регламентом.

Поэтому разработка эффективных методов снижения потерь металла и сбережение энергоресурсов при получении готовой продукции горячей обработкой давлением является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка технологии снижения окисления и обезуглероживания стальных заготовок при нагреве под обработку давлением с применением кратковременного технологического защитного покрытия, пригодного для нанесения в потоке, а также изучение эффектов связанных с работой защитного покрытия.

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

1. Разработан способ нанесения кратковременного технологического защитного покрытая в потоке. (А.с. 981395 СССР, МПК5 С2Ю1/70).

2. Установлен механизм работы шамотного защитного покрытая, нанесённого на поверхности стальной заготовки, основанный на образовании газонепроницаемого слоя из плотно уложенных его частиц.

3. Установлено, что шамотное защитное покрытие способно перевести реакцию окисления стали в диффузионную область.

4. Выявлено ускорение нагрева стальной заготовки в печи под влиянием шамотного защитного покрытия и определён механизм этого явления.

5. Определена оптимальная толщина покрытия, позволяющая максимально повысить конечную температуру заготовок на выходе из печи без затраты дополнительной энергии.

Достоверность результатов исследований основана на большом массиве данных лабораторных и промышленных экспериментов с использованием апробированных методик. При математическом моделировании использованы алгоритмы, характеризующиеся абсолютной сходимостью.

Практическая ценность работы заключается в том, что на ряде промышленных предприятий опробована технология нагрева стальных заготовок в методических и пламенных печах с использованием кратковременного защитного покрытия на базе шамотной глины. Эта технология позволила сократить угар до 60%, снизить толщину обезуглероженного слоя в 3 раза и повысить конечную температуру заготовок на выходе из нагревательной печи сверх заданной на 27 — 53 °С без затраты дополнительной энергии. Показана возможность применения этой технологии не только в нагревательных, но и в термических печах. Разработана конструкция установки и технология нанесения защитного покрытия в потоке перед нагревом. На защиту выносятся.

1. Результаты исследования влияния шамотного защитного покрытия на окисление стальных заготовок при нагреве.

2. Результаты исследования влияния шамотного защитного покрытия на обезуглероживание поверхностей стальных заготовок при нагреве.

3. Результаты исследования влияния шамотного защитного покрытия на скорость нагрева и охлаждения стальных заготовок.

Реализация работы в промышленности. Технология нанесения защитного покрытия была опробована:

- на слябовых заготовках Новолипецкого и Череповецкого металлургических комбинатов (НЛМК и ЧерМК) при проведении промышленного эксперимента по снижению угара и запороченности вкатанной окалиной;

- на блюмовых заготовках Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) по снижению их обезуглероживания при нагреве;

- на слитках ООО «ОМЗ - СПЕЦСТАЛЬ» (г. Колпино) при проведении промышленного эксперимента по интенсификации их нагрева.

- на слитках ООО «КЭМЗ» (г. Кулебаки) при проведении промышленного эксперимента по интенсификации их нагрева.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на V международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (МИСиС, Москва. 27 сентября - 2 октября 2010 г.), на Международной конференции «Технологии и оборудование для сталеплавильного производства» (Москва. 26-27 апреля 2011 г.). Публикации. По теме диссертации опубликованы три статьи, получено авторское свидетельство СССР и шесть патентов Российской Федерации. Объем работы. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка, включающая 72 наименования российских и зарубежных авторов, и содержит 13 таблиц, 46 рисунков и 5 Приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы и поставлена задача исследования, сформулирована научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе выполнен литературный обзор научных и практических материалов, связанных с вопросами защиты стальных заготовок от угара (окалинообразования), обезуглероживания и улучшения качества готовой металлопродукции.

Проанализированы литературные данные о процессах образования и роста окалины, обезуглероживания на поверхности стальных заготовок при высокотемпературном нагреве.

Рассмотрены основные способы борьбы с поверхностными дефектами на стальных заготовках при их высокотемпературном нагреве под обработку давлением. Для уменьшения окисления и сопровождающего его обезуглероживания и газонасыщения стальных заготовок при высокотемпературном нагреве под обработку давлением предлагают применять различные кратковременные технологические защитные покрытия на основе стеклоэмалей, которые одновременно служат теплоизоляцией и смазкой. Однако легкоплавкие стеклопокрытия ухудшают условия захвата валками при горячей прокатке и трудно удаляются с поверхности металла после обработки давлением.

Защитное покрытие можно создавать, используя методы диффузионного насыщения поверхностного слоя основы металлами. Стойкость сталей и сплавов против высокотемпературного окисления увеличивается при их насыщении Сг, А1, и их сочетаниями. Существенное повышение сопротивления

высокотемпературной газовой коррозии наблюдается при насыщении алюминием, который является наиболее доступным металлом. Сложность нанесения алюминиевого покрытия методом газотермического или электродугового напыления заключается в подготовке защищаемой поверхности стальных заготовок путём абразивной зачистки и длительности самого технологического процесса.

В массовом производстве при нагреве перед обработкой давлением стальных заготовок этот способ наиболее универсален и эффективен, поскольку не требует реконструкции металлургических печей.

На основании литературного обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора материала покрытия и разработке методик экспериментов, направленных на раскрытие механизмов защитного действия покрытий.

Из рассмотренных литературных данных следует, что защиту жаростойких стальных заготовок от окисления в процессе нагрева обеспечивают образующиеся на их поверхностях оксиды. Поэтому предварительные исследования, с учётом поставленной цели, начали с защитного покрытия, наносимого на поверхности стальных заготовок из материала на основе оксидов А1203 и 8Ю2.

Необходимо учесть, что механизм ослабления окисления под действием легирующих элементов может отличаться от механизма ослабления окисления под действием защитного покрытия, поэтому окончательный выбор материала защитного покрытия будет зависеть от результата раскрытия механизма защитного действия.

Защитные свойства покрытия могут быть объяснены двумя взаимоисключающими гипотезами: либо защитное покрытие становится газонепроницаемым сразу после его нанесения благодаря плотной укладке его частиц, либо покрытие становится газонепроницаемым в процессе нагрева стальных заготовок в результате его ошлакования окалиной или легкоплавкими компонентами самого покрытая.

При взаимодействии окалины с оксидами А120з и 8Юг, входящими в состав шамота, предварительно выбранным в качестве материала защитного покрытая, жидкая фаза появляется при температуре 1083°С. Поэтому эксперименты по раскрытию защитного механизма начали с температуры нагрева ниже указанной. Так как угар при среднетемпературном нагреве от 800 до 100(ГС относительно мал, то защитные свойства шамотного покрытия оценивали по толщине обезуглероженного слоя.

Для изучения влияния покрытия на обезуглероживание стали при среднетемпературном нагреве были проведены эксперименты по нагреву образцов кубической формы со стороной 10 мм из стали 45 в трубчатой электропечи сопротивления в воздушной атмосфере при 1000 °С в течение 3 ч и при 800 °С в течение 5 ч. Температуру поддерживали с точностью ±10 °С при помощи позиционного регулятора с подключенной к нему хромель-алюмелевой термопарой.

На один из образцов был нанесен шамотный шликер с флюсующей добавкой - кальцинированной содой в количестве 20% от массы сухого мертеля. При взаимодействии шамотного покрытия с образующимся при разложении соды оксидом натрия образуется легкоплавкая эвтектика с температурой плавления 732 °С. В случае, если газонепроницаемость защитного покрытия достигается в результате ошлакования, этот образец показал бы наименьшее обезуглероживание.

В качестве одного из вариантов достижения газонепроницаемости было опробовано использование ультрадисперсного покрытия - необожженной каолинитовой глины, как в чистом виде, так и в сочетании с обожженным шамотом.

Обезуглероженный слой измеряли на шлифах, вырезанных перпендикулярно указанной поверхности для исследования, после травления в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты, по ГОСТ 1763. Основная структура металла - перлитно-ферритная.

Результаты экспериментов по среднетемпературному нагреву приведены в таблицах 1 и 2.

Добавление флюса в виде соды в шамотный мертель привело к появлению на образце трудноудаляемой оплавленной корки, для промышленного применения такой состав непригоден. Более важно для данного исследования то, что именно этот образец показал наихудшие защитные свойства покрытия, т.е. появление жидкой фазы привело к повышению газопроницаемости покрытия.

Таблица 1 - Влияние защитных покрытий на обезуглероживание при нагреве. Образцы - Сталь 45, выдержка при 1000 °С в течение 3 ч

партий Защитное покрытие Глубина полного обезуглероживания макс/ мин/сред., мм Глубина частичного обезуглероживания макс/мин/сред., мм

1 Шамот (100%) 0 0,50/0,46/0,48

2 Каолинит (100%) 0 0,48/0,37/0,43

3 Шамот(80%)+ сода (20%) 0 0,66/0,53/0,60

4 Шамот (50%) + каолинит (50%) 0 0,22/0,20/0,21

5 Без защитного покрытия 0,04/0,03/0,035 0,67/0,60/0,635

Таблица 2 - Влияние покрытий на обезуглероживание при нагреве. Образцы -Сталь 45, выдержка при 800 °С в течение 5 ч

Мі партий Защитное покрытие Глубина полного обезуглероживания макс/мин/сред., мм Глубина частичного обезуглероживания макс/мин/сред., мм

6 Шамот (100%) 0 0,46/0,40/0,43

7 Каолинит (100%) 0,02/0,01/0,015 0,32/0,31/0,315

8 Без защитного покрытия 0,13/0,11/0,12 0,29/0,28/0,29

Фотографии микроструктуры образцов партий с № 6 по № 8 приведены на рисунке 1.

Образец партии №6

Образец партии №7

Образец партии №8

Рисунок 1 — Микроструктура металла образцов партий № 6-8

Рисунок 2 - Структура необожженной глины (х 17200). По Комеру

Наилучшие защитные свойства продемонстрировали покрытия, содержащие каолинит.

Газонепроницаемость покрытия из необожженной шамотной глины каолинита может быть объяснена плотной упаковкой его частиц. Глины состоят из обломков кристаллических пакетов-чешуек шириной 0,1-7,0 мкм (рисунок 2). Столь малые размеры частиц и объясняют коллоидные свойства глин.

В силу своей плоскостности пакеты при высыхании коллоидного раствора ориентируются строго параллельно друг другу. Между упорядоченными слоями пакетов имеются зазоры толщиной 0,7-2,1 нм.

Необожженные глины обеспечивают очень плотную укладку частиц. Однако при нагреве они дегидратируют с усадкой, что может привести к образованию трещин в покрытии и снижению его газонепроницаемости. Можно утверждать, что в покрытии следует сочетать необожженные глины с безусадочными компонентами (например, шамотом), а количественные соотношения усадочного и безусадочного компонента будут определяться температурно-временным режимом нагрева защищаемой заготовки.

Под высокотемпературным нагревом, как правило, понимают нагрев до температуры 1100...1280 °С, имеющий целью повышение пластичности стальной заготовки перед обработкой давлением (ковкой, прокаткой, прошивкой и т.п.). Продолжительность подобного нагрева в зависимости от свойств металла, размеров заготовки и особенностей работы печи может изменяться в весьма широких пределах - 0,5... 12 ч. Поэтому следует уточнить критерии выбора материала защитного покрытия в зависимости от времени высокотемпературного нагрева и оценить влияние покрытия на угар металла.

Влияние покрытий на окисление стали СтЗ в зависимости от состава покрытия и времени нагрева оценивали путём взвешивания заготовок цилиндрической формы (Л = 10,2 мм; с/ = 12 мм) на аналитических весах до и после нагрева в трубчатой электропечи сопротивления. Взвешивание производили с точностью до 0,001 г. Затем на заготовки наносили покрытия различного состава, помещали в корундовые лодочки и нагревали в печи в течение 2 и 4 ч. В каждой лодочке находилось по четыре образца, один из которых оставляли без покрытия (контрольный) для дальнейшего сравнения. После нагрева заготовки очищали от окалины с покрытием, протравливали, высушивали и взвешивали. Нагрев образцов до температуры 1350 °С производили в трубчатой электропечи сопротивления с карбидокремниевыми нагревателями. Температуру в печи контролировали платинородий-платиновой термопарой, подключенной к милливольтметру (класс точности 0,5).

Величина угара заготовок, нагреваемых в течение 2 и 4 ч в зависимости от состава покрытия, приведена в таблицах 3 и 4.

При двухчасовом нагреве сокращение угара обеспечивают все исследованные покрытия. Но наилучшие защитные свойства выявлены у покрытия, состоящего из периклаза (85% М§0) мелкой фракции - сокращение угара в 4,2 раза.

Таблица 3 - Величина угара при 2-ч нагреве (температура в печи 1350 °С)

№№ партий Защитное покрытие Масса образца, г Погрешность определения угара, % Угар, % Снижение угара, крат

до нагрева после нагрева

1 Без покрытия 9,111 7,129 0, 22% 21,75 0

2 Периклаз (М^ 85%) крупный до 2000 мкм 9,047 8,186 0, 22% 9,52 2,3

3 Шамот 9,440 8,840 0, 21% 6,35 3,4

4 Периклаз (МяО 85%) мелкий 0-200 мкм 9,036 8,560 0, 22% 5,27 4,2

Мелкий периклазовый мертель обеспечивает лучшую защиту металла по сравнению с крупным, а появление жидкой фазы ослабляет защитное действие покрытия (поэтому шамотный мертель обеспечивает худшую защиту по сравнению с периклазовым мертелем мелкой фракции).

Таблица 4 — Величина угара при 4-ч нагреве (температура в печи 1350 °С)

№№ партий Защитное покрытие Масса образца, г Погрешность определения угара, ®/„ Угар % Сокра щение угара, крат Оксидная система Температура плавления эвтектики, "С

до нагрева после нагрева

1 Без покрытия 9,216 6,564 0, 22% 28,76 0 - 0

2 Шамот 9,291 7,935 0, 22% 14,59 1,3 Fe0-Ah03-Si02 1083

3 Кварц 9,270 8,323 0,22% 10,21 1,8 Fe0-Si02 1175

4 Периклаз (МеО 85%) мелкий 0 - 200 мкм 9,434 8,617 0,21% 8,66 2,2 Mg0-Fe203 (эвтектика отсутствует)

Во втором эксперименте при нагреве в течение 4 ч исследовали работу покрытий различного химического состава — шамот, кварц (98% БЮг) и периклаз.

Шамот и кварц при взаимодействии с окалиной образуют эвтектики с различной температурой плавления. Целью эксперимента было получение связи температуры плавления эвтектики и защитных свойств покрытия.

Из представленных в таблице 4 данных видно, что с увеличением температуры плавления эвтектики системы «покрытие - окалина» защитные свойства покрытия возрастают.

Из полученных данных следует однозначный вывод о целесообразности применения в качестве защитных покрытий веществ, обладающих следующими характеристиками:

- тугоплавких и не образующих легкоплавких эвтектик с оксидами железа;

- с фракционным составом, обеспечивающим плотную укладку частиц.

Выбирая материал для покрытия, следует иметь в виду, что шамотный

мертель является готовым шовным материалом, включающим в себя безусадочный крупнодисперсный компонент - отощитель (шамот) и усадочный компонент - связующее (каолинит). Благодаря пластинчатой структуре каолинита (см. рисунок 2) шамотный мертель обеспечивает очень плотное покрытие. При достаточно коротком нагреве он защищает металл практически так же, как и мелкодисперсное периклазовое покрытие (см. таблицу 3). При этом он обладает лучшими клеящими способностями, что позволяет наносить его на все поверхности заготовок (верхнюю, нижнюю и боковые).

В третьей главе рассмотрено влияние кратковременных технологических защитных покрытий на нагрев металла.

Наиболее актуально применение покрытий для защиты нелегированных марок стали, как низко- так и высокоуглеродистых, поскольку именно эти стали в силу малой концентрации легирующих элементов наиболее склонны к угару и обезуглероживанию при нагреве. С другой стороны, именно эти стали производятся в наибольших объемах, что накладывает на защитные покрытия дополнительное требование - они должны быть пригодными для нанесения в потоке.

Поскольку защитные покрытия обладают некоторым тепловым сопротивлением, то они должны влиять на нагрев заготовок. Для количественной оценки воздействия кратковременных технологических защитных покрытий на нагрев стальных заготовок были проведены лабораторные эксперименты по моделированию нагрева.

Моделирование нагрева металла под защитным покрытием проводили с помощью экспериментов в двух разных печах, при разных режимах и на сталях различных марок.

Согласно первому эксперименту, электропечь низкой инерционности вместе с тремя образцами нагревали от комнатной температуры до температуры 1200 °С со скоростью 10 град/мин. В качестве материала образцов (с защитным покрытием и без него) выбрана сталь марки СтЗ. Покрытие получали нанесением шамотной и периклазовой суспензии на поверхность образцов. Толщина покрытия составляла 1,0 мм. Температуру образцов измеряли с помощью зачеканенных в них хромель-алюмелевых термопар. В качестве вторичного

прибора использовали восьмиканальный автоматический регистратор температур (логгер) ADAM 4018М класса точности 0,1 с частотой опроса 1Гц.

Результаты эксперимента представлены на рисунке 3. Из рисунка видно, что нагрев образца с шамотным защитным покрытием идет менее интенсивно по сравнению с образцом без защитного покрытия. Далее кривая нагрева образца с шамотным защитным покрытием пересекает кривую нагрева образца без защитного покрытия в точке при температуре 1154 °С, и при более высоких температурах отстаёт уже образец без защитного покрытия.

Рисунок 3 - Влияние защитных покрытий на нагрев образцов из стали марки СтЗ: 1 - с периклазовым защитным покрытием; 2 - без защитного покрытия; 3-е шамотным защитным покрытием.

Кривая нагрева образца с периклазовым покрытием проходит ниже и не пересекает кривую нагрева образца без защитного покрытия, то есть периклазовое покрытие является теплоизолятором замедляющим процесс нагрева образца.

Это ещё раз подтверждает правильность выбора в качестве защитного покрытия шамотный мертель. Все дальнейшие исследования в данной работе проводились с шамотным защитным покрытием.

Во втором эксперименте в электропечь, нагретую до 1200 °С, помещали образцы из Стали 45 комнатной температуры. Для этого эксперимента была выбрана существенно более крупная печь с целью снижения влияния посада холодных образцов на температуру печи. Способы нанесения защитного покрытия и измерения температуры аналогичны способам, применённым в первом эксперименте.

Результаты второго эксперимента (рисунок 4) принципиально не отличаются от результатов первого эксперимента: со временем температура образца с защитным покрытием становится выше, чем у образца без защитного

покрытия. Однако точка пересечения кривых нагрева во втором эксперименте заметно ниже и находится на уровне температуры 1102 °С.

Время, мин

Рисунок 4 - Влияние защитного покрытия на нагрев образцов из стали 45: 1-е защитным покрытием; 2 - без защитного покрытия

Таким образом, два независимых эксперимента показали ускорение нагрева под влиянием покрытий при температурах выше 1154 и 1102 °С.

Для объяснения данного явления была проведена серия теплометрических экспериментов, целью которых было определение зависимости угара и теплового сопротивления окалины от времени для образцов с защитным покрытием и без него при различных температурах.

Образцы, вырезанные из стальной полосы марки СтЗсп толщиной 3 мм и размерами нагреваемой (узкой) части 7x80 мм, подвергали нагреву за счёт протекания через них электрического тока. За пределами нагреваемой части образца были приварены электроды для измерения падения напряжения на образце (рисунок 5).

Рисунок 5 — Образец-нагреватель и схема его подключения

Поскольку ширина узкой части образца в семь раз меньше, чем широкой (при большей длине), то всё напряжение сконцентрировано именно в узкой нагреваемой части образца.

В тело образцов были зачеканены хромель-алюмелевые термопары. Регулятор источника питания позволял плавно изменять температуру образцов. В ходе эксперимента измеряли температуру, напряжение на образце и силу проходящего через него тока. Измерение температуры и напряжения производили цифровыми мультиметрами с классом точности 0,5, силу тока измеряли токовыми клещами того же класса точности.

Две пары образцов (с защитным покрытием и без) равномерно нагревали в течение часа до рабочей температуры - в первой серии экспериментов 1200 °С, во второй серии 1125 °С.

Температура 1200 °С выбрана как часто используемая для нагрева под обработку давлением, а при 1083 °С не наблюдается ускорения нагрева под влиянием защитного покрытия, так как при этой температуре жидкая фаза только начинает появляться. Поэтому вторая температурная точка выбрана в диапазоне 1083-1200 °С вблизи её середины.

Затем в течение 2 ч проводили выдержку при соответствующих рабочих температурах, регистрируя данные каждые 4 мин. На основе полученных данных вычисляли отводимый от образцов тепловой поток, считая его равным проходящей через образцы электрической мощности. Отводом тепла в широкую часть образца пренебрегали. Затем, зная площадь и температуру образца, вычисляли сопротивление теплопередаче от металла через окалину (покрытие) к окружающей среде:

_ 2{ab + acp-T0) m

IU ' Ш

где а, Ь, с- длина, ширина и толщина рабочего участка образца соответственно, м;

Т, То - температура нагревателя и окружающей среды соответственно, К;

/-силатока, протекающего через образец, А; U - падение напряжения на образце, В.

Угар образцов в каждый момент времени определяли по увеличению их электрического сопротивления в процессе выдержки, поскольку единственным фактором увеличения сопротивления образца постоянной длины при постоянной температуре может быть только уменьшение сечения вследствие угара:

ио ' *о

где 1(х), /о - сила тока, протекающего через образец в данный момент времени и в начале выдержки, А;

U(x), U0 - падение напряжения на образце в данный момент времени и в начале выдержки, В.

Полученные данные представлены на рисунке 6 и 7.

Рисунок 6 — Изменение угара образцов во время выдержки при различной температуре:

1 - без покрытия, 1200 °С; 3 - с покрытием, 1200 °С;

2 - без покрытия, 1125 °С; 4 - с покрытием, 1125 °С

Как видно из рисунка 6, при 1125 °С защитное покрытие снижает угар приблизительно в два раза, а при 1200 °С - в три раза, что подтверждает данные лабораторных экспериментов.

Следует отметить, что с повышением температуры нагрева эффект от применения защитного покрытия возрастает. Весьма показательно изменение влияния температуры на скорость окисления вследствие применения защитного покрытия. Данные по средней за время эксперимента скорости окисления приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Изменение влияния температуры на скорость окисления образцов

№№ партий Наличие защитного покрытия Температура, °С Скорость окисления, % / мин Изменение скорости окисления при увеличении температуры, крат

1 Без покрытия 1200 0,00181 1,55

2 Без покрытия 1125 0,00117

3 С покрытием 1200 0,000683 1,02

4 С покрытием 1125 0,000667

Из данных табл. 5 следует, что независимо от температуры покрытые образцы окисляются практически с одинаковой скоростью. Это означает, что

окисление лимитируется диффузией продуктов реакций через покрытие. Из диффузионного характера процесса окисления стали под покрытием следует важный практический вывод о том, что увеличение толщины покрытия должно вызывать пропорциональное уменьшение угара металла.

Положительное влияние защитного покрытия на нагрев металла подтверждают данные, представленные на рисунке 7.

бремя, мин

Рисунок 7 — Изменение теплового сопротивления во время выдержки при различной температуре:

1-е покрытием, 1125 °С; 3 - без покрытия, 1125 °С;

2-е покрытием, 1200 °С; 4 - без покрытия, 1200 °С

Из представленных на рисунке 7 данных следует, что при выдержке при соответствующей рабочей температуре образца без защитного покрытия сопротивление теплопередаче от металла через окалину к окружающей среде закономерно растет, что связано с ростом толщины окалины.

Однако при выдержке образца с покрытием тепловое сопротивление не только не растет, но даже падает. В определенный момент оно становится ниже, чем у непокрытого образца.

Это явление можно объяснить взаимодействием окалины и материала покрытия с началом появления жидкой фазы, которая превращает пористую структуру в высокотеплопроводную плотную массу.

Образование жидкой легкоплавкой эвтектики подтверждает дифференциально-термический анализ (ДТА), проведенный путем вычитания кривых нагрева покрытого и непокрытого образцов, представленный на рисунке 8. На кривой ДТА видны два ярко выраженных минимума, соответствующих эндотермическим процессам.

Рисунок 8 - Фазовые превращения в системе «покрытие-окалина».

Минимум при температуре 762°С объясняется разложением содержащихся в покрытии гидратов, протекающих, как известно, с поглощением энергии. Минимум при температуре 1083°С совпадает с точкой плавления эвтектики и объясняется протеканием указанного процесса.

Наличие расплава не даёт количественных данных о тепловых свойствах покрытия. Однако известно, что в пористых системах появление жидкости однозначно ведет к увеличению теплопроводности, так как жидкость заполняет поры, служившие до того теплоизоляторами. Это и было показано при измерении теплового сопротивления системы «окалина - покрытие».

В четвёртой главе представлена разработка сквозной энергосберегающей технологии применения защитных покрытий с использованием их теплоизоляционных свойств. Суть предлагаемой технологии в том, что защитные покрытия следует наносить на стальные заготовки не перед нагревом, а непосредственно после разливки. Защитное покрытие, в случае использования его в технологической цепочке непрерывной разливки, должно быть нанесено на заготовки непосредственно после МНЛЗ при температуре поверхности заготовок около 900 °С. Благодаря высоким теплоизоляционным свойствам защитного покрытия уменьшится скорость охлаждения заготовок при перемещении из литейного цеха в цех горячей обработки давлением.

Поскольку испытание описанной выше сквозной энергосберегающей технологии применения защитных покрытий является весьма сложным и дорогостоящим экспериментом, то целесообразно предварительно оценить возможный эффект методом численного моделирования.

Целью вычислительного эксперимента является определение энергосберегающего эффекта от применения защитного покрытия, нанесённого на стальные заготовки, в зависимости от времени их посада в нагревательную печь и толщины самого покрытия.

В связи с этим была разработана математическая модель, учитывающая охлаждение непрерывнолитых слябов от газорезки МНЛЗ до методической печи.

Так как длина сляба существенно больше его ширины и толщины, то перенос тепла в нем может быть описан не трёхмерным, а двухмерным нестационарным уравнением теплопроводности

дТ д дТЛ д (л дТл

рс(Т)—— = — Х- — + — X ■

ді ЭД дх) ду { ду

0<х<х0,0 <у<у0,

О <К1,

где р - плотность стали, кг/м3;

с(Т) - теплоёмкость стали, зависящая от температуры, Дж/(кг-К); Т- температура, К;

Х(Т) — коэффициент теплопроводности стали, зависящий

от температуры, Вт/(м-К); дго— полуширина сляба, м; у о- полутолщина сляба, м;

/1 — время перемещения сляба от МНЛЗ до печи, с.

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры аппроксимировали полиномом третьей степени:

Х(Т) = Хо + Х1Т + ХгТ2 + Хъ (4)

где Хо - коэффициент теплопроводности стали при ОК, Вт/(м К);

Хь Х2, Х} - коэффициенты полинома, Вт/(м-К2), Вт/(м К3) и Вт/(мК4) соответственно. Начальное распределение температуры по сечению сляба считаем равномерным

Т=Ттч, 0<х<хо, 0 <у<у0, / = 0. (5)

Граничные условия на внутренних границах расчетной области вытекают из предположения об осевой симметричности нагрева (охлаждения) сляба

Щ = о (6)

8 Т

ду

Граничные условия на наружных поверхностях сляба

К (Т | - Т ,) = -Х(Т >4^1 (8)

" од; ...

<7>

К(Т1.Г ~ Т = (П

' 1 ду

(9)

где К - коэффициент теплопередачи от сляба через окалину и покрытие в

окружающую среду, Вт/(м2 К).

где as - суммарный (учитывающий конвекцию и излучение) коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); §ок, 5П —толщина окалины и покрытия соответственно, м; ^•ок, ^п — коэффициент теплопроводности окалины и покрытия соответственно, Вт/(м-К).

О ^=^0fv=>Vj )

где Оо - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2-К);

впр - приведенная степень черноты;

а0 = 5,67-10~8 Вт/(м2 -К4) - постоянная Стефана;

Го - температура окружающей среды, К.

Приведенную степень черноты вычисляли по формуле

£ =_!_ (12)

пр 1 1 ,

—+ — 1 Е» Е»

где е„ - степень черноты металла;

£о — степень черноты окружающей среды.

Описанная математическая модель была реализована с использованием неявной разностной схемы, выбранной вследствие ее абсолютной устойчивости, что критично при расчетах с большим шагом по времени при моделировании длительных процессов. Параметры принимали равными хо= 0,9 м, у0= 0,125 м, Г„ач =1100 °С, 80к = 3 мм, X ок = 2,04 Вт/(м-К), Х„= 0,098 Вт/(мК), толщину покрытия 8П варьировали от 0,5 до 4 мм. Параметры разностной сетки - шаг по толщине 10 мм, шаг по ширине 50 мм, шаг по времени 1000 с.

Учёт зависимости актуальной теплоёмкости от температуры был реализован в математической модели кусочной линейной интерполяцией; подобная методика учёта фазовых превращений в стали существенно уточняет результаты расчёта.

Адаптацию математической модели проводили по данным протокола горячего посада непрерывнолитых заготовок в методическую печь стана 2000 ОАО «Северсталь» (рисунок 9).

\

.....Расчет » г^отоюя ГО(*Ч*ГО - »сада

І. R ■0S&K

О 5 10 15 2) 25 ЗО Л5 *0 _Срии.ч

Рисунок 9 - Сопоставление экспериментальных и расчётных данных.

В силу того, что нанесение защитного покрытия занимает лишь несколько десятков секунд, охлаждением сляба в процессе нанесения покрытия пренебрегали.

В момент нанесения покрытия его энергосберегающий эффект (под которым следует понимать разность температуры сляба с покрытием и без покрытия) нулевой, так как ни покрытый, ни непокрытый сляб еще не успели остыть. С течением времени энергосберегающий эффект защитного покрытия растёт, так как теплоизолированный сляб остывает медленнее.

Расти до бесконечности энергосберегающий эффект не может. По истечении достаточного времени слябы, как с покрытием, так и без покрытия охладятся до температуры окружающей среды, разность температуры между слябами при этом будет равна нулю.

Чем больше толщина покрытия, тем выше его тепловое сопротивление и тем позже наступает максимум энергосберегающего эффекта (рисунок 10). Однако применение покрытий толщиной 3 мм и более нецелесообразно из-за их склонности к отслаиванию. Вне зависимости от теплового сопротивления покрытия (и от наличия покрытия вообще) более ранний посад означает более высокую начальную температуру сляба и меньшие затраты энергии на его нагрев.

Время, ч.

Рисунок 10 - Зависимость разности температуры слябов

от времени при разной толщине покрытий: 1 — толщина 0,5 мм; 2 — толщина 1 мм; 3 — толщина 2 мм;

4 — толщина 3 мм; 5 — толщина 4 мм

При практической реализации предлагаемой сквозной энергосберегающей технологии следует учитывать, что энергосберегающий эффект от использования покрытия с течением времени стремится к нулю, а конечное (через 42,5 ч после разливки) значение разности температуры слябов с покрытием и без покрытия в 5-7 раз ниже максимально возможного.

Из представленных выше результатов расчета следует вывод о том, что в случае «тёплого» всада с температурой слябов 100-150 °С энергосберегающий эффект от применения покрытий незначителен. В этом случае следует ожидать

повышения температуры всада лишь на несколько градусов. Столь малый эффект может не оправдать издержек, связанных с размещением оборудования для нанесения покрытий в горячей зоне - сразу за газорезкой МНЛЗ.

Энергосберегающий эффект от использования покрытий может вырасти в несколько раз и достичь 25-77 мДж/т металла или разница между температурами заготовок с покрытием и без покрытия может достичь 40 - 120 °С при сокращении времени от разливки до всада в методическую печь от 7 до 4 ч.

Вопрос о необходимой толщине покрытия также не может быть решен методом промышленного эксперимента. Поэтому была взята та же математическая модель и модифицирована для расчета нагрева сляба в трехзонной методической печи. В математическую модель были введены данные о переменной по зонам печи температуре греющей среды Т0 и степени черноты пламени £о. Математическая модель была адаптирована по экспериментальным данным об изменении температуры пламени и сляба в методической печи, полученным НТЦ «Энергомет» при МИСиС. В математическую модель были внесены данные о динамике теплового сопротивления окалины и системы «окалина-покрытие», полученные в лабораторных экспериментах, описанных в третьей главе.

Выяснилось, что стимулирующее влияние покрытия на нагрев металла носит экстремальный характер (рисунок 11).

4)' ___

/ \

у \

і I ® / \

\..........

І * І \

\

\

Ч

ІІЩІіИІІіиіІІ, м

Рисунок 11 - Влияние толщины покрытия на конечную температуру нагрева.

По мере увеличения толщины покрытия конечная температура сляба сначала монотонно растет. Эта тенденция объясняется превалированием ускорения нагрева на поздних стадиях по сравнению с замедлением нагрева на ранних. По мере увеличения толщины (и теплового сопротивления) покрытия замедление нагрева на ранних стадиях начинает преобладать над ускорением нагрева на поздних - и конечная температура сляба после достижения экстремума начинает снижаться.

Для практического применения технологии кратковременных защитных покрытий на основании результатов расчетов можно сделать следующие рекомендации:

- если допустимо снижение конечной температуры нагрева заготовок ниже заданной температуры под обработку давлением, то толщина покрытия для максимальной защиты от угара должна быть 3 мм;

- если снижение конечной температуры нагрева заготовок ниже заданной недопустимо, но задача снижения расхода топлива не стоит, то следует выбрать толщину покрытия, обеспечивающую нулевой тепловой эффект - 2,2 мм;

- если необходимо обеспечить максимальную конечную температуру нагрева заготовок (например, для снижения нагрузки на стан) или минимальный расход топлива, то следует выбрать толщину покрытия, обеспечивающую максимальный тепловой эффект — 1,6 мм.

В пятой главе представлены результаты промышленных экспериментов. В условиях Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) в ЛПЦ-2 на стане 2000 был проведён эксперимент по снижению окалины при нагреве в методических печах. Перед нагревом защитное покрытие было нанесено на десять слябовых заготовок из стали 08Ю. Защитное покрытие наносили на половины слябовых заготовок. После нагрева в течение 3 ч на участках слябов с защитным покрытием толщина печной окалины уменьшилась в 1,5...2,0 раза, а угар снизился на 57% по сравнению с участком без защитного покрытия.

На Оскольском электрометаллургическом комбинате (ОЭМК) был проведен промышленный эксперимент по определению влияния защитных покрытий на обезуглероживание стальных заготовок (Ст 45) при нагреве в методической печи.

Толщина обезуглероженного слоя половины блюмовой заготовки, бывшей под защитным покрытием, оказалась в 2,1-3,3 раза меньше, чем на половине заготовки без защитного покрытия.

Положительное ускоряющее влияние кратковременного технологического защитного покрытия на нагрев металла было подтверждено проведёнными промышленными экспериментами в условиях НЛМК (Ст 08Ю), ОЭМК (Ст 45), Кулебакского электрометаллургического завода (КЭМЗ) (Ст 3) и ОАО «СПЕЦСТАЛЬ» - г. Колпино (Ст 20).

Замеры показали, что стальные заготовки с защитным покрытием имели температуру на выходе из печи на 42 °С (НЛМК), 53 °С (ОЭМК), 37 °С (КЭМЗ) и 27 °С (ОАО «СПЕЦСТАЛЬ») выше, чем заготовки без защитного покрытия при всех прочих равных условиях.

В шестой главе представлена разработанная установка для нанесения кратковременного технологического защитного покрытия на поверхности стальных заготовок различного марочного сортамента непосредственно перед загрузкой их в нагревательную печь и приведён расчёт ожидаемого экономического эффекта от использования разработанной технологии.

Установка предназначена для обеспечения кратковременной защиты стальных заготовок от окалинообразования, обезуглероживания и улучшения равномерности их прогрева.

Устройство для нанесения суспензии коллоидного раствора кратковременного технологического защитного покрытия (рисунок 12) состоит из: ёмкости 1 для перемешивания порошкообразного огнеупорного материала с жидкостью для получения суспензии; средства его подачи 2 под давлением к системе разбрызгивающих форсунок 3, находящихся с внутренней стороны прямоугольной рамки 4; транспортирующего рольганга 5, который может быть оснащён средствами сбора излишков 6 кроющего материала, не попавшего на поверхность стальной заготовки 7.

Устройство в автоматическом режиме обеспечивает работу в следующем порядке. При прохождении стальной заготовки через фотоэлементы открываются отсечные электромагнитные клапаны подачи сжатого воздуха и суспензии. Через 5...8 с (в зависимости от длины трубопроводов) начнется распыление. После прохождения стальной заготовки через фотоэлементы электромагнитные клапаны подачи суспензии и воздуха на вытеснение закрываются, нанесение защитного покрытия прекращается.

Для обеспечения улучшенной кроющей способности и быстрой сушки нанесённого кратковременного технологического защитного покрытия поверхность стальной заготовки должна быть горячей. Это позволит сразу же после нанесения защитного покрытия отправить стальную заготовку для нагрева в печь перед обработкой давлением.

Данное техническое решение содержит материалы лабораторных и аналитических исследований, необходимых для создания реальной установки для нанесения кратковременного технологического защитного покрытия на стальную заготовку перед нагревом её в печи.

В качестве экономических показателей представлен ожидаемый экономический эффект от применения кратковременного технологического защитного покрытия, ограниченный только снижением угара в 2 раза, применительно к НШПС 2000 ЧерМК производительностью 4 500 тыс. т/год.

Экономический эффект составит 402 173 325 руб./год, а срок окупаемости технологического оборудования для нанесения защитного покрытия - 61 день.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана технология нанесения защитного покрытия на поверхность заготовок в потоке перед нагревом под обработку давлением и термообработку.

2. При производстве углеродистых и низколегированных марок стали наиболее целесообразно применение защитных покрытий на основе А1203-8Ю2.

3. Методами средне- и высокотемпературного экспериментального анализов установлено, что защитные свойства покрытия достигаются за счёт плотной укладки его частиц. При этом шамотное покрытие может быть использовано, как при высокотемпературных (до 1300 °С), так и среднетемпературных (800-1000 °С) нагревах.

4. Показано, что ухудшение защитных свойств материала покрытия проявляется в случае образования эвтектик при взаимодействии компонентов покрытия в интервале температур 1000-1250°С.

5. Показано, что шамотное покрытие замедляет нагрев покрытых заготовок в начальной фазе нагрева (до появления жидкой фазы). Затем, в результате взаимодействия с окалиной, её тепловое сопротивление падает, а скорость нагрева заготовок возрастает.

6. Установлено, что шамотное защитное покрытие способно перевести реакцию окисления стали в диффузионную область.

7. Методом математического моделирования показано, что при использовании шамотного защитного покрытия разница между температурами заготовок с покрытием и без покрытия может достичь 40 — 120°С при сокращении времени до посада в нагревательную печь от 7 до 4 часов (охлаждение заготовок под покрытием).

8. Методом математического моделирования показано, что максимальное повышение конечной температуры заготовок на выходе из печи без затраты дополнительной энергии достигается при толщине шамотного покрытия 1,6 мм (нагрев заготовок под покрытием).

9. Разработана установка для нанесения кратковременных технологических защитных покрытий, которая легко встраивается в существующую технологическую линию, может быть автоматизирована, не требует больших капитальных затрат и имеет небольшой срок окупаемости.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1. Манюров Ш.Б., Куклев A.B., Капитанов В.А. и др. Совершенствование технологии прокатки тонких полос на широкополосных станах // Металлург. 2008. № 8. С. 43-45.

2. Манюров Ш.Б., Капитанов В.А., Куклев A.B. и др. Энергосбережение при использовании кратковременных технологических покрытий для защиты металла при нагреве перед обработкой давлением // Металлург. 2010. № 9. С. 4850.

3. Манюров Ш.Б., Куклев A.B., Капитанов В.А. и др. К вопросу об учёте зависимости теплоёмкости конструкционных сталей от температуры при численном моделировании температурно-скоростных режимов охлаждения // Проблемы чёрной металлургии и материаловедения. 2012. № 1. С. 54—58.

4. A.c. 981395 СССР, МПК5 C21D1/70. Манюров Ш.Б., Чащин В.В., Муравлёв М.А. и др. / Способ нанесения защитного покрытия - заявл. 18.03.1981; опубл. 15.12.1982, Бюл. № 46.

5. Пат. 2324571 РФ, МПК B22D11/124. Способ контролируемого охлаждения непрерывнолитых заготовок / Куклев A.B., Айзин Ю.М., Чащин В.В., Манюров Ш.Б. - заявл. 22.09.2006; опубл. 20.05.2008, Бюл. № 14.

6. Пат. 2343029 РФ, МПК В21В45/02. Способ регулируемого замедленного охлаждения горячекатаного толстого листа / Куклев A.B., Айзин Ю.М., Манюров Ш.Б., Капитанов В.А. - заявл.09.04.2007; опубл. 10.01.2009.

7. Пат. 2349650 РФ, МПК C21D1/70, С23С28/00. Способ защиты стали от окисления при нагреве перед обработкой давлением / Куклев A.B., Айзин Ю.М., Манюров Ш.Б., Капитанов В.А. и др. - заявл. 14.06.2007; опубл. 20.03.2009, Бюл. № 8.

8. Пат. 2355494 РФ, МПК В21В45/02. Способ регулируемого замедленного охлаждения витков по сечению рулона / Куклев A.B., Айзин Ю.М., Манюров Ш.Б., Капитанов В.А. - заявл. 09.04.2007; опубл. 20.10.2008, Бюл. № 14.

9. Пат. 2358017 РФ, МПК C21D1/68. Защитное покрытие металлических заготовок перед нагревом под обработку давлением / Куклев A.B., Айзин Ю.М., Манюров Ш.Б., Капитанов В.А. и др. - заявл. 20.07.2007; опубл. 10.06.2009, Бюл. №16.

10. Пат. 2365442 РФ, В21В45/02. Способ защиты поверхности горячекатаного раската от окисления в процессе прокатки / Манюров Ш.Б., Куклев A.B., Айзин Ю.М., Морозов Ю.Д. - заявл. 19.02.2008; опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24.

Подписано в печать 15.11.13 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 174 Отпечатано в ЗАО «Металлургиздат" 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 9/23