автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка технологии снижения поверхностного окисления и обезуглероживания стальных заготовок при нагреве с применением кратковременных технологических защитных покрытий

На правах рукописи

Манюров Шамиль Борисович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ОКИСЛЕНИЯ И ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК ПРИ НАГРЕВЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

05.16.02 «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 ДПР 1УА

Москва-2014

005547317

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 «МИСнС»,

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 « ') 2014 г. в 14 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

'¿¿> 2014 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 снижения потерь металла и обеспечения ресурсосбережения при его производстве и обработке.

Окисление стальных заготовок при нагреве приводит к угару металла в 1,53,0%, 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 является актуальной задачей.

Цель работы. Снижение поверхностного окисления и обезуглероживания стальных заготовок при нагреве в методических и пламенных печах, с использованием, наносимых на их поверхности, кратковременных защитных покрытий в потоке перед нагревом, а также изучение эффектов, связанных с работой покрытия.

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

1. Исследованы составы технологических покрытий на основе оксидных систем, защищающих поверхность стальной заготовки от окисления и ускоряющих её нагрев в методических и пламенных печах. Установлено, что оптимальный состав покрытия относится к системе А12Оз - БЮг и в реальных условиях может быть обеспечен в результате использования шамотного мертеля на каолинитовой связке.

2. Установлено, что шамотное защитное покрытие позволяет сократить высокотемпературное окисление стальной заготовки до 60% и уменьшить толщину её обезуглероженного слоя до трёх раз в результате предотвращения контакта металла с атмосферой печи благодаря образованию плотно уложенного газонепроницаемого слоя частиц покрытия.

3. Изучение тонкой структуры технологического защитного покрытия, нанесённого на поверхность стальной заготовки, позволило определить механизм его работы. Он заключается в том, что начиная с температуры 1083°С в оксидной системе AI2Q3 - SiCb - Fe*Oy кратковременного защитного покрытая начинает появляться жидкая фаза, которая способствует ускорению высокотемпературного нагрева стальной заготовки в печи за счёт снижения теплового сопротивления покрытия.

4. На основе разработанной математической модели определена оптимальная толщина кратковременного защитного покрытия, нанесённого на поверхность стальной заготовки. В зависимости от технологических задач и условий реального производства оптимальная толщина покрытия находится в интервале 1,6 - 3,0 мм.

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 в промышленных условиях опробована технология нагрева стальных заготовок в методических и пламенных печах с использованием кратковременного защитного покрытия на базе шамотной глины. Эта технология позволила сократить высокотемпературное окисление стали 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. Технология защищена патентами РФ. 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.

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 158 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка, включающего 73 наименования российских и зарубежных авторов, и содержит 13 таблиц, 47 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 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 стальных заготовок в методических и пламенных печах способ нанесения защитного покрытия на их поверхности в потоке перед нагревом 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 А12Оз и БЮг.

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 раскрытая механизма защитного действия.

Защитные свойства покрытия могут быть объяснены двумя взаимоисключающими гипотезами: либо защитное покрытие становится газонепроницаемым фазу 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 покрытия.

При взаимодействии окалины с оксидами АЬОз и БЮг, входящими в состав шамота, предварительно выбранным в качестве материала защитного покрытия, 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 1000РС относительно мал, то защитные свойства шамотного покрытая 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 часов

№№ 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 0,48/0,37/0,425

3 Шамот(80%)+ сода (20%) 0 0,66/0,53/0,595

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 защитных покрытий на обезуглероживание при нагреве. Образцы - Сталь 45, выдержка при 800 °С в течение 5 часов

№№ 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 0,29/0,28/0,285

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

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 (/г = 10,2 мм; <1 =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 часов 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% MgO) мелкой фракции - сокращение угара в 4,2 раза.

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

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

до нагрева после нагрева

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

2 Периклаз 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 (М§0 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 часовом нагреве (температура в печи 1350°С)

№№ партий Защитное покрытие Масса образца, г Погрешность определения угара, % Угар % Сокра щение угара, крат Оксидная система Температур 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 Ре0-А1203-ЭЮз 1083

3 Кварц 9,270 8,323 0, 22% 10,21 1,8 РеО-БЮг 1175

4 Периклаз (М§0 85%) мелкий 0-200 мкм 9,434 8,617 0,21% 8,66 2,2 Mg0-Fe20з (эвтектика отсутствует)

Во втором эксперименте при нагреве в течение 4 часов исследовали работу покрытий различного химического состава - шамот, кварц (98% 810г) 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 1 Гц.

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

12

покрытия. Однако точка пересечения кривых нагрева во втором эксперименте

заметно ниже и находится на уровне температуры 1102°С.

о

Время, мин

Рисунок 4 - Влияние защитного покрытия на нагрев образцов из Стали 45: 1 - с 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

13

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:

д „ 2(аЬ+ас\Т-Тй) Ш

где: а, Ь, с- длина, ширина и толщина рабочего участка образца соответственно, м; Т, То - температура нагревателя и окружающей среды

соответственно, К; /- сила тока, протекающего через образец, А; и - 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:

(2)

и О '

где: 1(т), /0 - сила тока, протекающего через образец в данный момент времени и в начале выдержки, А; Щт), и о - падение напряжения на образце в данный момент времени и в начале выдержки, В.

Полученные данные представлены на рисунке 6 и 7.

Время, мин

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

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

2 - без покрытия, 1125°С; 4-е 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 таблицы 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.

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:

ЭТ Э (. дтЛ Э рс(Г) — = — А. ■—— + —

Э? дх ^ дх ) ду

дТ I

А,-— , 0 < х < х0 , 0<у<у0,

дУ ) (3)

О < г < г,

где: р - плотность стали, кг/м3;

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

М.Т) - коэффициент теплопроводности стали, зависящий

от температуры, Вт/(м-К); д:о- полуширина сляба, м; у о- полутолщина сляба, м; - время перемещения сляба от МНЛЗ до печи, с.

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры аппроксимировали полиномом третьей степени:

ЦТ) = Х0 + \1Т + ^ + (4)

где: Ло - коэффициент теплопроводности стали при ОК, Вт/(м К); Я-ь Х2, а3 - коэффициенты полинома, Вт/(м-К2), Вт/(м-К3) и Вт/(м- К4) 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

= о (6)

д Т дх

э т

ду

= о

, . о

(7)

Граничные условия на наружных поверхностях сляба

-го)= -х(г)^| (8)

° ОХ г.г

К(Т | -т ,)= -Х(7-)|^-

■ " ду

где: К - коэффициент теплопередачи от сляба через окалину и покрытие в окружающую среду, Вт/(м -К).

8„ 8„ Х о. + X „

(9)

где: а2 - суммарный (учитывающий конвекцию и излучение) коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); §ок. 5П - толщина окалины и покрытия соответственно, м; 101!ДП - коэффициент теплопроводности окалины и покрытия соответственно, Вт/(м-К).

ау=а„+-

о [т*-Т* \

где: ао- коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2-К); е|1р - приведенная степень черноты; о0 = 5,67- К) х Вт/(м2 - К4) - постоянная Стефана; 7о - температура окружающей среды, К.

Приведенную степень черноты вычисляли по формуле

1

(12)

где: ем - степень черноты металла; во - 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 х0- 0,9 м, >-0= 0,125 м, Гнач = 1100°С, 5ок = 3 мм, Х.ок = 2,04 Вт/(м-К), К= 0,098 Вт/(м-К), толщину покрытия 5„ 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).

1000 а. 900

I 700 600 500 400 300 200

» Г^отоюл гцячего - «саха

гг ■0.9636

Рисунок 9 - Сопоставление экспериментальных и расчётных данных.

19

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.

45

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 7о и степени черноты пламени ео- 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).

Толпнва аокрыгня, мм

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 (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 (Ст45) 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 (Ст08Ю), ОЭМК (Ст45), Кулебакского электрометаллургического завода (КЭМЗ) (СтЗ) и ОАО «СПЕЦСТАЛЬ» - г. Колпино (Ст20).

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.

Жидкость Порошок

т А

0 шш шш

\ С :>

. Ш ......

Рисунок 12 - Схема установки для нанесения защитного покрытия

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 снижения поверхностного окисления и обезуглероживания стальных заготовок при нагреве с применением кратковременных защитных покрытий.

2. Исследовано влияние различных оксидных материалов на кинетику образования окалины. Обоснована целесообразность применение защитных покрытий на основе А12Оз - 8102 при производстве углеродистых и низколегированных марок стали.

3. Методами средне- и высокотемпературного экспериментального анализов установлено, что защитные свойства покрытия достигаются за счёт плотной укладки его частиц. При этом защитное 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. Установлено, что шамотное защитное покрытие способно перевести реакцию окисления стали в диффузионную область.

6. 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).

7. 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).

8. 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. 48-50.

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, МП К5 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 19.03.14. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 33 Отпечатано в ЗАО «Металлургиздат» 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 9/23

Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт чёрной металлургии

им. И.П. Бардина»

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

05.16.02 «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

04201458759

На правах рукописи

Манюров Шамиль Борисович

Научный руководитель: доктор технических наук

А.В. Куклев

Москва-2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................... 6

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ВЫБОР

НАПР АВ ЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ............................... 10

1.1. Проблемы окисления и обезуглероживания, и способы их решения...................................................................... 10

1.2. Описание процесса образования окалины на поверхности стальных заготовок при высокотемпературном нагреве............... 13

1.3. Влияние легирующих элементов в стали на окалинообразование в заготовках..................................................................... 23

1.4. Тепловые напряжения в стальных заготовках в процессе охлаждения после разливки и их нагрева в печи..................... 27

1.5. Кратковременные технологические покрытия для защиты металла при высокотемпературном нагреве........................ 32

1.6. Влияние защитных покрытий на параметры горячей прокатки.................................................................... 44

1.7. Заключение............................................................... 49

1.8. Цель и задачи исследования........................................... 50

ГЛАВА 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ВЫБОР

МАТЕРИАЛА ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ................. 52

2.1. Обоснование выбора материала защитного покрытия................. 52

2.2. Методика лабораторного эксперимента

по среднетемпературному нагреву................................... 53

2.3. Результаты лабораторного эксперимента

по среднетемпературному нагреву................................... 55

2.4. Методика лабораторного эксперимента

по высокотемпературному нагреву.................................. 59

2.5. Результаты лабораторного эксперимента

по высокотемпературному нагреву.................................. 61

2.6. Лабораторные эксперименты по изучению влияния покрытия на поверхностное обезуглероживание и угар стали при

нагреве. Методика и результаты эксперимента................... 65

2.7. Заключение............................................................... 69

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ НАГРЕВА СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК................................................ 70

3.1. Лабораторные эксперименты по изучению влияния

защитного покрытия на нагрев стальных заготовок в печах... 70

3.2. Исследование коэффициента теплопроводности покрытия.... 73

3.3. Исследование радиационных свойств покрытий. Методика и результаты эксперимента............................................... 79

3.4. Лабораторные эксперименты по изучению работы

покрытий. Методика и результаты эксперимента..................................82

3.5. Исследование на сканирующем электронном микроскопе защитного покрытия после нагрева..................................................................87

3.6. Заключение..............................................................................................................................92

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ................................................................. 94

4.1. Обоснование использования защитного покрытия при энергосбережении........................................................ 94

4.2. Математическая модель работы покрытия при использовании энергосберегающей технологии.

Постановка задачи....................................................... 95

4.3. Идентификация параметров и адаптация математической модели...................................................................................................98

4.4. Результаты расчета............................................................................................................103

4.5. Влияние толщины защитного покрытия на конечную температуру нагретой заготовки............................................................................108

4.6. Заключение по главе........................................................................................................113

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ В УСЛОВИЯХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ......................................................... 115

5.1. Промышленные эксперименты по влиянию защитных покрытий на угар стальных заготовок при нагреве в методических печах...................................................... 115

5.2. Промышленный эксперимент по влиянию защитных покрытий на обезуглероживание стальных заготовок при нагреве в методических печах......................................... 117

5.3. Ускоряющее влияние кратковременных технологических защитных покрытий в промышленных экспериментах при нагреве стальных заготовок.............................................. 117

5.4. Заключение по главе.................................................... 119

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЬНЫЕ ЗАГОТОВКИ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ........................ 121

6.1. Основные положения технологии нанесения кратковременного защитного покрытия........................................................ 121

6.2. Установка для нанесения кратковременного защитного покрытия

на стальную заготовку...................................................... 122

6.3. Конструкция коллектора.................................................... 125

6.4. Подготовка суспензии............................................................................................................129

6.5. Экономическая эффективность использования кратковременного технологического защитного покрытия..... 131

6.6. Заключение......................................................................................................................................133

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ........................................................134

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ 3......................................................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ 4......................................................................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ 5......................................................................................................................157

ВВЕДЕНИЕ

При современных масштабах производства стали и возрастающей потребности в ней перед металлургическими предприятиями на передний план выдвигается задача повышения качества металлопродукции, резкого снижения потерь металла, обеспечения ресурсосбережения при его производстве и обработке.

Высокотемпературная газовая коррозия, имеющая место при нагреве стальных заготовок в печной атмосфере, содержащей кислород, перед обработкой давлением ухудшает показатели производства готовой продукции. При нагреве теряется значительное количество металла вследствие окисления его в печах. В прокатных и кузнечных печах считается нормальным окисление металла от 1 до 3% от массы нагреваемого металла, а во многих печах, работающих на заводах, окисление металла превышает эти величины. Так как металл проходит через несколько печей и нагревается несколько раз, можно принять, что приблизительно около 5% общей выработки стали переходит в окалину при нагреве ее в прокатных, кузнечных и термических печах, установленных в цехах горячей обработки. Окалинообразование в процессе нагрева приводит к безвозвратным потерям металла, способствует вскрытию подкорковых пузырей, увеличивает размеры поверхностных дефектов сталеплавильного происхождения, сопровождается обезуглероживанием и газонасыщением, ухудшает качество поверхности. Наличие дефекта «вкатанная или закованная окалина» снижает качество готовой продукции и увеличивает трудозатраты при травлении или зачистке заготовки.

Применение специальных устройств и технологий для удаления окалины перед прокаткой с поверхности слитков и слябов, как показывает опыт работы металлургических предприятий, во многих случаях требует существенных капитальных вложений, обеспечивая при этом невысокий положительный эффект.

При нагреве стальных заготовок в методических и пламенных печах сопротивление теплопередаче от металла через окалину к окружающей среде растет, что связано с ростом толщины окалины, являющейся

теплоизолятором. Поэтому для достижения при нагреве стальных заготовок необходимой рабочей температуры расходуется дополнительная энергия.

Все указанные тенденции определяют актуальность задачи по разработав эффективных методов снижения потерь металла при получении готовой продукции, повышения качества поверхности стальных заготовок, замедления их нагрева на начальном этапе до температуры разупрочнения и в дальнейшем обеспечения ускоренного нагрева перед обработкой давлением.

Целью работы являлось снижение поверхностного окисления и обезуглероживания стальных заготовок в процессе их нагрева в методических и пламенных печах с применением кратковременных защитных покрытий наносимых на их поверхности в потоке перед нагревом. Изучение эффектов связанных с нанесением и работой защитного покрытия.

Кроме защиты кратковременными технологическими покрытиями от высокотемпературной газовой коррозии предполагалось улучшить температурные параметры стальных заготовок при нагреве благодаря теплоизоляционным свойствам покрытий.

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

1. Исследованы составы технологических покрытий на основе оксидных систем, защищающих поверхность стальной заготовки от окисления и ускоряющих её нагрев в методических и пламенных печах. Установлено, что оптимальный состав покрытия относится к системе А120з- ЗЮг и в реальных условиях может бьггь обеспечен в результате использования шамотного мертеля на каолшштовой связке.

2. Установлено, что шамотное защитное покрытие позволяет сократить высокотемпературное окисление стальной заготовки до 60% и уменьшить толщину её обезуглероженного слоя до трёх раз в результате предотвращения контакта металла с атмосферой печи благодаря образованию плотно уложенного газонепроницаемого слоя частиц покрытия.

3. Изучение тонкой структуры технологического защитного покрытия, нанесённого на поверхность стальной заготовки, позволило определить механизм его работы. Он заключается в том, что начиная с температуры 1083°С в оксидной системе А1203 - ЗЮг - Бе^у кратковременного защитного покрытия начинает появляться жидкая фаза, которая способствует ускорению высокотемпературного нагрева стальной заготовки в печи за счёт снижения теплового сопротивления покрытия.

4. На основе разработанной математической модели определена оптимальная толщина кратковременного защитного покрытия, нанесённого на поверхность стальной заготовки. В зависимости от технологических задач и условий реального производства оптимальная толщина покрытия находится в интервале 1,6-3,0 мм.

Практическая значимость работы заключается в том, чго на ряде промышленных предприятий таких, как Новолипецкий и Череповецкий металлургический комбинаты, Оскольский электрометаллургический комбинат, Кулебакский электрометаллургический завод и «Спецсталь» г. Колпино, опробована технология нагрева стальных заготовок в методических и пламенных печах с использованием кратковременного защитного покрытия на базе шамотной глины. Эта технология позволила сократить высокотемпературное окисление металла 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. Технология защищена патентами РФ. Разработана конструкция установки и технология нанесения кратковременного защитного покрытия на поверхности стальных заготовок в потоке перед нагревом.

Автор внес основной вклад в получение результатов изложенных в диссертации. Принимал активное участие во всех лабораторных и производственных экспериментах, обработке и интерпретации экспериментальных данных, лично подготовил основные публикации.

Автором лично сформулированы основные положения диссертационной работы

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена соблюдением соответствующих методик проведения экспериментов и необходимым объёмом микроструюурных исследований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Проблемы окисления и обезуглероживания, и способы их решения

Окисление металла при высокотемпературном нагреве и, в частности, при горячей обработке давлением сопровождается интенсивным окалинообразованием и обезуглероживавием, приводящим к значительным потерям металла и снижению его механических свойств [1].

При окислении на поверхности стальной заготовки образуется слой оксидов железа (БеО, Ре30.1, Ре20з) - окалина, которая по сравнению со сталью имеет примерно в 20 раз меньшую теплопроводность и поэтому является тепловой изоляцией, замедляющей поступление теплоты в заготовку. При обезуглероживании стальных заготовок в поверхностных её слоях уменьшается содержание углерода, что снижает механические свойства изделий. По мере нагрева металла в печи слой окалины постепенно становится толще [1 ].

Таким образом, нагрев вызывает потери металла - в результате его окисления и образования окалины. Эти потери называются угаром. Следует различать угар при нагреве (печной угар) и угар при высокотемпературной технологической обработке (прокатке и ковке). Широко распространен взгляд, что главным образом угар имеет место при нагреве в печах; угар, получающийся при высокотемпературной технологической обработке, считается незначительным. Между тем, исследованиями установлено, что потери металла с окалиной, образующейся вне печи, бывают значительными и в некоторых случаях превышают угар в печах [2].

Угар ведет к большим потерям металла, что наносит производству значительный ущерб, однако он не исчерпывается только потерями металла с окалиной. Окалина ухудшает теплообмен между нагревательной средой и металлом. Оставшаяся на поверхности стальных заготовок окалина при прокатке и ковке вдавливается в них, ухудшая поверхность изделия, и снижает его прочность. Обработка давлением стальных заготовок, покрытых не удаленной окалиной,

приводит к повышенному износу деформирующего инструмента вследствие её абразивности при остывании ниже 800°С [3]. При штамповке окалина, попадая в штамп, изменяет размеры штампуемой детали, снижает стойкость штампа.

Избежать угара металла при нагреве в методических прокатных и в пламенных кузнечных печах нельзя, но необходимо стремиться создать такие условия нагрева, чтобы получалось минимальное количество окалины и такой, которая бы отставала от поверхности заготовки, не вкатывалась и не заковывалась в металл.

Важным фактором, влияющим на угар, является печная атмосфера. Разные газы, содержащиеся в печной атмосфере, различным образом взаимодействуют с железом и углеродом. С точки зрения воздействия на металл различают газы: окислительные, восстановительные и нейтральные. К окислительным газам относятся: кислород (02), углекислота (СОД водяной пар (Н20) и серный ангидрид (БОг). К восстановительным газам относятся: оксид углерода (СО) и водород (Н2), а к нейтральным газам - азот (Ы2). Сильнее всего окисляет железо и обезуглероживает сталь кислород СЬ и слабее - С02. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до металлического железа.

Влияние печной атмосферы на металл при той или иной температуре зависит от соотношения окислительных и восстановительных газов. Как известно, в состав продуктов горения входят: С02, Н20, и О2, а иногда и СО. При этом количество О2 зависит от коэффициента избытка воздуха, при котором сжигается топливо, а содержание СО - от степени неполноты сгорания. Печные газы по своему содержанию обычно окислительные. Продукты горения топлива в рабочем пространстве печи не могут быть нейтральной средой и тем более восстановительной. Для того чтобы среда была нейтральной или восстановительной, необходимо иметь в продуктах горения много восстановительных газов водорода и оксид углерода, чего при сжигании топлива в нагревательных печах допускать нельзя [4].

В печах для нагрева стальных заготовок под пластическую деформацию топливо сжигают с коэффициентом расхода воздуха а > 1. Поэтому в продуктах

сгорания восстановительные газы (СО и №) практически отсутствуют. С увеличением а от 1 до 1,3 угар растет пропорционально росту а. Поэтому с целью снижения угара в этих печах следует выбирать горелки, обеспечивающие хорошее перемешивание газа с воздухом, что позволяет сжигать топливо с минимальным избытком воздуха в печных газах. Поступление в печь атмосферного воздуха можно уменьшить благодаря уплотнению печи и созданию на поду небольшого избыточного давления [4],

Наиболее эффективным оказался способ создания газовой завесы над садкой металла, которая окутывает нагреваемые заготовки продуктами неполного горения газообразного топлива. Газовая завеса образуется стр