автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии отжига металла в колпаковых электропечах с плазменным подогревом защитной атмосферы

Магнитогорский ордена. Трудового Красного Знамени горно-металлургический институт им. Г.И.Носова

На правах рукописи

Курлов Вадим Геннадьевич

УДК 621-783 (088.8)

СОВЕРИЕНСТБОЕАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТЕИГА МЕТАЛЛА В КОЛПАКОВЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧАХ С. ПЛАЗМЕННЫМ ПОДОГРЕВОМ ' ЗАЩИТНОЙ АТМОСФЕРЫ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск 1392

Работа выполнена в Магнитогорском ордена Трудового Красного Знаые горно-металлургическом институте иы.Г.И.Носова

Научный руководитель Официальные оппоненты

кандидат технических нау профессор Литвинов В.К.

доктор технических наук профессор Торопов Е,В.;

кандидат технических нау доцент Тартаковский Ю.И.

Ведущее предприятие - ВНИИ&тиз г. Магнитогорск

Защита диссертации состоиг'ся " Я 1992 г. в чг на заседании специализированного совета К 063.04.01 в Магшгеогорс! горио-кеталлургическом институте им,Г.И.Носова по адресу: 455000, г.Ыагнитогорск,'пр.Ленина, 38.

С диссертацией мокио ознакомиться в технической библиотеке института.

Автореферат разослан

Ученый секретарь спзциалиэировашого П

совета

ОБЩАЯ ' ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тема исследования В современных условиях на первый план в металлургии выдвигается проблема повышения качества металлопродукция, от которого во многом зависит качество продукции практически всех отраслей народного хозяйства. Имеет место значительное отставание по производству листового проката и особенно холоднокатан-ной листовой стали.

Одним из основных факторов, определяющих производительность, качество и себестоимость продукции «шляется термическая обработка [«..алла.

Работа нагревательных печей, предназначенных для отжига рулонов листовой стали, в существенной мере определяет эффективность функционирования метизио-металлургических заводов. Термообработка металла придает ему требуемые физические свойства, причем погрешности в технологии термообработки уке не могут быть исправлены дальнейшим переделом. Поэтому интенсификация процессов термической обработки металла, ювышение-его качества является важной и актуальной задачей. Одкш кз кшболее простых и эффективных методов интенсификации процесса откига рулонной стали 'в колпаковых электропечах является применение высоко-;емпературного подогрева защитного газа (как ллазмообразукгаего) в мазменно-дуговом генераторе.

Цель работы Разработка методов технологии отжига металла в котиковых электропечах с высокотемпературным подогревом защитного где а.

Методы исследований Разработка математической мог^ли нагрева топы рулонов стали осуществлялась методами теории тепло- и масссоб-;ена, математической физики. Исследование температурных полей при ермообработке стопа рулонов в промышленных условиях проводилось с спользсвзлием методики теплотехнического эксперимента. При обработ-е экспериментальных дагашх использовались методы физико-химического нализа с прииенением методики статистической обработки результатов ¿"следований.

Научная новизна:

- разработана математическая модель еяиянкя интенсификации теп-ообменз па рихим нагрева металла при наличии внешнего источника зпла;

- ка основе физического моделирования теплового состояния садки в колпаковой электропечи, при термообработке рулонов стали, установлена зависимость влияния режимных параметров плазмогенератора на скорость нагрева металла;

- полезны новые научные знания по условиям достижения равномерности температурных полей по объему садки и сиикешю длительности периода термообработки;

- на основании результатов физического моделирования и термодинамического анализа состояния защитного газа, определены режимные и конструктивнее параметры плазмогенератороп для колпаковнх электропечей ;

- разработаны конструкции кол-аковых печей с использованием плазменного подогрева защитной среды и с применением электронагревателей б конвекторто: ¡гольцах (волож.резон. о выдаче A.C.).

Практическая: кеккость работы:

- разработана методика расчета температурных полей садки при термообработке с высокотемпературны,! подогревом защитной атмосферы на основе математического моделирования

- разработана опытно-промышленная конструкция плазмогеноратора с графитовыми электродачи, для кзяпакових электропечей с единичной загрузкой массой 3,5; б ; 9 и 12 т., проведены ресурсные испытания и исследовани его характеристики;

- разработана экспериментальная установка для. исследования тепловых потоков плазменной струи, определены зависимости.энергетическоп баланса к величины теплового-КПД от р'еяимтле параметров его работы и удельные дополнительные энергозатраты на нагрев защитного газа;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований опробован в производственных условиях кстод интенсифицирования процесса термообработку позволивший в 1,5-2 раза сократить период отжига при значительном повышении равномерности температурного поля по объему седки, увеличить стабильность и равномерность механических свойств и микроструктуры металла, а тадш> снизить выход бракованной ;фодукции, по сравнению с баэовш вариантом;

- ожидаемый экономический эффект от внедрения дшшогс метода составит 385470 руб. в год.

Апробация,работы ,

Основные результаты работы были долозеш на слодуаЕЛХ конференциях

- П научно-техническая конференция "Персшятява преиаяЕггз плазменной техники и технологии в металлурги! и мзждазстрэгжиа™ (Челябинск, 1988);

- 49-я научно-техническая яонфергнц:?я 1&ппгтсгср=гсто гедгаз-металлургического института (Магнитогорск, 1936) ;

- Ш научно-техническая конференция "Перспектива Ертаеггета плазменной техники и технологии а металлурга я аасгясеграет:«'" (Челябинск, 1590);

- 51-я научно-техническая ;гс;-:фереггтшя !!атнэтогс£сзкгэ пг^юз-мзталлургического института (Магнитогорск, 1923).

Публикации. По материала?.! диссертация спубджссвгкз 2 иг-гггшз работы, получено 3 положительных решения о ягсачэ аэт-ежзето сг.^з-тельства.

Основное содержание изложено на 129 страницах текста и включает 49 рисунков, 14 таблиц. Список квгвгмвиззея: зь-точншеов содержит 141 наименований работ.

чей, рассматривается объективные предг:ссцл::л прдагкгяял йаетоэасаррэ-туриой плаоми в целях интенсификации теЕЛоейигаа в рг&ся грсия^ьаот-ве печного агрегата.

Излагаются основнне направления работа, погсгеимз, ¡^•еггиза«»-■ше к защите, дается краткое нзлозеениз .д;:се;;:.гг:г.'.;? з с-ги-аг.

В первой главе проводится аналитическое кссяэд&санхэ егграянйгш. технологий производства холоднокатано,! ленты, путан ияежй^шлзша геплообменньк процессов в яолпаковы* печак, ргес/агст-.г.-г-.-ггп езтагггтгт-пше схемы аппаратурного оформления пзвдас агрвгатез дея теркагакж® обработки, на основе анализа отсчэствяшсго и ззрубгпего скэегэ. '»уиествуащив метода интенсификация теплоеЗйека вкассяфазграяЕзз «ззз-цдашга образом:

- интенсификация циркуляции теплоносителя;

- совершенствование конструкций кс^гэртаршх хегга;

- увеличение степени полезного теп*оислздьзссаяхя;

- подогрев защитной атмосферы.

Содержание работу

Проведен сопостаэтггепьиый анализ суаоствугааих методов интенсификации теплообменник процессов при термической обработке рулонов стали в колпакових пзчах, рассмотрены их достоинства и недостатки, а также возможности улучяенич: технико-экономических показателей. Делается вывод о том, что наиболее перспективным в настоящее время, следует считать метод интенсификации теплообмена путем подогрева защитной атг.осфери рабочего пространства печного агрегата. В качестве источника тепловой энергии предлагается использование низкотемпературной плаэмк как одного из наиболее эффективных нагревателей газа.

Проведении;: обзор позволил сформулировать цель и основные зада-пи работы.

Во второй главе рассмотрено влияние интенсификации теплообмена с помощью плазменного подогрева защитного газа на ражим нагрева металла с теплсфизичеспсй точки зрс:г,?я с помощью математического моде-яхроваиип.

А;галкз условий теплообмена в одностопной кояпаковой лачл при различных способах обогрею (скитание газа, электронагрзв, сяаамеший подогрев защитного газа) показывает, что для всех случаев проблема описания тепловых процессов распадается на двз задачи - внутреннюю и внешня®.

Внутренняя задача представляет собой математическое описание процесса теплопроводности с полом ограниченном цилиндра с анизотропной теплопроводностью ( Лг^Аг )

Й«>

при граничных условиях Ш рода

0 (2)

на ограничивающих рулон металла поверхностях "Э^- , где извэстш.; коэффициенты теплоотдачи <У{-//¿Я/; ; начальная функция распределения температуры и затея изменения температуры газовой среда

^/т)такие известны. Решение задачи (1)-(2) каг. краевой задачи-математической физики получено методом %рьа. Для случая одкнако-вгос по огратти ватины поверхностям и постоянным температурам сред и тчяльньм температурам иояио применять теорему о перемножении решений

-б -

. Безразмерные температуры в направлении радиальной ( вг ) и осевой С вг ) координат могут быть определены по известным из литературы номограммам. Для определения минимальной при нагреве и максимальной при охлаждении температуры задача решается для плоскости с экспериментальной температурой.

Внешняя задача реализована в работе как определение коэффициентов теплоотдачи С(£ на поверхностях рулона. В качестве определяющей температуры газовой среди, а также для определения температурного капора, используется балансовая температура защитного газа, зависшая в обще?-! случае и от дополнительных источников иагрзва.

Расчет теплоотдачи конвекцией на поверхность металла затруднен сложюй геометрией каналов, нз экведистангностья полей,скоростей и температур, неопределенность» режима движения газа. В работе определены условия существования и размеры областей ламинарного и турбулентного режимов в кольцевом пространстве меиду муфелем и боковой поверхностью металла, что позволило применить для расчета Ск'1 фундаментальные решения В. М. Кейса. В этом случае числа Нуссэльта для теплоотдачи от поверхности муфеля в поток газа и от потока газа на боковую поверхность металла определяются по формулам:

(3) С4)

при известных радиусах рулона и муфеля. Для определениг фундг-манталъ ных чисел ЛЬд и Щ коэффициентов ка и А/ построены номограммы л ля различных режимов течения газа. Предложена также методика для определения участков термической стабилизации и учета протяженности этих участков при расчете СС= /Уилг(с'г.

Расчет теплоотдачи излучением от поверхности муфеля на бокоауо поверхность рулона при известной степени черноты поверхностей и диатермичности гага производится стандартными методами.

Подача подогретого в плазмотрона газа в подауфельное пространство позволяет решить ряд задач по интенсификации теплообмена в кол-паковой печи. В работе рассмотрен:* три эффекта, получаемых от пстп"; зовалия плазменного подогрева защитного газа. Первый эффект осязан в вводом дополнительного количества теплоты ( А О ), которое мошо

определить в зависимости от реяима продувки, мощности плазмотрона и средней температура газа на выходе из плазмотрона. Увеличение д£? приводит к уведивенич средней балансовой температуры газа и ускорении нагрева металла.. Второй эффект связан с турбулизацйей потока газа и может быть учтен увеличением коэффициента степени турбулентности. Третий эффект связан с увеличением скорости газа, особенно у поверхности нитшего, наименее нагрехсго в обычных условиях рулона, что приводит к увеличения коэффициентов теплоотдачи конвекцией на 12,318,7

Третья глава пссвяшена описания экспериментальной установки, схем ее злектро-гаооснабкения и методологии исследования.

Нальв данного раздела явилось определение конкретных численных значений параметров нагрева и отработки конструктивного оформления устройства длк интенсификации теплообменник процессов в подмуфельном пространстве печного агрегата при термической обработке рулонов стальной ленгл» Б«ли проведены экспериментальные исследования со следующими задачами I

- установление возможности интенсификации нагрева неспяопзшх тел в пологе цилшздра на примере стопи рулонов стальной ленты для рзкристаляизациошюго отжига;

- определение динамических характеристик нагрева при данном конструктивном решении установки, возмоикности и условий поддержания стационарного теплообмена для организации изотермической выдержки;

- экспериментальная проверка предложенного конструктивного решения установки для интенсификации теплообмена по объему и качеству достаточному для решения инхганерных задач по созданию промышленного варианта установки.

Кроме этого в задачи экспериментальных исследований входило определение зависимости изменения параметров источника тепловой энергии и оптимизации процесса термообработки рулонов стальной ленты.

Для решения поставленных задач была разработана и создана, на основе методов теории подобия к физического моделирования, лабораторная модель коллаковой электропечи. Моделирование термообработки рулонов стали в колпаковой печи осуществлялось при соблюдении равенства критериев Вио и Рейяольдса для модели и оригинала, при выполнении условия идентичности загрузки к размещения источников тепловой энергии

Геометрические параметры модели колпаковой печи рассчитывались из условия Ы"¡dem модели и оригинала, при котором была принята константа геометрического подобия, раачая 0,26 С 0,26 ).

В качестве защитной атмосферы использовался технический азот. Контроль за тепловым состоянием садки осуществлялся с помошьо термопар ХА, установленных в контрольных точках рулонов. Модность плазмо-генератора изменяли от 5 до 10 кВт.

Динамика изменения тепла нагрэва представлена на рис.1. Анализ зависимости тепла нагрева от длительности термообработки, выраженной безразмерной фор.ю показывает, что темп нагрева () при изменении расхода плазмообразушего газа от 0,53 до 0,67 г/с повидается на 15-20 Кроме того, оценивался средний темп нагрева за весь период термообработки, выраженный в безразмерной форде как отношение изменения безразмерной температуры к изменения величины критерия Зурье

( ' • и составивший от 14 до 20 °С/м1ш, или в безразмерной

форме от (-1,47) до (-0,94).

ш.

dFo

x(-f)

f.s

V N ——-ЛИ --пр! 1 Gr 0517с

Л // f \ \ \ N V

1 и N ч N

у\ \ Ч

022 0.44 0.95 Р0 Рис.1. Зависимость темпа нагрева от длительности термообработки в безразмерной форме при различных расходах газа

При идентичности данного параметра для модели и оригинала бил определен ожидаемый темп нагрева для печи с садкой массой 3,5 теины, при подводе дополнительной мощности 15 кВт, которой составил 70 °С/т>а

Сравнение с существующей технологией термообработки позволило спрогнозировать сокращение периода награва в 1,5-2 раза.

Установлено также, что увеличение электрической мощности гшазмо-генератора в I,5-2 раза приводит к росту темпа награва садки от 16,7 до 34,4 °С/мик. Через некоторое время посла того, как начинается подъем температуры, скорость нагрева стабилизируется и остается постоянной, изменяясь лишь при изменении мощности плазмогенэратора. Увеличение расхода плазмообразуюиего газа более 0,87 г/с приводит к наруленип стабильности горения электрической дуги.

Зависимость скорости нагрева садки от электрической ыоадосги плазмотрона приведена на рис.2» Результаты исследований показали, что при увеличении массы садки скорость нагрева в началышй период подъема температуры меньше, чем при садке меньшей массы, а затем увеличивается при одинаковой мощности пдазмогенератора. Это объясняется тем, что потери тепла с поверхности стопи рулонов уменызшотсд с увеличение:». массы садки, а следовательно, для достижения одной и той жз скорости нагрева для садок с большей массой требуется меиьшо затрат электроэнергия..

С/мя

¿0

Ж

20

/

/

У

10

19

& хЛГгЮ* вг

Рис.2.-Зависимость скорости нагрева металла от электрической мощности плазмогенэратора

Проведенные исследования показали, что интенсификация теплооб-:ена путем высокотемпературного подогрева защитного газа позволит беспечить повышение Ш1Д печи на 1-5 % за счет сокращения времени агрева на 30-40 % при условии повышения равномерности прогрева ме-алла по объему садки.

Выполнение узла подачи газа в виде плазмотрона позволяет повы-ить производительность колпаковой печи, путем интенсификации тепло-бмекных процессов в системе электронагреватель-защитный газ-садка, ри этом сокращается время нагрева садки за счет увеличения чоэффи-иента теплопередачи, посредством повышения температуру и изменения эплофизических свойств греюцей среды в условиях низкотемпературной аазмы, а такте за счет интенсификации вынукденноЯ конвекции.

В печи достигается прецлзионное распределение температуры по 5ьему садки, осуществляемое изменением подаваемой на плазмотрон 1ектрической могшости и длины плазменной струи в зависимости от мхода плазмосбразутеего газа, что позволяет реализовать в пзчи шростнне высокопроизводительные сложные темпера^ рно-пременнно граней термообработки, например, изотермический двухступенчатой от-хиг т термоциклическую термообработку.

Преимуцеством данной печи является ее высокая термическая эф-!кгибность, достигаемая за счет снижения тепловых потерь в системе юргоснабтения, т.к. ввод энергии осукествлязтся непосредственно в >еяиий защитный газ, поступавший во внутреннюю полость садки, обвешивая тем ежи.; высокий термический Ш1Д на уровне 55-70

Дополнительным положительным эффектом является возможность ор-.ниэации плазменно-термической обработки с высокой производитель-еть-э при использовании в качества плазмообразуэиего газа в плазмо-нераторэ активных газов, таких как аммиак или азот в смеси с при-дным газом при нитроцемента-дии.

С целью практического использования полученных в результата спериментальнкх исследований данных, расчитаны речеимныз и конструк-вные параметры плазмогенераторов, используемых для интенсификации плообменных процессов в колпаковых электропечах с единичной загруз-й 3,5; 6; 9 и 12 т. У

Данные расчета сведены в таблицу I и использованы при составлении рты технологической информации отжига рулонной стали в колпаковых актропечах.

Таблица I

Ретаашые и конструктивные параметры плазмогенераторов для интенсификации теплообменнкх процессов в колпаковых злзхтропеча

Ед. Масса единичной загрузки, кг

параметры изм. 3,5 I0d 6 I0J 9 I0J 12 I0d

I. Мокность ПДГ кВт 15,0 25,5 33,5 51,0

2. Ток дуги ПДГ А 70 130 210 290

3. Количество сопел 6 б 6 6

анодной вставки пт

4. Диаметр сопел мм 3,5 4,5 5,0 5,5

5. Расход плазмо-

образуощего газа Т МН3 ) ' г/с 0,38 0,45 0,53 0,67

6. Ьрсмя работы ПДГ ч. 5,0 9,0 12,5

Четвертая глаг-а содержит анализ суаестзуоцих конструкций аппара топ для электродугоЕОГо нагрева газа, обоснование выбора и разрабогк; конструкции плазмогенератора , результаты экспериментальных исследований электрических и энэргетнческкх характеристик плазг,»генератора, обоснование выбора источника питания.

Характеристики плазменной струи б значительной мере определяется выбором плаэиообраоудаго газа. На онтадьп;» плазменного потока большое влияние оказывает расход плазиообраоуацего газа. Тспдодсреда ча от дуги к потоку газа происходит б период их совместного нахозде-ния в канале плазмотрона. С увеличением расхода газа уменьшается площадь поверхности разряда, вследствие уменьшения диаметра проьодя-иего столба, что приводит к снижению интенсивности теплопередачи к потоку газа, а следовательно к снижении его теплосодерзанияс.

Больше возможности открывает использование для плазмообразова,-кия смеси газов. Количество тепла вводимого.плазменной струей в нагреваемое изделие при работе на водородно-азотной смеси (аммиачная плазма) почти в два раза вша, чек при работа на чистил азоте. Наиболее высокими значениями энтальпии и КЦД обладает водород. Однако чистый водород при высоких температурах сказывает разруазоязз sos действие на электрода. С целью увеличения их срока службы используют

смесь водорода с инертным газом (азотом или аргоном), в которой содержание составляет около 10-20 % (обьемн.), что соответствует составу газа ( А), используемого для создания защитной атмосферы в колпаковых печах. Оточенный в атмосфере диссоциированного аммиака металл сохраняет поверхность свободную от окислов при минимальном обезуглероживании. Диссоциированный аммиак применяется в качестве деяевого заменителя чистого водорода.

Использование для подогрева защитного газа в колпаковых печах электро-дугового разряда, в качестве источника тепловой энерь.и, сопровождается рядом проблем, таких как защита электродов от разрушения в зонах пятна дуги, снижения разрулаттазго воздействия газовых сред и воздействия высоких температур. Играя незначительную роль в балансе тепла, тепловые и электрические процессы в областях контакта дуги с электродами имезт репаюаее значение для процесса разрушения материалов электродов, а следовательно я ресурса п.-.азкогенератора. Удельная величина эрозии определялась как сумма капельной и ионной фазы эрозии ~У*к+/л1 , г/кл, где уи --отнопение массы материала унесенного с электрода к количеству протекающего при этом дуговой промежуток электричества ( у-* ~ & т/УАС _ ).

Наибольшая эрозийная стойкость .получена для материалов, используемых для изготовления электродов наиболее перспективным является графит, в силу того, что у него полное«.» почти отсутстгует капзлыгся фаза эрозии - ваадая составляющая сварного эрозионного есздойсгр:!:!.

Исходя из этого, для подогрева зазитней атмосферы колпатгороЗ печи предложено использовать в качество тепловой энергии плажогонз-ратор с графитовыми электрода).«!.

Для расчета и оптимизация рзюплих параметров плазмотрона бил

проведен детальный анализ энергетического баланса установки: • $ »

гдо ¿¿к - потери мощности струи на охлаждение / -й калориметрической секции;

/сп>*~ мощность плазменной струи на выходе из калориметра;

- потери мощности дуги на охлаждение элементов плазмогенера-тора.

Схема реализации методики определения средкемассовой температуры по еа энтальпии представлена на рис.3. Исследования тепловых потоков проводились на установке, оборудованной необходимыми контрольно-измерительными устройствами. На срезе сопла плазмогенератора была установлена калориметрическая рубанка, состоящая из пяти водоохла'кдаемых секций. Величина тепловых потоков определялась методом калориметри-рования. Температура ллаз"чнной струи определялась по ее энтальпии по графикам. Температура в процессе исследований изменялась в диапазоне 1,3 103 - 2,7 103 К, в зависимости от изменения расхода пянчыосбразуояего газа, и электрических параметров плазмогенератора. Мощность плазменной струи (Рс„,р) с увеличением тока дуги возрастает, составляя 65-70 % от моздасти дуги (Рд ), т.е. = 0,65-0,7. На рис.4 представлены зависимости теплового баланса и теплового КПД от расхода плазкообразувдего газа. Тепловые потери на охлаждение элементов плазмотрона (Рохл) составили 30-35 3 от мощности дуги. С увеличением расхода газа тепловой КПД возрастает, а тепловые потери уменьшаются. йго объясняется те.'.:, что за счет увеличения скорости газового потока в канал*1 плазмогенератора происходит интенсификация теплообменник" процессов мекду газовым потоком и стенкой анода. В исследуемом диапазона расхода плазмообразукицего газа и тока дуги, тепловой КПД составил 0,58-0,64,

г Йаеспганме ош срэга сопла, см £Г з е <3 12 & о

8 Г

• -3500К; О-2300К; а-ЗСООК; л -¿ООО К; Л-ЗТООК} Х-1600К

КВт

'¡к

2

{Я

т веды 0£

|Ш1гТТТ1ггтгп

3 4 &

номер калориметьическои г секции

Р.1С.З. Сима экспериментальной установки и результаты исследования тепловых потоков плазменной струи

0.1 ад о.з

Рис.4, Влияние расхода пдазмссбрзг^хдзгс газа за тетвгтгн'Г. баланс и тепловой КПД пллс:.г; тп

С цель» прогнозирования состава а ЕатгЦхаззс ппопт-

ранстве печного агрегата и состаса газсзсЗ гз веса;? гзиаятаяж— ратора, проведен термодинамически.! рзсчэт »кадр* кгпззярта "яп^оппп по программе "Астра-2" определении ранязгееяет гзгаг^тар:-. жютппгпю-нентных гетерогенных систем на оЕ.' 2С-2023. Егсггс«* детна-д яжпг-лись трехкомпонентная смесь, состоящая яз 11,5 % Яд* „

0,7 % С в интервале температур от 0,5 Ю3 да 4 Е гсга до.тапяя 0,103 ИПа (давление в подмуфелык?.! преттрзнзтпе езяй*.. Ея ставлен равновесный состав термоцкнзаетгехсЗ еаетаквц срв: епуг^тшппгпг параметрах при данных соотношениях метеу кглззнгетга! гкзгаейз фгзг»

В результате т ери о динзгятае сиого шзгхЕртвтаза рггззшзж:

- наличие конденсированной фгп: уггеркя лгетЕПвмг сдатетть тетя* о вероятности процесса восстаяовяе&я гра^стгжаг згжггргза?» пртпп? осаядения сажистого углерода п, как следстггз, Е^зтаЕп»! рзкз^гаа рв-боты плазмогенератора;

- внесение в атмосферу печи углерода, в его ссгзданжйЗ гаетяяптэт снизить обезуглероживание ПО В брХНССТП С^^рЗ^ЗЗГНЗЯЗЗ'ГОГО ¡^У^У^ -^?»

Пятая глава посвящена опытно—срсш&^лье^хяи пеюеяяерчяшшяя ¡ртзппри— сталлизационного отжига е кгсояотейпсЕт'з^ззгя цз-,яиуияаи яотшягага'э газа в колпаковых эяэетропечах.

Рис.5. Состав газовой и конденсированной фаз термодинамической системы N - Н - С на выходе из сопла плазмогензратора

Для разработки способа интенсифицированного нагрева садки было проведено исследование температурных полей подмуфельного пространства колпаковой электропечи типа. СЗП-323Н с единичной загрузкой массой 3,5 г, при отжиге стали марки 70С2ХА.. Дяя подогрева защитного газа использовался плазмотрон ШР-10 с графитовыми электродами.

Анализ динамики изменения температуры в контрольных точках печи указывает на более высокую равномерность температурного поля по сравнению с огштами без подогрева защитного газа. В начальный период нагрева перепад температур между аналогичными точками рулонов на раз-.., личных горизонтах стопы достигала .100-120 °С. В процессе изотермической выдержки происходит выравнивание температурного поля по всему объему садки и перед началом процесса охлаждения температурный пере-, пад по объему садки не превшал 5-10 °С. На рис.6 представлена зависимость скорости нагрева, выраженная в безразмерной форме ( -¡^ )

от безразмерной длительности нагрева ( Ра ) для отжига традиционным способом и с использованием высокотемпературного подогрева защитной средн. Сравнение с результатами физического моделирования дает удов-л!тг<нттельн0э совпадение с реальными данными. При термообработке с исподьзовани ч плазменного подогрева защитной атмосферы, средний теми нагрева за весь период, в 1,5-2 раза выше, чем при термообработке по тсзпипючн»..! технологии и составляет 74 6"/мин.

- 16 -

Рис.6. Зависимость темпа нагрева садки от.длительности термообработки, при отииге традиционным способом и с использованием высокотемпературного подогрева защитной атмосферы

Анализ полученных результатов показал, что временные затраты на период подъема температур (нагрев металла ди температуры выдержки) можно сократить на 40-50 %,

В силу того, что технологическим назначением периода выдержки является процесс,устранения температурной неравномерности по объему садки, то с учетом более равномерного температурного поля при термообработке с применением плазменного подогрдва защитного газа, период вндергои можно также сократить ма 35-45 %.

С целыэ контроля качества металла проводились исследования микроструктуры и механически свойстп холоднокатаной лепты стали марки 70С2ХА после рекгристаллизационного отжига. Эффективность термообработки оценивалась по возможности получения холоднокатаной ленты со структурой зернистого перлита 3-4 балла I, П, И группы прочности я вине без операции закалки.

Для оценки механических свойств и микроструктуры металла проводились испытания в объеме соответствующих стандартов.

Микроструктура ленты стали марки 70С2ХА после рекристаллизацион-кого сткига с высокотемпературны.! подогревом защитного газа представляет собой зернистый пердит 3-4 балла. Глубина обезуглерожзнного слоя соответствует стандарту. Из результатов испытаний механических свойств следует, что они соответствуют свойствам нормально отоженной ста»! марки 70С2ХА, согласно требованиям ГОСТ 2283-74 на пружинную сталь. Контроль процесса прокатки показал, что качество отятига удовлетворительное, отсутствовали обрывы ленты и трещины по кромке ленты в процессе прокатки.

Проведенные исследования показали достаточную стабильность контролируемых параметров. Сравнение механических свойств холоднокатаных листов, произведенных традиционным способом с аналогу лоаш свойствами стали после отжига с плазменным подогревом защитного газа свидетельствуют о более высокой равномерности и стабильности свойств металла после отетга с использованием плазменного подогрева, и ка:: следствие, снижение выхода бракованной продукции.

Заключение

1. На основании теоретического анализа показана эффективность применения высокотемпературного подогрева защитной атмосферы колпако-воЯ печи с целью интенсифицирования теплообменных процессов, позволявшая в несколько раз сократить длительность периода термообработки.

2. Выполненное математическое моделирование нагрева металла в колпаковой печи позволило определить следующие эффекта, появление которых обусловлено применением высокотемпературного подогрева защитной атмосферы:

- дополнительный подвод теплоты;

- турбулизация потока газа;

- увеличение скорости циркуляции газа.

3. Разработанная методика расчета теплообмена в колпаксвой петл с использованием плазменного подогрева заяитной атмосферы позволила обеспечить минимальное отклонение от экспериментальных данных, что свидетельствует, с одной стороны, о надежности физических я матзматн--неских положений, ленацих в основе применяемых методик, а с другой зтороны, о достоверности экспериментальных данных, полученных в продавленных условиях.

4. С использованием методики математического и физического моде-щрованшг теплообменных процессов з колпаковой печи разработана и создана экспериментальная установка для изучения теплового состояния задки; в результате исследований установлена высокая равномерность' температурного поля садки при удельной электрической мозюстя нласо-•енератора 4,2 кВт/т.

5. На базе усовершенствованной методики режима термообработки гаследованы закономерности динамики изменения температур?«* поллй :адки при варьировании расходом плазмообразуздего газа, электрической гаикостью плазкогенератора и массой единичной загрузки печи, вьшелне-:а экспериментальная оцежа интенсивности теплообменных процессов и

х параметров в различных зонах иодоуфельного пространства, определ»!« жидаемнй темп нагрева для печи с садксй 3,5 т, при подводе дополот-ельной мсаности 15 кВт, который составив 74 °С/час.

6. Определены режимные и конструктивные параметры плазмогенера-торов для карты технологической информации термообработки рулонов стали в колпаковых электропечах с высокотемпературным подогревом защитной атмосферы, с единичной загрузкой 3,5; б; 9 и 12 тонн.

7. Обоснован выбор к разработана конструкция плазкогенерагора

с электродами из графита, обеспечивающих в условиях наличия конденсированной фазы углерода, самовосстановление электродов, проведены ресурсные испытания, показавшие устойчиную работу плазмогенератора в течение 45-50 часов и исследованы его характеристики.

8. На основе зависимости энергетического баланса плазмогенератора, мощностью до 20 кВт, от режимных параметров его работы определены величина теплового КПД (0,53-0,65) и удельные дополнительные затраты на подогрев защитного газа 1,02 кВт ч/ь;3.

9. На основании расчетов термодинамических параметров защитной атмосферы в области температур плазменной струи определены области существования и термодинамической устойчивости основных компонентов системы.

10. На основе проведеннгх теоретических и экспериментальных исследований закономерностей термообработки металла создана опытно-промышленная установка высокотемпературного подогрева защитной атмосферы для колпаковой электропечи с садкой массой 3,5 тонны в условиях Миньярского 12/3.

11. В результате промышленных исследований установлено, что применение данного устройства позволило сократить временные затраты на тер; ^обработку на 40-50

12. На опытно-промышленном стенде получена сталь со свойствами нормально отожженной стали марки 70С2ХА, согласно требованиям ГОСТа на' пружинную сталь, с одновременным улучшением качества готовой продукции с равномерным распределением механических свойств по объему рулона.

13. Ожидаемый годовой экономический эффект при работе печей по прадлок-знной схеме составит 385470 руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Литвинов В.К., Курлоп З.Г. Интенсификация теплообмена в колпа-кошх печах с плазменным подогревом //Перспективы применения плазменной техники я технологии з металлургии и машиностроении: Тез.докл. кауч.-техн.конф. Челябинск, 1980. С.53.

2. Высокотемпературный подогрев защитного газа в колпаковой тчи /Е.Б.Лгапитов, В.Г.Курлов, В.Е.Бксярян, Т.Н.Бармасова, Н.И.Шир-сова //Теплотехнические вопросы применения низкотемпературной плазмы в металлургии: Мзжвуз.сб.цауч.тр. Магнитогорск: Ш1Ш, 1589. С.129.

3. Заявка 4649345/02 (022403) от 09.02.1989, по которой вынесено решение о выдаче авторского свидетельства. .

4. Заявка № 4734673/02 (114018) от 01.0Э. 1989, по которой ешз-сено реиенис о выдаче авторского свидетельства.

5. Л.С. 1581158 (СССР). Колпакопая электропечь /Н.И.Иванов, Е.Б.Лгапитов, В.К.Литшнав, В.Г.Курлов и др. - Опубл. в Б.И. 19Э1,.

36.