автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Термохимические и газодинамические процессы при производстве стального проката с антикоррозионным покрытием

О"

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ПАХАЛУЕВ ВАЛЕРИЙ МАКСИМОВИЧ

ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛЬНОГО ПРОКАТА С АН ТИКОРРОЗИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

ДИССЕРТАЦИЯ па соискание ученой степени

доктора технических наук /(0 ^^ г.Ека1^/бур^

^бЖи 1997 *

ДИССЕРТАЦИОННАЯ РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ОРГАНИЗАЦИЯХ:

- НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОМ ИНСТИТУТЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ТЕПЛОТЕХНИКИ (ОАО «ВНИИМТ»), Г. ЕКАТЕРИНБУРГ

- УРАЛЬСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ (УГТУ), Г. ЕКАТЕРИНБУРГ

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................. 10

1. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНОГО ПРОКАТА С АНТИКОРРОЗИОННЫМИ

ПОКРЫТИЯМИ .................................................................................... 16

1.1 .Коррозионные характеристики покрытий............................................. 16

1.2.Высокопроизводительные агрегаты горячего цинкования и алюмоцинкования стальной полосы......................................................... 20

1.3.Производство стальной проволоки с

антикоррозионным покрытием............................................................... 24

1.4. Антикоррозионные покрытия труб и уголков........................................ 26

1.5.Основные операции при обработке стального проката

перед нанесением покрытий и последующей термообработке............... 29

1 .б.Выводы и задачи исследований............................................................... 35

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ НА СТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ................................... 38

2.1.Особенности взаимодействия стальной поверхности с атмосферой

продуктов сгорания топлива....................................................................... 38

2.2.Метод лазерной интерферометрии в исследовании термохимических процессов на стальной поверхности............................................................ 43

2.2.1. Состав оборудования и принцип работы установки

лазерного интерферометра.................................................................. 43

2.2.2. Методика расчета толщины оксидной пленки и ее

оптических характеристик.....................................................................47

2.2.3. Экспериментальные значения оптических

параметров пленки................................................................................ 51

2.3.Исследование окислительно-восстановительных процессов

при ТХО стальной поверхности......................................:.............................54

2.3.1. Условия и параметры скоростного нагрева...........................................54

2.3.2. Термодинамические условия окисления стали

в продуктах сгорания топлива.................................................................56

2.3.3. Характеристики окислительно-восстановительного нагрева

сталей различных марок при термохимической обработке.................60

2.3.4. Термохимическая обработка проката при наличии

сероводорода в отопительном газе.......................................................66

2.3.5. Основные кинетические параметры окислительно-

восстановительного процесса...............................................................72

2.4.Термическая очистка поверхности стального проката.................................77

2.4.1. Общая характеристика загрязнений......................................................77

2.4.2.Кинетические закономерности термической очистки.......................79

2.4.3. Оптимизация процесса термической очистки

в протяжной печи...................................................................................84

3. КИНЕТИКА ЗАРОЖДЕНИЯ И РОСТА-ОКСИДОВ

В УСЛОВИЯХ СКОРОСТНОГО НАГРЕВ А...................................................... 87 .

3.1. Термодинамические условия окисления с

зародышеобразованием............................................................................... 87

3.2.Особенность зародышеобразования в твердой фазе....................................89

3.3.Инкубационный период зародышеобразования.......................................... 95

3.4.Кинетика роста оксидов в неизотермических

условиях нагрева.......................................................................................... 99

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТХО И ТО ПРИ НАНЕСрНИИ ПОКРЫТИЙ НА СТАЛЬНУЮ ПОЛОСУ.......................................................... 105

4.1. Экспериментальный стенд алюмоцинкования полосы............................. 105

4.2. Анализ; качества наносимого покрытия.................................................... 109

4.3. Влияние газовых и температурных режимов

ТХО на качество покрытий............................................................................ 113

4.4.Сажеобразование на поверхности полосы....................................................123

4.5.Исследование режимов ускоренного охлаждения и

отпуска полосы с покрытием....................................................................... 126

4.6.Термодиффузионный отжиг оцинкованной полосы.................................... 128

4.6.1. Общая характеристика и экспериментальное определение параметров процесса............................................................................. 128

4.6.2. Кинетическое описание диффузионного отжига.................................. 133

5. АЛЮМОЦИНКОВАНИЕ ДЛИННОМЕРНОГО ПРОКАТА............................. 136

5.1 .Термохимическая обработка труб перед

нанесением покрытия.................................................................................... 136

5.2.0собенности ТХО уголков при нанесении покрытий..................................140

5.3.Алюмоцинкование малоуглеродистой стальной

проволоки........................................................................................................... 143

5.4.Интенсификация процесса ТХО с применением

кипящего слоя................................................................................................ 146

5.4.1. Статистические характеристики взаимодействия

твердой фазы с поверхностями в кипящем слое....................................146

5.4.2.Термическая очистка поверхности проволоки

в установках с кипящим слоем.............................................................. 150

6. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЛЕНОЧНЫХ ТЕЧЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ

ГАЗОВЫМИ СТРУЯМИ.................................................................................... 154

6.1.Исследование гравитационного течения

пленок жидкости............................................................................................. 154

6.2.Взаимодействие симметричных газовых струй

с плоской поверхностью...................................................................................157

6.3. Формирования покрытия из жидкометаллической пленки

газовыми струями............................................................................................ 161

6.4.Оптимизация параметров воздушного «ножа» и структура

АСУ толщиной покрытия................................................................................. 167

7. ОСВОЕНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПРОКАТА С ПОКРЫТИЯМИ

НА ПРОМЫШЛЕННЫХ АГРЕГАТАХ......................................................... 177

7.1.Освоение режимов производства проката с алюминиевым

покрытием на АНГА-1700 ЧерМК................................................................... 177

7.2.0тработка режимов ТХО при выпуске опытной партии проката

с покрытием типа «Гальфан» на агрегате цинкования ММК...................... 184

7.3. Отработка газовых и температурных режимов на агрегате

цинкования проволоки АГЦП-2 на Ревдинском ММЗ............................. 188

8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ПРОКАТА С ПОКРЫТИЕМ ИЗ РАСПЛАВА..................... 193

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................ 197

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................................ 202

ПРИЛОЖЕНИЯ:

П. 1. Перечень НИР и практических результатов, переданных

заказчикам и использованных в диссертации............................................................ 213

П.2. Технологическое задание для выполнения проекта комбинированного агрегата АНГ А-2000 Магнитогорского МК 1989 г.

(шифр ТЛЗ-1.12-14-505-89)........................................................................................ 219

П.З. Технологическое задание на проектирование и изготовление

комбинированного агрегата для нанесения алюминиевых и алюмоцинковых покрытий Череповецкого меткомбината

(шифр ТЛЗ-5.25.-14-304-86)...................................................................................... 221

П.4. Временная технологическая инструкция на пуск и

освоение АНГА Череповецкого МК, 1980 г............................................................ 223

П. 5. Технологические рекомендации для реконструкции АНГЦ

Череповецкого МК , 1991 г........................................................................................224

П. 6. Технологическое задание на реконструкцию цеха

цинкования Ревдинского ММЗ (ТЛЗ 1.23-НПЦОМ-12С-92)....................................225

П. 7. Исходные данные для разработки ТЛЗ на проектирование агрегата непрерывного горячего алюминирования

АНГА-2000 3-й очереди цеха покрытий ММКД989 г...............................................226

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

х - толщина оксидной пленки; Т - температура; х - время;

- скорость нагрева; а - коэффициент расхода воздуха: степень превращения; С - содержание углерода в стали: сгп ' содержание цинка; СА1 " с°деРжание алюминия; Н2 - содержание водорода в газе; Н2 О - содержание водяного пара в газе; *т.р. " температура точки росы;

К - отражательная способность; газовая постоянная;

Кр - константа равновесия реакции;

АО - изменение свободной энергии; (I - химический потенциал; а - поверхностная энергия: Е - энергия активации; модуль упругости; е - относительная деформация; М - молекулярная масса; О - коэффициент диффузии; а - температуропроводность; Р - давление; и0 - скорость полосы; \\ -толщина полосы ; ц,у,\у - составляющие скорости ; х,у.г - координаты;

8 - толщина пленки, интенсивность трещинообразования; с! - диаметр;

х- - продолжительность инкубационного периода; П0 - кислородный потенциал;

(р02) рф " парциальное давление кислорода в газовой фазе;

рп I - равновесное давление диссоциации оксида; 2 7 РехОу

Ум - молярный объем;

V - коэффициент Пуассона , кинематическая вязкость ;

В - ширина щели сопла;

Н - ширина полосы, расстояние между соплом и полосой;

Э - площадь расплава;

л

0 - безразмерная избыточная температура; X - количество дефектов; N11= а' % - критерий Нусельта;

Ре= и° - критерий Пекле;

В1= а •- критерий Био; С (1 V

8к:= ■ж• -Хм -КритерийСтарка;

ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

а,Р - обозначения фаз; Р - расплав;

н - начальные значения; о - средние значения; М - металл; П - пар; Г - горение;

К.Р.В.- коэффициент расхода воздуха;

П.С.-продукты сгорания;

П.Н.С.- продукты неполного сгорания;

К.Т.О.- коэффициент теплоотдачи;

К.С.- кипящий слой;

Т.Х.О.- термохимическая обработка;

Т.О.- термическая обработка;

АНГЦ - агрегат непрерывного горячего цинкования;

АНГА - агрегат непрерывного горячего алюмоцинкования (алюминирования).

ВВЕДЕНИЕ

Одна из важнейших технических проблем современного производства - борьба с коррозией металлов. Острота этой проблемы непрерывно возрастает, поскольку темпы роста коррозионных потерь за последние годы значительно превышают темпы роста производства металлов. Ущерб в результате коррозии оценивается японской ассоциацией по защите от коррозии в промышленно развитых странах в пределах 4-5° о национального дохода.

Непрерывное увеличение коррозионных потерь связано прежде всего с возрастающим загрязнением окружающей среды. Так, еще несколько десятилетий назад стальные конструкции мачт из стального уголка линий электропередач надежно защищались цинковым покрытием 35 мкм и конструкция служила 50 лет; в настоящее время цинковое покрытие с такой толщиной разрушается менее, чем за 10 лет [1].

Загрязнение атмосферы происходит прежде всего вследствие сжигания топлива, содержащего сернистые и другие агрессивные соединения; серьезным источником загрязнений окружающей среды является значительное увеличение производства и применения минеральных удобрений.

Одним из наиболее эффективных методов защиты черных металлов от коррозии является нанесение цинкового и алюминиевого покрытий, а также покрытий на основе сплавов цинка с алюминием методом горячего погружения. С помощью цинковых покрытий в мире ежегодно защищают 35-38 млн.т стальных изделий, причем 50% приходится на полосу и лист, примерно по 12-15% на трубы и проволоку, остальное на различные изделия [2,3,4,5].

В мировой практике производство металлоизделий с покрытиями, наносимыми горячим способом - погружением в расплав, все большую роль приобретают покрытия из алюмоцинковых сплавов взамен традиционных процессов цинкования и алюминирования. Передовые позиции в этом направлении занимают фирмы и исследовательские организации США, Бельгии, Великобритании, Японии, Италии, Финляндии, которыми разработаны и внедрены различные процессы нанесения на

полосовой прокат, проволоку и трубы алюмоцинковых (цинкоалюминиевых) антикоррозионных покрытий.

Фирма «Бетлихем СТИЛ» (США) разработала и успешно применяет сплав с фирменным названием «Гальвалюм», состоящий из 55% А1; 43,4% Хп и 1,6% 81. Мировое производство стального листа с покрытием «Гальвалюм» составило свыше 3,5 млн.т; предполагается, что мощности по производству стальной полосы с данным видом покрытия превысят к 2000 г. 16 млн.т [4,5].

Первоначально листы с покрытием «Гальвалюм» использовали при производстве панелей промышленных зданий; затем они нашли применение в автомобилестроении. В настоящее время листы с этим покрытием применяются в сельском хозяйстве, при производстве бытовых товаров и т.д.

Технология нанесения покрытий с высоким содержанием алюминия сопряжена с повышенными затратами на модернизацию существующих линий цинкования. Минимальные затраты связаны с переходом на алюмоцинкование с содержание в расплаве цинка 5% А1. Исследования, проведенные под руководством Международной организации по исследованию цинка и свинца \\JLKO показали, что эвтектический сплав цинка с алюминием и добавкой редкоземельных элементов (церия и лантана) обладает повышенной способность к коррозии, хорошей адгезии и способностью к деформации. Покрытие получило название «Гальфан».

Основной областью применения рулонного проката с покрытием «Гальфан» являются строительная индустрия (металлоконструкции с верхним лакокрасочным покрытием), автомобилестроение, приборостроение, производство бытовой техники, корпусов холодильников и т.д.

Лицензии на производство стальной полосы, проволоки и труб с покрытием «Гальфан» продано более, чем 20-ти фирмам стран Западной Европы, США, Японии и др. С марта 1980 г. в СССР действует патент № 1301320 на сплав «Гальфан» для нанесения покрытия на стальную полосу.

В общем объеме потребляемой мировой автомобильной промышленностью продукции доля листовой стали с антикоррозионным покрытием составляет более 10%. Все более широкое применение находит листовая сталь с железоцинковым покрытием, получаемым диффузионным отжигом оцинкованной стали.

Разработаны специальные раскисленные алюминием стали и стали, содержащие титан, с хорошей способностью к вытяжке и термодиффузионному кратковременному отжигу в линии агрегата цинкования.

В конце 80-х годов в мире насчитывалось около 220 агрегатов цинкования, включая агрегаты комбинированного типа (позволяющие наносить алюмоцинковое и алюминивое покрытие). В СССР на 1991 г. действовало четыре агрегата цинкования полосы АНГЦ (НЛМК, ЧерМК, ЖданМК им.Ильича, ММК) и один агрегат алюмоцинкования АНГА-1700 ЧерМК. Проектировалось строительство комбинированных агрегатов алюмоцинкования на КарМК и ММК. В этой связи были разработаны комплексные программы с поручением ТУ МЧМ СССР от 1986, 1987 гг. (N16-2-80 от 4.03.86 г.; N16-2-65 от 16.01.89 г.) по разработке новых технологических процессов для составления ТЛЗ на проектирование агрегатов горячего алюминирования и алюмоцинкования на ЧерМК, ММК и КарМК.

В связи со спадом производства практически во всех отраслях народного хозяйства России потребление листовой стали и жести с покрытием в 1994 г. уменьшилось по сравнению с 1991 г. на 65%. Значительно сократилось потребление стального листа с антикоррозионными покрытиями в автомобильной промышленности, где используется всего 10% от общего производства металла с покрытием, в то время как в США - более 40%. Зарубежные компании в настоящее время дают гарантию от сквозной коррозии корпуса автомобиля на срок 5-10 лет против 3-6 лет в 1980 г.

По прогнозам автомобилестроителей, в будущем требования к отсутствию коррозии ужесточат: ся до 6-15 лет. Такая перспектива открывается с использованием железоцинковых покрытий типа «Гальванил» толщиной 6-10 мкм. Таким образом, автомобильная промышленность России значительно отстает по объемам и видам листового проката с покрытиями от промышленно развитых стран, что является одним их факторов снижения конкурентоспособности отечественных автомобилей.

Имеется тенденция увеличения потребления листовой стали и жести с покрытиями в тракторном и сельхозмашиностроении на 10-15% в 1997 г. по сравнению с 1996 г; аналогичный прогноз дается потреблению в строительстве, нефте- и газодобывающих отраслях.

В начале 90-х годов в СССР выпускалось около 1,2 млн.т труб с защитными покрытиями, в том числе около 400 тыс.т труб оцинкованных для коммунального и сельского хозяйства, судостроения и других отраслей народного хозяйства. При этом приоритетными потребителями труб с покрытиями является нефтедобывающий комплекс и коммунальное хозяйство. Основными производителями водогазопроводных х труб являются Челябинский ТПЗ и Таганрогский МЗ, однако и здесь имеется тенденция значительного сокращения производства в 1995-96 г.

В нашей стране благодаря усилиям широкого круга исследователей и научно-исследовательских организаций в 80-х годах были разработаны и прошли испытания основные элементы технологии производства стального проката с антикоррозионными покрытиями, в основном, при о