Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ причин замены и способов повышения стойкости воздушных фурм доменных печей 10
1.1. Основные причины замены воздушных фурм 10
1.2. Способы повышения стойкости воздушных фурм по износу 11
1.3. Использование электродуговой металлизации для создания защитного слоя на воздушных фурмах 23
1.4. Цель и задачи исследования 28
ГЛАВА 2. Исследование свойств поверхностного слоя на меди, получаемого путем нанесения и термообработки алюминиевого газотермического покрытия 29
2.1. Подготовка образцов для исследований 29
2.2. Изучение структуры и элементного состава медно-алюминиевого диффузионного слоя 31
2.3. Прочность сцепления алюминиевого покрытия с медной основой 36
2.4. Измерение толщины и твердости диффузионного слоя 37
2.5. Оценка износостойкости диффузионного слоя 42
2.6. Оценка жаростойкости диффузионного слоя 46
2.7. Определение теплопроводности диффузионного слоя 48
2.8. Выводы по главе 51
ГЛАВА 3. Методики расчета толщины диффузионного слоя и тепловых потерь через воздушные фурмы 52
3.1. Методика расчета толщины диффузионного слоя 52
3.2. Решение уравнения теплопроводности 53
3.3. Оценка влияния покрытия на снижение тепловых потерь через воздушные фурмы 59
3.4. Оценка влияния покрытия на снижение расхода кокса по расчету тепловых потерь через температуру охлаждающей воды 61
3.5. Оценка влияния покрытия на снижение расхода кокса по расчету тепловых потерь через температуру горячего дутья 63
3.6. Расчет тепловых потерь через воздушные фурмы и экономии кокса на ДП-5 ОАО «Северсталь» 64
3.7. Выводы по главе 68
ГЛАВА 4. Технология создания защитного слоя на воздушных фурмах с использованием алюминиевого газотермического покрытия 70
4.1. Напыление опытной партии фурм с использованием электродугового метода 70
4.2. Исследование влияния покрытия на стойкость воздушных фурм в условиях печи №5 ОАО «Северсталь» 71
4.3. Разработка технологии создания износостойкого и жаростойкого слоя на поверхности воздушных фурм с использованием алюминиевого покрытия 73
4.4. Исследование тепловых потерь через стенки воздушных фурм 78
4.5. Расчёт ожидаемого экономического эффекта для ДП №5 ОАО «Северсталь» 87
4.6. Выводы по главе 88
Выводы 89
Список использованных источников
- Использование электродуговой металлизации для создания защитного слоя на воздушных фурмах
- Изучение структуры и элементного состава медно-алюминиевого диффузионного слоя
- Оценка влияния покрытия на снижение тепловых потерь через воздушные фурмы
- Исследование влияния покрытия на стойкость воздушных фурм в условиях печи №5 ОАО «Северсталь»
Введение к работе
Воздушные фурмы доменных печей (рисунок 1) являются одним из важнейших элементов конструкции доменной печи, определяющих эффективность ее работы; выход фурм из строя влечет за собой необходимость остановки печи для замены разрушенной фурмы. Простои печи по этой причине приводят к существенному снижению выплавки чугуна и увеличению расхода кокса.
Основными причинами выхода воздушных фурм доменных печей из строя являются износ и прогар рыльной части, трещины по сварке и износ наружного стакана.
Износ наружного стакана является наиболее предсказуемой причиной замены фурм и возникает в зависимости от объема печи и условий ее работы через 3-6 месяцев их эксплуатации. Фурмы, находясь в зоне максимальных температур, подвергаются непрерывному истирающему действию шихтовых материалов, приводящему к их износу.
Износ рыльной части и наружного стакана определяется износостойкостью поверхностного слоя фурмы.
Существующие методы повышения стойкости воздушных фурм по износу не дали существенных результатов. Перспективным методом повышения стойкости является нанесение газотермических покрытий (ГТП). Однако существующие решения не позволяют эффективно решить эту задачу по причине отслоения покрытия. Поэтому создание защитного слоя на поверхности воздушных фурм доменных печей, имеющего высокие эксплуатационные свойства, представляет собой актуальную научную и практическую задачу.
В связи с этим для уменьшения абразивного износа предлагается создание на поверхности медной фурмы жаростойкого, износостойкого слоя путем нанесения на нее газотермического покрытия (ГТП) и последующей его термообработки. В качестве напыляемого материала можно использовать
Рисунок 1 - Воздушная доменная фурма (сварная): 1 - рыльная часть, 2 - наружный стакан, 3 - внутренний стакан, 4 - фланец, 5 - сварные швы, 6 - колено
7 алюминий, а в качестве термообработки - диффузионный отжиг. При диффузионном отжиге происходит диффузия алюминия в медь, что позволяет повысить прочность сцепления между покрытием и основным материалом (адгезия) и получить слой, обладающий стойкостью к высокотемпературному окислению (жаростойкостью) и высокой износостойкостью. Для напыления предлагается использовать метод электродуговой металлизации, а в качестве исходного материала для напыления - алюминиевую проволоку, содержащую не менее 99 % AI.
В процессе выполнения работы получены результаты, научная новизна которых заключается в следующем.
1 .Установлено, что в результате электродуговой металлизации и последующей термообработки газотермического алюминиевого покрытия на поверхности воздушных фурм доменных печей образуется медно-алюминиевый диффузионный слой, обладающий высокими эксплуатационными свойствами.
Установлено, что максимальная толщина диффузионного слоя определяется толщиной наносимого покрытия и превышает ее не более чем на 30%.
Показано, что термообработка медно-алюминиевого диффузионного слоя при отсутствии свободного алюминия на поверхности меди приводит к увеличению его износостойкости за счет снижения содержания хрупкой у2-фазы в эвтектоиде а+уг, составляющем основную часть диффузионного слоя.
Определены значения параметров, пропорциональных коэффициентам диффузии при различных режимах термообработки для системы «медь - алюминиевое газотермическое покрытие».
Разработана методика расчета толщины медно-алюминиевого диффузионного слоя, основанная на использовании экспериментально определенных параметров диффузии.
8 Практическая значимость работы состоит в следующем.
Даны рекомендации по созданию защитного диффузионного слоя на поверхности воздушных фурм, который по сравнению с медью имеет: твердость в 1,5-2,0 раза выше, износостойкость в 3,5-6,0 раз выше, жаростойкость в 4,0 раза выше и теплопроводность в 14 раз ниже.
Показано что стойкость воздушных фурм с медно-алюминиевым диффузионным слоем по износу наружного стакана выше стойкости фурм без покрытия не менее чем на 28%.
Установлено, что воздушные фурмы с медно-алюминиевым диффузионным слоем в течение всего периода эксплуатации обеспечивают снижение тепловых потерь по сравнению с фурмами без покрытия не менее чем на 2%.
4. Разработана технология создания на поверхности воздушных фурм
защитного слоя путем нанесения и последующей термообработки алюминие
вого газотермического покрытия. Технология прошла промышленную про
верку на ОАО "Северсталь".
Данная диссертация является составной частью комплекса научно-исследовательских работ, выполненных в Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) в научно-исследовательской лаборатории процессов пластической деформации и упрочнения и на кафедре машин и агрегатов металлургических предприятий в соответствии с планами хоздоговорных и госбюджетных работ единого заказ-наряда и по конкурсу грантов в области фундаментальных проблем металлургии и машиностроения.
Основные результаты и положения диссертации доложены на 61-ой и 62-ой научных конференциях студентов и аспирантов МИСиС (Москва, 2006-2007 гг.), на третьей конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века» (Москва, 2007г.), объединенном научном семинаре кафедры МАМП и лаборатории ППДиУ МИСиС (Москва, 2006-2007 г.).
9 Основное содержание работы отражено в 6 опубликованных работах.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 97 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 10 таблиц. Библиографический список включает 41 наименование.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность всем сотрудникам МИСиС и специалистам ЧерМК ОАО «Северсталь», принявшим участие в подготовке, проведении и обсуждении совместных исследований.
10 1. Анализ причин замены и способов повышения стойкости
Использование электродуговой металлизации для создания защитного слоя на воздушных фурмах
Электродуговая металлизация является одной из разновидностей газотермического напыления покрытий. Сущность процесса заключается в следующем. Через два канала в аппарате непрерывно подают две проволоки (01,5-3,2 мм), между концами которых возбуждается дуга и происходит расплавление проволоки. Расплавленный металл подхватывается струей сжатого воздуха, истекающего из центрального сопла электрометаллизатора, и в мелко распыленном виде переносится на поверхность основного материала.
Распыление и транспортирование расплавляемого металла осуществляются обычно сжатым воздухом, хотя иногда используют азот. Принципиальная схема электродугового металлизатора показана на рисунке 5.
При дуговом напылении на постоянном токе процесс протекает стабильно, обеспечивая получение слоя покрытия с мелкозернистой структурой при высокой производительности процесса. Поэтому в настоящее время для дугового напыления применяют источники постоянного электрического тока со стабилизатором напряжения или источники со слегка возрастающей характеристикой.
Температура дуги зависит от вида транспортирующего газа, состава электродной проволоки, режимов напыления и других параметров. При использовании металлических электродов и силе тока дуги 280 А достигается температура примерно 3700 ±500 С. Во время дуговой металлизации, протекающей при такой температуре, легче образуются капли напыляемого материала.
Преимущества: высокая производительность процесса; возможность получения псевдосплавов; низкие эксплуатационные расходы.
Недостатки: опасность перегрева и окисления напыляемого материала при высоких скоростях подачи проволоки; значительное выгорание легирующих элементов, входящих в напыляемый сплав.
Технологический процесс нанесения покрытия на изделие методом электродуговой металлизации состоит из трех основных стадий: - подготовка поверхности обрабатываемого изделия; - нанесение покрытия; - обработка нанесенного покрытия.
Подготовка поверхности является важной операцией, обеспечивающей прочность сцепления покрытия и основного металла. Основной задачей является очистка поверхности покрываемых изделий от жировых и других загрязнений, от оксидных пленок и придания ей определенной шероховатости.
Удаление жировых загрязнений производят органическими растворителями или щелочными растворами /15/. Удаление окалины и оксидных пленок осуществляют дробеструйной или дробеметной обработкой, реже - травлением в растворах кислот или местным нагревом/16/. Если шероховатость поверхности изделия после дробеструйной обработки недостаточна для надежного соединения покрытия и основного металла (например, при нанесении толстых (от 400 мкм) покрытий), то дополнительно применяют механическую обработку поверхности: обточку, фрезерование, дробление и т.п. /17/. При электродуговой металлизации необходимо тщательно выдерживать требуемые технологические условия, определяющими из которых являются: расстояние между соплом металлизатора и обрабатываемой поверхностью, мощность и регулировка металлизатора, степень распыления материала, чистота сжатого воздуха, угол распыления, время между нанесением отдельных слоев, температура изделия и напыляемого слоя, перемещение металлизатора. Другие параметры имеют второстепенное значение /18/.
Производительность металлизатора зависит от диаметра проволоки, давления распыляющего газа, силы тока и напыляемого материала. Посредством изменения условий напыления (состав и давление распыляющего газа, расстояние до покрываемой поверхности, предварительный нагрев обрабатываемого изделия и т.п.) можно при одном и том же напыляемом материале получать слои различных твердости, прочности сцепления, усадочного напряжения, структуры, плотности, пористости и различной обрабатываемости /10,18/.
Расстояние от сопла до покрываемой поверхности обычно составляет от 80 до 200 мм. При нанесении относительно толстых покрытий (от 300 мкм) первый слой рекомендуется наносить при минимальном (50-80 мм) расстоянии между соплом и поверхностью, а последующие - при нормальном удалении.
Изучение структуры и элементного состава медно-алюминиевого диффузионного слоя
Структура на образцах после травления, полученная с помощью универсального фотомикроскопа Neophot 21, представлена на рисунке 7 /24/.
Образцы с медно-алюминиевым диффузионным слоем имеют после отжига достаточно ровные и четкие межслойные границы. На шлифах можно выделить три характерные зоны. Первая зона от поверхности представляет собой слой, основу которого составляет у-А120з, имеющий структуру шпинели и обладающий высокими защитными свойствами. Следующая зона представляет собой смесь двух фаз х+у2, которая образуется в результате эв-тектоидного распада 3-фазы при температуре 565С. Третья зона, прилегающая к медной основе, представляет собой а-твёрдый раствор алюминия в меди. При этом наблюдается уменьшение концентрации алюминия в направлении от поверхности покрытия к меди в зоне, содержащей эвтектоид а+у2 т.е. зона обогащается а - фазой и обедняется у2 - фазой.
Элементный состав диффузионного слоя, полученного в результате термообработки алюминиевого покрытия, нанесенного электродуговым способом, исследовали методом дискретного электронно-зондового микроана лиза, выполненного на анализаторе сканирующего электронного микроскопа «Stereoscan» /25/.
В образце-держателе сканирующего микроскопа фиксировали полированные нетравленые образцы с покрытиями и эталоны (химически чистые медь и алюминий). После подготовки микроскопа к работе снимали характеристики (интенсивности спектральных линий) эталонов. В процессе исследования образцы перемещали относительно электронной пушки в направлении, перпендикулярном границе покрытие-основа, с шагом 10-20 мкм, до тех пор, пока интенсивность спектральной линии, соответствующей легирующему элементу, не снижалась до нуля (т.е. до «входа» в медную основу). Сравнивая значения интенсивности спектральных линий легирующих элементов в образцах с эталонными значениями, для каждой точки рассчитывали содержание меди и алюминия. На рисунке 8 показан вид концентрационных кривых распределения алюминия по глубине диффузионного слоя, полученного в результате термообработки образцов при температуре 700С в течение 4 ч.
На концентрационных кривых хорошо различимы участки, соответствующие слоям разных фаз, в том числе и слою «-твердого раствора, нечетко выявляемого в процессе металлографических исследований (из-за малого отличия в травимости от основного металла).
По результатам, полученным на анализаторе микроскопа «Stereoscan» можно сказать, что содержание алюминия в диффузионном слое не превышает 20 %.
Идентификацию фазового состава медно-алюминиевого диффузионного слоя проводили на основе его элементного состава (рисунок 8) и диаграммы состояния медь-алюминий (рисунок 9).
Известно, что с увеличением содержания алюминия прочностные свойства диффузионного слоя повышаются /26/. Сплавы с а-структурой пластичны как при высоких, так и при низких температурах, но их прочность не велика. Фаза уг имеет высокую твёрдость и низкую пластичность, поэтому, когда в структуре сплавов появляется 2-фаза, прочность резко возрастает, а пластичность начинает падать.
Прочность сцепления алюминиевого покрытия с медной основой определяли с помощью устройства, представленного на рисунке 10. В корпусе устройства 1 с помощью зажимов 5 и зажимных винтов 8 фиксируется образец 6. Направляющая пластина 2 с резцедержателем 3 и резцом 4 вставляется в корпус установки 1 в паз, выполненный в форме «ласточкиного хвоста», и опускается вниз до совмещения резца 4 с образцом 6. Если необходимо, то производится дополнительная регулировка положения образца 6 регулировочным винтом 7 при поднятом резце 4 и ослабленных зажимных винтах 8. Нагружение образца осуществляли с помощью ручного пресса ГП - 50. Прочность сцепления покрытия и основы определяли по формуле: л- F" где стсц - прочность сцепления на сдвиг, МПа; Fn - усилие отделения покрытия от основы, Н; Sn - площадь нанесения покрытия, мм .
Оценка влияния покрытия на снижение тепловых потерь через воздушные фурмы
Созданный на поверхности воздушных фурм медно-алюминиевый диффузионный слой, обладающий высокими жаростойкостью и износостойкостью, а также низкой теплопроводностью, обеспечивает не только повышение их стойкости, но и способствует снижению через них тепловых потерь.
Ниже дана оценка влияния покрытия на снижение тепловых потерь через воздушные фурмы /12/. Были проведены расчеты тепловых потерь для фурмы без покрытия и фурмы с покрытием. 1. Фурма без обработки (серийная): q = K-(trB), ккал/(м2-ч), (10) где К - коэффициент теплопередачи тепла, ккал/(м -ч- С); tr - околофурменная температура в горне, С; tB - температура воды в фурме, С. К=-—-Ї , ккал/(м2-ч-С), (11) 1 "Си где ах - коэффициент теплоотдачи стенке фурмы от газов горна (горячего дутья), ккал/(м -ч- С); hCu - толщина стенки фурмы (hCu и, hcu в - толщина наружного и внутреннего стаканов, соответственно), мм; ХСи - коэффициент теплопроводности красной меди, ккал/(м-ч-С); а2 - коэффициент теплоотдачи от стенки фурмы к воде, ккал/(м -ч- С).
Принимаем tr=1600C; tB = 30С; а,= 400 ккал/(м2-ч-С); hCu н= 8,0 мм; hCu в= 6,0 мм; ЛСи= 300 ккал/(м-ч-С); а2= 5000 ккал/(м2-ч-С). а) Вода, охлаждающая тело фурмы, забирает от газов печи тепла (наружная поверхность фурмы): по формуле (11) Ki =-: 7- = = 366,76 ккал/(м2-ч-С). _L + Mi + _L 0,0025 + 0,0000266 + 0,0002 v 400 300 5000 По формуле (10) q„ = 366,76(1600-30) = 575813,2 ккал/(м2-ч).
Наружная поверхность (площадь) фурмы (SH, М ) состоит из площади наружного стакана фурмы и торцевой площади передней рыльной части фурмы: 0,290 0,409 = 2-3,14. 2 + 2 ,0,460 + 0,407 0290 2 0150 2 2 2 2 2 = 2-3,14-,145 + 0,2045-0,4335 + 3,14 (0,021025-0,005625) = 0,476 + 0,048 = 0,52 м2, где RIH - радиус рыльной части фурмы у торцевой поверхности, м &2н - радиус наружного стакана у фланца, м RIB - радиус дутьевого канала у торцевой поверхности, м Нср - средняя высота фурмы без фланца, м. QH = Ян SH = 575813,2-0,52=299423 ккал/ч.
б) Вода, охлаждающая тело фурмы, забирает от горячего (1000С) дутья тепло (внутренний стакан фурмы): по формуле (11)
Кг =-; jraL г- = " = 367 65 ккал/(м2-ч-С). 1 { 0,006 1 0,0025 + 0,00002 + 0,0002 v J 400 300 5000 По формуле (10) qBH = 367,65(1000-30) = 356620,5 ккал/(м2-ч). Поверхность (площадь) внутреннего стакана: 0,150 0,219 ХВ+ 2В Н _2 311 2 2 0-460 + 0 407 2 СР 2 2 + SBH = 2л 1й 2В НСР = 2 3,14 1 Л 1 I = 0,25 м", где R2B - радиус дутьевого канала у фланца, м. QBH = ЯВН-SBH = 356620,5-0,25 = 89155,1 ккал/ч. Общие тепловые потери на серийной фурме: QOBI4 = QH + QBH = 299423+89155=388578 ккал/ч.
2. Фурма с алюминиевым покрытием наружного стакана и рыльной части толщиной hn= 1,0 мм с коэффициентом теплопроводности Лп= 18 ккал/(м Ч-С) (см. главу 2). Тогда коэффициент теплопередачи от печи Кп будет равен: к 1 1 1 =359,44 1 0,008 0 001 _J_ 0,0025 + 0,0000266 + 0,0000555 + 0,0002 400 300 18 5000 ккал/(м2-ч-С). Следовательно, алюминиевое покрытие толщиной 1,0 мм дает снижение тепловых потерь на величину
Исследование влияния покрытия на стойкость воздушных фурм в условиях печи №5 ОАО «Северсталь»
Технологический процесс начинается с подготовки поверхности обрабатываемого изделия, сводящийся к удалению адсорбированных слоев и приданию поверхности требуемой шероховатости. В нашем случае для придания необходимой шероховатости достаточно провести дробеструйную обработку. В ряде случаев для удаления загрязнений с обрабатываемой поверхности необходимо ввести дополнительные операции - промывку в специальных растворах, травление.
Параллельно этой стадии должна идти подготовка напыляемого материала. Проволока должна быть промыта, должен быть удален окисленный слой, возможно потребуется дополнительный ее отжиг. На рисунке 19 приведена технологическая схема нанесения покрытия на фурмы.
Для нанесения покрытия предназначены электродуговые металлиза торы. Применение этого оборудования (метода нанесения покрытий) обеспечит низкую себестоимость изделия, высокую производительность и достаточно хорошую прочность сцепления покрытия с материалом основы.
Для повышения прочности сцепления и образования диффузионных слоев между покрытием и основой необходимо провести диффузионный отжиг. В зависимости от требований к создаваемому диффузионному слою и технологических возможностей конкретного производства отжиг может проводиться в различных условиях: окислительной, восстановительной или нейтральной средах. В случае с покрытием из алюминия толщиной не менее 0,2-0,3 мм диффузионный отжиг можно проводить при температуре до 800 С, выдержке при этой температуре до 4 ч, с последующем охлаждением на воздухе. После проведения термической обработки в окислительной атмосфере поверхность изделия необходимо очистить от образовавшейся окалины.
Далее к фурмам с покрытием приваривают фланец, опрессовывают их при давлении 1,2 МПа в течение 5 мин, после чего они готовы к работе.
Ниже приведен проект технологической инструкции по созданию защитного поверхностного слоя на воздушных фурмах доменных печей.
1. Общие положения
1.1. Назначение инструкции - последовательное изложение способа создания защитного поверхностного слоя на воздушных фурмах доменных печей с целью повышения их жаростойкости, износостойкости и антикоррозионных свойств путём нанесения алюминиевого покрытия методом электродуговой металлизации и его последующей термообработки.
1.2. Ответственность за соблюдение технологии при нанесении алюминиевого покрытия методом электродуговой металлизации возлагается на газоэлектросварщиков, а при его последующей термообработке на термистов.
1.3. Настоящая технологическая инструкция является руководящим материалом для рабочих, мастеров и работников ОТК.
При нанесении защитного покрытия и последующей его термообработке используют фурму без приваренного к ней фланца. 2. Подготовка фурмы под напыление. 2.1. Установить и закрепить фурму без приваренного фланца на имеющееся приспособление. 2.2. Загрузить фурму с приспособлением в дробеструйную камеру. 2.3. Произвести дробеструйную обработку колотой (ДСК или ДЧК) дробью фракцией до 1,5мм с целью подготовки поверхности фурмы под напыление, для повышения прочности сцепления напыляемого покрытия с поверхностью фурмы. Должна получиться однородная шероховатая матовая поверхность без каких либо загрязнений. В случае обнаружения загрязнений необходимо повторно провести обработку такой поверхности.
3. Материалы напыления.
3.1. В качестве напыляемого материала используется алюминиевая проволока марки АД1, АМц в твердом состоянии.
3.2. В качестве рабочих газов используется сухой сжатый воздух с давлением 0,5-0,6 МПа. 4. Напыление. 4.1. Напыление необходимо проводить не позднее, чем через 2 часа после окончания дробеструйной обработки. 4.2. Фурму вместе с приспособлением после дробеструйной обработки устанавливают на вращатель, закрепляют. 4.3. Напылению подлежит вся рыльная часть и наружная обечайка за исключением околошовной зоны шва фланец - наружная обечайка шириной 10-40мм.
Похожие диссертации на Повышение износостойкости воздушных фурм доменных печей путем создания защитного алюминиевого газотермического покрытия
