Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы и выбор направления исследований 10
1.1. Технология непрерывной разливки стали 10
1.2. Методы повышения эксплуатационной стойкости кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовокиз стали 13
1.3. Характеристика основных способов нанесения металлических покрытий 19
1.4. Технология и оборудование для нанесения покрытий методом электродуговой металлизации 21
1.5. Постановка цели и задач исследования 26
ГЛАВА 2. Совершенствование математической модели и исследование тепловой работы кристаллизатора 29
2.1. Постановка задачи 29
2.2. Математическая модель тепловой работы кристаллизатора 30
2.3. Алгоритм решения уравнений теплопроводности 33
2.4. Исследование тепловой работы стенок кристаллизатора 39
2.5. Выводы по главе 43
ГЛАВА 3. Исследование процесса нанесения покрытий методом электродуговой металлизации 44
3.1. Основные требования, предъявляемые к материалам электродуговых покрытий 44
3.2. Исследование зависимости толщины и разнотолщинности покрытия от режимов напыления 45
3.3. Повышение износостойкости электродуговых покрытий из сталей 49
3.4. Исследование износостойкости электродугового покрытия из медно-никелевого сплава 54
3.5. Повышения износостойкости алюминиевого покрытия поверхностным деформированием 55
3.6. Оценка напряжений среза и коэффициента трения электродуговых покрытий 58
3.7 Выводы по главе 62
ГЛАВА 4. Применение электродуговых покрытий для уменьшения зазоров между стенками толстостенных кристаллизаторов 63
4.1. Анализ причин появления зазоров между стенками кристаллизатора и способов их уменьшения 63
4.2. Технология уменьшения зазоров между стенками кристаллизатора в условиях ОАО «ОЭМК» 68
4.3. Технология уменьшения зазоров между стенками кристаллизатора в условиях ОАО «НЛМК» 72
4.4. Технология уменьшения зазоров между стенками кристаллизатора в условиях ОАО «Северсталь» 76
4.5. Выводы по главе 83
ГЛАВА 5. Ремонт рабочих поверхностей толстостенных кристаллизаторов путем нанесения электродуговых покрытий 84
5.1. Анализ влияния технологических факторов на образование износа рабочей поверхности и способов его уменьшения 84
5.2. Восстановление рабочей поверхности узких стенок кристаллизатора в условиях ОАО «НЛМК» 94
5.2.1. Нанесение электродугового покрытия на рабочие поверхности стенок кристаллизаторов после их разборки 94
5.2.2. Нанесение электродугового покрытия на рабочие поверхности стенок кристаллизаторов без их разборки 95
5.3. Уменьшение износа рабочей поверхности узких стенок кристаллизатора в условиях ОАО «Северсталь» 99
5.4. Оценка эффективности восстановления кристаллизатора 103
5.5. Выводы по главе 106
Основные результаты и выводы 107
Литература 109
Приложения 118
- Технология и оборудование для нанесения покрытий методом электродуговой металлизации
- Алгоритм решения уравнений теплопроводности
- Повышения износостойкости алюминиевого покрытия поверхностным деформированием
- Технология уменьшения зазоров между стенками кристаллизатора в условиях ОАО «ОЭМК»
Введение к работе
Актуальность темы. Для приближения стойкости кристаллизаторов к зарубежным аналогам в последние годы на отечественных металлургических заводах ведутся работы по реконструкции действующих МНЛЗ. Реконструкция предусматривает замену толстостенных кристаллизаторов со сверлеными каналами и петлевой системой охлаждения стенок на тонкостенные щелевые с прямоточной системой охлаждения. В то же время на некоторых заводах часть МНЛЗ продолжает эксплуатироваться с толстостенными кристаллизаторами. При этом основные причины снятия кристаллизаторов с МНЛЗ остаются прежними: образование и увеличение зазора в углах между узкими и широкими стенками до значений более 0,2 мм в верхней части кристаллизатора; износ нижней части узких стенок на величину до 2,7 мм.
Образование зазора между стенками вызвано усадкой меди из–за неравномерности распределения температуры по толщине стенок.
Традиционным способом борьбы с зазором, вызванным усадкой меди, и износом является изготовление стенок с более высокими механическими свойствами в диапазоне температур их эксплуатации (300–350 оС). Для этого вместо меди М1 используют сплавы БрХ1Цр, МН2,5КоКрХ и МС.
Для борьбы с зазором между боковыми продольными гранями узких стенок и поверхностью широких стенок устанавливают плоские продольные вставки из меди или нержавеющей стали, выполненные со скошенным торцом, выступающим в сторону рабочей полости кристаллизатора. Металл вставок со стороны рабочей полости используют для устранения образующегося зазора, который может раскрыться в процессе эксплуатации кристаллизатора.
Так же в стыки между рабочими стенками кристаллизатора подают обмазку, состоящую из фосфата алюминия, глинозема и шлакообразующей смеси. Однако из–за усадки меди величина зазора продолжает увеличиваться, что может привести к выпадению обмазки из стыка между стенками и затеканию в него жидкого металла.
Устранение зазора проводят и путем фрезерования боковой продольной грани узкой стенки. Однако, если при изготовлении и ремонте узких стенок имеет место отклонение ширины от номинальных размеров и нарушение прямоугольности между гранями, приводящее к превышению предельно допустимого зазора между стенками при сборке кристаллизатора, то такие дефекты не устраняются указанными выше способами.
В процессе эксплуатации кристаллизатора наблюдается изнашивание рабочей поверхности стенок, начинающееся приблизительно от середины их длины и усиливающееся по направлению движения металла в результате трения закристаллизовавшегося металла о стенки. Для увеличения стойкости рабочей поверхности кристаллизаторов в России и за рубежом применяют в основном никелевые гальванические покрытия. Покрытия наносят на всю рабочую поверхность стенок в начале их эксплуатации, а во время ремонта покрытия приходится полностью удалять, хотя износ носит локальный характер. Кроме того, нанесение таких покрытий нашло применение только на тонкостенных щелевых кристаллизаторах с прямоточной системой охлаждения. Поэтому разработка технологий уменьшения зазоров между стенками и компенсация износа рабочей поверхности узких стенок толстостенных кристаллизаторов путем нанесения покрытий методом электродуговой металлизации представляет собой актуальную научную и практическую задачу.
Цель работы – повышение эксплуатационной стойкости толстостенных кристаллизаторов машин непрерывного литья стальных заготовок путем нанесения локальных покрытий методом электродуговой металлизации.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.
Анализ причин появления зазоров между стенками кристаллизатора и обоснование выбора материалов электродуговых покрытий.
Совершенствование и исследование математической модели тепловой работы стенок кристаллизатора с электродуговыми покрытиями.
Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств электродуговых покрытий, требуемых для ремонта кристаллизаторов.
Оценка эффективности применения электродуговых покрытий для уменьшения величины зазоров между стенками кристаллизаторов во время плановых и профилактических ремонтов.
Разработка промышленных технологий электродуговой металлизации, обеспечивающих повышение износостойкости рабочей поверхности узких стенок кристаллизаторов.
Научная новизна.
Выполнимым анализом дефектов узких стенок толстостенных кристаллизаторов установлено, что в верхней части кристаллизатора в углах между стенками возникает зазор до величины более 0,2 мм, а наибольший износ рабочей поверхности до значений 2,7 мм происходит в нижней части кристаллизатора.
Электродуговая металлизация при диаметре распыляемых частиц 0,05–0,07 мм и перекрытии полос напыления не менее 1/3 и 1/2 ширины полосы при напряжении 30–32 В и силе тока 110–120 А позволяет восстановить профиль узких стенок до допустимых значений при сборке кристаллизаторов.
Сформулированы требования к покрытиям, предназначенным для нанесения на боковую продольную грань узких стенок и между стенками кристаллизатора для устранения зазора: в первом случае покрытие должно иметь прочность сцепления между частицами меньше, чем прочность сцепления с медной основой, а во втором случае обладать более высокой жаростойкостью, чем материал стенки.
Разработаны рекомендации по выбору материалов покрытия, нанесенных методом электродуговой металлизации, применяемых для уменьшения зазора между стенками и износа рабочей поверхности узких стенок: для уменьшения зазора целесообразно использовать алюминий АД1 или медно-никелевый сплав МНЖКТ; для уменьшения износа - Х18Н10Т, 40Х13, а также МНЖКТ с подслоем из никеля НП2.
Усовершенствована математическая модель тепловой работы стенок кристаллизатора с нанесенными электродуговыми покрытиями за счет введения граничных условий, описывающих передачу тепла от стального слитка к покрытию и от покрытия к медной стенке.
Установлено, что нанесение покрытий методом электродуговой металлизации на рабочую поверхность узких стенок в углы нижней части кристаллизатора увеличивает теплоотвод от слитка, что уменьшает вероятность образования прорыва металла, а также приводит к более равномерному распределению температуры по длине слитка и стенки, что уменьшает вероятность появления трещин в разливаемом металле.
Практическая значимость.
Показана эффективность применения метода электродуговой металлизации при проведении планового и профилактического ремонтов толстостенных кристаллизаторов МНЛЗ.
Разработаны технологии уменьшения зазоров между стенками и износа рабочей поверхности узких стенок толстостенных кристаллизаторов с их разборкой и без разборки.
Даны рекомендации по выбору подслоя и рабочего слоя электродуговых покрытий для уменьшения износа рабочей поверхности узких стенок кристаллизатора; при этом возможно нанесение как однослойного, так и двухслойного покрытий.
Реализация результатов работы. Технологии уменьшения зазоров между стенками и износа рабочей поверхности узких стенок толстостенных кристаллизаторов прошли опытно-промышленную проверку на металлургических комбинатах ОАО «ОЭМК», ОАО «НЛМК», ОАО «Северсталь», что дало повышение их стойкости на 25–30 %.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена соблюдением соответствующих современных методик при проведении экспериментов и проверкой усовершенствованной математической модели на адекватность.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на 8–ой международной конференции «Покрытия и обработка поверхности» (Москва, 2011г.); международной, межвузовской и институтской научно–технической конференции «66е дни науки студентов МИСиС» (Москва, НИТУ «МИСиС», 2011г.); 45–ой научно–технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века – будущее Российской науки» (Электросталь, ЭПИ НИТУ «МИСиС», 2011г.); межрегиональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Наука и производство Урала 2011» (Новотроицк, НФ НИТУ «МИСиС», 2011г.); 7-ой региональной научно–практической конференции студентов и аспирантов, посвященной году российской космонавтики (Старый Оскол, СТИ НИТУ «МИСиС», 2011г.); объединенном научном семинаре кафедр ИТО и ТОТП НИТУ «МИСиС» (Москва, 2011г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 опубликованных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Она изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков и 19 таблиц. Библиографический список включает 109 наименований.
Технология и оборудование для нанесения покрытий методом электродуговой металлизации
На металлургических комбинатах России для приближения стойкости кристаллизаторов к зарубежным аналогам реконструкция действующих МНЛЗ предусматривает замену толстостенных кристаллизаторов со сверлеными каналами и петлевой системой охлаждения стенок на тонкостенные щелевые с прямоточной системой охлаждения. В то же время на некоторых заводах часть МНЛЗ продолжает эксплуатироваться с толстостенными кристаллизаторами. При этом основные причины снятия кристаллизаторов с МНЛЗ остаются прежними: образование и увеличение зазора в углах между узкими и широкими стенками до значений более 0,2 мм в верхней части кристаллизатора; износ нижней части узких стенок на величину до 2,7 мм.
Все используемые в настоящее время мероприятия по уменьшению зазора и износа толстостенных кристаллизаторов приводят к снижению срока службььза весь период работы кристаллизатора.
Чтобы уменьшить скорость образования зазоров между стенками, узкие стенки изготавливают из медных сплавов с более высокими температурой рекристаллизации и прочностными- свойствами в диапазоне температур их эксплуатации 300-350 С. Кроме того, при изготовлении- и ремонте узких стенок возможны отклонение ширины от номинальных размеров и нарушение прямоугольности между гранями, что приводит к превышению предельно допустимого зазора между стенками при сборке кристаллизатора. Такие дефекты не устраняются традиционными,способами.
Для увеличения, стойкости рабочей поверхности кристаллизаторов? в России и за рубежом применяют в основном никелевые гальванические покрытия. Покрытия наносят на всю рабочую поверхность стенок в начале их эксплуатации, а во время ремонта покрытия приходится полностью удалять, хотя износ носит локальный характер. Кроме того, нанесение таких покрытий нашло применение только на тонкостенных щелевых кристаллизаторах с прямоточной системой охлаждения. Поэтому разработка технологий уменьшения величины зазоров между стенками до предельно- допустимой при сборке кристаллизатора и компенсация износа рабочей поверхности узких стенок толстостенного кристаллизатора путем нанесения покрытий методом электродуговой металлизации представляет собой актуальную научную и практическую задачу. Целью работы является повышение эксплуатационной стойкости-толстостенных кристаллизаторов машин непрерывного литья стальных заготовок путем нанесения локальных покрытий методом электродуговой металлизации. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи. Анализ причин появления зазоров между стенками кристаллизатора и обоснование выбора материалов электродуговых покрытий. Совершенствование и исследование математической модели тепловой работы стенок кристаллизатора с электродуговыми покрытиями. Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств электродуговых покрытий, требуемых для ремонта кристаллизаторов. Оценка эффективности применения электродуговых покрытий для уменьшения величины зазоров между стенками кристаллизаторов во время плановых и профилактических ремонтов. Разработка промышленных технологий электродуговой металлизации, обеспечивающих повышение износостойкости рабочей поверхности узких стенок кристаллизаторов. Информация о распределении температурных полей по толщине и ширине стенок кристаллизатора и разливаемого металла имеет важное значение для прогнозирования качества непрерывнолитого металла и оценки эксплуатационной стойкости кристаллизаторов /61,62/. Рассматривается тепловое состояние кристаллизатора, представляющего собой вертикально расположенный канал прямоугольного сечения, внутри которого протекает жидкий металл /63/. Стенки канала, толщиной Н, имеют водяную рубашку охлаждения, при этом расход и температура охлаждающей воды известны. Жидкий металл по мере движения по каналу остывает. В верхней части канала (на расстоянии 100 мм от края) задан коэффициент теплообмена между жидким металлом и стенкой, далее между стенкой и металлом возникает прослойка, величина которой увеличивается пропорционально износу стенки. В математической модели тепловой работы кристаллизатора приняты следующие допущения. Теплообменом вдоль направления течения жидкого металла будем пренебрегать, поэтому процесс нагрева (остывания) можно рассматривать как двумерный. Будем также считать, что скорость движения жидкого металла во всей длине канала постоянна и задана, т.е. пренебрегаем подводом дополнительной массы металла за счет его остывания и усадки. Таким образом, трехмерная область заменяется плоскостью, которая перемещается со скоростью движения жидкого металла. Так как исследуемая область имеет две плоскости симметрии, то рассматривается только одна четвертая ее часть. Внешняя часть стенки кристаллизатора, прилегающая к каркасу, включая каналы охлаждения, заменяется поверхностями с рассчитываемыми коэффициентами теплообмена. Теплообмен с внешней средой не учитывается. Тепловой эффект фазового перехода металла учитывается через эффективную теплоемкость. Теплофизические свойства материалов считаются изотропными и зависящими от температуры. Рассматриваемая область состоит из нескольких слоев (медь, шлак, воздух, покрытие, разливаемый металл, находящийся в различных фазовых состояниях), теплофизические характеристики которых во всей расчетной области зависят от координат и являются кусочно-непрерывными функциями температуры и координаты. При расчете теплообмена между разливаемым металлом и медной стенкой рассматривали следующие случаи: - полный контакт между металлом и стенкой; - между металлом и стенкой существует воздушная прослойка; - прослойка заполнена шлаком; - прослойка заполнена покрытием. Разрыв значений характеристик происходит на границах слоев. Область определения теплофизических характеристик по температуре принята от 273 до 2000 К.
Алгоритм решения уравнений теплопроводности
В настоящее время в металлургическом производстве наблюдается потребность в оборудовании и инструментах, поверхность которых обладает повышенной твердостью, коррозионной и износостойкостью. В качестве материалов, обеспечивающих такие свойства, могут быть использованы стальные электродуговые покрытия, с помощью которых можно восстанавливать изношенные детали /80/. Причем, варьируя материал покрытия и (или) виды его обработки, можно получить именно те свойства поверхности детали или инструмента, которые наилучшим образом будут удовлетворять условиям работы этой детали или инструмента. В работе /81/ было исследовано влияние химического состава распыляемых проволок, способов напыления и свойств абразивной среды на износостойкость металлизационных стальных покрытий.
Было изучено влияние механико-термической обработки и пропитки маслом на антифрикционные свойства и износостойкость покрытий из трех марок сталей /73 /.
Эксперимент проводили на лабораторной установке, принцип действия которой заключался в следующем. На торец вращающегося цилиндра наклеивали образец со стальным покрытием. В ходе испытания вращающийся цилиндр и, соответственно, образец прижимались к торцу неподвижного контртела, который удерживался от вращения с помощью оттарированной пружины с маятником, по отклонению которого определяли действующий крутящий момент, а через него и коэффициент трения. Неподвижный цилиндр был выполнен из закаленной стали Диапазон изменения скорости вращения подвижного цилиндра (350 - 600) об/мин и усилие его осевого прижима - 80 Н обеспечивали стабильную работу стенда.
Были испытаны покрытия из сталей 08Г2С, Х18Н10Т и 40X13. Покрытия толщиной 300 мкм наносили на пластину толщиной 2,0 мм. Критериями оценки износостойкости служили интенсивность износа ( Q ) и коэффициент трения (ju ), который вычисляли по соотношению: Образцы из стали с покрытием были обработаны по различным режимам: 1. прокатка с обжатием около 5 %; 2. пропитка моторным маслом при температуре (120 ±10) С; 3. постоянная подача масла; 4. прокатка и постоянная подача масла; 5. отжиг в вакууме при температуре (450 ± 20) С и пропитка. Было установлено, что прокатка с обжатием около 5 % обеспечивает деформацию покрытия без деформации основы, пропитка маслом при температуре (120 ± 10) С является оптимальной с точки зрения масловпитываемо-сти материалов покрытия, а отжиг в вакууме при температуре (450 ± 20) С обеспечивает отсутствие образования оксидов. При этом происходит дегазация покрытия с дополнительным образованием открытых пор, способствующих повышению масловпитываемости покрытия. В результате исследования антифрикционных свойств стальных покрытий было установлено, что наибольшая интенсивность износа отмечена у стали 08Г2С, а наименьшая - у стали 40X13 (рисунок 9). Аналогичная-зависимость сохраняется и после обработки" покрытий. Коэффициент трения для покрытия из стали 08Г2С равен 0,3 — 0,4, а дляста-лей 40X13 и Х18Н10Т - 0,15 - 0,25. В результате обработки покрытий отмечено снижение коэффициента трения до 0,11 - 0,13 для всех марок сталей. Обработка, покрытий оказывает следующее влияние на коэффициент трения. Наименьшие, значения коэффициента трения 0,11 - 0,13 отмечены в результате обработок 3-5, а в результате прокатки он становится выше, чем у покрытий без обработки. Это явление можно объяснить тем, что в процессе прокатки происходит увеличение поверхности трения и срыв оксидных пленок на покрытии. При это на поверхности возникают межатомные силовые связи, оказывающие заметное сопротивление перемещению элементов-трущейся пары. Это приводит к увеличению коэффициента трения. Полученные результаты подтверждаются данными работы /82/. Установлено, что в результате отжига (режим 5) происходит, увеличение масловпитываемости по сравнению покрытия без отжига (режим 2) для стали 08Г2С с 3,7 до 4,2 мг/см2, для стали Х18Н10Т - с 3,5 до 4,0 мг/см2, для стали 40X13 - с 3,1 до 3,8 мг/см , а, тем самым, и уменьшение коэффициента трения.Что касается интенсивности износа, то минимальные значения отмечены в результате обработки 3. Далее интенсивность износа увеличивается в результате обработки в следующем порядке: 4, 5, 2, 1, т.е. Q в случае 1 больше, чем Q в случае без Это связано с тем, что в процессе прокатки происходит упрочнение за счет деформации выступов покрытия, приводящее к снижению когезии покрытия и повышенному износу /83/. Упрочнение покрытия подтверждается результатами измерения микротвердости покрытия (Нм) до и после прокатки. Так, для стали 08Г2С Нц увеличивается от 4650 до 5331 МПа, для стали 40X13 - с 6170 до 7415,7 МПа, а для стали Х18Н10Т она несколько снижается - от 4450 до 4295,5 МПа. Пропитка прокатанного покрытия не имеет смысла, т.к. в результате прокатки наблюдается заметное снижение пористости покрытия (П) для стали 08Г2С от 15 % до 6,88 %, для стали Х18Н10Т - от 13,3 % до 8,6 %, а для стали 40X13 - от 11,3 % до 4,52 %. В целом напыление стальных покрытий может решить задачу повышения твердости поверхности оборудования и инструментов, о чем свидетельствуют результаты измерений микротвердости проволоки, предназначенной для напыления, и покрытий до и после прокатки. Так, для стали 08Г2С Нц увеличивается с 3190 МПа (для проволоки) до 4650 МПа (для покрытия), для стали 40X13 - с 4060 до 6170 МПа. Для стали Х18Н10Т Н„ составляет и для проволоки и для покрытия (4450 - 4470) МПа. Однако невысокая твердость этой стали компенсируется ее повышенными антикоррозионными свойствами. Все приведенные выше результаты исследований свидетельствуют о повышении износостойкости покрытий при их пропитке маслом. Таким образом, в результате повышения износостойкости покрытий было установлено следующее. 1. Самое износостойкое из рассматриваемых покрытий - 40X13. Минимальная интенсивность износа всех покрытий достигается в результате постоянной подачи масла на напыленные покрытия. 2. Прокатка увеличивает интенсивность износа из—за нарушения связей между частицами покрытия. 3. Коэффициент трения для покрытия из стали 08Г2С равен 0,3 - 0,4, а для сталей 40X13 и Х18Н10Т - 0,15 - 0,25. 4. Минимальные значения коэффициента трения достигаются на следующих режимах: постоянная подача масла, прокатка и постоянная подача масла, отжиг и пропитка.
Повышения износостойкости алюминиевого покрытия поверхностным деформированием
Положение болта фиксировалось наличием резьбы в устройстве. Для предотвращения врезания болта в скребок использовали медную пластину. Болт закручивали динамометрическим ключом, фиксирующим момент (М).
Зная момент, определяли усилие ( Р ), с которым болт давит на покрытие из соотношения: М = 0,2-С1Б-Р, где Р - усилие, СІБ - диаметр болта /87/. По усилию определяли давление: Р = p-F, F - площадь покрытия, на которую распространяется давление р. В процессе испытания скребок, перемещаясь относительно пластины, в начале поджимает покрытие, а затем начинает срезать его. Пластина остается неподвижной относительно устройства, т.к. болт заходит в имеющееся на-ней отверстие. Сдвиг и последующий срез покрытия фиксировались на диаграмме Р = f(Sc), где Р - усилие среза, Sc - перемещение скребка. Поскольку скребок скользит относительно пластины и по покрытию, необходимо из суммарного усилия, зафиксированного на диаграмме, вычесть составляющую на трение. Составляющая на трение определялась по результатам дополнительно проведенных экспериментальных исследований, в которых скребок скользил по уплотненному покрытию. Вычитая из общего усилия величину усилия, идущего на преодоление трения, определяли составляющую усилия, приходящуюся на срез. Разделив усилие среза на площадь контакта покрытия и подложки, соответствующую началу движения покрытия, получали предельную величину напряжения сдвига на границе раздела покрытия и основы, приводящую к отслоению покрытия. Значения напряжения среза для указанных выше покрытий при М=20 Н-м, соответствующему р=181,8 МПа представлены на рисунке 15.
Для покрытий Al+Cu+Al, Cu+Ст отмечены более высокие значения То, чем для покрытия А1+Ст+А1, т.к. в результате взаимодействия А1 и стали произошло снижение адгезии покрытия. С помощью устройства (рисунок 14), предназначенного для определения напряжений сдвига на границе раздела покрытия и основы, можно определить коэффициент трения скольжения между скребком и покрытием. Однако при движении скребка по уплотненному покрытию возникают силы трения как между скребком и покрытием, так и между скребком и пластиной. Чтобы учесть составляющую трения между скребком и пластиной, были проведены дополнительные экспериментальные исследования, в которых скребок скользил по заготовке без покрытия. При этом считалось, что в этом случае условия трения между скребком и заготовкой, а также между скребком и пластиной одинаковы. В этом случае коэффициент трения между скребком и заготовкой по закону Кулона /88/: р цОІО = —— , где Pi - усилие, при котором начинается движение скреб ка; Р - усилие прижима скребка. Усилие, необходимое для преодоления сил трения между скребком и пластиной, равно Р2 = j-io/o-P, т.е. половине Рь Для определения коэффициента трения между скребком и покрытием, нанесенным на заготовку, нужно из усилия, при котором начинается движение скребка по покрытию (Р3) вычесть усилие, необходимое для преодоления сил трения между скребком и пластиной, равное Р2: Р4=Рз-Р2 и полученное значение разделить на усилие прижима скребка: ji0/n=P4/P. Изменяя усилие прижима скребка, получили ряд экспериментальных значений ц0/п (рисунок 16). В результате математической обработки экспериментальных данных получили зависимости цо/п от среднего давления (рисунок 16). Следует отметить, что изготовленное устройство является универсальным, т.к. позволяет определить как т0ср, так и р,0яъ Описанная выше методика определения р. отличается от известных методов /88, 89/ простотой, возможностью определения ц в лабораторных условиях и не требует специального оборудования. Поскольку кривые ц0/п стремятся в пределе к горизонтальным асимптотам, то их можно распространить и на область более высоких давлений. Полученные значения коэффициента трения между напыленными на рабочую поверхность стенок кристаллизатора покрытиями и корочкой разливаемого металла характеризуют вероятность прорыва металла в процессе непрерывной разливки стали. 1. Установлено, что для уменьшения зазора между стенками кристаллизатора путем нанесения электродуговых покрытий на боковую продольную грань необходимо использовать покрытия, у которых прочность сцепления между частицами меньше, чем прочность сцепления с медной основой. При уменьшении зазора путем нанесения покрытий в стык между стенками покрытие должно обладать жаростойкостью выше, чем материал основы. В качестве материалов, удовлетворяющих этим требованиям, в первом случае использовали алюминий АД1 и медно-никелевый сплав МНЖКТ, а во втором -МНЖКТ. 2. Установлено, что при нанесении электродуговых покрытий на боковую продольную грань узкой стенки кристаллизатора в виде параллельных полос сборка кристаллизаторов с допустимой величиной зазора не более 0,15 и 0,09 мм возможна при перекрытии полос напыления не менее 1/3 и 1/2 ширины полосы, соответственно. 3. Показано, что наиболее высокой износостойкостью, необходимой при напылении рабочих поверхностей стенок кристаллизаторов, обладают покрытия из сталей Х18Н10Т и 40X13 и медно-никелевого сплава МНЖКТ со смазкой. 4. Показано, что коэффициент трения между слитком и медно никелевым покрытием меньше, чем между слитком и стальным покрытием. На этом основании для напыления покрытия на рабочую поверхность стенок целесообразно использовать медно-никелевый сплав, что уменьшает вероят ность образования прорыва.
Технология уменьшения зазоров между стенками кристаллизатора в условиях ОАО «ОЭМК»
Это объясняется тем, что допускалось устранение усадки путем суммарной переточки продольной боковой грани узкой стенки только на 0,5 мм во время всех ремонтов, а рациональная глубина строжки рабочей поверхности ограничена величиной износа в углах (1,6-2,6 мм). Но в ряде случаев для получения допустимой величины зазора (0,09 мм) необходимо рабочую поверхность сострагивать на большую глубину, что часто не делалось. Поэтому во время ремонта производилась чеканка зазора в тех местах, где его величина превышала 0,09 мм. Последствия такого ремонта вскрывались уже после разливки первой серии плавок. Традиционным способом борьбы с этим дефектом является изготовление узких стенок из меди с более высокими механическими свойствами в диапазоне температур их эксплуатации (300-350 С) 121. Для этого вместо меди Ml на ОАО «ОЭМК» использовался сплав МЗРЖ, а в настоящее время - БрХІЦр, на ОАО «НЛМК» - МН2,5КоКрХ и МС (с добавками серебра), на ОАО «Северсталь» - МС.
В настоящее время на ОАО «ОЭМК» зазор между стенками величиной, не превышающей предельно допустимого значения, устраняют с помощью дорогостоящей жаростойкой обмазки зарубежного производства. Если зазор превышает предельно допустимое значение, то кристаллизатор подлежит утилизации.
На ОАО «НЛМК» в КЦ-1 между боковыми продольными гранями узких стенок и поверхностью широких стенок устанавливают плоские продольные вставки из меди или нержавеющей стали, выполненные со скошенным торцом, выступающим в сторону рабочей полости кристаллизатора. При этом боковые продольные грани узких стенок и поверхности вставок выполняют с продольными выступами и впадинами, расположенными со стороны опорных плит узких стенок с контактом между собой по типу паз выступ /3/.
В КЦ-2 ОАО «НЛМК» перед разливкой в стыки между рабочими стенками кристаллизатора подают обмазку собственного производства, состоящую из 10-20 % фосфата алюминия, 60-85 % глинозема и 5-20 % шлако-образующей смеси, предназначенной для подачи на мениск стали в кристаллизаторе в процессе разливки. При этом обмазку подают в стыки на длине, равной 0,4-0,6 высоты рабочих стенок со стороны верхнего торца кристаллизатора, а после подачи обмазки в стыки между рабочими стенками ее удаляют с поверхности участков стенок, прилегающих к стыкам стенок /4/. Однако из-за неравномерности распределения температуры по толщине стенки величина зазора продолжает увеличиваться, что может привести к выпадению обмазки из стыка между стенками и затеканию в него жидкого металла.
В ОАО «Северсталь» устранение усадки производится путем фрезерования продольной боковой грани узкой стенки с гальваническим никелевым покрытием, т.е. покрытие удаляют полностью, хотя усадка носит локальный характер, и наносят его заново. Кроме того, если при изготовлении и ремонте узких стенок имеет место отклонение ширины от номинальных размеров и нарушение прямоугольности между гранями, приводящее к превышению предельно допустимого зазора между стенками при сборке кристаллизатора, то такие дефекты не устраняются указанными выше способами.
Для толстостенных кристаллизаторов были разработаны две технологии уменьшения зазоров: первая (основная), когда покрытие постоянной или переменной толщины методом электродуговой металлизации наносили на боковые грани узких стенок; вторая, когда покрытие тем же методом наносили на собранный кристаллизатор в область зазора вдоль стыка стенок /70, 91— 93/. Вторая технология применяется в случае незначительного износа рабочих поверхностей стенок кристаллизатора, что часто бывает с вновь введенными в эксплуатацию стенками. Такое нанесение покрытия снижает вероятность образования угловых трещин на слябах. Технологии включают следующие операции: очистку поверхности от загрязнений и шлака, дробеструйную обработку для создания требуемой шероховатости и нанесение самого покрытия /94-96/.
Технология уменьшения зазоров между стенками путем нанесения алюминиевого электродугового покрытия на боковую продольную грань узкой стенки была отработана и внедрена на ОАО «ОЭМК». Отработка проводилась на 11 кристаллизаторах, при этом на 5 из них стенки восстанавливали с помощью нанесения покрытия в течение всего срока службы или сочетания переточки боковой продольной грани узкой стенки с нанесением покрытия. В первом ремонте покрытие наносили на медную поверхность, а в последующих ремонтах, в случае необходимости, покрытие наносили на покрытие, нанесенное в предыдущих ремонтах. При напылении покрытия контролировали отклонение профиля боковых граней от шаблона и ширину узкой стенки (рисунок 19).
Проведенными исследованиями было установлено, что зазор образуется преимущественно на вогнутой грани узкой стенки кристаллизатора. Величина зазора колебалась от 0,15 до 0,4 мм, а сам зазор располагался в области мениска от 50 до 350 мм по высоте стенки. Чтобы избежать трудоемкости определения зазора с каждой стороны узких стенок, связанной с использованием щупа и шаблона, было получено регрессионное соотношение, связывающее износ боковой грани узкой стенки кристаллизатора, например, вогнутой АВВогн с общим износом ЛВ , полученным вычитанием из номинальной ширины реальной, измеренной с помощью микрометра в одиннадцати точках, равномерно расположенных по длине стенки:
