Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы и выбор направления исследования 10
1.1. Проблемы окисления и обезуглероживания, и способы их решения 10
1.2. Описание процесса образования окалины на поверхности стальных заготовок при высокотемпературном нагреве 13
1.3. Влияние легирующих элементов в стали на окалинообразование в заготовках 23
1.4. Тепловые напряжения в стальных заготовках в процессе охлаждения после разливки и их нагрева в печи 27
1.5. Кратковременные технологические покрытия для защиты металла при высокотемпературном нагреве 32
1.6. Влияние защитных покрытий на параметры горячей прокатки
1.8. Цель и задачи исследования 50
ГЛАВА 2. Лабораторные эксперименты и выбор материала для защитного покрытия 52
2.1. Обоснование выбора материала защитного покрытия 52
2.2. Методика лабораторного эксперимента по среднетемпературному нагреву 53
2.3. Результаты лабораторного эксперимента по среднетемпературному нагреву 55
2.4. Методика лабораторного эксперимента по высокотемпературному нагреву 59
2.5. Результаты лабораторного эксперимента по высокотемпературному нагреву 61
2.6. Лабораторные эксперименты по изучению влияния покрытия на поверхностное обезуглероживание и угар стали при нагреве. Методика и результаты эксперимента 65
ГЛАВА 3. Особенности влияния кратковременных технологических защитных покрытий на высокотемпературный режим нагрева стальных заготовок 70
3.1. Лабораторные эксперименты по изучению влияния защитного покрытия на нагрев стальных заготовок в печах 70
3.2. Исследование коэффициента теплопроводности покрытия 73
3.3. Исследование радиационных свойств покрытий. Методика и результаты эксперимента 79
3.4. Лабораторные эксперименты по изучению работы покрытий. Методика и результаты эксперимента 82
3.5. Исследование на сканирующем электронном микроскопе защитного покрытия после нагрева 87
ГЛАВА 4. Применение защитных покрытий с использованием их теплоизоляционных свойств 94
4.1. Обоснование использования защитного покрытия при энергосбережении 94
4.2. Математическая модель работы покрытия при использовании энергосберегающей технологии. Постановка задачи 95
4.3. Идентификация параметров и адаптация математической модели 98
4.4. Результаты расчета 103
4.5. Влияние толщины защитного покрытия на конечную температуру нагретой заготовки 108
4.6. Заключение по главе 113
ГЛАВА 5. Промышленное опробование защитных покрытий в условиях металлургических предприятий 115
5.1. Промышленные эксперименты по влиянию защитных покрытий на угар стальных заготовок при нагреве в методических печах 115
5.2. Промышленный эксперимент по влиянию защитных покрытий на обезуглероживание стальных заготовок при нагреве в методических печах 117
5.3. Ускоряющее влияние кратковременных технологических защитных покрытий в промышленных экспериментах при нагреве стальных заготовок 117
5.4. Заключение по главе 119
ГЛАВА 6. Технология нанесения защитного покрытия на стальные заготовки и экономическая эффективность его применения 121
6.1. Основные положения технологии нанесения кратковременного защитного покрытия 121
6.2. Установка для нанесения кратковременного защитного покрытия на стальную заготовку 122
6.3. Конструкция коллектора 125
6.4. Подготовка суспензии 129
6.5. Экономическая эффективность использования кратковременного технологического защитного покрытия 131
6.6. Заключение 133
Основные результаты и выводы 134
Библиографический список 136
- Тепловые напряжения в стальных заготовках в процессе охлаждения после разливки и их нагрева в печи
- Результаты лабораторного эксперимента по среднетемпературному нагреву
- Исследование коэффициента теплопроводности покрытия
- Математическая модель работы покрытия при использовании энергосберегающей технологии. Постановка задачи
Введение к работе
Актуальность работы. Перед металлургическими предприятиями при современных масштабах производства стали и возрастающей потребности в ней на передний план вьщвигается задача повышения качества проката, снижения потерь металла, обеспечения ресурсосбережения при его производстве и обработке.
Окисление стальных заготовок при нагреве под обработку давлением приводит к угару металла в 1,5-3,0%, сопровождается обезуглероживанием их поверхностей, снижающим механические свойства изделий и вызывающим необходимость сплошной зачистки, а также ведёт к поражению готового проката вкатанной окалиной, приводящей к повышенному износу деформирующего инструмента и переводу металлопродукции в пониженный сортамент.
При окислении на поверхности стальной заготовки образуется слой оксидов железа (окалина), который по сравнению со сталью имеет приблизительно в 20 раз меньшую теплопроводность, являясь тепловой изоляцией, замедляющей поступление теплоты в заготовку. В связи с этим, для достижения необходимой рабочей температуры под обработку давлением при нагреве стальных заготовок расходуется дополнительная энергия.
Существующие в настоящее время способы снижения или даже полного исключения окисления и обезуглероживания сопряжены со сложными техническими решениями, токсичностью и взрывоопасностью сред, не всегда допустимы технологическим регламентом.
Поэтому разработка эффективных методов снижения потерь металла и сбережение энергоресурсов при получении готовой продукции горячей обработкой давлением является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка технологии снижения окисления и обезуглероживания стальных заготовок при нагреве под обработку давлением с применением кратковременного технологического защитного покрытия, пригодного для нанесения в потоке, а также изучение эффектов связанных с работой защитного покрытия.
Научная новизна работы. В процессе выполнения данной работы получены результаты, научная новизна которых заключается в следующем:
-
Разработан способ нанесения кратковременного технологического защитного покрытия в потоке. (Ас. 981395 СССР, МІЖ5 C21D1/70).
-
Установлен механизм работы шамотного защитного покрытия, нанесённого на поверхности стальной заготовки, основанный на образовании газонепроницаемого слоя из плотно уложенных его частиц.
-
Установлено, что шамотное защитное покрытие способно перевести реакцию окисления стали в диффузионную область.
-
Выявлено ускорение нагрева стальной заготовки в печи под влиянием шамотного защитного покрытия и определён механизм этого явления.
-
Определена оптимальная толщина покрытия, позволяющая максимально повысить конечную температуру заготовок на выходе из печи без затраты дополнительной энергии.
Достоверность результатов исследований основана на большом массиве данных лабораторных и промышленных экспериментов с использованием апробированных методик. При математическом моделировании использованы алгоритмы, характеризующиеся абсолютной сходимостью.
Практическая ценность работы заключается в том, что на ряде промьппленных предприятий опробована технология нагрева стальных заготовок в методических и пламенных печах с использованием кратковременного запщтного покрытия на базе піамотной глины. Эта технология позволила сократить угар до 60%, снизить толщину обезуглероженного слоя в 3 раза и повысить конечную температуру заготовок на выходе из нагревательной печи сверх заданной на 27 — 53 С без затраты дополнительной энергии. Показана возможность применения этой технологии не только в нагревательных, но и в термических печах. Разработана конструкция установки и технология нанесения защитного покрытия в потоке перед нагревом. На защиту выносятся.
-
Результаты исследования влияния шамотного защитного покрытия на окисление стальных заготовок при нагреве.
-
Результаты исследования влияния шамотного защитного покрытия на обезуглероживание поверхностей стальных заготовок при нагреве.
-
Результаты исследования влияния шамотного защитного покрытия на скорость нагрева и охлаждения стальных заготовок.
Реализация работы в промышленности. Технология нанесения защитного покрытия была опробована:
на слябовых заготовках Новолипецкого и Череповецкого металлургических комбинатов (НЛМК и ЧерМК) при проведении промышленного эксперимента по снижению угара и запороченности вкатанной окалиной;
на блюмовых заготовках Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) по снижению их обезуглероживания при нагреве;
на слитках ООО «ОМЗ - СПЕЦСТАЛЬ» (г. Колпино) при проведении промышленного эксперимента по интенсификации их нагрева.
на слитках ООО «КЭМЗ» (г. Кулебаки) при проведении промышленного эксперимента по интенсификации их нагрева.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на V международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (МИСиС, Москва. 27 сентября - 2 октября 2010 г.), на Международной конференции «Технологии и оборудование для сталеплавильного производства» (Москва. 26-27 апреля 2011 г.). Публикации. По теме диссертации опубликованы три статьи, получено авторское свидетельство СССР и шесть патентов Российской Федерации. Объем работы. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка, включающая 72 наименования российских и зарубежных авторов, и содержит 13 таблиц, 46 рисунков и 5 Приложений.
Тепловые напряжения в стальных заготовках в процессе охлаждения после разливки и их нагрева в печи
Химический анализ окисных слоев, образующихся на указанных выше сплавах, приводит к следующим результатам. Хром, алюминий и кремний в качестве первичных оксидов образуют Сг203, А1203 и Si02; последние при взаимодействии с закисью железа дают или шпинели FeCr204 и FeAl204 или силикат фаялитового типа Fe2Si04 [18].
Пониженную скорость окисления этих сплавов следует объяснить медленной диффузией ионов железа сквозь указанные соединения. Небольшие добавки к железу хрома, алюминия и кремния приводят, при благоприятных условиях, к внутреннему окислению этих элементов, иначе говоря, к появлению в приповерхностной зоне сплава мелких выделений оксидов Сг203, А1203 и Si02. Обычно считают, что эти металлы избирательно окисляются вследствие их большого сродства к кислороду и что образующиеся окислы могут взаимодействовать с FeO на поверхности раздела между внешним слоем оксидов и зоной внутреннего окисления [19].
Как бы там ни было, трудно указать то оптимальное значение концентрации легирующего элемента, которое соответствует переходу от внутреннего окисления с образованием слоя мелкодисперсных оксидных выделений в металле к образованию сплошного слоя с защитными свойствами. Весьма приблизительно можно полагать, что этот предел составляет 10% для сплавов Fe - Сг [20] и 6% для сплавов Fe - А1 и Fe - Si [21].
Сплавы с большим содержанием алюминия или кремния слишком нетехнологичны и используются обычно только в специфических условиях. Однако алюминий и кремний являются важными легирующими добавками, дополнительно улучшающими окалиностойкость двойных сплавов Fe - Сг, которые можно рассматривать в какой-то мере как жаростойкие. Так, например, тройные сплавы Fe - Сг - А1 имеют большое значение для получения сталей, средний состав которых 25 - 30% Сг и 5 - 6% А1. Окалина на них при высоких температурах (до ПОСГС) имеет сложный состав [21]. В одном случае она состоит из слоя шпинели FeAl204, в другом - из слоя чистого глинозёма А1203 или из слоя твёрдого раствора (А1, Сг)203 типа рубина.
Отметим влияние и таких элементов, как бериллий, титан и магний, одновременные добавки которых в определённых случаях способствуют образованию тонких непроницаемых слоев с защитными свойствами [21].
Обнаружено, что влияние кремния при добавлении его в сплавы Fe - А1 также положительно. Из-за повышенной величины свободной энергии образования диоксида кремния защитная плёнка располагается во внутренних слоях окалины, вблизи границы её с металлом. Присутствие кремния ведет к появлению выделений его диоксида в результате восстановления оксидов железа и хрома и к отслаиванию окалины и оголению, таким образом, поверхности металла. В этих условиях кинетика окисления связана с явлением периодического ускорения процесса. Ускорение окисления связано с разрушением достаточно толстого и обладающего защитными свойствами первичного окисного слоя [22].
Прочность сцепления оксида с металлом уменьшается по мере увеличения толщины окалины в изотермических условиях вследствие увеличения как напряжений роста, так и термических напряжений (например, для полученных на заготовках из чистого железа при 800С окалин толщиной 90 и 320 мкм прочность сцепления была приблизительно обратно пропорциональна толщине). Влияние температуры окисления более существенно - при температурах ниже 650 0 и выше 95СРС прочность сцепления с металлом окалины толщиной 200 мкм была малой (меньше нескольких кг/см2), хотя при 800 - 82(ГС: она достигала максимума (более 100 кг/см2). При окислении слаболегированного железа малые добавки таких элементов, как алюминий, кремний и фосфор, характеризующиеся большим, чем у основы, сродством к кислороду, приводили к возникновению промежуточного оксидного слоя и уменьшению прочности сцепления окалины с металлом. В обратном случае, когда вводимые элементы, например медь и сера, имели меньшее, чем железо, сродство к кислороду, они выделялись на поверхности раздела Fe - FeO в виде пластичных включений [22].
1.4. Тепловые напряжения в стальных заготовках в процессе охлаждения после разливки и их нагрева впечи
Основная масса стальных заготовок, полученных непрерывной разливкой или другими способами, охлаждается на холодильниках или на воздухе в штабелях. Однако некоторые средне- и высокоуглеродистые, низко- и высоколегированные стали и сплавы требуют регулируемого охлаждения, главным образом замедленного. Это вызывается необходимостью предохранить стальные заготовки от образования поверхностных и внутренних трещин, а также снятия остаточных напряжений и получения необходимой структуры и механических свойств металла [23].
Результаты лабораторного эксперимента по среднетемпературному нагреву
Как следует из литературного обзора, накоплен определённый опыт по защите металла при высокотемпературном нагреве от окисления и обезуглероживания. Однако мало изучены теплофизические свойства материалов покрытия (коэффициент теплопроводности, термический коэффициент линейного расширения), явления термомобильности (определение точек резкого изменения свойств) и их физико-химических свойств (адгезия к окалине, коэффициент диффузии кислорода).
Существующие технологии нагрева стальных заготовок с целью предотвращения трещин предполагает замедленный нагрев до температуры разупрочнения стали, а затем ускоренный нагрев до конечной температуры. Однако данный способ обеспечивает корректный нагрев лишь совершенно одинаковых заготовок. При изменении размеров заготовок, коэффициента их теплопроводности или температуры разупрочнения, а также начальной температуры переход от замедленной ступени нагрева к ускоренной может произойти как до, так и после достижения заготовкой температуры разупрочнения. Преждевременный переход к ускоренному нагреву стальных заготовок приводит к появлению термических напряжений и образованию трещин, а поздний переход к ускоренному нагреву приводит к неоправданно длительному пребыванию стальных заготовок в печи, увеличению угара и обезуглероживанию их поверхностей. Современные проходные печи не способны обеспечить каждой заготовке индивидуальный режим нагрева.
Не приводящий к дефектам нагрев может быть обеспечен нанесением на стальные заготовки кратковременных защитных покрытий, изменяющих свой коэффициент теплопроводности при нагреве. Такие покрытия препятствуют подводу тепла к защищаемой стальной заготовке, но лишь до определенной температуры. Затем, вследствие структурных изменений, коэффициент теплопроводности материала покрытия резко возрастает, что приводит к ускорению нагрева защищаемой заготовки. Целью работы являлось снижение поверхностного окисления и обезуглероживания стальных заготовок в процессе их нагрева в методических и пламенных печах с применением кратковременного защитного покрытия наносимого на их поверхности в потоке перед нагревом. Изучение эффектов связанных с нанесением и работой защитного покрытия. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 1. выбор материала защитного покрытия; 2. раскрытие механизма действия защитного покрытия; 3. разработка технологии нанесения кратковременного технологического защитного покрытия в потоке; 4. изучение влияния защитного покрытия на угар стальных заготовок при нагреве под обработку давлением и термообработку; 5. изучение влияния защитного покрытия на обезуглероживание заготовок из малоуглеродистых, высокоуглеродистых и низколегированных сталей при нагреве под обработку давлением и термообработку; 6. изучение влияния защитного покрытия на дефекты проката - вкатанную окалину; 7. изучение влияния защитного покрытия на охлаждение стальных заготовок после разливки и нагрев их в печи. ГЛАВА 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Результаты рассмотренных в п.п. 1.2 и 1.3. исследований могут быть использованы в качестве отправной точки при выборе материала для кратковременного технологического защитного покрытия.
На скорость окисления железа в сплавах весьма заметное влияние оказывают легирующие добавки алюминия и кремния.
Химический анализ оксидных слоев, образующихся на указанных выше сплавах, приводит к следующим результатам. Алюминий и кремний, обладают преимущественным окислением. В зависимости от температуры окисления и состава сплава оксиды А1203 и Si02 либо отделяют металлическую основу от внешнего слоя оксидов железа, либо взаимодействуют с FeO, образуя соответственно фазу пшинельного типа FeAl204 или фаялит Fe2Si04. Пониженную скорость окисления этих сплавов следует объяснить медленной диффузией ионов железа сквозь указанные соединения [18, 19].
Прочность сцепления оксида с металлом уменьшается по мере увеличения толщины окалины в изотермических условиях вследствие увеличения, как напряжений роста окалины, так и термических напряжений. При окислении слаболегированного железа малые добавки таких элементов, как алюминий и кремний, характеризующихся большим, чем у основы, сродством к кислороду, приводили к возникновению промежуточного оксидного слоя и уменьшению прочности сцепления окалины с металлом.
Из рассмотренных литературных данных следует, что защиту жаростойких стальных заготовок от окисления обеспечивают образующиеся на их поверхностях оксиды никеля, меди, кобальта, алюминия, кремния, хрома и их сочетания.
Поэтому предварительные исследования, с учётом поставленной цели, начали с защитного покрытия, наносимого на поверхности стальных заготовок из материала на основе самых распространенных оксидов А1203 и Si02. Следует учесть, что механизм ослабления окисления под действием легирующих элементов может отличаться от механизма ослабления окисления под действием защитного покрытия, поэтому окончательный выбор материала защитного покрытия будет зависеть от результата раскрытия механизма защитного действия покрытия.
Методика лабораторного эксперимента по среднетемпературному нагреву. Защитные свойства покрытия могут быть объяснены двумя взаимоисключающими гипотезами: либо защитное покрытие становится газонепроницаемым сразу после его нанесения благодаря плотной укладке его частиц, либо покрытие становится газонепроницаемым в процессе нагрева стальных заготовок в результате его ошлакования окалиной или легкоплавкими компонентами самого покрытия.
Исследование коэффициента теплопроводности покрытия
Поскольку гипотеза об ускорении нагрева покрытых заготовок вследствие зачерняющего действия покрытия оказалась несостоятельной, то для объяснения причин ускорения нагрева возникла необходимость в переходе от термометрирования к измерению количества теплоты, проходящей через нагреваемый металл.
Целью эксперимента было определение зависимости угара и теплового сопротивления окалины от времени для образцов с защитным покрытием и без него при различных температурах.
В серии экспериментов образцы из Ст3сп подвергали нагреву за счёт протекания через них электрического тока. Из стальной полосы толщиной 3 мм были вырезаны образцы с размерами нагреваемой (узкой) части 7 80 мм. За пределами нагреваемой части образца были приварены электроды для измерения падения напряжения на образце (рисунок 21).
Образец-нагреватель и схема его подключения. Поскольку ширина узкой части образца в семь раз меньше, чем широкой (при большей длине), то можно утверждать, что все падение напряжения сконцентрировано именно в узкой части нагреваемого образца.
В толщу образцов были зачеканены хромель-алюмелевые термопары. Образцы были прикреплены к шинам источника питания печи Таммана, регулятор источника питания позволял плавно изменять температуру образцов. Кроме температуры измеряли падение напряжения на образце и силу проходящего через образец тока. Измерение температуры и падения напряжения производили цифровыми мультиметрами с классом точности 0,5, силу тока измеряли токовыми клещами того же класса точности.
Две пары образцов (с защитным покрытием и без) равномерно нагревали в течение часа до рабочей температуры - в первой серии экспериментов 1200С, во второй серии 1125С.
Температура 1200С наиболее часто используется для нагрева под обработку давлением. До 1083С не наблюдается стимулирующего влияния защитного покрытия на нагрев, так как до этой температуры жидкая фаза не возникает. Поэтому вторая температурная точка выбрана в диапазоне 1083С - 1200С вблизи её середины. Затем в течение двух часов проводили выдержку при соответствующей рабочей температуре, регистрируя данные каждые 4 мин. На основе полученных данных вычисляли отводимый от образцов тепловой поток, считая его равным проходящей через образцы электрической мощности. Отводом тепла в широкую часть образца пренебрегали. Затем, зная площадь и температуру образца, вычисляли сопротивление теплопередаче от металла через окалину (покрытие) к окружающей среде [61]: длина, ширина и толщина рабочего участка образца соответственно, м; Т, Т0 - температура нагревателя и окружающей среды соответственно, К; / - сила тока, протекающего через образец, А; U - падение напряжения на образце, В.
Относительный угар образцов 5 в данный момент времени определяли по увеличению их электрического сопротивления в процессе выдержки, поскольку единственным фактором увеличения сопротивления образца постоянной длины при постоянной температуре может быть только уменьшение сечения вследствие угара [61]: m-iMM-u (20) U0/I0 где: 1(т), 10 - сила тока, протекающего через образец в данный момент времени и в начале выдержки, А; Щх), U0 - падение напряжения на образце в данный момент времени и в начале выдержки, В.
Полученные данные представлены на рисунках 21 и 22. Как видно из рисунка 22, при 1125С защитное покрытие снижает угар приблизительно в два раза, а при 1200С - в три раза, что подтверждает данные лабораторных экспериментов.
Следует отметить, что с повышением температуры нагрева эффект от применения защитного покрытия возрастает. Весьма показательно изменение влияния температуры на скорость окисления вследствие применения защитного покрытия. Данные по средней за время эксперимента скорости окисления приведены в таблице 8.
Рисунок 22 - Изменение угара образцов во время выдержки при различной температуре: Скорость окисления,% / мин Без покрытия 0,00117 0,00181 1,55 С покрытием 0,000667 0,000683 1,02 Из данных таблицы 8 следует, что скорость окисления покрытых образцов практически не зависит от их температуры. Это позволяет предположить, что окисление лимитируется не кинетикой соответствующих реакций, а диффузией продуктов реакций через покрытие.
Из диффузионного характера процесса окисления стали под покрытием следует важный практический вывод о том, что увеличение толщины покрытия должно вызывать пропорциональное уменьшение угара металла. Положительное влияние защитного покрытия на нагрев металла подтверждают данные, представленные на рисунке 23. Видно, что при выдержке при соответствующей рабочей температуре образца без защитного покрытия сопротивление теплопередаче от металла через окалину к окружающей среде закономерно растет - это связано с ростом толщины окалины. Однако при выдержке образца с покрытием тепловое сопротивление не только не растет, но даже падает. В определенный момент оно становится ниже, чем у непокрытого образца.
Это явление можно объяснить взаимодействием окалины и материала покрытия с образованием жидкой фазы [67], которая превращает пористую структуру покрытия в высокотеплопроводную плотную массу.
Математическая модель работы покрытия при использовании энергосберегающей технологии. Постановка задачи
Для разработки технологии применения кратковременных защитных покрытый принципиально важен вопрос о необходимой толщине наносимого покрытия. Все описанные выше эксперименты были проведены при толщине покрытия около 1 мм. Таким образом, можно утверждать, что покрытие толщиной 1 мм успешно выполняет защитную функцию, а также ускоряет нагрев защищаемых заготовок. С другой стороны, эксперименты по нанесению покрытия показали, что при достижении 3 мм толщины покрытие склонно к растрескиванию и отслаиванию вследствие напряжений, возникающих при усадке, связанной с высыханием.
Нельзя, однако, утверждать для всех возможных случаев, что толщина покрытия 1 мм является оптимальной. Вопрос об оптимальной толщине покрытия скорее экономический, чем технический - эта величина будет колебаться от 0 до 3 мм и определяться ценой металла, ценой топлива, ценой материала покрытия, стоимостью нанесения, производительностью каждого из звеньев технологической цепочки «установка для нанесения защитного покрытия - печь - оборудование для обработки металлов давлением» и наличием в этой цепочке лимитирующих звеньев. Тем не менее, для разработки технологии применения покрытий целесообразно показать влияние толщины покрытия на работу печи - это исследование поможет технологу сузить поле выбора толщин.
Выше было показано, что увеличение толщины покрытия вызывает пропорциональное уменьшение угара металла. Это означает, что с точки зрения минимизации угара не существует оптимальной толщины покрытия -оно должно быть максимально толстым (но не толще 3 мм). Представляет интерес только изучение влияния толщины покрытия на нагрев, поскольку влияние это неочевидно - достаточно толстое покрытие обладает большим тепловым сопротивлением и нельзя исключать вероятность того, что, несмотря на стимулирование покрытием нагрева, конечная температура заготовки все же окажется ниже требуемой.
Раскрытие поставленного таким образом вопроса методом промышленного эксперимента не представляется возможным, поскольку существует вероятность того, что под покрытием большой толщины заготовка не нагреется до заданной температуры. Натурные эксперименты, возможным результатом которых является брак по нагреву, совершенно недопустимы и должны быть заменены численным моделированием на предварительно адаптированной математической модели.
Для изучения вопроса о влиянии толщины покрытия на нагрев математическую модель, описанную в п. 4.2, модифицировали для расчета нагрева металла в трехзонной методической печи. Модификация математической модели сводится к следующему изменению: введению переменной степени черноты окружающей среды s0 . Эта величина равна степени черноты газовых объемов методической, сварочной и томильной зон - 0,32, 0,37 и 0,35 согласно [71].
Температуру окружающей среды Т0 также считаем переменной и равной температуре газовых объемов в методической, сварочной и томильной зон.
В расчетах принимали следующую модель изменения свойств окалины и системы «покрытие-окалина». Для непокрытой заготовки тепловое сопротивление окалины в начале методической зоны принимали равным нулю, т.е. тепловым сопротивлением тонкой плотной окалины, оставшейся на заготовке после разливки, пренебрегали. Считали, что окалина линейно нарастает с течением времени и в конце методической зоны ее тепловое сопротивление достигает 0,012 м -К/Вт. Эта величина получена в описанных выше экспериментах по теплометрированию окисления стали (см. рисунок 22) - она является начальной точкой при высокотемпературном (1200С) окислении. Затем, в сварочной и томильной зонах, тепловое сопротивление
по
окалины растет со скоростью, также характерной для окисления при 1200С - 0,0000321 м2-К/Вт-мин (см. рисунок 22).
Для покрытой заготовки тепловое сопротивление системы «окалина-покрытие» как в начале, так и в конце методической зоны принимали равным 0,019 м2-К/Вт (см. рисунок 22). Физически это допущение означает, что в методической зоне, вследствие низкой температуры, ошлакование покрытия не происходит и его тепловое сопротивление не падает. Затем, в сварочной и томильной зонах, тепловое сопротивление «окалины-покрытия» падает со скоростью, также характерной для окисления при 1200С - 0,00001806 м2-К/Вт-мин (см. рисунок 22). При коэффициенте теплопроводности покрытия 0,087 Вт/м-К (см. таблица 6) его тепловое сопротивление 0,019 м2-К/Вт дает значение его толщины 0,019 х 0,087 = 0,0016 м или 1,6 мм.
Адаптация математической модели для нагрева металла без покрытия была проведена на основе приведенных выше экспериментальных данных (см. рисунок 12), предоставленных центром «Энергомет» при МИСиС.
Результаты адаптации, показанные на рисунке 37, можно считать удовлетворительными, т. к. в наиболее интересных для изучения Ill высокотемпературных зонах - сварочной и томильной - расхождения результатов расчета и эксперимента не превышают 20.. .30 К. После адаптации математической модели был проведен пробный расчет, имеющий целью сопоставление кривых нагрева поверхности покрытого и непокрытого сляба (рисунок 38).
Рисунок 38 - Сопоставление кривых нагрева слябов с нанесённым защитным покрытием и без покрытия.
Как и следовало ожидать, сляб под защитным покрытием нагревается вначале медленнее, а затем быстрее контрольного. Суммарный эффект этих двух стадий в данном численном эксперименте положительный - по завершении нагрева покрытый сляб на 18 К горячее непокрытого.
Затем были проведены вариантные расчеты, целью которых было определение влияния толщины покрытия на конечную температуру нагрева. Результаты расчета, представленные в виде зависимости разности конечных температур покрытого и непокрытого слябов от толщины покрытия, приведены на рисунке 38.
