Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса о теблообмене в кристаллизаторах мнлз с нанесёнными защитными покрытиями 8
1.1. Конструкции кристаллизаторов и способы организации их охлаждения 8
1.2. Теплотехнические процессы в кристаллизаторе 11
1.3. Методы исследований теплообмена в кристаллизаторе 16
1.4. Механические характеристики работы кристаллизатора 19
1.5. Общие положения по износу 23
1.6. Влияние конструктивных параметров и материала рабочих стенок на тепловой режим работы кристаллизатора 26
1.7. Выводы по главе и постановка задачи 42
2. Температурный режим кристаллизатора, оснащенного каналами щелевого типа 45
2.1. Общие положения 45
2.2. Математическая модель для исследования тепловых процессов в рабочих стенках кристаллизатора 46
2.3. Расчет коэффициента теплоотдачи от поверхности каналов кристаллизатора к охлаждающей воде 57
2.4. Решение уравнения теплопроводности методом конечных разностей 58
2.5. Нахождение общего вида температурных полей стенки кристаллизатора с защитным покрытием 61
2.6. Выводы по главе 66
3. Исследование теплообменных процессов в щелевом кристаллизаторе с защитным покрытием рабочих стенок 67
3.1. Общие положения 67
3.2. Оценка влияния коэффициента теплопроводности покрытий на температурные поля стенки кристаллизатора 69
3.3. Оценка влияния толщины покрытий на температурные поля стенки кристаллизатора 71
3.4. Исследование влияния защитных покрытий на плотность теплового потока 75
3.5. Влияние плотности теплового потока на разность температур поверхности покрытия и медной стенки 81
3.6. Оценка влияния режима охлаждения и конструктивных характеристик на температурные поля стенки кристаллизатора 85
3.7. Выводы по главе 93
4. Совершенствование работы кристаллизаторов путём нанесения защитных покрытий 94
4.1. Методика определения степени износостойкости покрытий 94
4.2. Оценка погрешности измерений 97
4.3. Износостойкость хромовых покрытий 101
4.4. Износостойкость никелевых покрытий 109
4.5. Тепловое расширение покрытий 116
4.6. Рекомендации по нанесению защитных покрытий рабочих стенок кристаллизаторов 126
4.7. Выводы по главе 128
Заключение 130
Литература 132
- Влияние конструктивных параметров и материала рабочих стенок на тепловой режим работы кристаллизатора
- Математическая модель для исследования тепловых процессов в рабочих стенках кристаллизатора
- Оценка влияния толщины покрытий на температурные поля стенки кристаллизатора
- Оценка влияния режима охлаждения и конструктивных характеристик на температурные поля стенки кристаллизатора
Введение к работе
В настоящее время во всём мире уделяется огромное внимание снижению себестоимости выпускаемой продукции при увеличении её качества и наращивании объёмов производства. В условиях металлургии и, в частности, в машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) эти направления находят место в совершенствовании процесса непрерывной разливки. Одним из наиболее важных звеньев в технологической цепочке производства слябов являются кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок. Цель работы кристаллизатора - отвод тепла от расплавленного металла для образования корочки непрерывного литого слитка такой толщины и прочности, чтобы она не разрушалась под действием ферростатического давления и сил трения. Наиболее перспективной разработкой для увеличения межремонтного периода является использование защитных покрытий. В силу применения покрытий ещё более актуальным вопросом становится тепловая работа кристаллизатора, которой необходимо уделять всестороннее внимание.
Развитию теории тепловых процессов при формировании непрерывнолитого слитка посвящено значительное количество монографий и научных статей. Основными являются работы Д.П. Евтеева, Е.М. Китаєва, B.C. Рутеса, А.А. Скворцова, А.Д. Акименко, В.А. Емельянова, Н.И. Шестакова, Э.А. Гарбера, А.Л. Кузьминова.
Изучению вопросов, связанных с использованием защитных покрытий в кристаллизаторах, посвящены работы В.И. Дождикова, В.М. Паршина, А.Е. Титлянова, А.Г. Радюк, Н.В. Андросова.
Исследованию характеристик защитных покрытий в машиностроении посвящены работы К.М. Вансовкской, П.С. Мельникова, М.Б. Черкеза, Л.Я. Богорада, П.М. Вячеславова, A.M. Гинберга, Н.Я. Федотовой.
Совершенствование работы МНЛЗ обусловлено нахождением взаимосвязи тепловой работы кристаллизаторов с износостойкостью рабочих стенок с защитными покрытиями, в связи с чем, задачи по исследованию теплопередачи при непрерывной разливке ставятся в ряд наиболее важных задач теплотехники в металлургическом производстве.
Целью данной работы является повышение эксплуатационной стойкости рабочих стенок кристаллизатора МНЛЗ путём применения защитных покрытий, на основе исследования тепловых и механических воздействий.
Методы исследования Работа выполнена на основе комплексных экспериментальных и теоретических исследований с применением аналитических и численных методов решения дифференциальных уравнений теплообмена с применением программного обеспечения: Comsol Femlab v2.2, MathWorks MatLab v6.1.0.405.R12.1.
Научная новизна работы.
1. Обоснована математическая модель теплообмена в щелевом кристаллизаторе с защитным покрытием рабочих стенок.
2. Определено влияние основных характеристик покрытий на температуру поверхности рабочей стенки, температуру охлаждающей воды по высоте кристаллизатора, на тепловой поток, проходящий через кристаллизатор.
3. Обосновано применение никелевых и хромовых гальванических покрытий, и установлены граничные значения для их толщины.
4. При помощи теплотехнических и механических исследований разработана методика оценки степени износостойкости покрытий путём вычисления разности тепловых расширений.
Практическая ценность работы:
1. Путём адаптации математической модели для кристаллизаторов с защитными покрытиями при помощи экспериментальной установки получена зависимость по износостойкости покрытий от различных факторов. Установлен характер влияния материала, толщины и конфигурации покрытий на их износостойкость в смоделированных условиях работы кристаллизатора.
2. Разработаны рекомендации по применению покрытий из никеля и хрома различной толщины и способа нанесений в щелевых кристаллизаторах МНЛЗ.
Реализация работы.
Вопросы, затронутые в диссертации, обсуждались на техническом совещании в КП (протокол от 14.08.02). Разработанные рекомендации по двухслойным покрытиям переданы специалистам ОАО «ССМ-Тяжмаш».
Апробация работы Основные разделы данной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, 2004 г.), на 3-й Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы металлургии» (Екатеринбург, 2003 г.), на 4-й Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 2004 г.), на 4-й Международной научно-технической конференции «Инфотех-2004» «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (Череповец, 2004 г.), на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2005 г.), на V межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, 2004 г.), на VI межвузовской конференции молодых ученых (Череповец 2005 г.), на научных семинарах и заседаниях кафедры промышленной теплоэнергетики ЧГУ.
Материалы диссертации были опубликованы в ведущих центральных научных журналах: «Бюллетень. Черная металлургия», «Металлург», «Заготовительные производства в машиностроении».
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 146 страниц машинописного текста, 59 рисунков, список литературы (113 наименований).
Влияние конструктивных параметров и материала рабочих стенок на тепловой режим работы кристаллизатора
Истирание стенок ведет к нарушению геометрии рабочей полости, а их термическая деформация вызывает ее разрушение и раскрытие стыков стенок сборных кристаллизаторов, применяемых на слябовых МНЛЗ.
Правильный выбор материала, кроме увеличения срока службы рабочих стенок, улучшает условия работы шлакообразующей смеси, снижает трение в кристаллизаторе, повышает качество слитка и стабильность процесса литья. Покрытие должно иметь более высокую, чем сталь, твердость, низкую смачиваемость жидкой сталью, хорошую жаростойкость, идеально ровную поверхность, должно характеризоваться прочным сцеплением с основой. Способу нанесения покрытия на стенки кристаллизатора следует быть простым и технологичным [98].
В настоящее время рабочие стенки кристаллизаторов изготовляются в основном из меди, которая при повышенных температурах обладает низким уровнем механических свойств. Это приводит к деформации стенок в процессе разливки и существенному износу при вытягивании слитка. Одной из важных и актуальных проблем на многих металлургических предприятиях при непрерывной разливке стали является увеличение стойкости узких стенок кристаллизаторов МНЛЗ. На ММК для их изготовления используется медь марки МС (с содержанием Ag 0,8-1,2 %). Норма расхода этой меди составляет 6,4 кг на 1000 т отлитой стали. Затраты ММК на медь составляют более 3 млн. руб., а средняя межремонтная стойкость узких стенок не превышает 100 плавок при числе ремонтов 8-10. Основными направлениями для решения проблемы стойкости узких стенок считаются конструктивные изменения стенки, использование новых материалов, увеличение срока службы за счет применения новых ремонтных восстановительных технологий [63]. В [70] предлагается для повышения стойкости рабочих стенок выполнить на их внутренней поверхности пазы в виде расположенных рядами отверстий диаметром 12-20 мм, которые заполняются жаростойким материалом. Стойкость стенок повышается при этом в три раза, однако значительно повышается и трудоемкость их изготовления.
Работы по повышению стойкости кристаллизаторов ведутся по пути нанесения различных покрытий и изыскания новых материалов для рабочих стенок на основе меди.
За рубежом, особенно в Японии, в качестве определяющего направления выбрано нанесение покрытий. Кристаллизаторы с многослойным покрытием рабочих стенок установлены практически на всех слябовых МНЛЗ [112]. Широко распространенное хромирование заменяется никелированием, поскольку покрытие из хрома в районе мениска и ниже отслаивается и фактически стойкость стенок не превышает их стойкости без покрытия [37]. Однако в результате воздействия шлакообразующей смеси и серы, содержащейся в небольшом количестве в стали, покрытие из никеля растрескивается [35]. Возможны случаи пригорання (прилипания) подаваемого в кристаллизатор металла при повышении температуры стенки вследствие нарушения режима охлаждения из-за колебания расходов воды, неравномерного их распределения в системе охлаждения и засорения каналов [33]. По данным [57], переход с хромовых покрытий на никелевые вызвал увеличение числа прорывов. Поэтому предлагается применять многослойные покрытия [40], [80]. Высокой стойкости кристаллизатора в компании Kawasaki Steel (Япония) добились за счет изменения его геометрии, изменения конструкции каналов для его лучшего охлаждения и покрытия медных стенок в их нижней части износостойким слоем из NiFe-crmaBa(Fe - 8-10 %) [109].
Рабочий слой покрытий выполняется из оксидов, боридов, нитридов и карбидов различных металлов, обладающих высокой твердостью и износостойкостью, например, на основе карбида вольфрама, наносимого факельным напылением [75]. Специфическая особенность напылённых покрытий, связанная с наличием пустот в промежутках между частицами, состоит в том, что при умеренной макротвердости покрытия отдельные частицы в его структуре обладают высокой твердостью [12]. При напылении деталей, работающих в условиях периодического смазывания, пустоты покрытия, впитывающие в себя смазочный материал, выполняют ту же роль, что и пиры в самосмазывающихся подшипниках из спеченных металлических порошков. Напыленные покрытия имеют обычно сложную структуру. В которой слои частиц напылённого материала чередуются с оксидными прослойками, Такой характер структуры составляет одну из причин высокой износостойкости напылённых покрытий. При этом обращают внимание на необходимость создания достаточно прочного первого слоя и изготовляют его из никеля и его сплавов [38], [40], [112]. Для снижения растрескивания покрытий и усилия трения слитка в кристаллизаторе наружный слой дополнительно покрывают молибденом или его сплавами [35], [36]. Так, в [27] предложен вертикальный кристаллизатор МНЛЗ, выполненный из меди или сплава на ее основе, отличающийся тем, что на его рабочие стенки методом плазменного напыления нанесены два слоя. Первый слой, толщиной около 0,08 мм, состоит преимущественно из молибдена, а второй, толщиной до 0,5 мм, выполнен из огнеупорной керамики на основе ZrC 2, стабилизированной добавкой У20з (оксид иттрия). Покрытие позволяет повысить качество поверхности заготовок, снизить усилие вытягивания и увеличить стойкость кристаллизатора [27]. Однако результаты промышленных испытаний неоднозначны. Термическая обработка молибденового покрытия (отжиг в среде аргона при температуре 800 С в течение 1 часа) значительно снижает износостойкость, несмотря на повышение плотности и существенное уменьшение пористости напыленного материала [12]. Рассмотренные испытания на износ осуществляли в условиях сухого трения; результаты его значительно отличаются от испытаний на износ в присутствии смазочного материала. В последнем случае молибден, обладая большим химическим сродством с серой, которая выделяется из смазочного масла, соединяется с ней, образуя дисульфид молибдена (M0S2). Дисульфид молибдена, который представляет собой своего рода смазочный материал, значительно повышает износостойкость покрытия. Это свойство молибденового покрытия, подкрепляемое пропиткой пор смазочным материалом, открывает возможность его использования в условиях трения под действием высоких нагрузок [8].
Электрохимические покрытия в основном состоят из нескольких слоев. В [54] предложено наносить покрытие, состоящее из нескольких слоев - подслоя, основного, износостойкого слоя, и верхнего.
Подслой является связующим звеном между основным слоем и рабочей поверхностью плиты кристаллизатора. В качестве материала подслоя применяются металлы подгруппы железа. Основной слой имеет высокую износостойкость и состоит из химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними.
Математическая модель для исследования тепловых процессов в рабочих стенках кристаллизатора
Методам теплового расчёта кристаллизаторов со сверлёными каналами посвящено много работ, информация же по тепловому режиму работы щелевых кристаллизаторов с защитными покрытиями рабочих стенок представлена недостаточно.
Износостойкость кристаллизаторов при использовании защитных покрытий увеличивается не более чем в 1,5 раза, несмотря на то что в литературе, посвященной применению защитных покрытий в различных областях машиностроения, в лабораторных испытаниях показано увеличение износостойкости материалов с покрытиями в десятки раз. С учетом результатов анализа литературных данных сформулированы задачи исследования.
В ходе выполнения работы поставлены следующие задачи: 1. Обосновать методику нахождения температурного поля стенки кристаллизатора с защитным покрытием. 2. Определить степень и характер влияния материала, толщины покрытия; конструктивных параметров рабочей стенки и режима течения жидкости в каналах на температурные поля стенки кристаллизатора и, в частности, на температуру поверхности покрытия и температуру места адгезии покрытия и стенки. 3. Определить влияние покрытий на изменение теплового потока, проходящего через стенку, на её термическое сопротивление и температуру жидкости в каналах. 4. На основе полученных наиболее рациональных с тепловой точки зрения характеристик покрытия установить зависимость износостойкости различных типов покрытий от их толщины. 5. На основе теплотехнических и механических исследований определить закономерности влияния тепловых расширений рабочей стенки и покрытий на износостойкость последних. 6. Разработать рекомендации по материалу, толщине, конфигурации, способу нанесений, методам обработки защитных покрытий щелевых кристаллизаторов МНЛЗ. Используемые покрытия кристаллизаторов имеют коэффициент теплопроводности в 3-5 раз меньше, чем у чистой меди. Поэтому применение защитных покрытий, несмотря на их небольшую толщину, вызывает повышение температуры на поверхности стенки, а также вносит изменения в температурные поля внутри стенки. Дополнительный разогрев стенки может привести к рекристаллизации меди и отслаиванию покрытия и, как следствие, увеличению механического износа кристаллизатора и сокращению межремонтного периода. Кроме этого, при разогреве до температуры 350 С в покрытиях возникают термические напряжения, что наряду с испаряющимися из металла частицами цинка и механическим воздействием со стороны сляба приводит к возникновению усталостных трещин и разрушению покрытий. Поэтому вопрос по нахождению температуры на поверхности стенки и покрытия, а также температурных полей внутри стенки является актуальным и требует изучения. Для этого выделим основные этапы анализа этого вопроса: 1. Разработка математической модели для исследования тепловых процессов в рабочих стенках кристаллизатора; 2. Расчет коэффициента теплоотдачи от поверхности каналов кристаллизатора к охлаждающей воде, включающий определение режима течения воды в канале; расчет теплоотдачи; исследование влияния расхода воды и скорости движения воды в кристаллизаторе на интенсивность теплоотдачи; 3. Решение уравнения теплопроводности и нахождение общего вида температурных полей стенки кристаллизатора без покрытия, с хромовым, никелевым покрытиями и с многослойным покрытием; расчет температуры рабочей поверхности стенки кристаллизатора; 4. Оценка влияния физических параметров покрытий на температурные поля и, в частности, на температуру на поверхности стенки и покрытия, включая толщину и коэффициент теплопроводности покрытий; 5. Оценка влияния конструктивных характеристик кристаллизатора на температурные поля, исследование зависимости температуры рабочей поверхности стенки от характерных размеров каналов и коэффициента теплоотдачи.
Расчетная схема приведена на рис. 2.1. Система координат, неподвижная относительно кристаллизатора, выбрана таким образом, что ее начало расположено в центре поперечного сечения кристаллизатора на уровне его верхней кромки. Оси х и у направлены перпендикулярно плоскостям широкой и узкой стенок соответственно, а ось z - в сторону вытягивания слитка. Индекс 1 соответствует жидкому металлу, 2 -двухфазной зоне, 3 - оболочке слитка, 4 - рабочей стенке кристаллизатора, 5 -охлаждающей воде, 6 - корпусу кристаллизатора, 7 - окружающей среде. Расплавленный металл (1) поступает в рабочую полость кристаллизатора и затвердевает, образуя двухфазную зону (2), которая ограничена изотермами ликвидуса а и солидуса Ь . Оболочка слитка (3) поверхностью с контактирует с рабочей стенкой кристаллизатора (4). В рабочей стенке (4) на расстоянии с4 от внутренней поверхности выполнены щелевые каналы (5), расположенные с шагом 54 по периметру стенок. Охлаждающая вода движется в каналах (5) со скоростью со5 в направлении, совпадающем со скоростью разливки со или противоположном. Формирование оболочки слитка происходит за счет теплообмена с водоохлаждаемыми рабочими стенками и далее - с водой. Рабочие стенки установлены в корпусе (6) и крепятся к нему с помощью шпилек.
Тепловые процессы в каждом из участков, соответствующих приведенным выше индексам, на которые в поперечном и продольном сечении условно разделена зона кристаллизатора, могут быть описаны в общем случае дифференциальным уравнением энергии [42]:
Оценка влияния толщины покрытий на температурные поля стенки кристаллизатора
Как видно из анализа температурных полей стенки кристаллизатора, отображённого в предыдущей главе, областью, где может быть достигнута температура рекристаллизации меди, является поверхность медной стенки. Нанесение защитных покрытий вызывает ещё большее увеличение этой температуры, повышая тем самым степень риска отслаивания и частичного разрушения покрытия, что способствует быстрому истиранию медной стенки.
Вторая область, на которую следует обратить внимание, - это поверхность щелевого канала кристаллизатора. При повышенной температуре в этом месте в жидкости, протекающей в пристенном слое в канале, может наблюдаться поверхностное кипение и, как следствие, выпадение солей жёсткости, которые ухудшают теплообмен и снижают эффективность работы кристаллизатора.
При использовании покрытий необходимо учитывать и тенденцию изменения температуры не только на поверхности самого покрытия, но и температуру места стыка покрытия и медной стенки. Увеличение разности этих температур может отрицательно сказаться на состоянии покрытия, его механических свойствах, а также на силе адгезии покрытия и стенки.
Основными причинами, вызывающими повышение температуры поверхности покрытия и усиливающими разность температур покрытия и медной стенки, а также способствующими возникновению поверхностного кипения в щелевом канале являются: 1. Коэффициент теплопроводности материала защитного покрытия; 2. Толщина покрытия; 3. Термическое сопротивление стенки кристаллизатора, которое складывается из таких факторов, как сопротивление теплопроводности материала кристаллизатора; конструктивные характеристики кристаллизатора; сопротивление теплоотдачи к охлаждающей жидкости в щелевом канале, зависящее, главным образом, от скорости движения жидкости в канале и в меньшей степени от её температуры. Кроме всех вышеперечисленных факторов, следует учитывать то, что температура поверхности покрытия, области адгезии покрытия и стенки, поверхности щелевого канала изменяется по высоте кристаллизатора и имеет наибольшее значение в верхней части, где наблюдается максимальная плотность теплового потока. Внизу кристаллизатора по мере снижения плотности теплового потока температура снижается. Таким образом, важную роль играет влияние параметров покрытия и параметров стенки кристаллизатора с нанесённым защитным покрытием по высоте кристаллизатора (т.е. в зависимости от плотности теплового потока) на характер температурных полей.
Необходимо проанализировать, зависит ли рекристаллизация меди и возникновение перепада температур в покрытии, а также поверхностное кипение в щелевом канале от коэффициента теплопроводности покрытия; толщины покрытия; конструктивных характеристик кристаллизатора; конструктивных характеристик покрытия; коэффициента теплоотдачи от стенки к жидкости и, в частности, от скорости течения жидкости; плотности теплового потока.
Для выбора оптимального типа защитных покрытий сначала необходимо определить тип материала, из которого будет изготовлено покрытие. С тепловой точки зрения из теплофизических характеристик материала интерес представляет только коэффициент теплопроводности. Как известно, изменение значений коэффициента теплопроводности влияет на термическое сопротивление стенки и на характер температурных полей. Из температурных полей стенки видно, что наибольшая температура наблюдается на поверхности покрытия. Кроме этого, большое значение имеет зависимость изменения температуры на границе покрытия и стенки кристаллизатора. На рис. 3.1. представлена зависимость изменения температуры поверхности покрытия от коэффициента теплопроводности X.
Видно, что при снижении коэффициента теплопроводности покрытия температура начинает более интенсивно возрастать при Хп = 100 Вт/мК [21]. При приближении значения коэффициента теплопроводности покрытия к коэффициенту теплопроводности меди температура практически не изменяется (расчёт проводился при q=2,0 МВт/м2 ; сп =1 мм; а=20 кВт/м2 К). При коэффициенте теплопроводности, равном 90 Вт/мК и 72 Вт/мК, что соответствует теплопроводности гальванического никеля и хрома, температура поверхности достигает 271 С и 277 С соответственно, т.е. при одинаковой толщине покрытий поверхность хрома разогревается больше на 6 С.
При снижении коэффициента теплопроводности ниже 70 Вт/мК наблюдается ещё большее увеличение температуры поверхности стенки. Для материала покрытия с Х=70 Вт/мК разность температур поверхности покрытия и места адгезии покрытия и медной стенки составляет 29 С. Для материала с А.=60 Вт/мК эта разница - 35 С при толщине покрытия 1 мм. При увеличении толщины до 2,5 мм эта разность температур существенно возрастает и вызывает дополнительные термические напряжения, что накладывает ограничения на толщину покрытий. Поэтому вследствие высокой хрупкости твёрдых покрытий, остаточных напряжений, возникающих при нанесении гальваническим способом, и налагаемых термических напряжений может происходить отслаивание и разрушение покрытий. Оптимальной с точки зрения надёжности для работы кристаллизатора могут считаться материалы с коэффициентом теплопроводности не ниже 70 Вт/мК. Эта область соответствует исследуемым никелевым и хромовым покрытиям.
Также произведены исследования по зависимости коэффициента теплопроводности покрытия от температуры на границе между покрытием и стенкой. Показано, что изменение коэффициента теплопроводности покрытия (расчёт проводился при а=20 кВт/м2К; 7=2,0 МВт/м2; с„=1 мм, Х„=50-140 Вт/(м-К) не влияет на температуру на границе между покрытием и стенкой, при этом ее значение составляет 248 С [23].
Таким образом, можно сделать следующие выводы: уменьшение коэффициента теплопроводности покрытия вызывает повышение температуры поверхности покрытия и не оказывает никакого влияния на температуру стыка покрытия и меди. Исходя из этого, делаем заключение, что тип материала покрытия не может вызвать повышение температуры медной стенки и, соответственно, не может вызвать рекристаллизацию меди. Но, с другой стороны, низкое значение коэффициента теплопроводности материала способствует увеличению разности температур в покрытии, что может привести к его разрушению.
Наиболее часто используемые гальванические покрытия - никель и хром - соответствуют предельно допустимой области значений X, ниже которого значение разности температур достигает критических значений. Поэтому в данной работе исследования ограничиваются только для материалов покрытий - Ni и Сг.
Оценка влияния режима охлаждения и конструктивных характеристик на температурные поля стенки кристаллизатора
В предыдущих главах были определены тепловые и механические ограничения при использовании защитных покрытий. Выяснилось, что однослойное никелевое покрытие обладает хорошей износостойкостью и может наноситься толстым слоем на стенку благодаря схожим величинам теплового расширения с медью. Для обеспечения высокой износостойкости никелевые покрытия должны наноситься толщиной от 1 до 4 мм. Нанесение более толстого слоя никеля не ограничивается разностью тепловых напряжений, однако нецелесообразно ввиду сильного разогрева поверхности, которое может привести к изменению свойств никеля и также появлению дополнительных внутренних напряжений в процессе осаждения, снижающих качество нанесённого осадка. Ультразвуковое хромовое покрытие обладает трехкратным преимуществом перед никелем по износостойкости, однако существенное отличие в тепловых расширениях с медью не позволяет использовать хром большой толщины. Также по технологическим соображениям для сохранения механических свойств осадка и поддержания стабильной работы электролизной ванны толщина хрома ограничивается 1 мм при использовании саморегулирующегося сульфатно-кремнефторидного электролита [105].
Таким образом, однослойные покрытия - как никелевые, так и хромовые - уступают по защитным свойствам двухслойным никель-хромовым покрытиям. Толщина никеля в области высоких тепловых потоков не должна превышать 3 мм из-за возникновения большой разницы в тепловых расширениях на границе "медь-хром". По результатам экспериментов разница тепловых расширений не должна превышать 0,0022, что соответствует толщине никеля 3 мм при плотности теплового потока 2,5 Мвт/м". Толщина же хрома ограничивается 0,1 мм вверху кристаллизатора, в области меньшего механического износа по соображениям экономии и в связи со снижением износостойкости при сильном разогреве. Температура 450 С является верхним пределом использования хромовых покрытий [105]. Температура поверхности покрытия приближается к этому пределу при использовании слоя никеля выше 2,5 мм и слоя хрома выше 0,05 мм в двухслойных покрытиях в области высоких тепловых потоков. Возможно также полное отсутствие хрома в верхней половине кристаллизатора, в случае увеличения толщины прослойки никеля свыше 3 мм. Толщина слоя хрома в нижней половине кристаллизатора ограничивается техническими возможностями нанесения толстых хромовых покрытий без потери механических свойств и составляет 1 мм. На рис. 4.25а. изображена конфигурация никель-хромового покрытия, где толщина прослойки никеля неизменна по высоте кристаллизатора и составляет 2-3 мм, а слой хрома уменьшается по толщине книзу кристаллизатора и составляет 0,05-0,1 мм вверху кристаллизатора и 0,2-1 мм - внизу. На рис. 4.256. показан другой вариант конфигурации никель-хромового покрытия, где толщина прослойки никеля тоже постоянна по высоте кристаллизатора, но составляет 3-4 мм, слой же хрома толщиной 0,2-1 мм нанесён только на нижнюю половину кристаллизатора. Утолщение покрытия книзу кристаллизатора обусловлено усилением механического воздействия затвердевающей корки сляба внизу кристаллизатора. Более тонкий слой вверху объясняется недопущением перегрева поверхности покрытия. Такие покрытия позволят увеличить износостойкость рабочих стенок кристаллизатора в 5-10 раз и довести число плавок без проведения ремонта стенок до 500 - 1000 в зависимости от толщины покрытий и условий работы МНЛЗ. 4.7. Выводы по главе 1. Проведены серии экспериментов по определению износостойкости никелевых и хромовых покрытий. Наиболее износостойкими являются хромовые покрытия, обработанные ультразвуком с частотами в области 20-23 кГц и имеющие твёрдость в районе 1000 HV; 2. При нагреве износ хромовых покрытий увеличивается вследствие снижения твёрдости. Однако при рабочих температурах в кристаллизаторе в области 300 С твёрдость покрытий не снижается ниже 900 НУ, и, таким образом, износостойкость покрытий практически остаётся на одном уровне; 3. Проанализировано влияние теплового расширения покрытия и разности тепловых расширений покрытия и медной стенки на износостойкость покрытий. При увеличении толщины покрытий износостойкость незначительно снижается в области температур 200-300 С. Использование покрытий приводит к повышению температуры стенок и, как следствие, вызывает увеличение термических напряжений из-за разницы в коэффициентах теплового расширения для меди и покрытия. Однако при меньших температурах, которые соответствуют нижней области кристаллизатора, износостойкость покрытий практически не снижается. 4. В области температур до 300 С после механического воздействия отслаивания покрытия не происходит, но при дальнейшем увеличении температуры нагрева свыше температуры начала рекристаллизации и размягчения меди возможно отслаивание покрытия вследствие ослабления сил адгезии между медью и хромом. 5. Наиболее рациональными с учётом всех вышеуказанных факторов являются двухслойные гальванические никель-хромовые покрытия, утолщающиеся книзу кристаллизатора и обработанные ультразвуковыми колебаниями, в которых никель служит в качестве прослойки между хромом и медью. Толщина слоя никеля составляет 2-4 мм по всей высоте кристаллизатора, слоя хрома в верхней части - не более 0,05 мм, в нижней части - до 0,2 - 1 мм. Такие технологии нанесения покрытий позволят увеличить стойкость кристаллизаторов в 5-10 раз.
Похожие диссертации на Совершенствование тепловой работы кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок с защитными покрытиями рабочих стенок
