Автореферат выпускной работы магистра Селезнева А.Г.:
"Исследование условий налипания окалины на опорные ролики МНЛЗ"
Введение:
Развитие теории и практики непрерывной разливки стали, требует углубленного изучения процессов, происходящих на поверхностях контакта между поддерживающими роликами и непрерывнолитой заготовки в зоне вторичного охлаждения. В процессе непрерывной разливки на контактных поверхностях в большинстве случаев присутствует прослойка окалины, свойства которой во многом определяют трение и теплообмен на контакте, а, следовательно, и распределение перемещения и деформацию окалины. При определенных условиях прочность окалины превышает прочность твердой корочки разливаемого металла, что приводит к вдавливанию окалины в тело заготовки и деформации ее поверхности.
Ролики МНЛЗ работают в условиях циклического температурного нагрева, обусловленного контактной теплопередачей и излучением с поверхности заготовки. В процессе деформирования окалины в зоне вторичного охлаждения происходит ее частичное налипание на поверхность поддерживающего ролика, что следует рассматривать как следствие изменения теплопередачи и теплового эффекта. Прослойка окалины на контактных поверхностях существенно влияет на тепловой режим работы ролика, создавая дополнительное термическое сопротивление между роликом и заготовкой. Кроме того, циклический нагрев поддерживающих роликов приводит к их повышенному износу и разрушению.
Оценка влияния термического сопротивления контактного слоя заготовка-окалина-ролик на распределение температуры по опытным данным связана с проведением многочисленных экспериментов и значительно осложнена зависимостью процесса теплопередачи от времени контакта.
Для разработки рациональных технологических процессов разливки с учетом этих нежелательных явлений необходимо иметь четкое представление о распределении температур в системе «ролик – заготовка», составе окалины, образующейся на поверхности заготовки с учетом попаданию в нее определенного количества шлакообразующей смеси.
Целью настоящей научно-исследовательской работы является исследования условий прилипания («наматывания») окалины на поддерживающие ролики в зоне вторичного охлаждения и определение условий обеспечения физической целостности окалины на поверхности непрерывнолитой заготовки в процессе ее отливки на МНЛЗ, путем предотвращения эффекта «наматывания» окалины роликами МНЛЗ.
УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОКАЛИНЫ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ И ОХЛАЖДЕНИИ ЗАГОТОВКИ
Формирование окалины и ее удаление при непрерывной разливке наблюдается в зоне вторичного охлаждения и в зоне холодильника. В кристаллизаторе поверхность заготовки формируется в условиях хорошей защиты от окисления - как доказательство можно рассматривать светлый внешний вид твердой корочки, получаемой при прорывах. Слой окалины и пластинки окалины, формирующиеся под кристаллизатором, многократно растрескиваются в процессе продвижения заготовки. Такие частицы (кусочки) окалины собираются в отводящих каналах и попадают в отстойники.
Рост окалины, которая накапливается на поверхности металла в процессе воздействия на него окислителя, непосредственно связан со скоростью самого процесса окисления. Скорость гетерогенной реакции процесса окисления определяется не столько скоростью реакции химического взаимодействия компонентов, сколько диффузией через окисный слой и реакциями на границах фаз. Наиболее медленные стадии окисления, которые лимитируют скорость процесса обобщены и широко известны:
1. Реакции на границах фаз: химическая адсорбция неметаллической молекулы при одновременном электронном обмене, диссоциация молекулы с одной стороны и переход металла из металлической фазы в виде ионов и электронов в слой окалины, взаимодействие, образование зародышей и рост кристаллов.
2. Диффузия: перенос катионов, анионов и электронов через слой окси-дов, усложняющийся из-за химического и электрохимического (диффузионного) градиентов потенциала в окисных слоях.
3. Явления переноса: преобладают в диффузионном двойном электрическом слое при наличии тонких оксидных пленок особенно при низких температурах.
Основные факторы, влияющие на характер образования окалины
1.Тепловое состояние роликов
2.Влияние шлакообразующей смеси находящейся в окалине
В кристаллизаторе поверхность заготовки формируется в условиях хорошей защиты от окисления - как доказательство можно рассматривать светлый внешний вид твердой корочки, получаемой при прорывах. Между тем в кристаллизаторе на поверхности заготовки образуется некоторый слой шлакообразующей смеси (шлака), который затем сохраняется на поверхности в зоне вторичного охлаждения. Толщина слоя шлакообразующей смеси зависит от целого ряда параметров: скорости разливки, геометрической формы заготовки, физико-химических свойств смеси (температура плавления и размягчения, вязкость в области температур литья и пр.). В процессе движения по зоне вторичного охлаждения часть шлакообразующая смесь растрескивается и частично сбивается водой с поверхности заготовки.
Рост окалины, состоящей в нелегированных сталях преимущественно из вюстита с малыми добавками магнетита (Fe3O4) и гематита (Fe2O3), на поверхности заготовки сопровождается ее растрескиванием по мере продвижения заготовки и фактически приводит к тому, что на поверхности заготовки образуются локальные участки, покрытые слоем окалины, в котором присутствует определенное количество шлакообразующей смеси.
Колебания температуры окалины, связанные с цикличным опрыскиванием водой в зоне вторичного охлаждения, вызывают поверхностные напряжения, приводящие к частичному разрушению окалины и ее удалению с поверхности заготовки. Между тем, при наличии смеси окалины и шлака, последний может присутствовать в размягченном виде, что, по сути, способствует упрочнению слоя окалины за счет повышения его пластичности и степени прилипания к поверхности заготовки.
Таким образом, на поверхности непрерывнолитой заготовки могут образовываться участки, покрытые слоем окалины с вкраплениями шлака. Эти участки имеют несколько другие прочностные свойства, чем классический слой окалины, образующийся на поверхности заготовки при вторичном окислении. В первую очередь это относится к прочности окалины и ее склонности к прилипанию к поверхности металла.
По мере продвижения заготовки в зоне вторичного охлаждения происходит наращивание слоя окалины на поверхности заготовки. Поэтому в зоне разгиба заготовки накапливается достаточно толстый слой окалины (несколько миллиметров), который под действием растягивающих (малый радиус) и сжимающих (большой радиус) дополнительно растрескивается и разупрочняется. На горизонтальном участке окалина, расположенная на верхней грани заготовки, практически не удаляется, продолжая утолщаться. При этом в зоне воздушного охлаждения заготовки создаются условия для недостаточно интенсивного охлаждения поддерживающих роликов (накопление накипи во внутренней полости водоохлаждаемых роликов), что фактически обусловливает температуру поверхности роликов по линии контакта со слябом на уровне 650-700оС и более. Такая температура поверхности роликов оказывается достаточной для проявления эффекта прилипания окалины к их поверхности, что собственно подтверждается внешним видом поверхности образцов окалины, отобранных непосредственно с ролик ов (поверхность «пузырчатая» негладкая).
Процесс «наматывания» окалины роликами слябовой МНЛЗ связывают с нарушением нормального протекания процесса отвода тепла охлаждающей жидкостью от поверхности бочки ролика. Изменение расчетного баланса тепла, отдаваемого заготовкой бочке ролика и отводимого от него водой, обусловлено недостаточным секундным расходом охладителя и снижением коэффициента теплоотдачи вследствие появления слоя окалины на поверхности внутренней полости ролика.
Выводы
1. При наличии смеси окалины и шлака, шлак может присутствовать в размягченном виде, что способствует упрочнению слоя окалины за счет повышения его пластичности и степени прилипания к поверхности заготовки.
2. В зоне воздушного охлаждения заготовки из-за накопления накипи создаются условия для недостаточно интенсивного охлаждения поддерживающих роликов, что обусловливает температуру поверхности роликов по линии контакта со слябом на уровне 650-700оС и более. Даная температура поверхности роликов достаточна для проявления эффекта прилипания окалины к поверхности.
3. Усиление эффекта прилипания окалины к поддерживающим роликам, происходит при смещении позиции ролика относительно номинальной точки.
4. Установка над роликом форсунки, подающей на его поверхность охлаждающую воду в виде плоской дисперсной струи позволила исключить эффект «наматывания» окалины как при разливке на рабочей скорости, так и при нестационарных режимах разливки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Архаров В.И. Окисление металлов при высоких температурах. – Свердловск-М.: Металлургиздат, 1945. - 171с
2. Северденко В.П., Макушок Е.М., Раввин А.Н. Окалина при горячей обработке металлов давлением. – М.: Металлургия, 1977. – 208с.
3. Окисление металлов / Под ред. Ж.Бенара: Пер. с франц. – М.: Металлургия, 1969. – Т.2. – 447с.
4. Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности: Пер. с нем. – М.: Изд-во иностр. литературы, 1963. – Т.2. – 276с.
5. Кофстад П. Высокотемпературное окисление металлов. – М.: Мир, 1969. – 392с.
6. Wolf M.M. Scale formation and descaling in continuous casting and hot rolling // Iron and SteelMaker. - 2000. – No.2. – P.65-66.
7. Казанцев Е.И. Теоретические основы технологии и усовершенствования нагрева слитков перед прокаткой: Автореф. дис. … д-ра. техн. наук: 05.16.02. – Днепропетровск, 1968. – 42с.
8. Лебедев А.Н. Разработка режимов тепловой обработки стали для уменьшения угара и повышения качества металла: Автореф. дис. … канд. техн. наук:05.16.02. – Донецк, 1987. – 24с.
9. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов. – М.: Машгиз, 1962. – 420с.
10. Высокотемпературное окисление металлов и сплавов / Францевич И.Н. и др. – К.: Гостехиздат УССР, 1963. – 322с.
11. Тихомиров В.И. К теории скорости окисления железа и железных сплавов при высокой температуре // Ученые записки ЛГУ. Сер. хим. наук. –1954. - №
12. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. – М.: Металлургия, 1976. – 472с.
13. Тылкин М.Л. Коррозионная стойкость сталей, применяемых для деталей металлургического оборудования // Изв. Вузов. Чер. металлургия. – 1966. - №8. – С. 141-145.
14. Grabke H.J. Fundamentals of scale formation // Metallurgy of iron. – Germany. - 1997. – P.60-97.
15. Wolf M.M. Scale formation and descaling in continuous casting and hot rolling // Iron and SteelMaker. - 2000. – No.3. – P.69-71.
16. Wolf M.M. Scale formation and descaling in continuous casting and hot rolling // Iron and SteelMaker. - 2000. – No.4. – P.58-61.
17. Бекетов Б.И. Исследование влияния легирующих элементов на характер и кинетику процесса высокотемпературного окисления и разработка ферритной стали, жаростойкой до 11000С: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – М., 1971. – 24с.
18. Казанцев Е.И., Лебедев А.Н. Исследование химического состава и температур плавления окалины // Изв. Вузов. Черная металлургия. – 1986. - №10. – С.153-154.
19. Окисление и обезуглероживание стали / Под ред. А.И. Ващенко. – М.: Металлургия, 1972. – 336с.
20. Самарский А.А., Гулин В.А. Численные методы. – М.: Наука, 1989. – 432с.
21. Thomas B/G/ The importance of numerical simulatios for further improvements of the CC process // Innovation ession (Linz, Austria, June 2000)/ -Linz, 2000. – Paper №7/ - P.1-11.
22. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416с.
23. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. – М.: Мир, 1983. – 512с.
24. Гребер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. Пер. с англ. М.. Изд-во иностр.лит., 1958.
25. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Пер. с англ. М., Наука, 1964.
ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ | Библиотека | Отчет о поиске