Повышение износостойкости воздушных фурм доменных печей путем создания защитного алюминиевого газотермического покрытия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Самедов, Эльдар Мехраджевич

• Самедов, Эльдар Мехраджевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Самедов, Эльдар Мехраджевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ причин замены и способов повышения стойкости воздушных фурм доменных печей

1.1. Основные причины замены воздушных фурм

1.2. Способы повышения стойкости воздушных фурм по износу

1.3. Использование электродуговой металлизации для создания защитного слоя на воздушных фурмах

1.4. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. Исследование свойств поверхностного слоя на меди, получаемого путем нанесения и термообработки алюминиевого газотермического покрытия

2.1. Подготовка образцов для исследований

2.2. Изучение структуры и элементного состава медно-алюминиевого диффузионного слоя

2.3. Прочность сцепления алюминиевого покрытия с медной основой

2.4. Измерение толщины и твердости диффузионного слоя

2.5. Оценка износостойкости диффузионного слоя

2.6. Оценка жаростойкости диффузионного слоя

2.7. Определение теплопроводности диффузионного слоя

2.8. Выводы по главе

ГЛАВА 3. Методики расчета толщины диффузионного слоя и тепловых потерь через воздушные фурмы 3.1. Методика расчета толщины диффузионного слоя

3.2. Решение уравнения теплопроводности

3.3. Оценка влияния покрытия на снижение тепловых потерь через воздушные фурмы

3.4. Оценка влияния покрытия на снижение расхода кокса по расчету тепловых потерь через температуру охлаждающей воды

3.5. Оценка влияния покрытия на снижение расхода кокса по расчету тепловых потерь через температуру горячего дутья

3.6. Расчет тепловых потерь через воздушные фурмы и экономии кокса на ДП-5 ОАО «Северсталь»

3.7. Выводы по главе

ГЛАВА 4. Технология создания защитного слоя на воздушных фурмах с использованием алюминиевого газотермического покрытия

4.1. Напыление опытной партии фурм с использованием электродугового метода

4.2. Исследование влияния покрытия на стойкость воздушных фурм в условиях печи №5 ОАО «Северсталь»

4.3. Разработка технологии создания износостойкого и жаростойкого слоя на поверхности воздушных фурм с использованием алюминиевого покрытия

4.4. Исследование тепловых потерь через стенки воздушных фурм

4.5. Расчёт ожидаемого экономического эффекта для ДП №5 ОАО «Северсталь»

4.6. Выводы по главе

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение износостойкости воздушных фурм доменных печей путем создания защитного алюминиевого газотермического покрытия»

Воздушные фурмы доменных печей (рисунок 1) являются одним из важнейших элементов конструкции доменной печи, определяющих эффективность ее работы; выход фурм из строя влечет за собой необходимость остановки печи для замены разрушенной фурмы. Простои печи по этой причине приводят к существенному снижению выплавки чугуна и увеличению расхода кокса.

Основными причинами выхода воздушных фурм доменных печей из строя являются износ и прогар рыльной части, трещины по сварке и износ наружного стакана.

Износ наружного стакана является наиболее предсказуемой причиной замены фурм и возникает в зависимости от объема печи и условий ее работы через 3—6 месяцев их эксплуатации. Фурмы, находясь в зоне максимальных температур, подвергаются непрерывному истирающему действию шихтовых материалов, приводящему к их износу.

Износ рыльной части и наружного стакана определяется износостойкостью поверхностного слоя фурмы.

Существующие методы повышения стойкости воздушных фурм по износу не дали существенных результатов. Перспективным методом повышения стойкости является нанесение газотермических покрытий (ГТП). Однако существующие решения не позволяют эффективно решить эту задачу по причине отслоения покрытия. Поэтому создание защитного слоя на поверхности воздушных фурм доменных печей, имеющего высокие эксплуатационные свойства, представляет собой актуальную научную и практическую задачу.

В связи с этим для уменьшения абразивного износа предлагается создание на поверхности медной фурмы жаростойкого, износостойкого слоя путем нанесения на нее газотермического покрытия (ГТП) и последующей его термообработки. В качестве напыляемого материала можно использовать

Рисунок 1 - Воздушная доменная фурма (сварная): 1 - рыльная часть, 2 - наружный стакан, 3 - внутренний стакан, 4 - фланец, 5 - сварные швы, 6 - колено алюминий, а в качестве термообработки - диффузионный отжиг. При диффузионном отжиге происходит диффузия алюминия в медь, что позволяет повысить прочность сцепления между покрытием и основным материалом (адгезия) и получить слой, обладающий стойкостью к высокотемпературному окислению (жаростойкостью) и высокой износостойкостью. Для напыления предлагается использовать метод электродуговой металлизации, а в качестве исходного материала для напыления - алюминиевую проволоку, содержащую не менее 99 % AI.

В процессе выполнения работы получены результаты, научная новизна которых заключается в следующем.

1 .Установлено, что в результате электродуговой металлизации и последующей термообработки газотермического алюминиевого покрытия на поверхности воздушных фурм доменных печей образуется медно-алюминиевый диффузионный слой, обладающий высокими эксплуатационными свойствами.

2. Установлено, что максимальная толщина диффузионного слоя определяется толщиной наносимого покрытия и превышает ее не более чем на 30%.

3. Показано, что термообработка медно-алюминиевого диффузионного слоя при отсутствии свободного алюминия на поверхности меди приводит к увеличению его износостойкости за счет снижения содержания хрупкой у2-фазы в эвтектоиде а+у2, составляющем основную часть диффузионного слоя.

4. Определены значения параметров, пропорциональных коэффициентам диффузии при различных режимах термообработки для системы «медь - алюминиевое газотермическое покрытие».

5. Разработана методика расчета толщины медно-алюминиевого диффузионного слоя, основанная на использовании экспериментально определенных параметров диффузии.

Практическая значимость работы состоит в следующем.

1. Даны рекомендации по созданию защитного диффузионного слоя на поверхности воздушных фурм, который по сравнению с медью имеет: твердость в 1,5-2,0 раза выше, износостойкость в 3,5-6,0 раз выше, жаростойкость в 4,0 раза выше и теплопроводность в 14 раз ниже.

2. Показано что стойкость воздушных фурм с медно-алюминиевым диффузионным слоем по износу наружного стакана выше стойкости фурм без покрытия не менее чем на 28%.

3. Установлено, что воздушные фурмы с медно-алюминиевым диффузионным слоем в течение всего периода эксплуатации обеспечивают снижение тепловых потерь по сравнению с фурмами без покрытия не менее чем на 2%.

4. Разработана технология создания на поверхности воздушных фурм защитного слоя путем нанесения и последующей термообработки алюминиевого газотермического покрытия. Технология прошла промышленную проверку на ОАО "Северсталь".

Данная диссертация является составной частью комплекса научно-исследовательских работ, выполненных в Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) в научно-исследовательской лаборатории процессов пластической деформации и упрочнения и на кафедре машин и агрегатов металлургических предприятий в соответствии с планами хоздоговорных и госбюджетных работ единого заказ-наряда и по конкурсу грантов в области фундаментальных проблем металлургии и машиностроения.

Основные результаты и положения диссертации доложены на 61-ой и 62-ой научных конференциях студентов и аспирантов МИСиС (Москва, 2006-2007 гг.), на третьей конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века» (Москва, 2007г.), объединенном научном семинаре кафедры МАМП и лаборатории ППДиУ МИСиС (Москва, 2006-2007 г.).

Основное содержание работы отражено в 6 опубликованных работах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 97 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 10 таблиц. Библиографический список включает 41 наименование.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Самедов, Эльдар Мехраджевич

89 Выводы

1. Показана эффективность применения метода электродуговой металлизации при нанесении и последующей термообработке газотермического покрытия для создания диффузионного слоя на поверхности воздушных фурм доменных печей, обладающего высокими эксплуатационными свойствами.

2. Установлено, что максимальная толщина диффузионного слоя определяется толщиной наносимого покрытия и превышает ее не более чем на 30%.

3. Показано, что термообработка медно-алюминиевого диффузионного слоя при отсутствии свободного алюминия на поверхности меди приводит к увеличению его износостойкости за счет снижения содержания хрупкой у2-фазы в эвтектоиде а+у2, составляющем основную часть диффузионного слоя.

4. Разработана методика расчета толщины медно-алюминиевого диффузионного слоя, включающая определение параметра, пропорционального коэффициенту диффузии, значения которого определены при различных режимах термообработки для системы «медь-алюминиевое газотермическое покрытие».

5. Предложен защитный медно-алюминиевый диффузионный слой на поверхности воздушных фурм, который по сравнению с медью имеет: твердость в 1,5-2,0 раза выше, износостойкость в 3,5-6,0 раз выше, жаростойкость в 4,0 раза выше и теплопроводность в 14 раз ниже.

6. В результате использования воздушных фурм с медно-алюминиевым диффузионным слоем полностью устранен износ рыльной части со стороны дутьевого канала, а износостойкость наружного стакана увеличилась не менее чем на 28% по сравнению с фурмами без покрытия.

7. Показано, что фурмы с медно-алюминиевым диффузионным слоем обеспечивают снижение тепловых потерь по сравнению с фурмами без покрытия не менее чем на 2%.

8. Разработана технология создания на поверхности воздушных фурм защитного слоя путем нанесения алюминиевого газотермического покрытия и термообработки. Технология прошла промышленную проверку на ОАО "Северсталь".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Самедов, Эльдар Мехраджевич, 2007 год

1. Андоньев С.М., Филипьев И.В., КудиновВ.Н. Охлаждение доменных печей. М.: Металлургия, 1972.

2. Повышение стойкости воздушных фурм доменных печей / В.В. Бочка, Е.Г. Донсков, Е.В. Дорош и др. // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация», -М., -2003. -№9. -С.21-24.

3. Пат. 2233338 РФ, С21В7/16. Дутьевая фурма для доменных печей и способ ее изготовления / JI.A. Зайнуллин, В.В. Филиппов, B.C. Рудин, С.В. Филатов и др. (РФ). -№2002131110/02; заявлено 18.11.02; опубл. 27.04.04.

4. А.С. СССР №576341, МПК С 21 В 7/16,1976.

5. Патент Японии N 1683-48, кл. 10 А 523,1973.

6. А.С. СССР №798178, МПК С 21 В 7/16,1979.

7. Правила безопасности в газовом хозяйстве предприятий черной металлургии, ПБГЧМ-86, Москва: Металлургия, 1987.

8. Пат. №2124054 РФ, МКИ С21В7/16. Дутьевая фурма доменной печи / В.В. Капнин, Ю.И. Ларин, А.Н. Корышев и др. (РФ). №97116591/02; заявлено 06.10.97; опубл. 27.12.98.

9. Хокинг Н., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия. Получение, свойства и применение. Пер. с англ. Лазарева ЭЛ., Симакова С.В.; Под ред. Р.А. Андриевского. М.: Мир, 2000.

10. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. Пер с яп. В.Н. Попова; Под ред. B.C. Степина, Н.Н. Шестеринкина. М.: Машиностроение, 1985. -240 с.

11. Плазменное напыление дутьевых фурм доменных печей // Автоматическая сварка. -1988. №1. -С.54-55.

12. Пат. №2235789 РФ, МКИ С21В7/16. Дутьевая фурма доменной печи и способ нанесения защитного покрытия на дутьевую фурму доменнойпечи / А.Г. Маншилин, Е.Н. Складановский, В.И. Нецветов и др. (РФ). -№2002129285/02; заявлено 6.11.02; опубл. 10.09.04.

13. Повышение стойкости воздушных фурм / А.А. Антонов, В.П. Горбачев, С.Ф. Бугаев и др. // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинфор-мация», -М, -1990. -№7. -С.47-48.

14. Повышение стойкости доменных фурм путем газотермического напыления / А.Г. Радюк, А.Е. Титлянов, А.Г. Якоев и др. // Сталь. -2002. -№6.-С. 11-12.

15. Стеблянко В.Л., Ситников И.В. Подготовка поверхности металлических компонентов при производстве композиционных материалов. Магнитогорск: МГМИН, 1989. 99 с.

16. Окисление металлов. Т1/ Под ред. Ж. Бенара. -М.: Металлургия, 1968. -499 с.

17. Рыкалин Н.Н., Шоршоров М.Х. Физические и химические проблемы соединения разнородных материалов.// Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1965. №1 С. 29-36.

18. Повышение качества поверхности и плакирование металлов. Справочник. / Под ред. А. Кнаушера, -М.: Металлургия, 1984. 462 с.

19. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. -М.: Машиностроение, 1966. -432 с.

20. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. -М.: Металлургия, 1992. -432 с.

21. Гордеева JT.T., Вавиловская Н.Г., Григорян Г.В. Окисление меди при высоких температурах и повышение ее жаростойкости алитированием // Защитные покрытия на металлах. -Киев: Наукова Думка, 1967. -Вып.1. -С.111-114.

22. Вавиловская Н.Г., Тимонина Л.Г. Окалиностойкость и сопротивление истиранию меди, диффузионно насыщенной алюминием, никелем,цирконием // Защитные покрытия на металлах. -Киев: Наукова Думка, 1971. -Вып.5. -С. 177-179.

23. Баранова J1.В., Демина Э.Л. Металлографическое травление металлов. Справочник. -М.: Металлургия, 1986.

24. Радюк А.Г., Титлянов А.Е., Самедов Э.М. Свойства поверхностного слоя на меди, образующегося после нанесения и термообработки алюминиевого газотермического покрытия // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. -2007. -№3.-С.70-74.

25. Radyuk A.G., Titlyanov А.Е., and Samedov E.M. Properties of the surface layer on copper formed after deposition and thermal treatment of aluminum gas-thermal coating // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. -2007. -Vol.48. -No.3. -pp.227-230.

26. КолачевБ.А., Елагин В.И., Ливанов B.A. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСиС, 1999.

27. Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов. -М.: Металлургия, 1974.

28. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчётов на трение и износ. -М.: Машиностроение, 1977. -526 С.

29. Бородулин А.В., Васильев А.П., Глущенко Е.Л. и др. Тр. 2-ой международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии». Москва. 3-5 декабря 2002г.-С.424-426.

30. Электрические и эмиссионные свойства сплавов / Е.М. Савицкий, И.В. Буров, С.В. Пирогова и др. -М.: Наука, 1978. -296 С.

31. Николаев А.К. // Цветные металлы. -1983. -№12. -С.51-55.

32. Рябов В.Р. Алитирование стали. -М.: Металлургия, 1973. -239 С.

33. Титлянов А.Е., Радюк А.Г. Исследование температурных полей при получении стальной полосы с алюминиевым покрытием / МИСиС. -М., 1985. -16 С. -Деп. в Черметинформации 11.10.85, №3135.

34. Титлянов А.Е., Радюк А.Г. Исследование температурного поля при нагреве стальной полосы с алюминиевым покрытием / МИСиС. -М., 1987. -31 С. -Деп. в Черметинформации 10.08.87, №4126.

35. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики для вузов. -М.: Наука, 1970. -669 С.

36. Справочник по теплопередаче / С.С. Кутателадзе, В.М. Борищан-ский. —JI. -М.: Госэнергоиздат, 1959. -414 С.

37. Прядко В.М., Котов К.И., Магала B.C. Фурменные приборы, футерованные бетонами. -М.: Металлургия, 1970. -97 С.

38. Самедов Э.М. Исследование тепловых потерь через воздушные фурмы с алюминиевым газотермическим покрытием // 62-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции. -М., 2007. -С.204.

39. Совершенствование работы воздушных фурм доменных печей путем нанесения газотермических покрытий / В.Н. Логинов, А.Г. Радюк, М.Ю. Суханов, М.М. Каримов, Э.М. Самедов // Сталь. -2007. -№3. -С. 11-12.

40. Самедов Э.М. Повышение стойкости воздушных фурм доменных печей алитированием // Сборник трудов 3-й международной конференции молодых специалистов «Металлургия XXI века». -М.: ВНИИМЕТМАШ им. акад. А.И. Целикова, 2007. -С.42-47.