Тепломассообмен при получении плакированных листовых заготовок литейным методом

Развитие металлопотребляющих отраслей промышленности предопределило значительный рост требований к качеству металлопродукции, улучшению свойств металла. Особенно актуальными становятся задачи продления срока службы металлопродукции, экономии дорогостоящих цветных и легирующих металлов.

Получение многослойных заготовок позволяет использовать главное преимущество плакированного металла — возможность сочетания в нем различных эксплуатационных свойств.

Особенно актуальной на протяжении последних лет является задача получения коррозионностойких плакированных заготовок, которые все шире используются вместо дорогостоящих нержавеющих сталей. В Российской Федерации разработано около 50 сочетаний основного и плакирующего металлов, где в качестве основного слоя используются углеродистые стали, а покрытием служат различные марки легированных сталей.

Существующие операции получения многослойных заготовок (такие как: совместная прокатка, наплавка, диффузионная сварка, электрохимическое нанесение покрытия) позволяют добиться удовлетворительного уровня свариваемости сталей, придать плакированным соединениям необходимые рабочие характеристики.

Однако существующие методы плакирования, как правило, связаны с увеличением затрат на подготовительном этапе производства (например, деформационные способы), сложной обработкой поверхностей контакта заготовки, сборкой составляющих в пакеты и наличием промежуточных слоев из дорогостоящих цветных металлов. Другие технологии (сварка взрывом) позволяют получить многослойные композиции лишь с ограниченными геометрическими размерами. При наплавке, электрохимическом нанесении покрытий заметно увеличивается расход плакирующих составляющих процесса.

Недостатком существующих технологий можно признать и необходимость дальнейшей обработки уже полученных плакированныхзаготовок, так как многослойные композиции, во многих случаях, далеки от требований, предъявляемых к конечным размерам металлопродукта.

Литейные способы плакирования позволяют использовать в качестве основы углеродистую сталь, прошедшую прокатный передел (например, методы непрерывного литья заготовок), а следовательно покрытие может наноситься на заготовки конечных размеров.

Как правило, в таких случаях используется хорошо зарекомендовавшая себя схема: «жидкое — твердое — жидкое», где в качестве подложки используется углеродистая сталь, обеспечивающая прочностные свойства металла, а покрытие наносят расплавом легирующих марок стали, придающих заготовке специальные свойства (коррозионностойкость, жаропрочность и т. д.).

Непрерывные методы плакирования выгодны тем, что в них используются известные технологии производства листовых заготовок (разливка металла на машинах непрерывного литья заготовок, в роликовые водоохлаждаемые кристаллизаторы). Определенными недостатками этих способов являются трудности подвода жидкого металла в кристаллизатор (особенно по схеме «жидкое — твердое — жидкое», где основной слой кристаллизируется между твердыми плакирующими составляющими заготовки) и удержание жидкого металла в области кристаллизации. Методы намораживания жидкого металла на стальную подложку, определенно, упрощают технологическую схему процесса литейного плакирования. Кристаллизация покрытия в этих случаях происходит при перемещении ленты или полосы через емкость с плакирующим расплавом. Таким образом, может осуществляться, как одностороннее, так и двухстороннее нанесение покрытия в результате протекания в объеме сварочной ванны кристаллизационных, диффузионных и иных процессов.

Вне зависимости от способа подвода ленты (вертикальный, горизонтальный), такие технологии позволяют получать многослойные заготовки с тонким слоем покрытия. Однако, использование в качестве составляющих заготовки различных марок стали вызывает определенные трудности, связанные со свариваемостью металлов и стабильностью механических свойств заготовок. Эти трудности возникают по причине отсутствия представлений о теплообменных процессах, происходящих при формировании плакирующего слоя, а также параметрах процесса, при которых обеспечивается хорошая свариваемость плакирующего слоя и полосы-основы и стабильность механических свойств.

Экспериментальному и теоретическому изучению теплообменных процессов при плакировании намораживанием посвящены работы Шестакова Н. И., Гарбера Э. А., Лепехина A.A., Гончарского A.A. и др. опытно-промышленное опробование установки для плакирования, предпринятое коллективом этих авторов, выявило ряд вопросов конструктивного и технологического характера, которые помешали продолжению работы.

Для решения этих вопросов возникает необходимость в более глубоком исследовании закономерностей теплообмена при плакировании полосы методом непрерывного намораживания.

Исследования проводили с использованием опытной ванны с расплавом нержавеющей стали в литейной лаборатории ОАО «Северсталь» и путем испытания плакированных образцов на изгиб, прочность и пластичность, анализа макрои микроструктуры образцов в лабораториях ЧГУ и ОАО «Северсталь».

Теоретические исследования выполняли на кафедре металлургических технологий ЧГУ с помощью разработанной математической модели теплообменных процессов при формировании плакирующего слоя.

Изложенные в диссертации материалы являются результатом исследований, выполненных автором во время обучения в аспирантуре и научно-исследовательской работы на кафедре металлургических технологий в период 1990;2005гг.

Автор пользуется случаем выразить глубокую благодарность доктору технических наук З. К. Кабакову и доктору технических наук Н. И. Шестакову за научное руководство и консультации при выполнении настоящей работы, сотрудникам кафедры «Металлургических технологий» ЧГУ, а также сотрудникам литейной лаборатории ОАО «Северсталь» за помощь при выполнении экспериментальных работ.

Настоящая работа содержит 145 страниц печатного текста, включая 145 страниц текста, 53 рисунка, 10 таблиц и 3 приложения.

Цель работы: экспериментальное и теоретическое исследование тепломассообменных процессов, протекающих при литейном плакировании металлов, и разработка на этой основе методики определения основных технологических и конструктивных параметров установки для плакирования, обеспечивающих получение стабильных и высоких механических свойств получаемых заготовок. Научная новизна работы.

1. Разработано математическое описание тепловых процессов в полосе и расплаве в процессе плакирования, в котором учтены: теплообмен в контакте «полоса — расплав" — свободная конвекция расплава в ваннеиндукционный подогрев расплаватеплообмен между плакированной полосой, извлекаемой из расплава, и мениском расплавапроцессы затвердевания металла полосы и расплава.

2. Разработан метод определения угловых коэффициентов для двумерного случая теплового излучения между поверхностью полосы и мениском расплава. Получены формулы для определения угловых коэффициентов излучения.

3. Определены методом размерностей критерии подобия процесса намораживания и плавления слоя расплава, при которых происходит подогрев полосы до температуры начала затвердевания расплава.

Выполнено обобщение результатов исследования и получена связь между критериями подобия, отражающая внутреннюю сущность процесса. Практическая ценность.

1. Сформулирован косвенный критерий качества плакированной полосы, выполнение которого в процессе плакирования обеспечивает получение полос с удовлетворительным уровнем свариваемости и прочности. Для выполнения критерия качества необходимо плакирование осуществлять с выдержкой, при которой имеет место вторичная кристаллизация плакирующего расплава на полосе.

2. Определена последовательность разработки конструктивных и технологических параметров основных узлов опытно-промышленной установки непрерывного плакирования полосы. Выведена приближенная формула для расчета мощности подогревающего индуктора, обеспечивающей стабильную температуру в процессе плакирования. Разработаны номограммы для определения скорости протягивания полосы через расплав для различной толщины полосы, температуры полосы и температуры расплава.

Методы исследований. Экспериментальные методы изучения динамики намораживания слоя плакирующего металла на полосе, прочностных и пластичных характеристик плакированных полос на машине ЕБ2−2000 и макрои микроструктуры образцов на микроскопе МИМ-7, метод математического моделирования теплообменных процессов в системе «полоса — расплав».

Реализация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также опытная установка для получения плакированных листовых заготовок прошли проверку на ОАО «Северсталь» и переданы для практического использования.

Достоверность полученных результатов и выводов, сделанных на их основе подтверждается проведенными экспериментами и проверкой разработанной математической модели на адекватность. Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— II и Ш международных научных конференциях «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах», Череповец, 1999, 2001 гг.

— Международной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии в теплоэнергетических системах», Вологда, 2001 г.

— IV межвузовской конференции молодых ученых, Череповец, 2003 г.

— Общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука-региону», Вологда, 2003 г.

— IV международной научно-технической конференции, посвященной 120-летию академика И. П. Бардина «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства», Череповец, 2003 г.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

4.3 Выводы по главе.

1. Проведено исследование закономерности формирования тепловых процессов при плакировании полосы и установлены закономерности влияния различных параметров на теплофизические характеристики. Установлено, что процесс получения плакирующего слоя состоит из двух этапов: резкого увеличения толщины покрытия и постепенного оплавления закристаллизовавшегося на полосе слоя металла. С увеличением толщины полосы-основы увеличивается максимальное значение намороженного слоя и общая продолжительность процесса намораживания и плавления. Выявлена закономерность, что максимальная толщина намороженного слоя увеличивается пропорционально увеличению толщины полосы, а продолжительность процесса плакирования — квадрату толщины полосы. Предварительный нагрев полосы в целом не изменяет характер развития процессов намораживания и плавления. С увеличением температуры расплава уменьшается максимальная толщина намороженного слоя, а также время, необходимое для полного расплавления закристаллизовавшегося металла. Выполнена проверка адекватности на основе экспериментальных данных.

2. Разработаны номограммы для определения скорости протягивания полосы через расплав для трех размеров толщины полосы при различных значениях перегрева расплава и температуры предварительного нагрева полосы.

3. Выполнено обобщение результатов исследования на основе выведенных с применением теории размерностей критериев подобия.

4. Получена формула для расчета мощности подогревающего индуктора с учетом потерь тепла расплавом через футеровку и крышку ванны, а также производительности процесса плакирования.

5. Определена последовательность разработки исходных данных к проектированию опытно-исследовательской установки непрерывного плакирования полосы намораживанием.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе выполнено исследование теплообменных процессов при плакировании полосы из низкоуглеродистой стали расплавом из нержавеющей стали методом непрерывного намораживания. В ходе исследования получены следующие результаты:

1. На основе экспериментальных исследований сформулированы представления о закономерностях намораживания расплава из нержавеющей стали 08Х18Н10Т на полосу из стали Ст20. Обнаружено явление вторичной кристаллизации расплава на основе, которое имеет место после плавления первичного намороженного слоя, растворения пленки окислов на поверхности полосы и формирования пленки расплава на полосе при извлечении полосы из расплава.

2. Разработана математическая модель формы мениска жидкости у вертикальной стенки. С помощью модели обоснована возможность образования пленки расплава на значительной высоте поверхности, извлекаемой из расплава полосы. Тем самым доказана возможность вторичной кристаллизации расплава на полосе-основе.

3. Сформулирован косвенный критерий качества плакированной полосы, выполнение которого в процессе плакирования обеспечивает получение плакированных полос с удовлетворительным уровнем свариваемости и прочности. Для выполнения критерия качества необходимо плакирование осуществлять с выдержкой, при которой имеет место вторичная кристаллизация плакирующего расплава на полосе.

4. Разработано математическое описание тепловых процессов в полосе и расплаве в процессе плакирования, в котором учтены:

— теплообмен в контакте «полоса — расплав»;

— свободная конвекция расплава в ванне;

— индукционный подогрев расплава;

— теплообмен между плакированной полосой, извлекаемой из расплава, и мениском расплава;

— процессы затвердевания металла полосы и расплава.

5. При создании математического описания теплообмена между поверхностью полосы и мениском расплава разработан метод определения угловых коэффициентов для двумерного случая излучения. Получены формулы для определения угловых коэффициентов.

6. Разработана компьютерная модель тепловых процессов при плакировании. Выполнено тестирование алгоритмов решения. Проведена проверка адекватности модели на основе результатов экспериментального исследования.

7. На основе компьютерной модели исследованы закономерности процесса намораживания и плавления плакирующего слоя из нержавеющей стали на полосе из низкоуглеродистой стали. Установлено, что процесс намораживания происходит для образцов 0,5 — 2 мм за 1 — 3 с, продолжительность плавления почти на порядок превышает указанное время. Выявлено, что максимальная толщина намороженного слоя увеличивается пропорционально увеличению толщины полосы, а продолжительность намораживания и плавления пропорциональна квадрату толщины. Предварительный нагрев полосы до 200 °C существенно не влияет на характер процесса намораживания и плавления. С увеличением температуры расплава уменьшается максимальная толщина намороженного слоя, а также продолжительность намораживания и плавления слоя.

8. Разработаны номограммы для определения скорости протягивания полосы через расплав для толщины полосы 1 — 3 мм, начальной температуры полосы — 20 — 200 °C и температуры расплава 1500 — 1580 °C.

9. Определены методом размерностей критерии подобия процесса намораживания и плавления слоя расплава, при которых происходит подогрев полосы до температуры начала затвердевания расплава. Выполнено обобщение результатов исследования и получена связь между критериями подобия, отражающая внутреннюю сущность процесса.

10.Выведена формула для расчета мощности подогревающего индуктора, обеспечивающей стабильную температуру расплава в процессе плакирования.

11 .Определена последовательность разработки конструктивных и технологических параметров основных узлов опытно-промышленной установки непрерывного плакирования полосы.