Исследование влияния вязкости защитных покрытий заготовок перед прокатом, на процессы уменьшения окалинообразования (Старооскольский технологический институт)
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОКИСЛЕНИЯ И ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ МЕТАЛЛА. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ КАК ОСНОВНОЙ СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ УГАРА ПРИ НАГРЕВЕ ЗАГОТОВКИ 7
1.1 Нагрев металла 7
1.2 Явления, происходящие в металле при нагреве 9
1.3 Окисление и обезуглероживание стали при нагреве 19
1.4 Применение защитных технологических покрытий 24
1.5 Вывод 29
ГЛАВА 2 ВЯЗКОСТЬ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ И РАСЧЕТА; ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЯЗКОСТЬ 31
2.1 Понятие вязкости, единицы измерения 31
2.2 Физическая классификация сред 34
2.3 Основные методы вискозиметрии 39
2.3.1 Капиллярная вискозиметрия 39
2.3.2 Метод падающего шарика вискозиметрии 42
2.3.3 Ротационный метод вискозиметрии 43
2.3.4 Вибровискозиметр 45
2.3.5 Вискозиметр условного истечения 46
2.4 Уравнение Френкеля-Андраде 47
2.5 Влияние вязкости на использование защитных технологических покрытий 48
2.5.1 Зависимость вязкости от температуры и давления 48
2.5.2 Влияние на вязкость природы жидкостей 50
2.5.3 Влияние фракционного состава на вязкости покрытия 51
2.5.4 Связь между текучестью и вязкостью. Факторы, влияющие на показатель текучести 52
2.6 Вывод 55
ГЛАВА 3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЯЗКОСТИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ЗАЩИТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ 56
3.1. Подготовка защитного технологического покрытия 56
3.2 Прибор для определения и измерения вязкости защитного технологического покрытия 60
3.3 Методика проведения экспериментов по определению коэффициентов вязкости и текучести защитного технологического покрытия 61
3.4 Расчет коэффициентов вязкости и текучести защитных технологических покрытий по результатам экспериментов 64
3.5 Определение коэффициентов вязкости и текучести через уравнение Уббелоде 66
3.6 Определение коэффициентов вязкости и текучести через уравнение НИУ им. И.М. Губкина 66
3.7 Сравнительный анализ 67
3.8 Вывод 70
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЯЗКОСТИ И ТЕКУЧЕСТИ ПОКРЫТИЙ НА ОКАЛИНООБРАЗОВАНИЕ 71
4.1 Методика проведения экспериментов и расчета количества окалины при окислении стали 71
4.2 Проведение экспериментов по исследованию окалинообразования и результаты 74
4.2.1 Результаты экспериментов первого и второго покрытий 76
4.2.2 Анализ результатов, полученных в ходе экспериментов 80
4.3 Вывод 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 87
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОКИСЛЕНИЯ И ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ МЕТАЛЛА. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ КАК ОСНОВНОЙ СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ УГАРА ПРИ НАГРЕВЕ ЗАГОТОВКИ 7
1.1 Нагрев металла 7
1.2 Явления, происходящие в металле при нагреве 9
1.3 Окисление и обезуглероживание стали при нагреве 19
1.4 Применение защитных технологических покрытий 24
1.5 Вывод 29
ГЛАВА 2 ВЯЗКОСТЬ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ И РАСЧЕТА; ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЯЗКОСТЬ 31
2.1 Понятие вязкости, единицы измерения 31
2.2 Физическая классификация сред 34
2.3 Основные методы вискозиметрии 39
2.3.1 Капиллярная вискозиметрия 39
2.3.2 Метод падающего шарика вискозиметрии 42
2.3.3 Ротационный метод вискозиметрии 43
2.3.4 Вибровискозиметр 45
2.3.5 Вискозиметр условного истечения 46
2.4 Уравнение Френкеля-Андраде 47
2.5 Влияние вязкости на использование защитных технологических покрытий 48
2.5.1 Зависимость вязкости от температуры и давления 48
2.5.2 Влияние на вязкость природы жидкостей 50
2.5.3 Влияние фракционного состава на вязкости покрытия 51
2.5.4 Связь между текучестью и вязкостью. Факторы, влияющие на показатель текучести 52
2.6 Вывод 55
ГЛАВА 3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЯЗКОСТИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ЗАЩИТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ 56
3.1. Подготовка защитного технологического покрытия 56
3.2 Прибор для определения и измерения вязкости защитного технологического покрытия 60
3.3 Методика проведения экспериментов по определению коэффициентов вязкости и текучести защитного технологического покрытия 61
3.4 Расчет коэффициентов вязкости и текучести защитных технологических покрытий по результатам экспериментов 64
3.5 Определение коэффициентов вязкости и текучести через уравнение Уббелоде 66
3.6 Определение коэффициентов вязкости и текучести через уравнение НИУ им. И.М. Губкина 66
3.7 Сравнительный анализ 67
3.8 Вывод 70
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЯЗКОСТИ И ТЕКУЧЕСТИ ПОКРЫТИЙ НА ОКАЛИНООБРАЗОВАНИЕ 71
4.1 Методика проведения экспериментов и расчета количества окалины при окислении стали 71
4.2 Проведение экспериментов по исследованию окалинообразования и результаты 74
4.2.1 Результаты экспериментов первого и второго покрытий 76
4.2.2 Анализ результатов, полученных в ходе экспериментов 80
4.3 Вывод 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 87
Актуальность темы исследований и степень ее разработанности. Основным видом брака при нагреве металла является окалина, так как она приводит к безвозвратным потерям металла. Попадая в листовую поверхность, она способствует образованию дефектов на поверхности заготовки, ухудшает её качество в целом, при этом увеличивая трудозатраты на зачистку. Стоит еще отметить, что неудаленная с поверхности окалина обладает высокой твёрдостью, а это уже оказывает влияние на скорость изнашивания валков.
Разработке способов борьбы с окалинообразованием при технологических операциях нагрева уделяют большое внимание. Известны и используются различные мероприятия, предназначенные для этой цели. Чтобы уменьшить образование окалины и обезуглероживание, можно применять нагрев в защитной атмосфере, высокоскоростной нагрев, различные покрытия и кратковременные покрытия, наносимые на заготовки перед нагревом. Покрытия могут не только защитить металл от образования окалины, обезуглероживания и насыщения газами, но также могут уменьшить силу деформации и нагрев деформирующего инструмента, помогают облегчить пластическое течение металла при обработке давлением.
Наиболее простым способом в применении является использование высокотемпературных защитных покрытий, которые перед нагревом наносятся непосредственно на металлические заготовки или изделия в виде защитных обмазок. Одним из основных показателей эффективности покрытия является вязкость и текучесть, но несмотря на свою важность, влияние этих коэффициентов на защитные свойства покрытия еще мало изучено. Поэтому целью данной работы является исследование угара металла в зависимости от покрытия с разной вязкостью и текучестью.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести теоретическое исследование по вопросу окисления металла, изучить способы снижения окисления при высокотемпературном нагреве, выбрать оптимальный;
2. Провести теоретическое исследование влияния вязкости и текучести защитных технологических покрытий на окалинообразование;
3. Разработать методики исследования вязкости и текучести покрытий на окалинообразование;
4. Провести эксперименты по влиянию вязкости и текучести покрытий на окалинообразование и их анализ.
Научная новизна полученных результатов
1. Определен оптимальный состав защитного технологического покрытия;
2. Определен оптимальный способ измерения коэффициента вязкости;
3. Определена зависимость роста окалинообразования от коэффициента вязкости и текучести защитного технологического покрытия;
4. Определены оптимальные коэффициенты вязкости и текучести для защитного технологического покрытия.
Объект исследования. Объектом исследования являются защитные технологические покрытия для уменьшения окалинообразования.
Предмет исследования. Предметом исследования являются свойства защитных технологических покрытий, влияющие на снижение окалинообразования, такие как вязкость и текучесть.
Практическая значимость:
Заключается в определении значений коэффициентов вязкости и текучести применяемых покрытий стали перед высокотемпературным нагревом, позволяющих снижать угар.
На защиту выносятся:
1. Результаты лабораторных испытаний, разработанных защитных технологических покрытий;
2. Результаты исследований по зависимости роста окалинообразования от вязкости и текучести защитного технологического покрытия.
Разработке способов борьбы с окалинообразованием при технологических операциях нагрева уделяют большое внимание. Известны и используются различные мероприятия, предназначенные для этой цели. Чтобы уменьшить образование окалины и обезуглероживание, можно применять нагрев в защитной атмосфере, высокоскоростной нагрев, различные покрытия и кратковременные покрытия, наносимые на заготовки перед нагревом. Покрытия могут не только защитить металл от образования окалины, обезуглероживания и насыщения газами, но также могут уменьшить силу деформации и нагрев деформирующего инструмента, помогают облегчить пластическое течение металла при обработке давлением.
Наиболее простым способом в применении является использование высокотемпературных защитных покрытий, которые перед нагревом наносятся непосредственно на металлические заготовки или изделия в виде защитных обмазок. Одним из основных показателей эффективности покрытия является вязкость и текучесть, но несмотря на свою важность, влияние этих коэффициентов на защитные свойства покрытия еще мало изучено. Поэтому целью данной работы является исследование угара металла в зависимости от покрытия с разной вязкостью и текучестью.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести теоретическое исследование по вопросу окисления металла, изучить способы снижения окисления при высокотемпературном нагреве, выбрать оптимальный;
2. Провести теоретическое исследование влияния вязкости и текучести защитных технологических покрытий на окалинообразование;
3. Разработать методики исследования вязкости и текучести покрытий на окалинообразование;
4. Провести эксперименты по влиянию вязкости и текучести покрытий на окалинообразование и их анализ.
Научная новизна полученных результатов
1. Определен оптимальный состав защитного технологического покрытия;
2. Определен оптимальный способ измерения коэффициента вязкости;
3. Определена зависимость роста окалинообразования от коэффициента вязкости и текучести защитного технологического покрытия;
4. Определены оптимальные коэффициенты вязкости и текучести для защитного технологического покрытия.
Объект исследования. Объектом исследования являются защитные технологические покрытия для уменьшения окалинообразования.
Предмет исследования. Предметом исследования являются свойства защитных технологических покрытий, влияющие на снижение окалинообразования, такие как вязкость и текучесть.
Практическая значимость:
Заключается в определении значений коэффициентов вязкости и текучести применяемых покрытий стали перед высокотемпературным нагревом, позволяющих снижать угар.
На защиту выносятся:
1. Результаты лабораторных испытаний, разработанных защитных технологических покрытий;
2. Результаты исследований по зависимости роста окалинообразования от вязкости и текучести защитного технологического покрытия.
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение основной проблемы металлургического производства, такой как окалинообразование, окисление и обезуглероживание металла.
Основные научные и практические результаты, полученные лично соискателем:
1. Был проведен анализ окисления и обезуглероживания металла, изучены явления, происходящие при его нагреве, а также рассмотрены способы снижения окалинообразования при нагреве металла. Данный анализ позволил выявить использование защитных технологических покрытий как один из наиболее оптимальных применяемых методов, так как он является наиболее простым и экономически выгодных способом уменьшить окалинообразование. Были рассмотрены методы нанесения защитных покрытий, а также более детально рассмотрена вязкость и текучесть как одни из показателей, влияющих на качество покрытия.
2. Проведен анализ вязкости, изучены основные понятия, способы измерения, а также показатели, влияющие на изменение вязкостного коэффициента защитного технологического покрытия, такие как:
- температура атмосферы;
- фракционный состав твердой составляющей покрытия;
- количество связующего элемента.
3. Разработано защитное технологическое покрытие. Определено, что защитное технологическое покрытие является грубодисперсной суспензией. Подобран фракционный состав, позволяющий выдерживать высокотемпературный нагрев. Подобран связующий элемент, позволяющий покрытию взаимодействовать с металлической поверхностью заготовки. Выбран прибор для определения и измерения вязкости покрытия. Разработана методика проведения экспериментов по определению коэффициента вязкости покрытия. Произведен расчет коэффициентов вязкости и текучести по результатам экспериментов и проведен сравнительный анализ.
4. Разработана методика проведения экспериментов и расчета количества окалины при окислении стали. Проведены эксперименты по исследованию окалинообразования, получены результаты. Проведен сравнительный анализ полученных результатов.
5. Выяснено, что коэффициенты вязкости и текучести зависят от количества связующего элемента, который входит в состав покрытий. Чем меньше размер фракций твердых частиц, преобладающих в составе, тем выше плотность покрытия, следовательно, тем больше требуется связующего элемента для того, чтобы покрытие наносилось равномерно на поверхность.
6. Определено, что лучшие результаты были показаны покрытием, в котором преобладают частицы крупностью <0,16 мм, с соотношением жидкости 3 к 1 (30 % мыла к 10 % воды). Следовательно, для покрытий с такой крупностью частиц, это соотношение является оптимальным.
7. Для магнезиально-глиноземистых покрытий подобран коэффициент кинематической вязкости, который должен находиться в пределах 0,450-0,501 м2/с, и коэффициент текучести - в пределах 0,00903-0,00888 Па-1∙с-1.
8. В среднем с одной тонны стали теряется 30 кг стали, а с применением этого защитного покрытия с коэффициентом кинематической вязкости в пределах 0,450-0,501 и коэффициентом текучести 0,00903-0,00888 Па∙с потери уменьшаются до 14,4 кг (на 48 %).
Основные научные и практические результаты, полученные лично соискателем:
1. Был проведен анализ окисления и обезуглероживания металла, изучены явления, происходящие при его нагреве, а также рассмотрены способы снижения окалинообразования при нагреве металла. Данный анализ позволил выявить использование защитных технологических покрытий как один из наиболее оптимальных применяемых методов, так как он является наиболее простым и экономически выгодных способом уменьшить окалинообразование. Были рассмотрены методы нанесения защитных покрытий, а также более детально рассмотрена вязкость и текучесть как одни из показателей, влияющих на качество покрытия.
2. Проведен анализ вязкости, изучены основные понятия, способы измерения, а также показатели, влияющие на изменение вязкостного коэффициента защитного технологического покрытия, такие как:
- температура атмосферы;
- фракционный состав твердой составляющей покрытия;
- количество связующего элемента.
3. Разработано защитное технологическое покрытие. Определено, что защитное технологическое покрытие является грубодисперсной суспензией. Подобран фракционный состав, позволяющий выдерживать высокотемпературный нагрев. Подобран связующий элемент, позволяющий покрытию взаимодействовать с металлической поверхностью заготовки. Выбран прибор для определения и измерения вязкости покрытия. Разработана методика проведения экспериментов по определению коэффициента вязкости покрытия. Произведен расчет коэффициентов вязкости и текучести по результатам экспериментов и проведен сравнительный анализ.
4. Разработана методика проведения экспериментов и расчета количества окалины при окислении стали. Проведены эксперименты по исследованию окалинообразования, получены результаты. Проведен сравнительный анализ полученных результатов.
5. Выяснено, что коэффициенты вязкости и текучести зависят от количества связующего элемента, который входит в состав покрытий. Чем меньше размер фракций твердых частиц, преобладающих в составе, тем выше плотность покрытия, следовательно, тем больше требуется связующего элемента для того, чтобы покрытие наносилось равномерно на поверхность.
6. Определено, что лучшие результаты были показаны покрытием, в котором преобладают частицы крупностью <0,16 мм, с соотношением жидкости 3 к 1 (30 % мыла к 10 % воды). Следовательно, для покрытий с такой крупностью частиц, это соотношение является оптимальным.
7. Для магнезиально-глиноземистых покрытий подобран коэффициент кинематической вязкости, который должен находиться в пределах 0,450-0,501 м2/с, и коэффициент текучести - в пределах 0,00903-0,00888 Па-1∙с-1.
8. В среднем с одной тонны стали теряется 30 кг стали, а с применением этого защитного покрытия с коэффициентом кинематической вязкости в пределах 0,450-0,501 и коэффициентом текучести 0,00903-0,00888 Па∙с потери уменьшаются до 14,4 кг (на 48 %).