НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

НОВІКОВА Олена Вікторівна

УДК 620.191.32:669.046

ЗМЕНШЕННЯ ОКАЛИНОУТВОРЕННЯ

ПРИ НАГРІВАННІ СТАЛЕВИХ ЗАГОТІВОК

Спеціальність 05.14.06

«Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика»

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті (ДонНТУ) Міністерства освіти та науки України, м. Донецьк.

Науковий керівник: - кандидат технічних наук, доцент
КУРБАТОВ Юрій Леонідович,
Донецький національний технічний університет,

професор кафедри «Технічна теплофізика».

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

НІКІТЕНКО Микола Іванович,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

м. Київ, провідний науковий співробітник.

- доктор технічних наук, професор

МАКУРОВ Сергій Леонідович,

Приазовський державний технічний університет,

м. Маріуполь, професор кафедри

«Теорія металургійних процесів».

Провідна організація: - Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»,

теплоенергетичний факультет, м. Київ.

Захист відбудеться «21» березня 2006 р. о 15.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ІТТФ НАНУ за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий «17» лютого 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01,

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Чайка О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В теперішній час в Україні енергоресурсозбереження є одним з основних напрямків сучасних технологій у різних галузях промисловості, зокрема, у металургії і машинобудуванні. Висока собівартість сталі і витрати, пов'язані з видаленням окалини для забезпечення якісної поверхні, є стимулом для удосконалення існуючих і розробки нових технологій і оптимальних режимів нагрівання для зменшення окалиноутворення.

Актуальність теми. Необхідність піддавати метал високотемпературному нагріванню перед подальшою обробкою приводить до значних втрат в окалину (угару металу); у деяких випадках при багаторазовому нагріванні сумарний угар може досягати 8 %. Зменшення угару сталі можливо різними способами, що відомі і широко застосовуються в практиці високотемпературного нагрівання. У дисертаційній роботі досліджено вплив постійного електричного поля на угар металу. Відомості про вплив постійного електричного поля на тепломасообмінні процеси, що відбуваються при високотемпературному окисленні сталі, досить обмежені, що обумовило необхідність подальшого вивчення і розвитку цього напрямку. Знання механізму окалиноутворення і вплив на цей процес постійного електричного поля дає можливість удосконалити технологію нагрівання сталі в нагрівальних печах для енергоресурсозбереження за рахунок скорочення втрат металу в окалину.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до плану науково-технічних робіт кафедри «Технічна теплофізика» Донецького національного технічного університету по темі «Дослідження процесів тепломасообміну на різних етапах виробництва металів» (номер держреєстрації 0104U00287), у якій автор бере участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є дослідження тепломасообмінних процесів утворення окалини при дії постійного електричного поля, проведене для удосконалювання технології високотемпературного нагрівання сталі з погляду енергоресурсозбереження, а саме зменшення втрат металу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- встановити якісні та кількісні характеристики впливу постійного електричного поля на тепломасообмінний процес окалиноутворення при окисленні металу, що нагрівається в атмосфері повітря і продуктів згоряння палива;

- розробити теплофізичну (математичну) модель нестаціонарного температурного поля металу і зростаючого шару окалини, що дозволяє врахувати вплив постійного електричного поля на метал, який нагрівається;

- розробити практичні рекомендації з удосконалення технології високотемпературного нагрівання сталі в нагрівальних печах для зменшення окалиноутворення за рахунок електрофізичного впливу.

Об'єкт досліджень: тепломасообмінний процес окалиноутворення при високотемпературному нагріванні сталі, що приводить до втрат металу в окалину.

Предмет досліджень: енергоресурсозберігаюча технологія нагрівання сталі перед обробкою металу тиском із застосуванням постійного електричного поля.

Методи досліджень: узагальнення та аналіз існуючих теорій окислення; аналіз способів зменшення окалиноутворення при високотемпературному нагріванні сталі; експериментальні дослідження електрофізичного впливу на метал, що нагрівається в атмосфері повітря та у промисловій печі в середовищі продуктів згоряння палива; теплофізичне (математичне) моделювання окислення сталі при електрофізичному впливі.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше встановлено факт впливу постійного електричного поля на процеси тепломасопереносу на поверхні сталі, що протікають при високотемпературному нагріванні в нагрівальних печах і приводять до угару металу. Особливість запропонованого способу електрофізичного впливу полягає в підведенні негативного потенціалу джерела постійної напруги до металу, що нагрівається.

2. Експериментально встановлено ступінь впливу електричного поля на метал, що нагрівається, який полягає в зниженні угару сталі при високотемпературному нагріванні (950-1250 оС) в атмосфері повітря і продуктів згоряння палива не менш, ніж на 20 %.

3. Розширено наукові положення теорії окалиноутворення в частині електрофізичного впливу на процес тепломасопереносу: показано, що при компенсації надлишкового позитивного заряду (що утворюється в результаті приєднання електронів з оксиду заліза до кисню та утворення вакансій) зовнішнім негативним зарядом електрохімічний градієнт потенціалу в шарі окалини прагне до нуля, реакційний опір моношару (первинного шару оксиду, отриманого шляхом хемосорбції) збільшується, за рахунок чого і знижується швидкість дифузії кисню до металу через шар окалини.

4. Одержав подальший розвиток метод розрахунку нестаціонарної теплопровідності, що полягає у врахуванні зростаючого шару окалини з теплофізичними властивостями, відмінними від властивостей сталі, шляхом введення рухливих меж «метал-окалина» і «окалина-середовище». Це дозволило одержати інформацію про динаміку росту шару окалини по ходу нагрівання, уточнити розподіл температур по перетину сталевої заготівки, а також оцінити теплоізолюючий вплив окалини із застосуванням електрофізичного впливу (ЕФВ).

Практична цінність отриманих результатів. Практичні рекомендації з удосконалення технології нагрівання сталі з електрофізичним впливом включають пропозиції по способу підведення негативного електричного потенціалу до масиву металу, що нагрівається. Ресурсозберігаюча технологія нагрівання сталі з електрофізичним впливом запропонована до використання в методичних штовхальних печах ВАТ «ДМЗ» (Донецький металургійний завод). Передбачуваний економічний ефект від впровадження рекомендацій з удосконалювання технології нагрівання сталі складає 4 кг/т, що еквівалентно 6,8 грн/т (при середній ціні сталевого прокату 1700 грн/т).

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, результати експериментальних досліджень, висновки і рекомендації отримані автором самостійно. У роботах, що опубліковані зі співавторами, автору дисертації належить теоретичне обґрунтування впливу постійного електричного поля на процес окалиноутворення, організація і проведення експериментів, розробка теплофізичної (математичної) моделі, обробка та узагальнення результатів експериментів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи та окремих її частин доповідалися на міжнародній технічній конференції «Прогресивні технології і сучасність» (м. Севастополь, вересень 1997 р.), представлялися на міжнародній конференції «Теплотехніка і енергетика в металургії» (м. Дніпропетровськ, жовтень 2002 р., 2005 р.), обговорювалися на технічній раді ВАТ «ДМЗ» (м. Донецьк, серпень 2003 р.), розглянуті на наукових семінарах кафедри «Технічна теплофізика» ДонНТУ (м. Донецьк, 2002 р., 2004 р.) і відділу «Теплофізичні основи енергозберігаючих технологій» ІТТФ НАН України (м. Київ, 2005р.).

Публікації. Основні наукові положення і результати досліджень опубліковані в 10 роботах, у тому числі - у 2-х патентах України на винахід; 3-х статтях у наукових журналах, що входять у перелік ВАК України; 2-х статтях у збірниках наукових праць, що входять у перелік ВАК України; 3-х статтях у збірниках праць міжнародних конференцій, що входять у перелік ВАК України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури, додатків. Повний обсяг дисертації - 164 сторінки комп'ютерного тексту, у тому числі 14 таблиць, 33 рисунка, список використаних джерел із 112 найменувань, 7 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, її зв'язок з науковими програмами, сформульовані мета і задачі для її досягнення, наукова новизна і практичне значення. Також розкривається особистий внесок автора, питання апробації результатів, публікації, загальний обсяг і структура роботи.

Перший розділ «Дослідження сучасного стану питання». На підставі огляду літературних джерел вивчено стан питання і виконано постановку задачі дослідження. Визначено область застосування електрофізичного впливу на різних стадіях одержання, обробки і експлуатації сталі, а також досліджуваний теплофізичний ефект. Показано, що електрофізичні впливи на метал є досить новим і перспективним видом зовнішніх впливів. Проаналізовано способи зниження швидкості масообмінних процесів з метою зменшення окалиноутворення.

Дисертаційна робота присвячена рішенню проблеми скорочення втрат сталі при нагріванні перед обробкою тиском і термообробкою, де в результаті високотемпературного нагрівання в печах помітна частка металу (від 2 до 8%) безповоротньо втрачається внаслідок окислення. Розглянуто механізми і закономірності масопереносу при високотемпературному окисленні заліза, наслідком чого є утворення на поверхні заліза складної гетерогенної окалини, що складається з послідовно розташованих шарів: Fe | FeО | Fe3O4 | Fe2O3 | О2 (газ).. Показано, що процес окислення визначається не тільки градієнтом хімічного потенціалу (градієнтом концентрацій), але і масопереносом речовини через окалину (градієнтом електричним). За твердженням Йоргенсона товщина окалини визначається струмом, що тече через окалину, і як наслідок, слабкий струм приводить до утворення граничного шару окалини, і навпаки. Таким чином, наявність внутрішньої електричної складової дозволила припустити ефективність зовнішніх електрофізичних впливів.

Відомості про вплив електричного поля на процес окалиноутворення для зменшення угару сталі при високотемпературному нагріванні нечисленні і неоднозначні (хоча безперечно те, що реакції окислення пов'язані з переміщенням електрично заряджених часток), а електрофізичний вплив у нагрівальних печах не використовується. На підставі цього було зроблено висновок про доцільність подальших досліджень у напрямку визначення якісних і кількісних закономірностей впливу постійного електричного поля на тепломасообмінні процеси окалиноутворення при високотемпературному окисленні сталі.

Другий розділ «Особливості методик теплофізичних досліджень окислення сталі при високотемпературному нагріванні із застосуванням електричного поля». Розглянуто вплив електричного поля на гетерогенну окалину, що утворюється при високотемпературному окисленні заліза. Запропоновано теоретичне обґрунтування ефекту зниження швидкості окалиноутворення при накладенні постійного електричного поля від негативного полюса джерела (рис. 1). Знак потенціалу визначає спрямованість дії поля на заряди, що знаходяться в області поля.

За твердженням Кабрера і Мотта різниця потенціалів у шарі окалини складає 1-2 В. У теорії Вагнера передбачається, що через неоднакову рухливість електронів та іонів по товщині окалини виникає електричний потенціал (дифузійний потенціал), а стаціонарний стан досягається, коли результуючий струм дорівнює нулю, тобто коли в окалині дифундує еквівалентна кількість електронів та іонів. Тоді при накладенні негативного електричного потенціалу загальна провідність шару окалини знижується, тим самим зменшуючи раціональну константу швидкості окалиноутворення.

При розгляді процесів, що відбуваються при накладенні електричного поля на метал, умовно розбили ці процеси на дві складові – зовнішню і внутрішню. Зовнішня складова характеризується швидкістю доставки окислювача до поверхні розділу фаз газ-оксид і дисоціацією молекул кисню або іншого окислювача. Внутрішня складова залежить від швидкості дифузії заліза через шар окалини. Відомо, що кисень має досить великий негативний заряд стосовно заліза, а отже, велику щільність електронів навколо атома кисню і малу рухливість, тому подальша дифузія кисню протікає не по міжвузлами, а по вакансіях, і коефіцієнт дифузії кисню на кілька порядків менше коефіцієнта дифузії заліза. Унаслідок великої спорідненості кисню з електроном, при відсутності зовнішнього впливу кисень заряджається негативно за рахунок приєднання електронів з оксиду, у шарі окалини утворюються додаткові вакансії і шар має надлишковий позитивний заряд. Тому в роботі зроблено висновок, що при компенсації позитивного заряду зовнішнім негативним, електрохімічний градієнт потенціалу в шарі прагне до нуля, опір моношару значно збільшується, за рахунок чого знижується швидкість дифузії окислювача до металу, яка невимірно менше швидкості дифузії заліза і є лімітуючою. Умови для утворення додаткових вакансій, по яких просувається кисень, стають менш сприятливими, градієнт концентрацій зменшується, знижуючи щільність потоку кисню через шар окалини.

Для проведення серії високотемпературних нагрівів в атмосфері повітря з використанням ЕФВ розроблена методика і створена лабораторна установка (рис. 2). Експериментальні дослідження виконані беззупинним гравіметричним способом. Метал, що нагрівається, (сталь 20, сталь 40) з'єднували з негативним полюсом джерела постійної електричної напруги, значення якого варіювали в діапазоні 0-50 В (також було зроблено кілька дослідів при =-100 В). Окислення металу визначали по приросту маси, що фіксували через кожні 15 хвилин при температурі 950, 1000, 1050 оС і на підставі даних, отриманих у результаті експериментів (усього було проведено більш 200 експериментів при різних умовах), знаходили константи окалиноутворення. Сумарна середньоквадратична похибка визначення константи окалиноутворення склала 5,5 %.

Для перевірки та апробації в промислових умовах ефекту електрофізичного впливу на окалиноутворення при високотемпературному нагріванні металу в середовищі продуктів згоряння розробили методику експериментального нагрівання сталевих зразків у камерній печі ковальського цеху ВАТ «ХТЗ» (Харцизький трубний завод). У розігріту піч (рис. 3) поміщали зразки циліндричної форми марки сталь 45 (середній розмір зразків - діаметр 15 мм, висота 40 мм) у кількості 6 шт і нагрівали в інтервалі однієї години в середовищі продуктів згоряння природного газу. Для забезпечення електроізоляції поду печі від зразків, що піддаються електрофізичному впливу, і збереження рівності всіх інших умов проведення експерименту, кожен зразок розташовували на вогнетривкій підставці. Підставки зі зразками розташовували на металевому листі для можливості одночасного завантаження в піч. До кожної непарної заготівки прикріплювали електроди у вигляді ніхромового дроту діаметром 1 мм, які на відстані 2 м від вікна завантаження з'єднували у вузол, і далі приєднували до негативного полюса універсального джерела живлення (УДЖ). Після завантаження листа зі зразками в піч на УДЖ установлювали напругу рівну -30 В. Через фіксовані проміжки часу досліджені зразки попарно (непарним з парним, де парний - зразок без електрофізичного впливу) витягали з печі і охолоджували у воді. Перед зважуванням зразки звільняли від окалини. Температуру в робочому просторі печі контролювали і вимірювали двома способами – оптичним пірометром і термопарою хромель-алюмель, що знаходиться в безпосередній близькості зі зразками, що нагріваються.

Усі марки сталі, що застосовували в ході експериментів при окислюванні в атмосфері повітря та у середовищі продуктів згоряння палива, а саме вуглецева сталь 20, 40, 45, найбільш вагомі при масовому виробництві і мають схожі характеристики.

З метою подальшого застосування отриманих експериментальних залежностей при моделюванні окалиноутворення в промислових печах створено математичну модель високотемпературного нагрівання сталевого циліндра кінцевих розмірів з врахуванням електрофізичного впливу і виконано перевірку адекватності моделі.

Теплофізичне (математичне) моделювання окалиноутворення при нагріванні сталевих заготівок у промислових печах виконано для двошарової системи з рухливими межами метал-окалина і окалина-середовище. За допомогою моделювання визначається температурне поле і товщина окалини в будь-який момент часу при різних рівнях ЕФВ (=0, -30 В). Нестаціонарне температурне поле заготівки визначали шляхом рішення рівняння теплопровідності для плити кінцевих розмірів:

,

(використані у роботі позначення наведені на стор. 15).

Масив металу, що нагрівається, являє собою плиту, що складається з заготівок покладених упритул та має довжину, рівну довжині печі, ширину, рівну довжині заготівки, товщину, рівну товщині заготівки (рис. 4). Оскільки відношення довжини заготівлі до ширини (l/Sм)=1,5/0,15=103, то за рекомендацією Тайца тепловий потік по осі «у» qy (рис. 4) прийняли рівним нулю. По осі «z» -qz+qz, тому прийняли qz=0. Теплота, що виділилася від реакції окислення заліза складає 1,2% від меншого значення теплового потоку в методичній печі і 0,55% від більшого значення теплового потоку в печі, тому в постановці задачі введено припущення, що qv0. Таким чином, задача зведена до одномірної для нескінченної плити.

Межі А, В, С, D – рухливі (рис. 5). Межові умови:

на межі А (окалина-продукти згоряння, верх плити):

на межі В (окалина-продукти згоряння, низ плити):

на межі D (стик верхнього шару окалини з металом): tокD+0 = tмD-0,

на межі C (стик нижнього шару окалини з металом): tокC+0 = tмC-0,

де А=f (tср); В=f (tср); tср= f ().

Диференціальне рівняння нестаціонарної теплопровідності апроксимовано по неявній кінцево-різницевій схемі. Крок по координаті в шарі металу, Хм=Sм/n, (де n3 – кількість кроків по перетину металу), крок по координаті в шарі окалини, Хок=Sок/m, (де m2 – кількість кроків по перетину окалини). Крок по координаті Хокм, що примикає до окалини, повинний бути більше передбачуваного кінцевого окисленого шару металу: Хокм Sконечнокок /м. Тому товщина Хокм зменшується в процесі нагрівання і окислення (рис. 5.): Хокмк+1=Хокмк-Sок кок /м. У той же час, товщина Хокк+1=Хок к+ Sок к/ m. Збільшення шару окалини S за к-тий крок за часом (або за ) визначається через питому масу окалини і константу окалиноутворення із виразів:

де по формулі Арреніуса К `` = К 0 e –Q / R T

і К``=f () визначено емпіричним шляхом, К 0– попередекспоненційний множник, Q – енергія активації.

Третій розділ «Дослідження параметрів тепломасообмінних процесів окалиноутворення». У ході проведених лабораторних досліджень окалиноутворення при нагріванні сталі в атмосфері повітря отримані залежності питомого приросту маси кисню від часу нагрівання зразків. При цьому в ролі змінних виступили наступні фактори: температура печі, час нагрівання, розмір зразків, марка сталі, рівень ЕФВ. Експериментально підтверджено факт зниження швидкості окалиноутворення сталі при накладенні постійного електричного поля (рис. 6). При температурі нагрівання 950 оС і накладенні електричного потенціалу =-30 В вплив електричного поля виявляється в зменшенні приросту маси кисню мінімум на 18 % у порівнянні з окисленням сталі 20 без ЕФВ (при =0 В). Подальше збільшення негативного потенціалу до =-50 В дає різницю у прирості маси 32 %. При температурі нагрівання сталі 20 до 1050 оС і =-30 В приріст маси кисню зменшується на 26 %, а при =-50 В різниця у прирості маси складає 35 % у порівнянні з окисленням без ЕФВ.

Аналіз результатів залежності питомого приросту маси кисню (угару металу) від часу нагрівання сталі 20 при температурі 1000 оС показав (рис. 7), що накладення електричного поля з потенціалом -30 В дає значний ефект. У той же час подальше збільшення напруги менш ефективно. Так, через 1 годину після початку експерименту, питомий приріст маси кисню зменшився мінімум на 20 % при потенціалі -30 В. Збільшення потенціалу майже вдвічі (до -50 В) дає зниження приросту маси до 30 %, а при збільшенні напруги більш ніж у 3 рази (до -100 В)– зменшення кисню, що прореагував, відбувається усього до 40 %. Тому подальше збільшення потенціалу малоефективно і варто вважати за доцільне застосовувати максимум –30 В, як досить ефективну і безпечну напругу. Слід зазначити, що стабілізація швидкості окислення при ЕФВ настає раніш, ніж без нього (тобто при =0 В). Це випливає і з погляду теорії, тому що при додаванні до металу, що нагрівається, негативного потенціалу, надлишковий негативний заряд, що утворюється на його поверхні впливає на дифузійний опір, а зі збільшенням товщини шару окалини швидкість окалиноутворення падає.

Отримані експериментальні дані показали, що при збільшенні площі поверхні нагрівання металу приблизно в 3 рази (рис. 8), зниження швидкості окалиноутворення, отримане при накладенні зовнішнього електричного поля, залишилося без відчутних розходжень. Дослідним шляхом підтверджено, що поняття питомий потенціал (тобто потенціал, віднесений до площі поверхні) не має сенсу і при використанні заготівок великого розміру правомірне застосування джерела напруги такого ж, як і для зразків малого розміру. Це пояснюється тим, що при підключенні до негативного полюсу джерела постійної напруги додаткового навантаження у виді опору металу, що нагрівається, виникає режим холостого ходу, що забезпечує найвищу напругу в приймачі, який має максимальний опір. Трансформатори напруги є навантаженням ланцюга при вимірі напруги та мають дуже високий власний опір R0, тому на всій поверхні металу, що нагрівається, та підключений до полюса джерела постійної напруги, встановлюється заряд, заданий джерелом. Таким чином, технологію нагрівання сталі з електрофізичним впливом запропоновано розглядати як промислову з використанням джерела низької напруги.

Графік залежності швидкості питомого приросту ваги кисню від ступеня ЕФВ для сталі 20 при фіксованому часі нагрівання (=1 година) для досліджуваних температур представлений на рис. 9. При збільшенні температури нагрівання на 50 оС (з 950 до 1000 оС) без ЕФВ швидкість приросту кисню збільшується на 11 %, а при подальшому збільшенні ще на 50 оС (з 1000 до 1050 оС) швидкість приросту кисню збільшується на 76 %. При застосуванні електрофізичного впливу (наприклад, =-30 В) і збільшенні температури від 950 до 1000 оС швидкість приросту кисню складає 8 %, а при збільшенні ще на 50 оС (з 1000 до 1050 оС) – 31 %. Отже, при збільшенні температури вплив електричного поля на швидкість окалиноутворення підсилюється.

Лабораторією Донецького державного науково-дослідного інституту чорної металургії зроблено аналіз складу окалини і визначена її морфологія на зразках марки сталь 20 нагрітих протягом однієї години при температурі 1050 оС в електричній печі опору в атмосфері повітря з ЕФВ (=-50 В) і без нього (=0 В). Фотографування проведено за допомогою растрового електронного мікроскопа-мікроаналізатора JSM-T300 при різних збільшеннях у діапазоні 35-3500х. На підставі отриманих даних зроблено висновок, що яких-небудь принципових змін у морфології окалини (рис. 10) після електрофізичного впливу не відбулося, також практично не змінилося сколювання. При цьому незначно змінився зміст Fe у фазі FeО: 76,29-76,4 % при =0 В и 76,86-77,59 % при =-30 В.

Таким чином, у ході експериментальних досліджень отримано зменшення угару металу за рахунок ЕФВ мінімум на 20 %. Цей ефект враховано введенням поправочного співмножника А в рівняння Арреніуса (5). Емпіричним шляхом визначені константи окалиноутворення К`` з різними потенціалами електричного поля в діапазоні 0 … -30 В, що дозволило розрахувати величину угару металу при нагріванні із застосуванням ЕФВ, де з формули (3) К``=gО22/, кг2/(м4с). Тоді К``=АК0ехp(-Q/RT), де А-поправочний співмножник: при =0 В справедливо А=1; при =-30 В – А=0,61 (окислення в повітрі).

Для вищенаведених експериментальних даних вираз для константи окалиноутворення, наприклад, для сталі 20, де енергія активації Q=55970 Дж/г-атом, прийняв вид, кг2/(м4с):

К``(0В)=1,7710-2ехp(-55970/RT); К``(-30В)=1,0810-2ехp(-55970/RT) (5, 6)

Математичне моделювання температурного поля сталевого циліндра і швидкості окалиноутворення дозволило одержати кількісні характеристики процесу (рис. 11) у залежності від температури нагрівання і електрофізичного впливу, а також розрахувати товщину окисленого шару в початкові моменти часу, що важко фіксувати в натурному експерименті. Складена модель адекватна експерименту, довірювальний інтервал для питомого приросту маси кисню gО2 дорівнює 2,0910-2 кг/м2, для товщини окалини S дорівнює 0,510-5 м.

Відповідно до розробленої методики (рис. 3) проведено експериментальне нагрівання сталевих зразків з ЕФВ в атмосфері продуктів згоряння палива в ковальській нагрівальній печі ВАТ «ХТЗ». Аналіз результатів, графічно відображених на рис. 12, дозволив оцінити зміну угару металу М (%) при ЕФВ.. У результаті експерименту, проведеного в промислових умовах, отримано ефект зниження угару металу на 24% при ЕФВ. По формулі Арреніуса (5) визначена практична константа окалиноутворення при середньому коефіцієнті перерахування ЕФВ К``(=-30 В)/К``(=0 В)=0,59 для сталі 45 з енергією активації Q=-44480 Дж/г-атом:

К``(0В)=1,5510-2ехp(-44480/RT); К``(-30В)=0,9210-2ехp(-44480/RT), (7, 8)

Моделювання окалиноутворення у виробничих умовах виконано на прикладі трьохзонної методичної печі ВАТ „ДМЗ” (Донецький металургійний завод) (рис. 13, 14) із продуктивністю Р =40 т/год і часом перебування металу в печі =2,3 години. Угар металу наприкінці нагрівання при =0 В склав 1,08 %, при =-30 В угар 0,87 %. Зниження угару сталі відбулося на 0,21% при =2,3 години за рахунок ЕФВ, а товщина окалини на верхній поверхні заготівки після проходження томильної зони зменшилася на 0,14 мм. Градієнт температур t/S у томильній зоні в шарі металу склав 300 оС/м, у шарі окалини 8080 оС/м при =0 і 9830 оС/м при =-30 В. Тепловий опір шару окалини знизився від 365 м2К/Вт до 295 м2К/Вт, тобто в 1,24 рази, що дозволило трохи збільшити тепловий потік до поверхні металу, що нагрівається.

У випадку зменшення продуктивності методичної печі в два рази (Р=20 т/год) загальний час нагрівання збільшився відповідно до 4,6 години. У цьому випадку знизився температурний рівень у зварювальній і томильній зонах, угар металу наприкінці нагрівання при =0 В склав 2,41 %, при =-30 В угар 1,94 %, тобто за рахунок ЕФВ угар зменшився на 0,47 %, а товщина окалини на верхній поверхні заготівки після проходження томильної зони зменшилася на 0,28 мм. Таким чином показано, що при збільшенні тривалості нагрівання в два рази застосування ЕФВ більш ефективне.

Четвертий розділ «Удосконалення технології нагрівання сталі в нагрівальних печах для зменшення втрат металу в окалину». Представлено пропозиції по промисловому застосуванню технології високотемпературного нагрівання сталі з ЕФВ. При розробці практичних пропозицій до технології висунуто наступні вимоги: електробезпечність; метал, що знаходиться в робочому просторі печі, повинний бути електроізольований від подини; електроди повинні бути захищені від дії високих температур; подача потенціалу на метал повинна бути технологічною, тобто не вносити яких-небудь помітних змін у звичайну технологію. Виконання зазначених умов найбільше прийнятно в методичних штовхальних печах для нагрівання сталевих заготівок перед прокаткою (рис. 14), тому що електрод знаходиться в зоні низьких температур (зоні завантаження металу) і в результаті безпосереднього контакту заготівок одна з одною весь метал, що знаходиться в робочому просторі печі, буде постійно піддаватися ЕФВ. Пропозиції за даною технологією розглянуті в ВАТ «ДМЗ», де прийнято рішення про доцільність застосування даної технології при нагріванні металу в методичних печах після додаткової конструктивної доробки. Спосіб нагрівання з ЕФВ захищений патентом України на винахід. Суть способу показана на рис. 14. Електрод, який електроізольовано з боку штовхача і з'єднано з негативним полюсом зовнішнього джерела постійної електричної напруги, працює в одному часовому циклі зі штовхачем. Електрод притискається штовхачем до бічної поверхні сталевої заготівки та утримується там до моменту подачі і проштовхування наступної заготівки. У процесі впливу електричного потенціалу сталеві заготівки, що нагріваються, здобувають негативний електричний заряд, однойменний із зарядом окислювача, що перешкоджає підведенню окислювача з продуктів згоряння до поверхні заготівок. Рішення проблеми електроізоляції металу, що нагрівається, від подової охолоджуваної труби відображено в патенті України на винахід. В основу винаходу поставлена задача удосконалення пристрою рейтера нагрівальної печі, у якому за рахунок спеціальної конструкції і використання матеріалу з високим електричним опором забезпечується електроізоляція металу від подової водоохолоджуваної труби і підвищується надійність роботи рейтера. Реконструкція, що включає в себе пристрій підведення електричної напруги до металу, що нагрівається, і модернізацію подини, може бути здійснена при холодному ремонті печі і частково за рахунок витрат, віднесених на планові ремонти.

Прогнозований економічний ефект склав 6,8 грн/т (при середній ціні сталевого прокату 1700 грн/т) за рахунок зниження угару на 20 %, або економії 4 кг/т металу, при середньому угару металу в нагрівальних методичних печах 2 %.

Перелік використаних у роботі позначень: - густина, кг/м3; с – теплоємність, Дж/(кгК); - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК) - - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2К), - час, с; x, y, z – координатні осі; к – номер кроку за часом; t – температура, оС; Т – температура, К; Q – енергія активації, Дж/г-атом; R – універсальна газова постійна, Дж/(мольК); К`` - константа окалиноутворення, кг2/(м4с); К0 – попередекспоненційний множник, кг2/(м4с); - електричний потенціал, В; g– питомий приріст маси, кг/м2; qv – потужність внутрішнього джерела теплоти, Вт/м3.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведене нове рішення науково-практичної задачі, що полягає в зменшенні окалиноутворення при нагріванні сталевих заготівок. Отримані результати експериментального дослідження впливу електричного поля на тепломасообмінні процеси окалиноутворення при високотемпературному нагріванні сталі, дозволили зробити наступні основні висновки:

1. Установлено факт зниження швидкості окалиноутворення і, відповідно, зменшення угару заліза не менш, ніж на 20 % при нагріванні з використанням електрофізичного впливу, що полягає в подачі негативного електричного потенціалу =-30 В до сталевої заготівки, що нагрівається. Ефект від наступного збільшення потенціалу знижується непропорційно: при =-50 В – зменшення угару складає 30-35 %, при =-100 В - зменшення до 40 %.

2. Запропоновано теоретичне обґрунтування та експериментально підтверджено ефект зниження швидкості окалиноутворення при накладенні електричного поля від негативного полюса джерела постійної напруги. Показано, що при компенсації власного позитивного заряду зовнішнім негативної (спрямованим убік окислюючого середовища), електрохімічний градієнт потенціалу в шарі окалини прагне до нуля, реакційний опір моношару значно збільшується, за рахунок чого знижується швидкість дифузії окислювача до металу, а градієнт концентрації зменшується, знижуючи густину потоку кисню через шар окалини.

3. На підставі серії експериментальних досліджень визначені константи окалиноутворення при високотемпературному нагріванні середньовуглецевих марок сталі в атмосфері повітря з урахуванням ЕФВ та без нього, які для сталі 20 склали , кг2/ (м4с):

К``= 1,7710-2 ехp (-55970/(RТ)) при =0 В,

К``= 1,0810-2 ехp (-55970/(RТ)) при =-30 В.

4. Експериментально досліджено вплив електричного поля на окислення сталі в атмосфері продуктів згоряння в промисловій печі. У результаті уповільнення тепломасообмінних процесів при накладенні електричного потенціалу =-30 В отримане зниження угару металу на 24 %. Константи окалиноутворення при окисленні сталі 45 у середовищі продуктів згоряння природного газу з коефіцієнтом витрати повітря =1,05 складають, кг2/ (м4с):

К``= 1,5510-2 ехp (-44480/(RТ)) при =0 В,

К``= 0,9210-2 ехp (-44480/(RТ)) при =-30 В.

5. Аналіз результатів експериментів, проведених в атмосфері повітря та у середовищі продуктів згоряння, дозволяє ввести понижуючий поправочний коефіцієнт А в рівнянні Арреніуса для врахування електричного поля, що складає 0,6 для досліджених вуглецевих марок сталі (20, 40, 45) при =-30 В.

6. Розроблено теплофізичну (математичну) модель нестаціонарного теплового стану сталевих заготівок і процесу окислення заліза при нагріванні в методичній штовхальній печі. На відміну від відомих моделей, дана модель враховує рухливі межі метал-окалина і окалина-середовище, що дозволяє визначити товщину окалини при різних температурних умовах і впливі електричного поля, а також виявити теплоізолюючий вплив шару окалини. Так, значення градієнтів температур складають: у шарі металу 300 оС/м, у шарі окалини 8080 оС/м при =0 В и 9830 оС/м при =-30 В; тепловий опір шару окалини зменшився у 1,24 рази.

7. Визначено область застосування ЕФВ, якою є нагрівання сталевих заготівок під прокатку в методичних штовхальних печах. У таких печах забезпечується підведення електричного потенціалу в холодній зоні; у якості безпечного, але досить ефективного робочого потенціалу пропонується =-30 В.

8. Запропоновано рекомендації з удосконалення технології високотемпературного нагрівання сталі, що полягають у використанні електричного поля в методичних штовхальних печах. Способи підведення електричного потенціалу до металу та електроізоляції металу захищені патентами України на винахід. Прийнято рішення технічної ради ВАТ «ДМЗ» про доцільність застосування електричного поля при нагріванні металу в методичних печах заводу після додаткової конструктивної доробки.

9. Економічний аналіз запропонованої удосконаленої технології показав, що прогнозований економічний ефект складає 6,8 грн/т або 4 кг/т металу, що нагрівається, за рахунок зниження угару на 20 %, при середньому угарі металу в нагрівальних методичних печах 2 % та середній ціні сталевого прокату 1700 грн/т.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шкляр В.С., Новикова Е.В. Влияние электрического поля на угар металла при его нагреве // Прогрессивные технологии и современность. Сб. трудов междунар. научно-технической конф. в г.Севастополь. – Донецк: ДонГТУ, 1997. – С.264-265.

2. Новикова Е.В., Курбатов Ю.Л. Снижение угара стали при электрофизическом воздействии // Экотехнологии и ресурсосбережение. –1998. - №5. - С. 38-41.

3. Новикова Е.В., Курбатов Ю.Л. Окалинообразование при электрофизическом воздействии на нагреваемый металл // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 1999. - №6. - С. 73-74.

4. Новикова Е.В., Курбатов Ю.Л. Разработка математической модели высокотемпературного нагрева стали с применением постоянного электрического поля // Наукові праці ДонНТУ: Металургія. - Донецьк. – 2002. - №40. - С. 145-149.

5. Новикова Е.В., Курбатов Ю.Л. Разработка технологии и математической модели малоокислительного нагрева стали с применением электрофизического воздействия // Сб. трудов. междунар. конф. металлургической теплотехники. В.8т. – Днепропетровск, 2002. – Т.5. - С.129-133.

6. Новікова О.В., Курбатов Ю.Л. Окислювання сталевих зразків у середовищі продуктів згоряння природного газу з використанням електрофізичного впливу // Наукові праці ДонНТУ: Металургія. - Донецьк. – 2003. - №66. С. 92-95.

7. Новикова Е.В., Курбатов Ю.Л. Проблемы использования электрофизического воздействия в нагревательных печах с целью снижения угара металла // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2003. - №5. - С. 95-96.

8. Деклараційний патент України 55831А, МКИ F27D3/02, F27B9/20. Рейтер нагрівальної печі / Курбатов Ю.Л., Новікова О.В. (Україна) // БВ №4, 2003

9. Патент України 51118, МКИ C21D1/34; 1/40. Спосіб нагрівання сталевих заготівок у нагрівальній печі / Курбатов Ю.Л., Новікова О.В. (Україна) // БВ, №3, 2005.

10. Новикова Е.В. Математическое моделирование процесса высокотемпературного нагрева стали с применением электростатического поля для снижения угара // Зб. Наукових праць Національної металургійної академії України. У 2т./Пороги. – Дніпропетровськ, 2005. – Т.2. - С. 176-179.

Особистий внесок здобувача в спільних публікаціях:

[1, 2, 3, 5, 6] – розробка методики, проведення та обробка результатів експериментальних досліджень окислення сталі при високотемпературному нагріванні з ЕФВ; [4] – розробка математичного і програмного забезпечення при дослідженні теплового стану металу, що нагрівається, для визначення угару заліза з врахуванням ЕФВ; [7] - обґрунтування області застосування і розробка практичних рекомендацій з удосконалення технології з використанням ЕФВ; [8, 9] - розробка конструктивних пропозицій по удосконаленню технології нагрівання сталевих заготівок у нагрівальних методичних штовхальних печах.

АНОТАЦІЯ

Новікова О.В. Зменшення окалиноутворення при нагріванні сталевих заготівок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06– Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. – Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, Київ, 2006 р.

Дисертація присвячена дослідженню проблеми тепломасообмінного процесу окалиноутворення при високотемпературному нагріванні сталевих заготівок, а також розробці практичних рекомендацій по застосуванню енергоресурсозберігаючої технології нагрівання сталі з електрофізичним впливом (ЕФВ).

У роботі запропоновано теоретичне обґрунтування ефекту зниження швидкості окалиноутворення при накладенні постійного електричного поля від негативного полюса джерела постійної напруги. Експериментально встановлено зниження швидкості окалиноутворення і, відповідно, зменшення угару заліза при нагріванні з використанням ЕФВ. Визначено область застосування ЕФВ, де основними вимогами є можливість підведення електричного потенціалу в холодній зоні та електроізоляція металу. У якості безпечного робочого потенціалу пропонується =-30 В, при якому відбувається зменшення товщини окалини мінімум на 20 %, також визначені константи окалиноутворення при окисленні середньо-вуглецевих марок сталі. Розроблено практичні рекомендації для технології високотемпературного нагрівання сталі з використанням ЕФВ стосовно до методичних штовхальних печей. Отримані константи використані в теплофізичній (математичній) моделі, у якій враховані рухливі межі метал-окалина та окалина-середовище, і за допомогою якої з'явилася можливість досліджувати динаміку росту окалини в процесі високотемпературного нагрівання сталевих заготівок із застосуванням ЕФВ.

Ключові слова: тепломасообмінні процеси, постійне електричне поле, високотемпературне нагрівання, окалиноутворення, нагрівальна піч, енергоресурсозбереження.

АННОТАЦИЯ

Новикова Е.В. Уменьшение окалинообразования при нагревании стальных заготовок. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованию проблемы тепломассообменного процесса окалинообразования при высокотемпературном нагревании стальных заготовок, а также разработке практических рекомендаций по применению энергоресурсосберегающей технологии нагрева стали с электрофизическим воздействием (ЕФВ).

В работе предложено теоретическое обоснование эффекта снижения скорости окалинообразования при наложении постоянного электрического поля от отрицательного полюса источника постоянного напряжения. Экспериментально установлено снижение скорости окалинообразования и, соответственно, уменьшения угара железа при нагреве с использованием ЭФВ. Проведены экспериментальные исследования окалинообразования при высокотемпературном нагреве образцов марки сталь 20 и 40 в атмосфере воздуха, которые показали, что при наложении электрического потенциала =-30 В происходит уменьшение толщины окалины минимум на 20 %. При =-50 В толщина окалины снижается примерно на 30-35%. Выполнено исследование влияния ЭФВ на окисление стали в атмосфере продуктов сгорания на промышленной печи. Получено снижение угара металла на 24 % при наложении электрического потенциала =-30В. Определены константы окалинообразования при окислении среднеуглеродистых марок стали на воздухе и в среде продуктов сгорания природного газа. Определена область применения ЭФВ, основными требованиями являются возможность подвода электрического потенциала в холодной зоне и электроизоляция металла.