Підвищення зносостійкості повітряних фурм доменних печей електродуговим напиленням

 

ЗМІСТ

 

Вступ	6
1 Конструктивно - технологічний аналіз	7
1.1 Характеристика деталі, що зміцнюється	7
1.2 Умови роботи та види зношування деталі, що зміцнюється	13
2 Проектно-технологічний розділ	16
2.1 Вибір матеріалу для напилення	16
2.2  Оптимальний метод нанесення покриття	19
2.3 Розробка технологічного процесу	27
2.4  Вибір обладнання для напилення	37
3 Дослідницький розділ      3.1 Дослідження елементного складу покриття        3.2 Дослідження експлуатаційних  властивостей газотермічного покриття   4 Економічний розділ	45
4.1 Визначення технологічної собівартості виробу	45
4.2 Визначення економічної ефективності проектного рішення	51
5 Охорона праці й навколишнього середовища	53
5.1 Аналіз шкідливих та небезпечних факторів	54
5.2 Нормативні вимоги безпеки та гігієни праці	56
5.3 Інженерні рішення для забезпечення безпеки обладнання	59
5.4 Пожежна безпека	62
Висновки	64
Використані джерела	65
Додатки	66

 

 

 

                                     ВСТУП

 

Повітряні фурми доменних печей є одним з найважливіших елементів конструкції доменної печі, що визначають ефективність її роботи; вихід фурм з ладу спричиняє за собою необхідність зупинки печі для заміни зруйнованої фурми.

Основними причинами виходу повітряних фурм доменних печей з ладу є знос і прогар рильной частини, тріщини по зварюванню і знос зовнішнього стакана.

Фурми, знаходячись в зоні максимальних температур, піддаються безперервній стираючій дії шихтових матеріалів, що приводить до їх зносу [1].

Перспективним методом підвищення стійкості є нанесення газотермічних покриттів. Проте існуючі рішення не дозволяють ефективно вирішити це завдання унаслідок відшаровування покриття [2,3].

У зв'язку з цим для зменшення  абразивного зношення пропонується створення на поверхні мідної фурми жаростійкого, зносостійкого шару шляхом нанесення на неї газотермічного покриття (електродуговим способом) і термообробки нанесеного покриття.  

В якості матеріалу, що напилюється можна використовувати алюміній, а як термообробка - дифузійний відпал [4]. При дифузійному відпалі відбувається дифузія алюмінія в мідь, що дозволяє підвищити міцність зчеплення між покриттям і основним матеріалом (адгезія) і отримати шар, що володіє стійкістю до високотемпературного окислення (жаростійкістю) і високою зносостійкістю. Для напилення пропонується використовувати метод електродугового напилення, а як вихідний матеріал для напилення - алюмінієвий дріт, що містить не менше 99 % AI.

 

 

1 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ АНАЛІЗ

 

1. 1 Характеристика деталі, що зміцнюється

 

Повітряна фурма є однією з основних деталей фурмового пристрою горну доменної печі.

Фурмовий пристрій складається з порожнистої мідної литої або штампованої з листової міді повітряної фурми з товщиною стінок до 8 і 5—6 мм в торцевій частині (рис. 1); полого мідного (інколи бронзового) литого холодильника фурми, званого також повітряною амбразурою, і чавунної амбразури із залитою в неї спіральною трубкою, що охолоджує, — фурменого холодильника, званого діжечкою [5].

Всі ці деталі послідовно вставляють одну в іншу в конічні  заточування, що є усередині них, забезпечують герметичність, і встановлюють строго на свої місця — фурмений холодильник в кладку печі, повітряну амбразуру (рівень з нею) і фурму з виступом — в робочий простір печі на 250—350 мм.

Охолодження (рис. 2) фурми доменної печі здійснюють водою, що підводиться безпосередньо до торцевої частини фурми і амбразури трубками діаметром 11/4. Для найбільш інтенсивного охолоджування максимально схильних до зносу і прогару торцевих, звернених до горна, сторін деталей трубки, що водопостачають, вводять в тіло фурми і амбразури з таким розрахунком, щоб відстань від внутрішньої поверхні торця до трубки була приблизно 150—250 мм. Витрата води на кожну фурму доменної печі складає 15—20 м³/ч, нагріваючи в середньому не вище 15 °С, швидкість руху води у фурмі 0,05-0,20 м/с.

До фурменого приладу  відносяться: 

• сопло для передачі дуття з рухливого фурменого коліна у фурму; 

• рухливе коліно з патрубком і гляделкой для спостереження за роботою фурми і приливами для з'єднання з нерухомим коліном; 

• нерухоме кільце; 

• фурмовий рукав, що з'єднується через штуцер фурменого приладу з кільцевим повітропроводом (коліно має хомут з сережками і клинами, що закріплюють їх), і натяжний болт з пружиною.

1 - натяжний болт; 2 - сережка з клином; 3 - фланець фурменого коліна;  4 - рухливе коліно; 5 — кільцевий повітропровід; 6 — фурмений рукав; 7- нерухоме коліно; 8 — дросельний пристрій; 9 — сопло; 10 — фурма; 11 — фурмений холодильник; 12 - фурмена амбразура

Рисунок 1.1 – Фурмовий пристрій [5]

 

З'єднання фурма доменної печі — сопло, сопло — рухливе  коліно і рухливе коліно — нерухоме коліно здійснюють шліфованими кульовими  заточуваннями для забезпечення герметичності при змінах взаємного  розташування деталей фурменого  приладу з кільцевою трубою від можливих переміщень, пов'язаних з термічною напругою.

При підвищеному тиску  газу на колошнику і збагаченні дуття  киснем, при високому його нагріві  нещільності зчленування фурменого  пристрою категорично недопустимі, оскільки ведуть до горіння деталей  і можуть послужити причиною аварій.

Рухливе коліно підвішується до фурмового рукава за допомогою двох шарнірних підвісок (сережок) з клинами. Щільність з'єднання рухливого коліна і фурменого рукава досягається затягуванням цих клинів, а ослаблення їх дає можливість обернути рухливе коліно, що висить на підвісках. Натяжним болтом здійснюється підтяжка фурмового коліна до сопла і сопла до фурми.

Фурмове коліно, фурмовий рукав і патрубок відливають із сталі і футерують спеціальною по розмірах шамотною цеглиною (1/4 товщину нормальної цеглини) впритул до корпусу на напівгустому шамотному розчині з товщиною швів 1,5 мм.

Рисунок 1. 2 – Бронзова амбразура (а) та чавунний холодильник (б) фурмового пристрою [5]

 

Сопла роблять литими чавунними або сталевими без захисту внутрішньої поверхні (товщина стінок 12—16 мм). При високому нагріві дуття (>1000 °С) сопла футерують спеціальними керамічними плитами (у момент відливання сопла) або роблять набивними, створюючи на їх стінках ізоляційний вогнетривкий шар, склад якого, про.%: глиноземистий порошок 80, пісок формувальний 20, с. с. би. 5 і волога 12.

Незафутеровані торці соплів і рухливих колін охолоджуються водою (рис. 1.3). Всі фланцеві з'єднання на фурмовому приладі ущільнюються азбестовим шнуром на соляному розчині.

Рисунок 1. 3 – Сопло, футероване керамічною плиткою (а), сопло полегшене (б), сопло звичайне (в), сопло з ізоляцією (г) [5]

 

З метою створення кращої герметичності  і прискорення операцій по зміні  фурмового пристрою Гипромезом запроектований дослідно-промисловий фурмовий прилад типа сільфону. Він є роз'ємним фурменим рукавом, жорстко закріпленим в робочому стані, з патрубком повітропроводу гарячого дуття і соплом. Сопло при зміні фурми знімають разом з нижньою частиною фурменого рукава за допомогою спеціального пристосування. Герметичність приладу забезпечується пристроями сільфонів, що знаходяться в місцях стику роз'ємної частини фурменого рукава і в з'єднанні його з патрубком повітропроводу гарячого дуття.

Сопло футеровано і охолоджується  водою в місці з'єднання з  фурмою. Прилад розрахований на роботу фурм діаметром 140, 150, 160 мм з максимальною температурою гарячого дуття до 1400 °С. Тиск води для охолоджування  холодильника, амбразури, сопла і гляделки складає 0,5 МПа (5,0 атм.), для охолоджування повітряної фурми — 1,0 МПа (10,0 атм.).

Фурмові рукави подібної конструкції використовуються в практиці закордонного доменного виробництва (рис. 1.4).

1 - компенсатор; 2 — циліндровий повітропровід; 3 — коліно; 4 — сопло; 5 - фурма

Рисунок 1.4 - Фурмовий рукав сільфон [5]

 

Пристроїв фурм дуже багато, але найбільш простими типовими конструкціями є литі і ковані мідні фурми (рис. 1.5).

Перша конструкція суцільнолита, друга  виконується з двох листів 7 і 2, звальцованних в конусні поверхні, з відбортовкою країв. Шви з'єднуються електрозварюванням. Задні відбортовані краї 3 і 4 з азбестовими або паронітовими прокладками щільно затискаються болтами 5 між сталевими фланцями 6 і 7.

Через напірну трубку 8 діаметром 11/4'' воду подають до торця фурми, а вивідна трубка 9 після змивання всієї внутрішньої порожнини фурми відводить її в оборотну магістраль. Фланець фурми має кульове заточування для щільного зчленування з повітряним соплом фурмового приладу.

 

 

Рисунок 1.5 – Мідні фурми: а - литі (1  - пробка, 2 – вхід; 3 - вихід); б - ковані (1 -9 див. в тексті) [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

    Лита повітряна фурма  доменної печі виготовляється (як  правило) з міді марки М2, хімічний  склад та механічні властивості  якої наведено в табл.1 [6] (згідно ГОСТ 859-2001).

Габаритні розміри  фурми  наведені на рис. 1.5, а.

Вага литої фурми  становить біля 46 кг.

Таблиця 1.1 - Хімічний склад міді М1 [6]

 

Масова доля елементів, %			Спосіб отримання
Cu	O2	P	Переплавлення катодів в вакуумі, інертної або відновлювальної атмосфери. Зменшує склад кисню
99,95	0,03	0,002

 

 

 

Таблиця 1.2 - Механічні властивості міді М1 за ГОСТ 8479-70 [6]

 

Стан міді	Механічні властивості
	sВ,МПа(границі міцності)	d, % (відносне подовження)	HB,МПа (твердість)
Лита ММ (м’яка відпалена) МТ (тверда нагартована)	160                            25                             400 250-300                   18-50                        550 350-480                   0,5-4,0                      1250

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Умови роботи та види зношування деталі, що зміцнюється

 

Повітряна фурма доменної печі працює в важких умовах: з одного боку вона контактує з рідким металом або  шлаком, з іншої сторони – охолоджується  водою, приймає та передає великі теплові потоки. Термоцикл доменної фурми накладає особливі умови до її конструкції [7].

Імпульсом для прогару фурм служать  утворення тріщин у верхній їх частині і плівкове кипіння води, що охолоджує, в результаті безпосереднього  контакту з розплавленим металом.

З цієї причини вихід фурм з ладу складає 2/3 від всіх випадків виходу, друге місце займає тріщиноутворення. Переважним місцем прогару є торець (рило) фурми, особливо його нижня частина. Зазвичай на це місце доводиться 63-77% всіх випадків прогару [1].

Причини виходу з ладу фурм можна класифікувати як технологічні так і конструктивно-експлуатаційні (рис.1.6). До технологічних факторів відносяться: високий тиск експлуатації та абразивне зношення при високій температурі (попадання на фурму рідкого розплавленого металу, що визиває проплавлення стінок фурми). До конструктивно-експлуатаційних факторів можна віднести такі, як утворення застійної зони між соплами води в наконечнику фурми, низьке охолодження фурми.

 

 

Рисунок 1.6 – види руйнування фурмового пристрою: а – прогар фурми під дією рідкого чавуну; б – пропалення фурми знизу від дії маси розплавів в горні; в – обгорання «рила» фурми; г – вибухове руйнування фурми пароводяною сумішшю; д – часткове заливання фурмового приладу шлаком; є – повне заливання фурмового приладу шлаком [8]

 

Середня і пікова теплові навантаження на фурму складають 140 і 400 кВт, відповідно. В основному прогар фурми відбувається в результаті зіткнення з великою  кількістю розплавленого чавуну. Критичним є потік тепла для  фурми рівний 600×104 ккал/(м2∙ч).

Щоб понизити теплове навантаження, необхідна  швидкість води, що охолоджує, до 15 м/с  і тиск до 10 ат. Близько 70% всіх пошкоджень фурм відбувається в результаті прогару [1, 8].

У доменній печі на фурму діє багато чинників [8]:

1) випромінювання, 100 ×104 ккал/(м2∙ч);

2) тепловий  потік від твердих матеріалів, 10 ×104 ккал/(м2∙ч);

3) тепловий  потік при безпосередньому контакті  з рідкими напівпродуктами плавки, 170×104 ккал/(м2∙ч);

4) тепловий  потік при контакті з шлаком, 200×104 ккал/(м2∙ч);

5) тепловий  потік при контакті з розплавленим  чавуном (400-700) ×104 ккал/(м2∙ч). 
   У першому, другому і четвертому випадках тепловий потік не є причиною прогару. У третьому випадку передача тепла здійснюється під час контакту з високотемпературною рідиною (шлак або чавун). Якщо кількість рідини, з якою стикається фурма в одиницю часу велике, фурма прогорає.

У п'ятому  випадку найчастіше виникає прогар фурми. При збільшенні теплового  потоку в системі охолоджування  йде паротворення, внаслідок чого на більшій частині металевої  поверхні відбувається плівкове кипіння  води. В цей час теплопередача  від металу до води, що охолоджує, зменшується, внаслідок чого тепловий потік зменшується, а температура металу різко підвищується. Мідь при цьому може розплавитися.

В табл. 1.3 наведені основні дефекти повітряних фурм згідно з [8].

Таблиця 1.3 – Основні дефекти (%), що є причиною виходу із ладу повітряних фурм [8]

Дефекти	Період роботи
	1 рік	2 роки
Прогар Деформація Тріщини Витік Зношення Брак	73,2                        70,0  0,6                             - 6,7                         8,2  5, 6                        6,3 10,8                       6,8   3,1                        8,7

 

 

 

 

 

Таким чином, згідно вище сказаного, можна  поставити мету та задачі дипломного проекту.

Мета дипломного проекту:  підвищення експлуатаційного ресурсу повітряної фурми доменної печі за рахунок зміцнення поверхневого шару електродуговим напиленням.

Задачі, що необхідно вирішити:

Розробити операції технологічного процесу;

Вибрати основне обладнання технологічного процесу;

Вибрати та розрахувати режими електродугового напилення;

Розглянути питання економічної  доцільності спроектованого технологічного проекту;

Розглянути питання щодо охорони  праці.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ПРОЕКТНО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ  РОЗДІЛ

 

2.1 Вибір матеріалу для напилення

 

Матеріал покриття для підвищення зносостійкості зовнішньої поверхні фурми (згідно умов роботи) повинен бути жаростійкий та зносостійкий. Тобто, необхідно вибирати матеріал, що буде перешкоджати, затримувати,  сповільняти зношенню цієї деталі.

Таким чином, для поверхні, що зміцнюється необхідно підібрати матеріал покриття з жаростійкими та зносостійкими властивостями.

Згідно рекомендацій [9] обираємо алюміній (матеріал, що утворює тепло-і жаростійке, корозійностійке покриття) та оксид алюмінію (матеріал, що утворює зносостійке покриття).

Згідно з [4] в якості матеріалу, що напилюється можна використовувати алюміній, а як термообробка - дифузійний відпал. При дифузійному відпалі відбувається дифузія алюмінія в мідь, що дозволяє підвищити міцність зчеплення між покриттям і основним матеріалом (адгезія) і отримати шар, що володіє стійкістю до високотемпературного окислення (жаростійкістю) і високою зносостійкістю. Як вихідний матеріал для напилення рекомендується обрати алюміній, що містить не менше 99 % Al.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 2 Оптимальний  метод нанесення покриття

 

Для вибору способів підвищення зносостійкості повітряної фурми доменної печі необхідно зупинитися на способі підвищення зносостійкості деталей, який є найбільш прийнятний за наступних підставах: 

1) за техніко-економічними показниками. До них відносяться: питома витрата матеріалу.

Питома трудомісткість напилення, підготовчо-завершальна обробка, коефіцієнти продуктивності процесу, питома собівартість відновлення, показник техніко-економічної оцінки, питома енергоємність. 

2) за показниками фізико-механічний властивостей. До них відносяться коефіцієнти: зносостійкості, витривалості, довговічності, зчеплення, мікротвердість.

Вибір способу ГТНП (газотермічного нанесення покриття) пов’язані з  основними вимогами до якості покриття (міцності зчеплення, пористості) і  складу напилювального матеріалу, а  також з його економічністю, ступенем корисного використання енергії [9].

Згідно завданню кількість деталей  в рік складає приблизно 1000 шт. Тобто маємо справу з серійним виробництвом.

Згідно рекомендацій необхідно  напиляти алюмінієвий дріт з вмістом  Al не менше 99%.

Таким чином, виходячи із цих рекомендацій вибираємо електродугове напилення.

Висока продуктивність процесу, високий енергетичний ККД, безперервність його  та відносно недороге обладнання (на відміну від детонаційного та плазмового) дає перевагу в обранні саме цього способу.

Вибираємо найбільш поширену двоелектродну  схему напилення.

 

 

2.3 Розробка технологічного процесу

 

В розробку маршрутного технологічного процесу входить комплекс операцій, що необхідні для здійснення процесу  відновлення плунжерів насосів високого тиску: транспортні та операції переміщення; операції механічної обробки; операції очищення та активації поверхонь, що підлягають відновленню; операції нанесення покриття; контрольні операції.

При газотермічному нанесенні покриття основним завданням є отримання  міцного зчеплення покриття з  матеріалом основи. Незалежно від  способу нанесення покриття необхідно  провести підготовку поверхні основного  матеріалу. У загальному вигляді  процес підготовки поверхні основи містить  такий комплекс операцій [9]:

- відбір деталей, які відповідають технологічним вимогам;

- механічна обробка поверхні основи;

- активація та формування шорсткості  напилюваної поверхні.

        Виберемо операції і режими підготовки поверхні деталі перед напиленням.

Очищення деталі. Так як деталі поставляють з заводу запечатаними їх не потрібно очищати. Необхідно лише знежирити поверхню, що підлягає зміцненню (зовнішню поверхню фурми) перед струминно-абразивною обробкою. Поверхню деталі будемо знежирювати органічними розчинниками (бензином, уайт-спіритом, ацетоном). Від чистоти поверхні деталі значною мірою залежить якість напилення. Наявність на поверхні бруду, оксидних плівок, мастила зменшує міцність зчеплення покриття з металом деталі.

          Очищення виконуємо загальноприйнятим способам: ручне промивання розчинниками, обдування стисненим повітрям). Необхідно ретельно очистити не тільки напилювану поверхню, а й ділянки, що прилягають до них ( щоб запобігти перенесенню забруднення на напилювану поверхню).

Струменево-абразивна  обробка. Струменево-абразивна обробка – є універсальним способом серед поширених методів активації і наданню необхідної шорсткості поверхні основи. Цей спосіб підготовки поверхні спрямований на усунення тих факторів, які є перепоною зчеплення матеріалу, який наноситься на поверхню основи та активацію поверхні основного матеріалу. Внаслідок цієї обробки поверхня основи набуває мікрорельєфу, яка характеризується високою щільністю дислокацій та наявністю великої кількості мікротріщин, що сприяє підвищенню міцності зчеплення покриття з основою.

Оптимальний режим струменеві-абразивної обробки для нашого випадку (деталь виготовлена із міді  - висока в’язкість(не рекомендують використовувати в якості абразивного матеріалу металевий дріт)) вибираємо згідно рекомендацій [11]. Режим струменево-абразивної обробки наведений в табл. 2.1.

Після абразивно-струменевої обробки  деталь обдуваємо стиснутим повітрям не нижче першого ступеня забрудненості (ГОСТ 17433-80).

 

Таблиця 2.1 - Рекомендований режим струменево-абразивної обробки мідних сплавів [11]

Фракція абразиву, мм	Вид абразиву	Тиск стиснутого повітря, МПа	Дистанція обробки, мм	Кут атаки, град	Лінійна швидкість переміщення пістолета, мм/хв.
0,6...0,8	Електрокорунд	0,4...0,6	100...120	60…90	250...600

 

У якості обладнання для струменеві-абразивної обробки можна вибрати напівавтомат 487РМ.

Напилення. Напилюємо алюмінієвий дріт за допомоги електродугового напилення.

Вибираємо дріт алюмінієвий марки СвА99, що використовується для електродугового напилення  (діаметром 2 мм) згідно ГОСТ 7871-75. Хімічний склад: Al 99,99%.

Основними параметрами технологічного процесу електродугового напилення є [9]: сила електричного струму дуги, А; напруга на дузі, В; діаметр дроту (мм) і його матеріал; швидкість подачі дроту, м/хв; витрати розпилювального газу, м³/год; дистанція напилення, мм; швидкість переміщення металізатора відносно виробу, м/хв; число обертів циліндричної деталі, об/хв; кут перетину електродів, град.

Найбільш важливими параметрами  режиму електродугового напилення  є потужність дуги та витрати розпилювального  газу.

Потужність дуги визначається значенням  електричного струму та напругою. Як правило, напруга не є параметром, який регулюється. Вона визначається вольт-амперною характеристикою  джерела живлення і знаходиться  в межах 18-35 В.

Функціональні властивості виробів  із покриттями визначаються не лише властивостями  матеріалу, який був використаний під  час створення робочої поверхні. Процес нанесення покриттів має  великі потенційні можливості як зі створенням нових видів покриттів, так і  техніки використання технології.

Конструювання покриття охоплює: визначення товщини шару матеріалу, який створить робочу поверхню; вибір складу матеріалу  покриття та структури системи «покриття-основа» [11].

Згідно рекомендацій  [10] , при  близьких значеннях коефіцієнтів термічного розширення (для міді – 17,59 *10^-6 1/ºС; для алюмінію – 22,26*10^-6 1/ºС) застосуємо найпростішу конструкцію покриття – одношарове.

Згідно рекомендацій [11], визначаємо товщину покриття. Мінімальна робоча товщина покриття загалом визначається, як

                                                          (2.1)

де  t_п.н – товщина покриття, яка необхідна і достатня для забезпечення нормального функціонування виробу, а також для можливості відновлення покриття та ремонту виробів; 

t_п.з- товщина покриття на зношування, яка забезпечує принагідний ресурс роботи виробу;

Rz_н – висота нерівностей, яка отримана під час кінцевого переходу обробки покриття;

W_п – висота хвилястості.

На практиці [11] можна застосувати  спрощену методику визначення товщини  покриття.

Товщина покриття, що нарощується на зовнішні поверхні деталей обертання:

                                                                                              (2.2)

де D – номінальний діаметр деталі;

d – діаметр деталі після підготовки  до напилення; 

b – припуск на обробку після  напилення.

Таким чином, напиляємо алюмінієвий дріт товщиною 0,8…1,0 мм.

Товщина шару покриття за один прохід, повинна  не перевищувати 0,02-0,1.

Розрахуємо основні режимні параметри напилення згідно [13].

Силу струму знаходимо за формулою:

                                             ,                                         (2.3)

де j – щільність струму, А/мм².

Напруга на дузі функціонально пов’язана  з силою струму, довжиною дуги.

Швидкість подачі дроту можна визначити  по формулі:

                                

  ,                                    (2.4)

 

де  d_др – діаметр дроту, мм.

Витрати транспортуючого газу (повітря) можна визначити по формулі:

                                                        ,                         (2.5)

Де F – площа перерізу сопла, см²; w=120…200 м/с – швидкість витоку струменю при електродуговій металізації; l=0,97…0,98 – коефіцієнт витоку.