Підвищення зносостійкості повітряних фурм доменних печей електродуговим напиленням

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.