книги из ГПНТБ / Чернявский И.Я. Износоустойчивые металлошлаковые трубы

Рис. 37. Кривая полной усадки шлаков ММК (а) и БГМК (б)

регрева выше температуры ликвидуса, что устраняет ошибки в оценке | п через £}К.

В связи с непосредственным контактированием шла­ ковых расплавов с металлами при изготовлении металло­ шлаковых труб полезно сравнить шлаков и металлов (рис. 38). Хотя общий характер кривых шлаков и ме­ таллов очень схож, имеются и существенные различия. Усадка шлака при затвердевании, как правило, прева­ лирует над всеми остальными видами усадок (в реаль­ ных условиях заливки), в то время как у стали, напри­ мер, этот участок кривой ВС незначителен, а у чугуна — еще меньше. Кроме того, в металлах за счет модификационных превращений в определенном интервале темпе­ ратур происходит объемное расширение, в то время как в изучаемых шлаках этого не наблюдается.

Физико-механические свойства шлаков

Прочностные и упругие свойства наряду с износо-, трегдино- H кислотостойкостыо определяют в конечном счете качество шлаковой отливки и весь ход технологи­ ческой разработки. Чугун и сталь — традиционные ли­ тейные материалы, как правило, хорошо изучены, и све­ дения по их свойствам можно найти в любом справочнике по этим материалам [126, 127]. Что же касается шла­ ков, то их в силу различных обстоятельств лишь недав­ но стали использовать в качестве литейного материала, поэтому и сведений о их свойствах (в том числе и о физико-механических) неизмеримо меньше.

Попытаемся кратко изложить сведения о физико-ме­ ханических свойствах шлаков ММК и БГМК, получен­ ные нами и другими авторами. Эти свойства связаны с химическим и фазовым составом шлака, его структурой, величиной кристаллов, наличием остаточных напряже­ ний, внешними условиями формирования отливки: ско­ ростью охлаждения (нагрева), температурой и т. п.

охлаждения, степени кристаллизации и химического сос­ тава авторы пользовались методикой, основанной на определении той минимальной силы торможения усад­ ки, которая в отливке определенного сечения вызывает напряжения, достаточные для образования трещин. Эта методика была разработана для металлов А. А. Бочваром с сотрудниками [133, 134]. Они показали, что с увеличением температуры трещиностойкость образцов понижается. Благоприятное воздействие оказывает ввод в шлаковый расплав наполнителя — трещиностойкость изделий возрастает.

Основной эксплуатационной характеристикой метал­ лошлаковых труб является износоустойчивость шлако­ вой футеровки. Как будет показано дальше, в силу спе­ цифики технологии изготовления металлошлаковых труб (особенно центробежным способом) в шлаковой футе­ ровке всегда имеются посечки (поверхностные мнкротрещииы) и даже сквозные трещины, которые на эксплуа­ тационную стойкость труб практически не влияют. Проч­ ностные и упругие напряжения, если они не вызывают разрыва чугунной оболочки и сквозных поперечных тре­ щин в футеровке, также не очень важны для эксплуата­ ционной характеристики. Но если шлаковая футеровка неизносоустойчива, то даже при удовлетворительном со­ четании остальных физико-механических свойств трубы экономически будут неэффективны.

Поэтому изучению износоустойчивости шлаков в за­ висимости от их фазового и минералогического состава, степени кристаллизации, величины кристаллов и воз­

действия внешних условий мы придавали первостепен­ ное значение. В связи с тем, что названные факторы тесно связаны с технологией формирования металло­ шлаковой трубы (точнее, ее шлакового слоя), они даль­ ше будут подробно рассмотрены в соответствующих раз­ делах. Сейчас только заметим, что износоустойчивость изучаемых шлаков оценивали посредством коэффициен­ та истирания, который рассчитывали по формуле

где Р п Р\ — вес образца до истирания н после него; S — площадь истирания; V — объемный вес образца.

На износ шлаки испытывали на круге Баушингера по методике, разработанной Институтом геологии АН

СССР на приборе ЛКИ-2 [135]. Образцы имели цилинд­ рическую форму (cl = 30 мм, h = 50 мм). Износ проис­ ходил в процессе вращения образца с постоянной ско­ ростью 38 м/мин при постоянной нагрузке. В качестве абразивного материала использовали предварительно прокаленный Вольский песок, который во время враще­ ния увлажняли.

По формуле (1.46) находили коэффициент истира­ ния и по его значению сравнивали износоустойчивость исследуемых шлаков как с другими, известными в про­ мышленности материалами, так п между собой. Ниже приведены данные по истираемости отвальных шлаков ММК и Б ГМК.

Ко р у н д .....................................................0,02

Впроцессе формирования шлаковых отливок .послед­ ние значительно изменяются в зависимости от режимов охлаждения труб. Тем не менее даже отвальные шлаки, например БГМК, не уступают камнелитым изделиям.

Кислотостойкость исследуемых шлаков колеблется в зависимости от степени закристаллизованное™, но в об­ щем она невысока [136].

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОШЛАКОВЫХ ТРУБ

А. ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЛИТЬЕ

Особенности способа

При центробежном способе во вращающуюся излож­ ницу поочередно заливают жидкие металл и шлак [137]. Трубы получаются двухслойными с наружным слоем из металла и внутренним из шлака. Возможность такого способа обусловлена различной по величине линейной усадкой обоих материалов; при совместном затвердева­ нии шлак, имеющий, как правило, меньшую, чем металл усадку, обжимается последним, создавая при этом от­ ливку в преднапряжеш-юм состоянии. Данный способ не требует последующей термической обработки, что вы­ годно отличает его от всех известных до сих пор прие­ мов получения труб центробежным способом из оксид­ ных расплавов.

Этот принцип получения двухслойных металлошла­ ковых труб предъявляет п определенные требования к материалам. Наружный слой должен образовываться таким металлом, который бы одновременно обладал вы­ сокой жидкотекучестью, сравнительно большой величи­ ной a -г, прочностью в твердом состоянии, хорошей обра­ батываемостью о, наконец, был бы относительно недо­ рогим. Таким металлом, по нашим исследованиям, оказался чугун рядовых марок; СЧ12-28 и СЧ15-32.

Внутренний шлаковый слой должен обладать доста­ точно высокой жидкотекучестью, коэффициентом линей­ ной усадки ашл < сс.мот н, безусловно, высокой износо­ устойчивостью.

Как будет показано, соотношение а шл ^ осмет имеет свой нижний критический предел, когда прочность чугу­ на на разрыв оказывается недостаточной для оказания сопротивления напряжения, возникающим в нем в ре­ зультате большой разности в величинах линейной усад­ ки обоих материалов. Поэтому для получения труб ука­ занным способом пригодны хорошо кристаллизующиеся из расплава шлаки. Этим свойством обладают шлаки

большинства предприятии черной, цветной и химической промышленности и в том числе ММК и БГМК — двух крупнейших предприятий Союза.

Вторым условием доброкачественных металлошлако­ вых труб, получаемых центробежным способом, являет­ ся их конструкция, точнее, конструкция их торцов. Тор­ цы любых труб, в том числе металлошлаковых, долж­ ны отвечать всем требованиям хорошей стыковки, обеспечивающей плотность и прочность стыков при мак­ симально допустимых давлениях в трубопроводе, а так­ же надежность работы всей нитки трубопровода при внешних воздействиях.

Металлошлаковая труба, изготовленная центробеж­ ным способом, представляет собой гладкий двухслойный цилиндр, на одном кон­

охлаждения обоих слоев становится короче шлакового. Не удалив выступающие концы шлакового слоя, невоз­ можно осуществить плотную стыковку. А удаление выс­ тупающих концов шлаковой футеровки—операция весь­ ма не простая. Шлак можно отрезать только алмазным кругам, но это длительная и трудоемкая операция; если отбивать шлак молотком, то шлак откалывается в самых неожиданных местах, что нередко превращает отливку в брак.

Учитывая все эти особенности, мы предложили прин­ ципиально новую конструкцию стыков [138].

Как видно из рис. 40, бурт, который отливается за­ одно с трубой, имеет трапецеидальное сечение с ровной передней плоскостью и скошенной задней. Скос выпол-

йен под углом 40—45°, что позволяет при стыковке быстро сменять крепежный инвентарь и в то же время не допускать возникновения критических напряжений в чугунной оболочке в месте перехода цилиндра в трапе­ цию. Для предупреждения нежелательного эффекта, свя­ занного с разной величиной усадки двух слоев на тор­ цевой части трубы, еще в процессе ее формирования посредством специального выступа в крышке кокиля формируется уступ, равный разности в величине усадки чугуна и шлака (рис. 40, а). При полном охлаждении этот уступ компенсируется разностью в усадках, и торец принимает вид, изображенный на рис. 40, б.

Скос в шлаковом слое, который направлен внутрь трубы и обычно не превышает 5—20°, обеспечивает це­ лостность шлакового слоя, когда при стыковке исполь­ зуются различного вида прокладки.

Оценка пригодности шлаков для центробежной отливки труб

Опыт показал, что не все шлаки могут быть исполь­ зованы в качестве футеровки при центробежной отлив­ ке труб. Дело в том, что принцип изготовления двух­ слойных металлошлаковых труб центробежным спосо­ бом без термической обработки, основанный на эффекте обжатия внутреннего шлакового слоя наружным метал­ лическим, в определенных условиях превращается в свою противоположность. Обжатие внутреннего шлако­ вого слоя наружным металлическим происходит вслед­ ствие неодинаковой величины линейной усадки обоих материалов. Но когда напряжения, возникающие в чу­ гунном слое, превышают критические для него, то он разрывается. Очевидно, это обязательно произойдет, если величина усадки шлака намного меньше усадки чу­ гуна. Эта величина, назовем ее £Кр, может быть оценена из выражения

где К — коэффициент, учитывающий соотношение толщин шлакового

на gI(p в зависимости от структуры чугуна колеблется от

0,0015 до 0,0032. Заметим, что при свободном сжатии чугун имеет относительную усадку, равную 0,011. Сле­ довательно, чтобы не дать чугуну достигнуть величины критической усадки £Іф, шлак должен иметь [согласно (II.1)] усадку порядка 0,01—0,008, пли 1—0,8%. Иначе говоря, при применении перлитного чугуна для образо­

мирования металлошлако­ вой трубы центробежным способом, показывают Ішл^кр-

На величину линейной усадки оказывает влияние главным образом соотношение фаз, которое, в свою оче­ редь, определяется (помимо природы самого шлака) скоростью охлаждения. Это хорошо видно из результа­ тов исследований, оценивающих зависимость величин усадки от скорости охлаждения (рис. 41) [153]. На этом рисунке кривая 1 характеризует шлак ММК, а кривая 2 — шлак ММК с добавкой 30% АІ2О3 (шпинелы-іый сос­ тав). На графике показана также линия расчетной ве­

центробежным способом; те шлаки, величины усадки ко­ торых лежат ниже этой линии, непригодны.