Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов
Изложены методические подходы, определены технологические параметры процесса нанесения износостойкого корундового покрытия на внутреннюю поверхность металлических труб методом СВС в поле центробежных сил. Проведены расчеты изменения стандартной мольной энергии Гиббса для всех возможных реакций между...
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2011
|
| Назва видання: | Металл и литье Украины |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104403 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов / О.И. Шинский, Н.В. Бабич, Н.И. Буровский // Металл и литье Украины. — 2011. — № 3. — С. 18-23. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-104403 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1044032016-07-09T03:02:16Z Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов Шинский, О.И. Бабич, Н.В. Буровский, Н.И. Изложены методические подходы, определены технологические параметры процесса нанесения износостойкого корундового покрытия на внутреннюю поверхность металлических труб методом СВС в поле центробежных сил. Проведены расчеты изменения стандартной мольной энергии Гиббса для всех возможных реакций между компонентами шихты с целью выяснения, какие из этих реакций теоретически могут протекать самопроизвольно. Для определения энергетической способности шихты проведены также расчеты тепловых эффектов (энтальпий) соответствующих реакций. Рассмотрены теплообменные процессы между металлической трубой и продуктами экзотермической реакции при формировании корундового слоя. Получены опытные образцы элементов стального трубопровода с наплавленным корундовым слоем, исследован материал покрытия. Викладено методичні підходи; визначено технологічні параметри процесу нанесення зносостійкого корундового покриття на внутрішню поверхню металевих труб методом СВС в полі відцентрових сил. Проведено розрахунки зміни стандартної молярної енергії Гіббса для всіх можливих реакцій між компонентамі шихти для з'ясування, які з цих реакцій теоретично можуть протікати самочинно. Для визначення енергетичної здатності шихти проведено також розрахунки теплових ефектів (ентальпій) відповідних реакцій. Розглянуто теплообмінні процеси між металевою трубою та продуктами екзотермічної реакції при формуванні корундового шару. Отримано дослідні зразки елементів сталевого трубопроводу з наплавленим корундовим шаром, досліджено матеріал покриття. Methodical approaches are stated; technological parameters of process of putting a wearproof corundum coating on inner surface of metal pipes by SHS method in centrifugal force field are defined. Calculations of change standard Gibbs mole energy for all possible reactions between charge components for finding-out what of these reactions can theoretically proceed spontaneously are performed. For determination of charge power ability calculations of thermal effects (enthalpy) corresponding reactions also are performed. Heat processes between a metal pipe and products of exothermic reactions at corundum layer formation are considered. Pre-production models of elements of the steel pipeline with corundum overlay are received, the covering material is investigated. 2011 Article Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов / О.И. Шинский, Н.В. Бабич, Н.И. Буровский // Металл и литье Украины. — 2011. — № 3. — С. 18-23. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104403 621.793:622.54 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Изложены методические подходы, определены технологические параметры процесса нанесения износостойкого корундового покрытия на внутреннюю поверхность металлических труб методом СВС в поле центробежных сил. Проведены расчеты изменения стандартной мольной энергии Гиббса для всех возможных реакций между компонентами шихты с целью выяснения, какие из этих реакций теоретически могут протекать самопроизвольно. Для определения энергетической способности шихты проведены также расчеты тепловых эффектов (энтальпий) соответствующих реакций. Рассмотрены теплообменные процессы между металлической трубой и продуктами экзотермической реакции при формировании корундового слоя. Получены опытные образцы элементов стального трубопровода с наплавленным корундовым слоем, исследован материал покрытия. |
| format |
Article |
| author |
Шинский, О.И. Бабич, Н.В. Буровский, Н.И. |
| spellingShingle |
Шинский, О.И. Бабич, Н.В. Буровский, Н.И. Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов Металл и литье Украины |
| author_facet |
Шинский, О.И. Бабич, Н.В. Буровский, Н.И. |
| author_sort |
Шинский, О.И. |
| title |
Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов |
| title_short |
Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов |
| title_full |
Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов |
| title_fullStr |
Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов |
| title_full_unstemmed |
Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов |
| title_sort |
определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2011 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104403 |
| citation_txt |
Определение технологических параметров процесса нанесения защитного корундового покрытия на элементы стальных трубопроводов / О.И. Шинский, Н.В. Бабич, Н.И. Буровский // Металл и литье Украины. — 2011. — № 3. — С. 18-23. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Металл и литье Украины |
| work_keys_str_mv |
AT šinskijoi opredelenietehnologičeskihparametrovprocessananeseniâzaŝitnogokorundovogopokrytiânaélementystalʹnyhtruboprovodov AT babičnv opredelenietehnologičeskihparametrovprocessananeseniâzaŝitnogokorundovogopokrytiânaélementystalʹnyhtruboprovodov AT burovskijni opredelenietehnologičeskihparametrovprocessananeseniâzaŝitnogokorundovogopokrytiânaélementystalʹnyhtruboprovodov |
| first_indexed |
2025-07-07T15:18:13Z |
| last_indexed |
2025-07-07T15:18:13Z |
| _version_ |
1837001861795676160 |
| fulltext |
18 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 3 (214) ’2011
П
роблема защиты металлического оборудования,
в частности трубопроводов, которые использу-
ются в условиях интенсивного абразивного изно-
са и коррозии, а также увеличения срока их про-
мышленной эксплуатации всегда были в поле зре-
ния ученых, производственников и изобретателей.
Современный научно-технический арсенал содер-
жит достаточно широкий спектр технических средств
для решения этой проблемы – использование литых
базальтовых вкладышей, электродуговая наплавка
рабочей поверхности элементов трубопроводов кар-
бидосодержащими твердыми сплавами, поверхност-
ное упрочнение различными методами, напыление
рабочей поверхности [1-3]. Кроме того, в последние
десятилетия применяются технологии с использова-
нием явления СВС (самораспространяющегося вы-
сокотемпературного синтеза) [4-5].
Процесс СВС обладает рядом существенных пре-
имуществ по сравнению с традиционными методами
металлургии, где используются энергозатратные вы-
сокотемпературные печи. Внедрение этих техноло-
гий не требует громоздкого и дорогостоящего специ-
ального оборудования, а также больших площадей,
и их легко приспособить к имеющимся производ-
ственным помещениям [5].
В информационных источниках имеются обзор-
ные сведения о фактах проведения работ по полу-
чению трубчатых изделий из тугоплавких материа-
лов методом СВС, двухслойных труб с внутренним
рабочим корундовым слоем с применением центро-
бежных технологий [5, 6]. Однако данные, касающи-
еся технологических параметров производства таких
изделий, практически отсутствуют.
На первый взгляд, задача нанесения корундово-
го покрытия на внутреннюю поверхность металличе-
ской (керамической) трубы определенного диаметра
представляется простой. Протекание СВС-процесса
реакционной смеси определенного состава, находя-
щейся в полости трубы, которая вращается вокруг
своей геометрической оси, обеспечивает получе-
ние равномерно распределенного на внутренней по-
верхности глиноземистого расплава, его кристалли-
зацию и формирование защитного корундового слоя.
На практике эта задача является более сложной и
зависит от целого ряда технологических факторов и
физико-химических параметров.
Основными параметрами, влияющими на проте-
кание экзотермической реакции и формирование за-
щитного корундового слоя, безусловно, являются хи-
мический состав реагентов шихты и количествен-
ные соотношения между этими реагентами. Важным
фактором в исследуемом технологическом процес-
се является теплообмен между стальной трубой,
выполняющей роль реактора, и высокотемператур-
ным расплавом – продуктом экзотермической реак-
ции компонентов шихты. Доминирующее влияние в
исследуемом процессе оказывают центробежные си-
лы, воздействующие как на исходную реакционную
смесь, так и на формирование материала покрытия,
образующегося при охлаждении и кристаллизации
высокотемпературного металлооксидного расплава.
И, безусловно, нельзя не учитывать такие технологи-
ческие факторы, как фракционный состав, дисперс-
ность компонентов реакционной смеси, степень их
перемешивания и гомогенности.
В данной работе изложены методические подхо-
ды при решении поставленной задачи. Определены
несколько материалов-реагентов для приготовления
экзотермических смесей, обеспечивающих образо-
вание в процессе реакции глиноземного расплава и
кристаллизацию корундовой фазы. Сконструирована
и изготовлена экспериментальная оснастка, подго-
товлено оборудование для выполнения эксперимен-
тальной части работы. Проведен термодинамиче-
ский анализ экзотермических смесей различных со-
ставов и определены количественные соотношения
шихтовых компонентов. Выполнены расчеты тепло-
обменных процессов в реакционных объемах между
УДК 621.793:622.54
О. И. Шинский, Н. В. Бабич, Н. И. Буровский
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
Определение технологических параметров
процесса нанесения защитного корундового покрытия
на элементы стальных трубопроводов
Изложены методические подходы, определены технологические параметры процесса нанесения износо-
стойкого корундового покрытия на внутреннюю поверхность металлических труб методом СВС в поле
центробежных сил. Проведены расчеты изменения стандартной мольной энергии Гиббса для всех возможных
реакций между компонентами шихты с целью выяснения, какие из этих реакций теоретически могут протекать
самопроизвольно. Для определения энергетической способности шихты проведены также расчеты тепловых
эффектов (энтальпий) соответствующих реакций. Рассмотрены теплообменные процессы между металличе-
ской трубой и продуктами экзотермической реакции при формировании корундового слоя. Получены опытные
образцы элементов стального трубопровода с наплавленным корундовым слоем, исследован материал
покрытия.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), реакционная смесь,
реактор, центробежные силы и ускорения, гравитационный коэффициент, корундовое покрытие
19МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 3 (214) ’2011
продуктом экзотермической реакции, высокотемпе-
ратурным расплавом и трубой-реактором. Разрабо-
таны способы пиростимуляции реакционной смеси
непосредственно во вращающемся реакторе. Про-
ведены испытания оборудования как в холостом ре-
жиме, так и в процессе протекания экзотермических
реакций. Получены опытные образцы корундового
покрытия. Определены методы и проведены иссле-
дования синтезированного материала покрытия.
При выборе шихтовых материалов исходили из
их термодинамических характеристик, доступности
и рыночной цены. В качестве окислителей использо-
вали такие полиоксидные материалы, как железный
сурик, кузнечная железистая окалина, конверторные
выносы и шламы Побужского ферроникелевого ком-
бината (Кировоградская обл.) и Мариупольского ме-
таллургического комбината им. Ильича (г. Мариу-
поль), табл. 1. Кузнечную окалину предварительно
измельчали в шаровой мельнице, затем просеива-
ли через сито калибром 0,25 мм. Конверторную пыль
также просеивали, сурик использовали без какой-
либо предварительной подготовки.
В качестве восстановителя применяли алюми-
ниевый порошок с размером частиц 0,16-0,25 мм и
содержанием алюминия не менее 98 %, а также из-
мельченную стружку как отходы механической об-
работки алюминиевых деталей. Компоненты ших-
ты, взятые в стехиометрическом соотношении, взве-
шивали на технических весах РН-3Ц13У с точностью
до 0,5 % и тщательно перемешивали в шнекоротор-
ном смесителе, получая таким образом реакционную
смесь. Качество перемешивания, гомогенность реак-
ционной смеси, а также размеры частиц контролиро-
вали под микроскопом МИМ-8. Заданное в соответ-
ствии с расчетами количество реакционной смеси
помещали в реакторы, на которых исследовали про-
цесс синтеза корундового покрытия.
Реакторами (рис. 1) для исследований использо-
вали образцы стандартных стальных труб различ-
ных типоразмеров наружным Ø 78, 114, 140, 219 мм
с толщиной стенки 4-10 мм и длиной 220-240 мм.
По торцам образцов труб выполнены ступенчатые
проточки для плотной посадки торцевых крышек и
последующего центрирования отдельных сегмен-
тов трубопровода при его сборке и сварке. С одного
конца устанавливали глухую стальную крышку тол-
щиной 10 мм для защиты испытательного стенда
от высокотемпературных воздействий продуктов
реакции. На другом торце крепили составную крыш-
ку с осевым отверстием Ø 30 мм и стальной точе-
ной вставкой для этого отверстия. Осевое отвер-
стие крышки может быть использовано для пироме-
трических замеров температуры реакции с помощью
визуального промышленного пирометра «Проминь».
Дополнительно в крышке выполнены два отверстия
Ø 10 мм для поджига шихты и частичного выхода
газов.
В качестве центробежного ис-
пытательного стенда использова-
ли несколько доработанный то-
карный станок 1К62. Образцы
труб-реакторов, заполненные ре-
акционной смесью, надежно за-
крепляли в патроне стенда и
приводили во вращение. Частоты
вращения регламентированы тех-
ническими характеристиками уста-
новки и отображены в табл. 2.
Величины центробежных уско-
рений, возникающие при вращении реактора в
цилиндрическом слое реакционной смеси, а так-
же высокотемпературном расплаве, образовавшем-
ся в процессе реакции, характеризовали коэффи-
циентами гравитации. Коэффициент гравитации (kг)
определяет кратность превышения значений цен-
тробежных ускорений в заданных точках исследу-
емых образцов величины ускорения земного тяго-
тения (g)
Центробежные ускорения (ац) рассчитывали по
формуле
aц = 2πn2d (2)
где n – частота вращения, d – внутренний диаметр
стальной трубы.
Значения коэффициентов гравитации также пред-
ставлены в табл. 2.
Необходимо отметить, что при формировании по-
крытия на внутренней поверхности образца сталь-
ной трубы воздействие центробежных сил различно
в зависимости от Ø трубы и от толщины формиру-
ющегося слоя. В периферийной зоне образца, при-
легающей к поверхности стальной трубы, их воздей-
ствие (соответственно, и значения коэффициентов
гравитации) максимально. При формировании слоя
толщиной 5-7 мм эти значения уменьшаются к оси
вращения и на внутренней поверхности могут умень-
шиться до 20 %.
Таблица 1
Химический состав используемых в работе шихтовых материалов
Шихтовой
материал
Содержание компонентов, %
Fe3O4 FeO SiO2 Al2O3 Cr2O3 CaO MgO R2О
Сурик
железный 67,8 – 23,0 8,3 – – – –
Конверторная
пыль ПНЗ 66,0 – 2,0 – 7,0 20 2,0 3,0
Конверторная
пыль ММЗ 82,1 – 2,5 0,4 11,0 – 2,0 –
Кузнечная
окалина – 92,7 5,7 – – 0,8 0,8 –
Рис. 1. Оснастка, используемая для получения корундового
покрытия
kг = aц
g . (1)
20 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 3 (214) ’2011
Для стимуляции возгорания реакционной сме-
си непосредственно в процессе вращения трубы-
реактора была разработана специальная электриче-
ская схема, позволяющая дистанционно и безопасно
обеспечивать подачу мощного электроимпульса на
две вольфрамовые (нихромовые) спирали.
При подборе состава шихты выполнены термоди-
намические расчеты изменения стандартной моль-
ной энергии Гиббса для всех возможных реакций
между компонентами. Изменение стандартной моль-
ной энергии реакций (ΔG°) рассчитывали как разни-
цу между ΔG° образования продуктов реакции и
ΔG° образования исходных веществ. Расчеты про-G° образования исходных веществ. Расчеты про-° образования исходных веществ. Расчеты про-
водились с учетом молей каждого вещества в урав-
нении реакции. ΔG° простого вещества равняет-G° простого вещества равняет-° простого вещества равняет-
ся нулю. Например, для реакции Fe2O3 + 2Al →
→ 2Fe + Al2O3, ΔG° = −841,7 кДж/моль. Отрицатель-G° = −841,7 кДж/моль. Отрицатель-° = −841,7 кДж/моль. Отрицатель-
ное значение ΔG° означает, что эта реакция при
стандартных условиях самопроизвольно протекает
в прямом направлении. Аналогичным образом выяс-
нили, что самопроизвольно в прямом направлении
также протекают реакции взаимодействия алюми-
ния с Fe3O4, FeO, Ca2O3, SiO2.
Выполнены термодинамические расчеты [7] коли-
чества тепловой энергии, выделяемой в ходе экзо-
термических реакций, используемых в опытах реак-
ционных смесей, а также теплообменных процессов
между образовавшимся высокотемпературным рас-
плавом и трубой-реактором.
Тепловые эффекты реакций образования оксида
алюминия в реакционных смесях на основе различ-
ных шихтовых материалов (см. табл. 1) определяли
в соответствии с законом Гесса алгебраическим сум-
мированием изменения теплосодержаний при проте-
кании реакций образования оксидов железа, крем-
ния, хрома и оксида алюминия
где ΣΔH 0
1n1
– энергия образования продуктов ре-
акции; ΣΔH0
2n2
– энергия образования исходных
веществ.
Расчеты, выполненные для экзотермической сме-
си с использованием железного сурика, показыва-
ют, что количество тепла, выделяемого в 1 кг массы
реакционной смеси, составит 797 ккал. При этом, в
идеальном случае, продукты реакции составят (г)
554 Al2O3, 367 Fe и 80 Si. По проведенным аналогич- Fe и 80 Si. По проведенным аналогич- и 80 Si. По проведенным аналогич- Si. По проведенным аналогич-. По проведенным аналогич-
ным расчетам в единице массы реакционной смеси
на основе железистой окалины вы-
делится 658 ккал с образованием
420 г Al2O3 (корунда); конверторно-
го шлака ПНЗ – 623 ккал, с образо-
ванием 580 г Al2O3; шламов конвер-
торного производства Мариуполь-
ского металлургического комбина-
та им. Ильича выделится 710 ккал
тепловой энергии при образовании
590 г Al2O3.
Таким образом, все четыре рас-
сматриваемых варианта реакцион-
ных смесей обладают достаточно
высокой энергетической способностью и могут быть
использованы на практике.
Образованная в процессе экзотермической реак-
ции тепловая энергия будет израсходована на на-
грев и проплавление продуктов реакции. Расчетное
значение температуры продуктов реакции определя-
ли по формуле
Q = (Ckmk + CFemFe + CSimSi)t + (λkmk + λFemFe + λSimSi), (4)
oткуда получаем значение температуры продуктов
реакции
где λk – удельная теплота плавления корунда,
1088 кДж/кг; λFe – удельная теплота плавления же-
леза, 277 кДж/кг; λSi – удельная теплота плавления
кремния, 164 кДж/кг; Ck – среднее значение теплоем-
кости корунда, 0,25 кал/г /°С; CFe – среднее значение
теплоемкости железа, 0,153 кал/г/°С; CSi – среднее
значение теплоемкости кремния, 0,191 кал/г/°С; mk –
масса образованной корундовой фазы; mFe – масса
восстановленного железа; mSi – масса восстановлен-
ного кремния.
Подставляя в выражение (5) численные значения
величин, получим расчетное значение температуры
продуктов реакции t = 2580 °С.
Рассчитали также соотношение масс реакцион-
ной смеси и стальной трубы с тем, чтобы передавае-
мая стальной трубе образовавшаяся тепловая энер-
гия реакции не привела к перегреву стальной обе-
чайки и ее прогоранию.
При заданной температуре нагрева трубы 800 °С,
ее масса определяется из выражения теплового ба-
ланса
Ckmk + CFemFe + CSimSi + CFemt · t° = Q. (6)
Откуда выражение для массы трубы принимает
вид
Подставляя в (7) относительные (долевые) ко-
личества продуктов реакции, получаемые в едини-
це массы шихты (Мш): Мк = 0,554 Мш; МFe = 367 Мш;
МSi = 0,08 Мш, а также средние значения теп-
лоемкостей продуктов реакции – глинозема (Ск),
Таблица 2
Значения коэффициентов гравитации для периферийных точек
формирующегося покрытия на трубах различных диаметров при
заданных частотах вращения
Диаметр трубы Частота вращения, 1/мин
наружный внутренний 500 800 1000 1250 1600 2000
78 70 3,1 7,9 12,4 19,5 31,9 49,8
114 104 4,6 11,8 18,5 28,9 47,4 74,1
140 128 5,7 14,6 22,8 35,6 58,4 91,2
219 200 8,9 22,8 35,6 55,6 91,2 142,5
ΔH0
= ΣΔH0 – ΣΔH0 , (3)1n1реакции 2n2
t =
Q − (λkmk + λFemFe + λSimSi)
Ckmk + CFemFe + CSimSi
, (5)
( )Mт = Q
CFet
−
Ck
CFe
· mk +
CSi
CFe
· mSi + mFe . (7)
21МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 3 (214) ’2011
восстановленных железа (СFe) и кремния (СSi) в ин-
тервале температур 0-t °C (t = 700 °C), получим
где
Численное значение K для заданной реакционной
смеси K = 1,12. Из выражения (4) определяем выра-
жение для максимально допустимой массы опреде-
ленной реакционной смеси для синтеза покрытия на
внутренней поверхности стальной трубы (массой Мт)
при допустимой температуре нагрева ее наружной
поверхности t, °C.
Таким образом, учитывая унос шихты во время
экзотермической реакции до 6 % [8], расчетная ве-
личина массы стальной трубы будет составлять
2650 г, а соотношение масс реакционной шихты и
стальной трубы – обечайки не должно превышать
0,38. Учитывая значительные теплопотери реакции
через излучение, а также через теплопроводность
поверхности трубы и крышек в окружающую среду,
можно утверждать, что такое соотношение масс мо-
жет быть безопасным в плане проведения опытов,
поскольку исключает перегрев исследуемых образ-
цов стальных труб и возможные их деформацию или
прожог.
Для проведения первых пробных опытов исполь-
зовали образцы стандартных стальных бесшовных
труб типоразмеров 114×105×4,5 и 140×130×5 мм и
длиной 230 ± 5 мм. Масса образцов составляла соот- мм. Масса образцов составляла соот-мм. Масса образцов составляла соот-
ветственно 2750 ± 50, и 3760 ± 50 г. После установки
торцевых крышек масса собранных контейнеров уве-
личилась до соответственно 4190 ± 50 и 5930 ± 50 г.
Для получения экзотермической смеси использовали
железный сурик и алюминиевый порошок.
В первом опыте использовали образец трубы
меньшего диаметра и реакционную смесь массой
1 кг, что соответствовало 0,37 массы образца тру-
бы. Установленный на центробежном стенде реак-
тор приводили во вращение с частотой 500 об/мин,
при этом средняя величина центробежного ускоре-
ния, действующая на реакционную смесь, составля-
ла 4,6 g. Пиростимуляцию экзотермической реакции
осуществляли термитными спичками. Торцевой уча-
сток цилиндрического слоя реакционной смеси вос-
пламенялся от теплового импульса термитной спич-
ки, реакция шла с выделением большого количества
тепла; часть тепла передавалась прилегающему хо-
лодному слою, который, в свою очередь, достигнув
температуры, воспламенялся и далее передавал те-
пловую энергию следующему слою. Таким образом,
самораспространяющаяся волновая реакция про-
текает в ограниченной кольцевой зоне цилиндриче-
ского слоя смеси в зоне горения, где расчетная тем-
пература достигает 2500 °С. Кольцевая зона горения
смеси продвигается по длине образца со скоростью
1 см/с, время реакции составило 23 с. Температура
наружной поверхности трубы-реактора в этом опыте
достигала 350 °С.
Во втором опыте использовали трубу-реактор
большего диаметра. Масса реакционной смеси бы-
ла увеличена до 1800 г, что составило ≈ 50 % от
массы образца трубы. Собранный контейнер с за-
груженной реакционной смесью приводили во вра-
щение на предустановленной частоте 1250 об/мин,
что соответствует величине центробежного ускоре-
ния 43 g. Процесс реакции также инициировали с по-g. Процесс реакции также инициировали с по-. Процесс реакции также инициировали с по-
мощью термитной спички.
Увеличение массы реакционной смеси во втором
опыте и, соответственно, количества выделяемой
тепловой энергии обусловило повышение темпера-
туры поверхности трубы-реактора до 700 °С. Кроме
того, скорость продвижения волны горения в цилин-
дрическом слое реакционной смеси по длине образ-
ца возросла втрое и составила 3 см/с, время про-
текания реакции уменьшилось до 8 с. В результате
опыта получено корундовое покрытие на внутрен-
ней поверхности образца трубы. В полученном об-
разце материал покрытия равномерно распределен
по цилиндрической поверхности, толщина покрытия
составляет 5,4 мм. Рабочая поверхность синтезиро-
ванного покрытия гладкая, без видимых дефектов.
При исследовании материала синтезированного
покрытия применяли методы петрографического и
рентгенографического анализов. Химический состав
материалообразующих фаз определяли методом
микрорентгеновского спектрального анализа.
Рентгенографический анализ структуры получен-
ного материала показал, что все отражения (линии)
характерны для фазы α-Al2O3 (корунда) на дифракто-
грамме образца исследуемого образца.
Пектографические исследования образца прово-
дили на микроскопе NEOFOT.
Как видно на микрофотографии (рис. 2), было
установлено, что материал образца сложен плас-
тинчатыми кристаллами корунда различного разме-
ра и формы. Размеры пластинок корунда в разных
участках образца изменяются от 5-10 до 100 мкм.
В промежутке между пластинками корунда в аморф-
ной форме присутствует сложный алюмосиликат,
Mт = Q
CFet
− K · Mш, (8)
Mш = 1
k Mт − Q
CFet
. (10)
Рис. 2. Микроструктура синтезированного материала покрытия
k = 0,554
Ck
CFe
+ 0,08
CSi
CFe
+ 0,366. (9)
k = 0,554
Ck
CFe
+ 0,08
CSi
CFe
+ 0,366. (9)
22 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 3 (214) ’2011
характеризующийся более темной окраской, количе-
ство которого составляет 20-30 %. В исследуемом
образце присутствуют металлы (железо и алюми-
ний) в виде мелких шаровидных включений разме-
ром 1-5 мм. В периферийной части образца, близ-
кой к металлической части трубы-реактора, присут-
ствуют крупные металлические включения в виде
капель размером 4000-5000 мкм. Для образца ха-
рактерна пористость, в большом количестве присут-
ствуют как газовые, так и межкристаллитные поры.
Распределение пористости по толщине образца не-
равномерное. Вблизи свободной литой поверхности,
выполняющей функцию рабочего слоя, пористость
материала минимальна, но увеличивается к грани-
це контакта с металлической поверхностью трубы.
Микрорентгеновский спектральный анализ образ-
цов синтезированного материала покрытия выпол-
нен на электронно-зондовом рентгеновском микро-
анализаторе «�amebax 5X-50». Исследования пока-�amebax 5X-50». Исследования пока- 5X-50». Исследования пока-X-50». Исследования пока--50». Исследования пока-
зали, что основная (светлая) фаза состоит главным
образом из Al2O3 (не менее 99,4 %), образуя корунд
с незначительным содержанием оксида железа.
Серая аморфная (стекловидная) материалообра-
зующая содержит до 48 % SiO2, 35 % Al2O3, а так-
же суммарно до 17 % оксидов Mg, Fe, Ca, � и Cr, об-Mg, Fe, Ca, � и Cr, об-, Fe, Ca, � и Cr, об-Fe, Ca, � и Cr, об-, Ca, � и Cr, об-Ca, � и Cr, об-, � и Cr, об-� и Cr, об- и Cr, об-Cr, об-, об-
разуя таким образом сложные алюмосиликаты, что
соответствует петрографическим исследованиям.
Корундовое покрытие обладает достаточной из-
носостойкостью для эксплуатации трубы в оборот-
ной системе пневмотранспорта песка литейного це-
ха ФТИМС НАНУ, что запланировано на следующем
этапе исследований. Поверхность покрытия преиму-
щественно гладкая, подобная оплавленному стеклу,
при постукивании дает звук, характерный для кера-
мики. Патрубки стальной трубы с нанесенным корун-
довым слоем легко соединяются сваркой в длинно-
мерную конструкцию.
Результаты исследований служат хорошей осно-
вой начала разработки отечественной технологии
коррозио-эррозиостойкой защиты стальных труб ме-
тодом СВС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Косинская А. В. Специальные виды литья из неметаллических расплавов // Металл и литье Украины. – 2004. –
№ 1-2. – С. 34-38.
2. Куртский Ю. Л. Износостойкие наплавочные материалы – классификация, характеристики, применение.
(www.subarc.ru)
3. Евдокимов В. Д., Клименко Л. П., Евдокимова А. Н. Технология упрочнения машиностроительных материалов. –
Киев: Профессионал, 2006. – 1051 с.
4. Мержанов А. Т. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Физическая химия / Под ред. акад.
Я. М. Колотыркина. – М.: Химия, 1983. – 224 с.
5. Мержанов А. Т. Процессы горения и синтез материалов. – Черноголовка: ИСМАН, 1998. – 512 с.
6. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика / Под ред. А. Е. Сычева. – Черноголовка:
Территория, 2001. – 432 с.
7. Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. – Л.: Химия, 1977. – 375 с.
8. Силяков С. Л., Песоцкая Н. С., Юхвид В. И. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез и свойства
абразивного композиционного материала на основе корунда // Неорганические материалы. – Черноголовка: ИСМАН,
1995. – Т. 31, № 3. – С. 351-357.
Ключові слова
самопоширювальний високотемпературний синтез (СВС), реакційна суміш, реактор, від-
центрові сили і прискорення, гравітаційний коефіцієнт, корундове покриття
Шинський О. І., Бабіч М. В., Буровський Н. І.
Визначення технологічних параметрів процесу нанесення захисного
корундового покриття на елементи сталевих трубопроводів
Анотація
Викладено методичні підходи; визначено технологічні параметри процесу нанесення зносостійкого корундового
покриття на внутрішню поверхню металевих труб методом СВС в полі відцентрових сил. Проведено розрахун-
ки зміни стандартної молярної енергії Гіббса для всіх можливих реакцій між компонентамі шихти для з'ясування,
які з цих реакцій теоретично можуть протікати самочинно. Для визначення енергетичної здатності шихти прове-
дено також розрахунки теплових ефектів (ентальпій) відповідних реакцій. Розглянуто теплообмінні процеси між
металевою трубою та продуктами екзотермічної реакції при формуванні корундового шару. Отримано дослідні
зразки елементів сталевого трубопроводу з наплавленим корундовим шаром, досліджено матеріал покриття.
23МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 3 (214) ’2011
Введение
С
ера, как известно [1, 2], является вредной приме-
сью, образует легкоплавкие эвтектические суль-
фиды, выделяющиеся по границам зерен, что
приводит к охрупчиванию металла, образованию
кристаллизационных трещин и в целом – к снижению
физико-механических свойств.
Для снижения вероятности образования кристал-
лизационных трещин в металл вводят различные
присадки – десульфураторы. Более интенсивная де-
сульфурация металла (до 60 %) [3] наблюдается по-
сле электрошлакового переплава.
Результаты исследования. В настоящей рабо-
те проведено сравнительное исследование микро-
структуры и природы неметаллических включений
(НВ) в металле, наплавленном электрошлаковым
способом с повышенным содержанием серы. Вари-
анты наплавок приведены в таблице.
Опытный металл выплавляли в индукционной
печи емкостью 60 кг с основной футеровкой. Вы-
сокие концентрации серы обеспечивались вводом
в металл сернистого железа, содержащего 32 % S.
Конечное раскисление производили 0,2 % Al.
Наплавки проводили на установке А-550М с
применением стандартного шлака АНФ-6 (в %, CaF2 –
65-70; Al2O3 – 23-31; CaO – 8; SiO2 – 2,5; FeO – 0,5),
обеспечивающего высокую десульфурацию.
В качестве расходуемых электродов использо-
вали литые заготовки из сталей марок 45 (0,08 % S)
и 12Х13 (0,06 % S) сечением 60 мм, Ø кристалли-
затора 100 мм.
Зоны сплавления однородных и разнородных по
химическому составу сталей выявляли на полиро-
ванных шлифах с использованием методов химиче-
ского и теплового травления [4].
Микроструктуру исходного и наплавленного ме-
талла, в том числе и зоны сплавления, исследо-
вали на световых оптических микроскопах МИМ-8
и «EpiQuant» при увеличениях 100-1000. Измене-
ния микроструктуры фиксировали замерами ми-
кротвердости с помощью микротвердомера ПМТ-3
(таблица).
Распределение элементов в зонах сплавления
определяли на растровом электронном микроско-
пе JSM-6360. Природу неметаллических включений
изучали металлографическим и петрографическим
методами. Определение поэлементного состава
Methodical approaches are stated; technological parameters of process of putting a wearproof corundum coating on inner
surface of metal pipes by SHS method in centrifugal force field are defined. Calculations of change standard Gibbs mole
energy for all possible reactions between charge components for finding-out what of these reactions can theoretically
proceed spontaneously are performed. For determination of charge power ability calculations of thermal effects (enthalpy)
corresponding reactions also are performed. Heat processes between a metal pipe and products of exothermic reactions at
corundum layer formation are considered. Pre-production models of elements of the steel pipeline with corundum overlay are
received, the covering material is investigated.
Поступила 10.11.10
Shinsky O., Babich N., Burovsky N.
Definition of technological parameters of putting a protective corundum
coating on elements of steel pipelines
Summary
Keywords
self-propagating high temperature synthesis (SHS), a reactionary mix, reactor, centrifugal
forces and accelerations, gravitational factor, corundum cover
УДК 669.35.669.12.669.018.25
Е. Н. Парахневич, В. В. Лунев, В. П. Пирожкова, Л. К.Чеботарь, Н. М. Бурова
Запорожский национальный технический университет, Запорожье
Морфология сульфидных включений
в металле электрошлаковой наплавки
Рассмотрены процессы трансформации неметаллических включений и структуры в металле электрошлаковой
наплавки с повышенным содержанием серы. Установлено, что в зонах сплавления формируется другая форма
неметаллических включений и иная микроструктура.
Ключевые слова: электрошоковая наплавка, неметаллические включения, сера, микроструктура, зона
сплавления
|