Исследование процессов разливки стали
СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВЫ НАУЧНОГО ЭКСПЕРЕМЕНТА
Основные виды исследований в металлургии
Цели и задачи научных исследований
Составление технического задания и рабочего плана проведения исследования
ПОИСК И ОБРАБОТКА НАУЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Источники научной информации
Составление обзоров и рефератов
ЛАБАРАТОРНЫЕ И ПЛУПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основные задачи лабораторных исследований
Основное лабораторное оборудование
Некоторые особенности лабораторных исследований
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗЛИВКИ СТАЛИ
Литература
ОСНОВЫ НАУЧНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Основные виды исследований в металлургии
По характеру поставленных целей, решаемых задам и применяемых методов научные исследования могут быть разделены на следующие виды: анализ научной информации, содержащейся в литературе, патентной документации, диссертациях, отчетах о НИР и т. д., проводится с целью определения возможных направлений и конкретных методов исследования, а также углубления знаний по изучаемому вопросу. При выполнении практически всех исследований составляется обзор литературы.
Теоретические исследования и обобщения выполняют для определения принципиальных возможностей выбранного направления путем анализа заранее известных закономерностей, при анализе результатов проведенных экспериментов, подготовке предварительной гипотезы, подведении итогов законченного исследования и разработке новых теоретических положений.
Лабораторные исследования проводят с целью изучения свойств веществ, материалов и закономерностей металлургических процессов. Эти цели во многом определяются размерами оборудования. При достаточной мощности с помощью лабораторных установок можно разрабатывать или уточнять отдельные элементы технологии металлургических процессов даже создавать новые технологические процессы.
Полупромышленные или опытно-промышленные исследования проводятся на опытном оборудовании, имеющем большие размеры, чем лабораторные установки, и включающем все главные элементы промышленных агрегатов, пли на промышленных установках, специально выделенных или сооруженных для решения исследовательских задач. Основные цели таких исследований - создание новых технологических процессов, уточнение элементов технологии, разработка или совершенствование конструкций, узлов или агрегатов.
Исследования на промышленных агрегатах выполняют для совершенствования технологических процессов и оборудования с целью повышения производительности и улучшения качества продукции. Особенность проведения большинства промышленных исследований заключается в том, что они осуществляются на агрегатах, выпускающих товарную продукцию, а это усложняет выполнение производственного плана.
Принципиально новая технология разрабатывается непосредственно на действующих промышленных установках только тогда, когда нет сомнения в том, что ее внедрение позволит увеличить объем и повысить качество выпускаемой продукции. Наиболее масштабные разработки новых технологических процессов проводятся с использованием всех указанных видов исследования. Тогда исследование включает такие этапы:
1.Определение цели и возможных путей ее достижения. Разработка технического задания, плана и программы исследований.
2.Предварительный анализ имеющейся научной информации. Установление характера решаемых задач.
3.Сооружение лабораторной установки и проведение на ней исследований
4.Анализ данных лабораторных исследований и дополнительной научной информации разработка рабочей гипотезы и выбор технических решений для строительства полупромышленной или опытно-промышленной установки.
5.Сооружение опытно-промышленной или полупромышленной установки и проведение на ней исследований.
6 Обобщение данных опытно-промышленных или полупромышленных исследований, уточнение разработанных ранее теоретических положений и нахождение основных теоретических решений для строительства промышленных установок и цехов.
7.Строительство промышленных установок, цехов, отработка технологии процесса и доработка конструкций оборудования.
8. Разработка окончательной теории вопроса или ее уточнение.
9.Совершенствование технологии процесса, конструкций агрегатов и оборудования с целью повышения их производительности и улучшения качества продукции на основе разработанной теории.
По окончании каждого этапа уточняются содержание работ, план и программа следующего этапа. Так. например, разрабатывались технологии кислородно-конвертерного процесса, непрерывной разлива стали, производства окатышей. Нередко научные работники выполняют только отдельные этапы общего исследования. В таких случаях применяемые виды исследования зависят or частных целей и задач. Если в ограниченный
срок выполняется сложная и трудоемкая НИР. можно проводить одновременно несколько этапов. При этом от руководителя работы требуется тщательная ее координация для обеспечения взаимосвязи этапов. Выбор видов исследований зависит от целого ряда объективных и субъективных факторов, главнейшими из которых являются следующие:
1)Цель и задачи исследован им. Например, чтобы выбрать состав шлака с требуемыми свойствами, достаточно осуществить теоретические и лабораторные исследования и обобщить их результаты. Если нужно проверить эти шлаки в определенных технологических условиях, то проводят и промышленные испытания
) Наличие кадров соответствующей квалификации, Этот фактор имеет существенное значение при проведении глубоких теоретических исследований, математическом моделировании, работе на сложном оборудовании. Наличие необходимого оборудования является обязательной предпосылкой проведения лабораторных или опытно-промышленных исследований. Объем финансирования определяет численность привлекаемого научного персонала, возможности приобретения оборудования и материалов, оплату услуг сторонних организаций.
Сроки проведения исследований. При ограниченных сроках иногда приходится отказываться от некоторых видов исследований, связанных с большими затратами времени, сотношение различных видов работ зависит от общей направленности исследования (теоретическое или прикладное). После установления основных видов работ выбирают конкретные методы выполнения отдельных этапов.
Цели и задами научных исследований
исследование металлургия лабораторный оборудование
Цели конкретных исследований могут быть весьма разнообразными: от установления фундаментальных законов (например, исследование взаимодействия материальных частиц) до решения небольшого прикладного вопроса (определение вязкости шлака заданного состава). От выбора цели зависит, какие решаются задачи: математические, логические, теплотехнические, физические и др. Но в любом случае необходим сознательный поиск средств, обеспечивающих достижение конечного результата. Успешному осуществлению НИР способствует правильное определение стратегии и тактики.
Стратегия исследования есть выбор направления и способа веления научных исследований, обеспечивающих достижение поставленной цели.
Под тактикой понимают совокупность действий по организации усилий исследователей и созданию всех необходимых условий для достижения успеха. Из нескольких возможных способов действия руководитель научного исследования должен выбрать наилучший. Все многообразие вопросов, решаемых руководителем, сводится к двум: получение максимального результата при заданных затратах или достижение заданного результата при минимальных затратах.
Научно-исследовательская деятельность связана с расходами на оплату труда научного персонам, приобретение оборудования, материалов, командировки и т. п. Поэтому одним из важнейших вопросов тактики исследования является целесообразное, экономное расходование денежных средств. В зависимости от поставленных целей, решаемых задач и применяемых методов научные исследования могут быть разделены на три группы: поисковые теоретические, целенаправленные фундаментальные и прикладные. Поисковые теоретические работы выполняются индивидуально учеными, которые имеют глубокие знания, большой опыт научной работы и свободны в выборе направления исследований и использовании средств.
Целенаправленные фундаментальные исследования имеют целью дальнейшее познание человеком законов природы. Такие исследования проводятся коллективно, большими специализированными группами или целыми организациями, руководимыми крупными учеными (например, по физике твердого тела, молекулярной биологии и др.).
Прикладные исследования направлены на разработки новых веществ, технологических процессов, агрегатов и оборудования. Такие исследования решают строго поставленные задачи, отклонение от которых недопустимо. Базой прикладных работ являются открытия и достижения фундаментальных наук (математики, физики, химии, геологии и др.). В черной металлургии чаще всего выполняются прикладные исследования. По характеру финансирования НИР делятся на госбюджетные и хоздоговорные. Госбюджетные работы финансируются из средств, отпускаемых научно-исследовательскому учреждению через ведомство, которому оно подчинено. Хоздоговорные работы финансируются предприятиями и ведомствами заинтересованных отраслей народного хозяйства на основе специально заключаемых хозяйственных договоров. Непосредственная цель прикладных наук, к которым относится и металлургия - применение результатов фундаментальных наук для развития познания и решения социально- практических проблем. Предпосылками этого, в обеспечении которых активную роль призваны сыграть и прикладные науки, являются ускорение НТП и перевод экономики на интенсивный путь развития, рационализация использования производственного потенциала страны, всемерная экономия всех видов ресурсов, улучшение качества работы.
Составление технического задания и рабочего плана проведения исследования
После определения и утверждения темы исследования составляют техническое задание на проведение НИР (ТЗ ПНР). Последнее в общем случае включает следующие разделы:
1. Основание для проведения работ.
2.Цель и исходные данные.
3.Этапы ПНР. Разбивка на этапы должна в целом отражать объем исследований. Обычно этапы приурочивают к кварталам или полугодиям.
4.Основные требования к выполнению НИР.
5.Способ реализации результатов НИР.
6. Перечень технической документации, предъявляемой по окончании работы.
. Порядок рассмотрения и приемки НИР.
Техникоэкономическое обоснование (эффективность результатов выполненной НИР.
Вместе с техническим заданием составляется смета на НИР. в которой указывают основные статьи затрат: заработную плату научного персонала: расходы на научные командировки, проведение экспериментов, приобретение оборудования; оплату за услуги других организаций. Кроме того, на каждую работу составляют регистрационную и информационную карты Всероссийского научно-технического информационного центра (ВНТИЦ) по установленной, форме. Все документы подписываются руководителями работы, отдела или кафедры и учреждения, выполняющего НИР, и передаются в учреждение или предприятие, заказавшее или финансирующее работу, для планирования отдельных этапов НИР составляют рабочие планы, в которых отражают следующее: цели и задачи ПНР или отдельных ее этапов; виды и методы исследований, используемые при выполнении НИР; содержание конкретных исследований, сроки их выполнения и исполнители. Техническое задание и рабочие планы согласовываются со всеми соисполнителями и утверждаются руководителями научного учреждения и заказчика НИР.
ПОИСК И ОБРАБОТКА НАУЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Источники научной информации
Неотъемлемой частью деятельности исследователя является работа с источниками научной информации, так как извлекаемые из них данные используются практически на всех этапах исследования. Полный и правильный анализ этих данных имеет большое значение для эффективности НИР. Одна из важнейших особенностей НТР - резкое увеличение потока
информации, образно именуемое информационным взрывом: количество научных публикаций удваивается каждые 10-15 лет. Такая закономерность есть следствие быстрого обновления наших знаний во всех областях, она обусловливает возросшую важность научно-информационной деятельности, правильной ориентировки в этом потоке. С другой стороны, ускоренное обновление знаний чаше всего позволяет получить 80-90 % необходимых
сведений в источниках, появившихся за последние 7-10 лет.
Научная информация закрепляется и передается прежде всего посредством научных документов, которые подразделяются на опубликованные и неопубликованные К первым относятся книги, журналы бюллетени, государственные стандарты, описания изобретений и др. Вторые выполняются без применения средств полиграфии и включают отчеты о НИР
диссертации, алгоритмы депонированные рукописи, неопубликованные переводы и т .д.
Существуют два вида информации: первичная и вторичная.
Первичная информация непосредственно отображает данные изучения какого-либо вопроса. Ее источники где, как правило, впервые публикуются результаты исследований; сюда же относятся сборники научных трудов, тезисы докладов и материалы научных конференций, монографии, отчеты по НИР. Наиболее важные отечественные журналы, в которых публикуются статьи по вопросам черной металлургии, следующие: «Сталь» - научно-технический и производственный журнал и центрального правления научно-технического общества черной металлургии; «Металлург»- производственно-массовый журнал рабочих металлургической промышленности; «Известия высших учебных заведений. Черная металлургия» - научно-технический журнал; «Известия Академии наук РФ. Металлы» - научно-технический журнал АН РФ. Эти журналы публикуют главным образом первичную информацию в виде статей различных направлений. Вопросы черной металлургии рассматривают также и в журналах по смежной тематике: «Литейное производство». «Огнеупоры», «Заводская лаборатория». Ряд сведений может бьгть почерпнут из журналов по наукам, на которых базируется металлургия. Кроме журналов издаются периодические сборники: «Металлургия и коксохимия», «Металлургия чугуна». Сталеплавильное производство», «Разливка стали в слитки и их качество», «физико-химические исследования металлургических процессов» и др. Некоторые институты (МИСИС, ЦНИИчермет, ЖМИ и др.) выпускают сборники научных трудов.
Вторичная информации получается в результате аналитико-синтетической переработки научных документов. Чаще всего она представляется в виде рефератов и обзоров. Для металлургов главным ее источником является «Реферативный журнал. Металлургия», выпускаемый Всероссийским институтом научной и технической информации (ВИНИТИ). В нем содержатся рефераты статей, монографий, учебных пособий и описаний
изобретений по всем разделам черной металлургии, опубликованных на разных языках мира. Для удобства пользования наряду со сводным томом печатаются его тематические выпуски, например «Теория металлургических процессов», «Металлургия чугуна и стали». Во ВИНИТИ издается также тематический библиографический указатель «Специальная информация. Металлургия». Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований черной металлургии (Черметинформация) выпускает бюллетень научно- технической информации «Черная металлургия», в котором публикуется как первичная
информация, освещающая опыт различных заводов и институтов, так и вторичная - обзоры состояния производств черной металлургии и горнорудной промышленности. Этот институт выпускает также тематические серии «Черная металлургия. Экспресс-информация» и «Черная металлургия. Обзорная информация». Из других источников вторичной информации следует отметить «Сборник рефератов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ», выпускаемый ВНТИЦ.
Сведения об исследовательских работах, помещенных в зарубежных источниках информации и переведенных на русский язык, могут быть найдены в указателях переводов, выпускаемых Всесоюзным центром переводов научно-технической литературы и документации (ВЦП), Государственной публичной научно-технической библиотекой (ГПНТБ) и Всесоюзным научно-исследовательским институтом патентной информации (ВНИИПИ).
Основным видом патентной документации являются описания изобретений, которые издаются в виде листков или брошюр для каждого изобретения отдельно. Сведения о патентах (авторских свидетельствах) публикуются также в виде рефератов или формул изобретений.
Наиболее важные источники патентной информации следующие: бюллетень «Открытия и изобретения», в котором печатаются формулы изобретений, основные чертежи или схемы; реферативный журнал «Изобретения в СССР и за рубежом», который содержит оригиналы рефератов и их переводы на русский язык.
В ряде случаев источниками научной информации по отдельным вопросам могут монографии, ценность которых состоит в том, что затронутые в них проблемы или отраслей знания могут быть почерпнуты из учебников и учебных пособий.
Составление обзоров и рефератов
Основные формы работы над научно-технической литературой - конспектирование, анализирование и обобщение.
Обзор - это сжатое, систематизированное, с выводами и рекомендациями изложение современного состояния проблемы, основных тенденций ее развития, рассматриваемых в первичных документах (статьях, книгах, патентах и т.п.), отобранных для составления обзора. Реферат - краткое изложение содержания произведения или издания (его части) с основными фактическими сведениями и выводами. Обзоры литературы являются неотъемлемой частью диссертаций и большинства отчетов о НИР. В обзоре должно быть освещено состояние изучаемого вопроса (что известно и что неизвестно) и сделаны соответствующие выводы. Проще всего определить, что известно. Это достигается в результате просмотра достаточного числа источников, о существовании которых исследователь не знал или которые не мог разыскать. В этом случае особенно важны подготовленность и эрудиция научного работника. Иногда приходится обращаться за советом к более опытным и компетентным специалистам. Содержание выводов обзора должно соответствовать целям и задачам проводимой работы и представлять обобщение изученных источников информации. Рекомендуется следующий порядок работы над обзором.
1.Определение целей и задач обзора. Связано с целями и задачами проводимого исследования; обзор может охватывать либо все основные вопросы исследования, либо некоторые его аспекты: выбор метода и разработку методики, уточнения целей, обобщение результатов других работ и т.д.
2.Отбор информации. Включает поиски источников, составление их перечня (картотеки) и конспектирование.
.Составление плана. Последний определяется целями обзора и наличием источников, следует за дополнительным просмотром конспектов.
.Компоновка материала. Осуществляется согласно плану обзора. Если число источников велико (несколько десятков), то лучше сделать из конспектов соответствующие выписки, так как в одном и том же документе могут быть сведения, включаемые в разные части обзора. Выписки раскладывают в стопки по пунктам плана. Затем еще раз просматривают материал каждой стопки, чтобы установить соответствия или противоречия между разными источниками.
.Написание обзора. Обзор должен быть логично построен (предпосылка этого-тщательная обработка плана) и краток. Если в нескольких источниках имеются аналогичные данные, то достаточно привести их один раз, сославшись на все эти источники. Хорошо написанный обзор литературы в среднем имеет на странице машинописного текста 5-10 ссылок. Важное требование к обзору - объективность, в нем необходимо отметить все противоречия между различными источниками, в том числе и несответствия данным авторам обзора. Выводы должны быть обоснованными и подтверждаться имеющимся материалом. В тексте ссылки на источники могут быть подстрочными (помещаются внизу страницы подстроками) или внутритекстовыми (указываются порядковые номера по списку источников в квадратных скобках; в машинописных документах разрешается квадратные скобки заменять двумя косыми чертами). Список использованных источников должен содержать их перечень в порядке появления ссылок в тексте.
ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПОЛУПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основные задачи лабораторных исследований
Некоторые задачи исследования в металлургии могут быть решены с помощью лабораторных экспериментов. Их данные облачают большой универсальностью и используются при анализе самых различных технологических процессов, хотя в лаборатории невозможно воссоздать и учесть весь комплекс факторов, действующих в промышленных условиях. Обычно такие исследования проводятся по упрощенным моделям технологических процессов, и поэтому на их основании трудно количественно предсказать конечный результат производственного процесса в целом. Однако они позволяют создать качественную картину работы агрегата и количественно оценить отдельные элементы технологии. При исследовании металлургических процессов в лабораторных условиях решаются такие задачи: определяются физико-химические свойства расплавов (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность металла и шлака),
тепловые характеристики различных материалов (удельная теплоемкость, теплопроводность и т. д.), термодинамические и кинетические характеристики окислительно-восстановительных процессов, протекающих в металлургичсских агрегатах, а также активности элементов в металле и различных соединений в шлаке; моделируются технологические процессы и отдельные элементы технологии на базе теории подобия, разрабатываются основы новых технологических процессов и приемов, методы контроля и управления с последующей их проверкой на крупных лабораторных установках. Это позволяет оптимально использовать материальные средства, предотвратить непроизводительные затраты на сооружение неработоспособных агрегатов и механизмов.
Основное лабораторное оборудование
Для проведения большинства лабораторных металлургических исследований необходимы в первую очередь высокотемпературные установки, в которых осуществляются нагрев плавление металлов. Из них наиболее простыми являются пламенные печи, в рабочем пространстве которых при использовании кислорода можно получить температуру до 2000 С Однако им свойственны такие недостатки, как трудность регулировки окислительного потенциала газовой фазы, не равномерность распределения температуры в объеме печи сложность поддержания температурного режима, поэтому их нецелесообразно применять для точных экспериментов.
Большое распространение в практике лабораторного эксперимента получили печи сопротивления, температура в рабочем пространстве может достигать 2500 С, температурный режим легко регулируется. В качестве нагревателей используют различные металлы и неметаллические материалы.
Нагреватели из платины, сплавов платины с родием могут работать в окислительной атмосфере, они обеспечивают рабочие температуры до 1600 С. Нагреватели из тантала, молибдена, вольфрама позволяют получать температуры 2000, 2100, 2500 С и могут длительное время работать в нейтральной, восстановительной атмосфере или в вакууме. Металлические нагреватели имеют форму проволоки, прутков, пластин. Для защиты от окисления их обмазывают смесями, не содержащими оксидов железа и кремнезема. Из неметаллических нагревателей распространены стержни силитовые и из дисилицида молибдена, графитовые. Последние позволяют получить в рабочем пространстве температуры до 2500 СС. Графитовый нагреватель - трубу диаметром 50-100 мм и длиной 300-350 мм - имеет, в частности, печь Таммаиа. Торцы трубы крепятся в медных или латунных водоохлаждаемых токосъемниках. Вокруг нее засыпают криптол. Пространство между корпусом печи и нагревателем теплоизолировано. В печи Таммаиа за счет окисления углерода нагревателя создается восстановительная атмосфера. При работе в окислительных срезах для защиты от их воздействия нагреватель покрывают обмазкой, устанавливают внутри него алундовую трубу, подают в печь нейтральные газы и др. Для плавления металла в кислых или основных тиглях вместимостью до 100 кг используют высокочастотные индукционные печи, работающие при частоте до 10 000 Гц. Индуктор печи изготовляют из медной трубки, по котрой циркулирует вода. Шлакообразуюшие материалы расплавляют на поверхности жидкого металла. Существуют индукционные печи без футеровки, в которых металл плавится во взвешенном состоянии. Индуктор в виде кольца или спирали, питающийся от высокочастотного генератора, создает магнитное поле в форме «корзинки», в котором подвешивается расплавляемый образец массой 0.1-30 г. Достоинство метода - отсутствие контакта металла с футеровкой. В лабораторной практике часто используют также дуговые печи с различной мощностью трансформатора.
Распространенными датчиками для измерения температуры рабочих сред являются термопары. Платиновая термопара имеет наиболее стабильную характеристику и считается эталонной Она может длительно работать при температурах до 1300 "С и кратковременно до 1600 °С. Термопары на основе сплавов платины с родием пригодны для замеров температуры до 1800 °С. Стабильную характеристику имеют вольфрам-рениевые термопары, которыми можно пользоваться в области температур до 2000 "С. Для низкотемпературных измерений применяют хромель-копелевые (до 600 °С) и хромель-алюмелевые (до 1300 °С) термопары. Термопары используются в комплекте с измерительными приборами, наиболее простыми из которых являются милливольтметры. Обычно применяются электронные (ЭПП,ПCP, КСП и др.) или переносные потенциометры (ПП-63) и др.
Для бесконтактного измерения температуры используют пирометры: оптические (ЭОП и ОП), фотоэлектрические (ФЭП-3. ФЭП-4), радиационные (ТЭРА-50), цветовые (ЦЭП-ЗМ.ЗДЭП-4). Недостаток этого метода состоит в том, что показания прибора зависят от прозрачности среды, через которую производится замер, степени черноты поверхности, наличия шлаковых пленок на поверхности металла н т.д. Для физического моделирования технологических процессов используют различные приспособления. При моделировании на жидком металле агретат имитируют огнеупорным тиглем. Одна из стенок тигля может быть сделана из кварцевого стекла, что позволяет наблюдать за процессами в титле, вести фото- и киносъемку.
Некоторые особенности лабораторных исследований
К основным достоинствам лабораторного исследования относятся возможность проведения «чистого опыта» т.е., исследование влияния какого-то одного фактора при постоянстве остальных, и простота математического планирования эксперимента. В этом случае обеспечивается максимальный эффект при минимальных материальных затратах, делает лабораторный эксперимент важным и необходимым этапом проведения НИР.
В лабораторных исследованиях в качестве рабочих сред заменяют либо промышленные, либо синтетические материалы. Например, синтетический шлак нужного состава изучают путем сплавления чистых оксидов. Достоинством синтетических материалов является то, что при их использовании можно строго контролировать и изменять их состав в
широком диапазоне. Промышленные материалы позволяют максимально приблизиться к условиям производственной технологии..
В качестве газовых сред используют Н2, водяной пар, С02, воздух, технически чистый кислород, аргон, а таких смеси. При моделировании рабочие среды выбирают соответствии с условиями решаемой задачи и применяли методики. Здесь могут использоваться как жидкие металл и шлак («горячее)» моделирование), так и другие жидкости - вода, ртуть, парафин, органические жидкости, электролиты и водные растворы («холодное» моделирование). Для работы с жидкими металлом и шлаками применяются различные огнеупорные материалы, которые должны область достаточными термостойкостью, химической инертностью к рабочим средам и т. д. Металлы плавят в керамических тиглях из кварца, алунда, магнезита, циркона, нитрида Сора и др. Расплавленные основные шлаки, особенно содержащие оксиды железа, очень агрессивны по отношению к керамике, поэтому при работе с ними целесообразнее использовать тигли из платины, сплавов платины с родием, молибдена, которые обладают достаточной стойкостью. Для кислых шлаков можно применять тигли из кварца, циркона или оксида тория Спай термопары, находящийся в жидком металле или шлаке, защищают огнеупорным наконечником.
Лабораторный эксперимент характеризуется небольшой массой материалов, используемых в опытах. Поэтому очень важен вопрос об отборе проб жидких сред для контроля процесса. В ряде случаев определяют состав только исходного материала и конечного продукта. Для отбора проб из тигля металл и шлак намораживают на металлический стержень или засасывают в кварцевую трубочку. Термопару для контроля температуры устанавливают внутри или снаружи тигля. В последнем случае измерение ведется с систематической ошибкой, на величину которой вводят поправку. Учитывая тепловую инерцию защитного чехла, при разовом замере температуры термопару следует выдерживать до тех пор, пока стрелка прибора не установится неподвижно. Наиболее точные результаты измерения получают голыми спаем, но в этом случае резко возрастает расход термопарной проволоки Полученные при бесконтактном измерении температуры пирометром данные целесообразно периодически контролировать термопарой.
На кинетические характеристики процессов большое влияние оказывают потоки в жидких и газообразных фазах. Для перемешивания расплавов применяют различною вида мешалки или барботируют ванну нейтральным газом. Интенивность перемешивания характеризуется частотой вращения мешалки или расходом продуваемою газа. Следует отметить, что эти показатели трудносопоставимы. Если нужно исключить перемешивание, то процесс проводят в капиллярах - тонких трубках с большим отношением длины к диаметру.
Лабораторный эксперимент рекомендуется осуществлять в такой последовательности:
определить конкретную задачу исследования, уточнить, какие параметры и с какой точностью следует контролировать;
выбрать или разработать методику эксперимента;
- создать лабораторную установку;
- на установке отработать методику исследования, определить ее погрешность, при необходимости доработать установку;
спланировать эксперимент;
осуществить эксперимент. Рекомендуется неоднократно продублировать каждый опыт, но не выполнять все дубли один за другим, чтобы не увеличивать вероятность ошибки;.
необходимо вести рабочий журнал, куда следует записывать все наблюдения в ходе опыта, даже те, которые на первый взгляд не имеют к нему прямого отношения;
первично обработать экспериментальные данные, составить таблицы, графики, на этой основе уточнить план опытов, определить необходимые контрольные опыты и параметры, при которых они проводятся.
В дальнейшем результаты эксперимента подвергают математической обработке, выдвигают и проверяют рабочую гипотезу.
ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Значительная часть исследовании металлургических процессов проводится в промышленных условиях - на агрегатах и установках, действующих в доменных, сталеплавильных и электросталеплавильных цехах, на агло-фабриках. В ходе этих исследований отрабатывают новые технологические процессы и конструкции оборудования; осваивают и внедряют новые технологические приемы, системы контроля и средства автоматизации существующих процессов, совершенствуют технологические процессы, методы их контроля и управления, конструкции агрегатов и оборудования.
Важнейшая особенность промышленных исследований заключается в том, что они ведутся параллельно с выполнением на действующих агрегатах плановых заданий по выпуску продукции.
Резервы производственных мощностей, которые позволили бы использовать время и материальные средства для проведения исследовательской работы, в большинстве случаев отсутствуют, в связи с чем намечаемые мероприятия не должны вызывать простоев, снижения производительности оборудования и ухудшения качества продукции.
Второй особенностью является сложность создания удовлетворительной методики исследований современных металлургических процессов в промышленных условиях. Это, как указывает В. И. Явойский, связано с трудностью выявления специфической рати того или иного фактора, характеризующего технологию, затушевыванием этой роли другими, иногда еще труднее поддающимися учету факторами.
Для промышленных агрегатов и технологических процессов конечный результат определяется действием множества взаимосвязанных факторов. Очень сложно зафиксировать на постоянном уровне все их, кроме того, который представляет интерес в данный момент. Это не означает, что невозможно проводить исследования в условиях производства, но методы работы исследователя и обработки данных в промышленных и лабораторных условиях существенно различны.
Последнее, в частности, объясняются тем что применяемые на производстве средства контроля менее точны, чем используемые в лабораторном эксперименте. Тематика промышленных исследований определяется насущными требованиями производства и перспективами его развития. Часть исследований нацелена на улучшение качества продукции на всех стадиях технологического цикла, налаживание выпуска новых материалов и изделий, увеличение производительности и повышение других технико-экономических показателей агрегатов.
Промышленные исследования проводятся на установленных в металлургических цехах агрегатах (доменных и ферросплавных печах) и разливочном оборудовании. Основой методов исследований в промышленных условиях - это проведение технологических процессов в опытных режимах, разработанных на основании литературных данных теоретического анализа, лабораторных или опытно-промышленных экспериментов.
Элементами опытной технологии могут быть новые тепловые, температурные и дутьевые режимы; виды сырья. огнеупоров. топлива, технологических присадок, усовершенствованные конструкции отдельных узлов агрегатов и др. Для контроля за процессом используются имеющиеся в цехе контрольно-измерительные средства, в ряде случаев - дополнительно устанавливаемые или переносные приборы. Необходимые анализы выполняют в заводских лабораториях и частично - в лабораториях исследовательских институтов.
Первоначально проводят единичные опыты на отдельном агрегате, в ходе которых опробываются различные изменения технологических режимов. Лучшие варианты проверяют в небольших сериях опытов, выполняемых на одном агрегате в течение нескольких суток, иногда - недель. Результаты сравнивают с производственными данными, полученными на этом же агрегате до и после опытов. Таким образом можно исключить влияние ряда не поддающихся учету факторов и оценить достоинства и недостатки того или иного варианта технологии. Если установлены определенные преимущества опытной технологии перед существующей, то один из агрегатов цеха на некоторое время переводят на работу по новой технологии. В дальнейшем при получении положительных результатов делают дополнения или изменения к действующей технологической инструкции и все оборудование цеха переводят на работу по усовершенствованной технологии.
Учитывая, что при проведении промышленного эксперимента снижение производительности оборудования и качества продукции недопустимо, информацию о ходе и результатах процесса получают путем хронометража, контроля показателей с помощью имеющихся в цехе приборов, отбора проб металла, шлака и газа, измерений температуры. Хронометраж проводят с целью точного определения продолжительности технологических операций, в частности таких, которые не фиксируются в цеховой документации.
Одновременно регистрируют количество и порядок ввода различных материалов, результаты визуальных наблюдений за ходом процесса, показания контрольно-измерительных приборов порядок отбора проб и данные их анализа, замеры температуры и др. Пробы отбирают по принятой в цехе технологии, иногда с этой целью агрегаты оборудуют специальными приспособлениями, не нарушающими технологический процесс. Методы отбора проб и конструкции пробоотборников очень разнообразны и зависят от решаемых задач. При разработке методики и организации исследований в цеховых условиях следует уделить особое внимание вопросам техники безопасности. Часто приходится работать с жидкими металлом и шлаком, горячими газами, токсичными средами, при высоком давлении газов и жидкостей, в помещениях, оборудованных подъемно-транспортными машинами, т.е. в условиях повышенной опасности. Поэтому исследовательский персонал должен быть знаком с правилами техники безопасности и обеспечен необходимой спецодеждой. Перед выполнением промышленных исследований в соответствии с календарным планом НИР составляет текущий план-график, согласующийся с планом работы цеха. После утверждения руководством цеха он становится официальным документом, разрешающим проведение исследования.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗЛИВКИ СТАЛИ
Разливка стали является завершающим этапом технологического процесса. В связи с этим технология разливки во многом определяет качество и выход годных слитков или непрерывно литых заготовок, выпускаемых цехом.
Основные цели исследований процессов разливки стали тесно связаны с главными народнохозяйственными задачами повышения эффективности производства и улучшения качества продукции. Цели исследований более детально могут быть разделены на следующие группы.
. Разработка новых эффективных способов разливки. К таким способам относится непрерывная и полунепрерывная разливка, разливка в вакууме, под шлаками, теплоизолирующими смесями и др.
2.Улучшение организации разливки. Обеспечивается главным образом внедрением нового оборудования и технологических приемов, например заменой стопоров шиберными затворами, использованием набивной футеровки ковшей взамен кирпичной и др.
.Повышение пропускной способности разливочных пролетов. Обусловлено постоянно растущей производительностью сталеплавильных агрегатов. Достигается в основном в результате увеличения развеса слитков и повышения скоростей разливки стали.
4.Повышение выхода годного металла из слитка. Обеспечивается в результате совершенствования способов утепления головной части, применения новых способов утепления слитков спокойной стали, а также закупоривания и стабилизации окисленности слитков кипящей и полуспокойной стали. В наибольшей степени выход годного увеличивается при переходе на непрерывную разливку.
5. Улучшение состояния поверхности слитков и заготовок.
Достигается уменьшением или устранением таких поверхностных дефектов, как плены, трещины, завороты корки, пузыри. Для этого используют различные способы разливки под шлаками и защитными средами, совершенствуют температурный и скоростной режимы наполнения изложниц, изменяют их конструкции, улучшают организацию струи стали, поступающей в изложницу.
6. Получение слитков с минимальной химической и структурной неоднородностью. С этой целью применяют различные внешние воздействия при разливке стали, изменяют конфигурацию слитка, совершенствуют технологию выплавки, раскисления и разливки металла.
. Повышение механических и других служебных свойств стали. Основными методами являются совершенствование технологии выплавки и раскисления стали, уменьшение содержания вредных примесей в ней, а также изменение химического состава и ее последующей термической обработки. Последние два метода больше относятся к областям металловедения и термообработки.
При изучении процессов разливки стали широко используются все основные виды исследований; теоретические. лабораторные, полупромышленные и промышленные.
Теоретические исследования направлены главным образом на создание математических и физико-химических моделей гидродинамических, тепло- и массообменных процессов при наполнении изложниц, кристаллизаторов и затвердевании слитка; они сводятся к расчетам по разработанным или уже известным моделям. С помощью гидродинамических расчетов определяют скорости струи металла на выходе из стакана и входе в изложницу или кристаллизатор, потерн напора в стаканах и литниковых каналах, скоростные поля жидкости в изложницах и кристаллизаторах. Данные о скоростных полях необходимы для вычисления теплоотдачи от жидкого металла к затвердевшей корке слитка. Для этого могут быть использованы математические модели гидродинамических процессов В.А.Ефимова.
Теплотехнические расчеты затвердевания слитков необходимы для определения скоростей и времени затвердевания слитка при различных условиях охлаждения, установления режимов возникновения термических напряжений и некоторых дефектов.
При исследовании взаимодействия примесей между собой и с окружающей атмосферой, образования неметаллических включений в слитке прибегают к термодинамическому анализу термодинамических процессов, протекающих в жидкой стали при отливке и затвердевании слитка. Для таких расчетов используют общеизвестные положения термодинамической динамики - термодинамики сплавов.
Широкое использование ЭВМ позволяет решать целый ряд сложных задач связанных с процессами тепло- и массообмена в период отливки и затвердевания слитков, что даст возможность разрабатывать математические модели процессов с переменными теплофизическими свойствами веществ и сложными граничными условиями. Чем полнее данные о механизме исследуемых процессов, тем точнее получается модель, а ее решение ближе к реальности, однако в этом случае усложняется разработка алгоритма решения проблемы.
При лабораторных исследованиях разливки стали применяются различные виды моделирования. Процессы, связанные с перемещением жидкого металла, изучаются с помощью холодного (гидравлического) моделирования. Последнее проводится при исследовании наполнения ковшей жидкой сталью, влияния конструкций стаканов и затворов на характер истекающей струи, проведения струи жидкой стати, распределения потоков (скоростных полей) в изложницах и кристаллизаторах.
Гидравлическое моделирование всех этих процессов лучше всего производить на специальной установке, включающей модели ковша и изложницы или кристаллизатора. Чтобы уменьшить расход воды, установка должна иметь замкнутый цикл водоснабжения, материал модели выбирают, исходя из изучаемых процессов. Для лучшего визуального наблюдения модели, желательно делать полностью или частично из прозрачных материалов.
Исследования процессов наполнения ковшей сводится в основном к изучению скоростей перемешивания; определению эффективных коэффициентов диффузии, влияния перемешивания на скорости растворения
различных присадок, вводимых в ковш. Скоростные полужидкости в ковше можно замерять трубками Пито и различными трассерами. Скорости усреднения состава жидкости и растворения присадок целесообразно определять электрохимическими методами.
При изучении истечения жидкости через различные насадки (стаканы, затворы) модели последних могут выполняться как из прозрачных, так и непрозрачных материалов. При этом исследуется влияние конструкции и формы насадок на характер (организацию) струи жидкости и скоростных полей в изложницах или кристаллизаторах. Основными методами фиксации характера струи является скоростная киносъемка и фотографирование с очень короткими выдержками (1/1000 с и менее). Такое моделирование позволяет выбрать конструкцию насадки, обеспечивающую требуемый характер струи или циркуляции жидкости.
Изучение скоростных полей жидкости в изложницах и кристаллизаторах дает возможность установить характер циркуляции при их наполнении и места наибольшего теплового воздействия на кристаллизующуюся корку слитка, определить особенности заноса твердых или жидких частиц вглубь металла при разливке под шлаками или твердыми смесями. Модели для этого следует изготавливать с прозрачными стенками. Характер циркуляции лучше изучать с помощью трассера, а скоростных полей - трубками Пито.
Методами горячего моделирования (при температурах сталеплавильных процессов) изучаются реакции взаимодействия составляющих жидкою металла между собой и с окружающей средой при разливке и затвердевании стали. При этом могут исследоваться физические свойствами метла и шлаков: вязкость, поверхностное натяжение, плотность. Эти данные необходимы для выбора оптимального состава шлаковых смесей при разливке металла под ними.
Физико-химические соединения жидкой стали с контактирующими средами (вторичное окисление образование неметаллических включений, растворение примесей) лучше исследовать в лабораторных условиях, так как при этом можно устранить или свести к минимуму побочные факторы, искажающие действительную картину процессов. Для проведения таких исследований используется обычное лабораторное оборудование.
Изучение теплового взаимодействия стали с изложницами и кристаллизаторами в лабораторных условиях дает возможность более точно определить температурные поля в слитках и изложницах и их поведение при затвердевании стали. Однако размеры слитков ограничены вместимостью лабораторных плавильных печей, что затрудняет использование полученных результатов при изучении затвердевании реальных слитков.
На установках электрогидротепловой аналогии можно осуществлять математическое моделирование затвердевания слитков с некоторыми неизвестными граничными условиями (температура наружной поверхности математическое моделирование затвердевания слитков слитка, ширина зазора между слитком и изложницы). Последнее затем определяют по результатам моделирования.
Промышленные и полупромышленные исследования проводят путем отливки отдельных слитков или целых плавок по опытной технологии. На основе полученных результатов изучают различные процессы, протекающие при отливке и затвердевании слитка. Основные элементы опытной технологии намечают, руководствуясь целью поставленной на основании обзора литературных данных, результатов теоретических и лабораторных исследований. Такими элементами могут быть новые скоростные и температурные режимы разливки. Конструкции изложниц и другого разливочного оборудования, способы утепления головной части слитка, защита поверхности металла различными шлакообразующими и утепляющими смесями, приемы закупоривания слитков полуспокойной и кипящей стали и другие. Процессы, связанные с отливкой и затвердеванием слитка, изучают для определения влияния новых элементов технологии.
Разливка в производственных условиях изучается с помощью следующих методов.
Хронометраж операций позволяет фиксировать время операций, связанных с разливкой. Для определения скорости наполнения отдельных частей изложницы на внутренней ее поверхности наносятся метки или подвешиваются маячки нужной длины из толстой проволоки, затем измеряется время перемещения уровня металла между метками и маячками.
Визуальные наблюдения используются для определения характера струи и поведения металла в изложницах и кристаллизаторах в период их наполнения и затвердевания слитков. Отмеченные особенное™ фиксируются в рабочем журнале.
Фото н киносъемка проводится для установления организации струи, процессов на струе и поведения металла в изложницах и кристаллизаторах. При фото и киносъемке жидкой стали следует применять соответствующие светофильтры (обычно синие). Для определения величин требуемых выдержки диафрагмы, необходимо выполнить несколько пробных снимков.
Отбор проб металла выполняется для определения химического состава стали, содержания и состава неметаллических включений и газов в ковше, изложницах или кристаллизаторах. Пробы на химический состав могола извлекаются ложками или пробницами. Для взятия проб на неметаллические включения и газы и ковшей, изложниц или кристаллизаторов следует использовать пробницы, закрытые деревянной или керамической пробкой. Небольшие пробы металла отбираются небольшими трубками из кварца или тугоплавкого стекла с помошыо вакуум-отсоса, а также трубками с предварительно созданным в них вакуумом.
Измерения температур проводятся для изучения особенностей теплообменных процессов между металлом и окружающей средой и установления их влияния настроения слитка и возникновения различных его дефектов. Кратковременные замеры температуры жидкого металла можно производить обычными термопарами погружения, но при этом возникают трудности с попаданием в требуемую точку замера. Для длительной замеры температуры металла применяют термопары, заделанные в футеровку ковша, стенки изложницы или плавающие на поверхности металла. Плавающие термопары заделывают в блоки из огнеупорных материалов, обычно шамотных, и опускают на поверхность металла в изложницах и кристаллизаторах. В одном блоке может быть установлено несколько термопар на определенном расстоянии друг от друга.
Для замеров температуры в теле затвердевающего слитка используются стационарно установленные термопары, пропущенные через стенку изложницы. Значительные трудности возникают при замере температур во внутренних объемах затвердевающего непрерывного слитка, так как он перемещается относительно кристаллизатора. Для этого блоки термопар вмораживают в корку в верхних горизонтах слитка, и они попадают внутрь при его вытягивании. В случае длительных замеров особые требования по стойкости предъявляются к материалу защитных чехлов. Слитки, в которые были заделаны термопары, дальнейшей переработке не подвергаются, а идут в отходы.
Температуры стенок изложниц и кристаллизаторов замеряются с помощью блоков термопар, вставляемых в соответствующие места стенок для регистрации температур, используются переносные и самопишущие потенциометры. При быстро меняющихся температурных состояниях можно применять многошлейфные осциолографы, однако точность замеров при этом уменьшается.
Выливание жидкой сердцевины слитка дает возможность изучать кинетику и затвердевания и образования поверхностных дефектов. Для выливания металла из сквозных изложниц через небольшой промежуток времени после конца наполнения (до 1 минуты) ее достаточно приподнять краном, в других случаях изложницу опрокидывают. Такие операции следует производим, на специально подготовленном участке с ограждением.
Применение радиоактивных изотопов дает возможность изучить кинетику затвердевания слитков и процессов массопереноса в них. Чаще других используются изотопы Р и S. Для фиксации фронта затвердевания изотопы вводятся в жидкую фазу затвердевающего слитка в требуемые моменты времени. Для исследования процессов массопереноса изотопы вносят в определенные объемы жидкой сердцевины, а из ответствующих мест отбирают пробы металла на радиоактивностью. После затвердевания слитка из него вырезают темпплеты и с них снимают авторадиограммы, которые подвергаются исследованию.
При изучении отдельных процессов иногда возникает необходимость в получении специфической информации, для чего приходится разрабатывать новые или видоизменять существующие методы исследований. Так, в последние годы в исследованиях разливки стали начинают использоваться различные электронные системы, тензометрические датчики, проникающие излучение ультразвук, сложные оптические системы, лазеры. Некоторые из них применяются пока еще только в лабораторных условиях, но в перспективе они могут быть использованы и в производственных.
ЛИТЕРАТУРА
Баптизманский В.И. «Основы научных исследований в черной металлургии» изд. Киев 1986 г. 244 стр.