CC BY
66УДК 66.022.1
Б.Ш. Дыскина, В.С. Лесюк, Т.В. Кабанова
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ОТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ ГРАФИТИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ
(Южно-Уральский государственный университет (НИУ)) e-mail: arturdyskin@mail.ru. womirlis@bk.ru. tanka 1530@mail.ru
Выполнен сравнительный анализ известных составов для защитных покрытий графитированных электродов, приведены результаты экспериментального опробования оксида алюминия и соединений кремния в качестве покрытия лабораторных образцов графита на основе нефтяных коксов разной структуры. Выявлено эффективное снижение окисления графитов на основе игольчатого кокса, покрытых бескислородными крем-нийсодержащими соединениями.
Ключевые слова: игольчатый кокс. графитированные электроды. окисление. покрытие. снижение окисления
Проблема экономии графитированных электродов по мере развития техники и технологии электросталеплавления все более актуализируется. В электродуговых печах электродная свеча, состоящая из трех графитированных электродов, поступает в зону дуги постепенно. При этом боковая поверхность электродов при прохождении температурной зоны 600-800 °С подвергается окислительному воздействию газовой среды. Потери от бокового окисления достигают 40-60% от общего расхода [1]. Общий расход, наряду с боковым окислением, включает торцевой износ и поломки. В последние годы российские металлургические предприятия предпочитают закупать и использовать мощные электросталеплавильные печи зарубежного производства. При этом в комплекте с печью поставляется ограниченное количество графитированных электродов. В свою очередь, графитированные электроды - расходный материал. А эти печи могут работать только на высокоплотных электродах, в основном импортных или отечественных, но изготовленных на основе импортного высококачественного игольчатого кокса. Страны-экспортеры: Япония, Великобритания, США. В России разработана технология производства игольчатого кокса. Однако все попытки организовать собственное производство игольчатого кокса оказались безуспешными [2]. Установившаяся устойчивая зависимость потребителей и производителей электродов от импорта обусловливает необходимость исследований, приводящих к снижению расхода графитированных электродов при эксплуатации.
Одним из способов снижения расхода электродов является нанесение на боковую поверхность коррозионно- и эррозионностойкого покрытия для защиты от окисления. По данным фирмы "British Steel Corporation", при использовании
электродов с покрытием диаметром 610 мм в дуговых печах вместимостью 140-180 т и силе тока 35-68 кА экономия составляет 16-23%, для электродов диаметром 508 мм - 27%, в сравнении с электродами без покрытия. Имеются сведения о производстве и применении электродов с защитными покрытиями в США, Канаде, Германии, Японии и других странах. Основные требования к покрытию на графите: высокая адгезия; электропроводность; высокая стойкость против окисления; низкая пористость; простота изготовления; относительно низкая стоимость материалов.
С целью оптимизации состава защитного покрытия проанализировали известные составы и способы покрытия. В работах [3,4] отмечено, что покрытия на основе алюминия снижают удельный расход электродов на 10-12%, на основе ферросилиция марки ФС-45 - на 20% в сравнении с электродами без покрытия. В работе [5] предложено двухслойное покрытие, первый слой которого состоит из алюминия или его сплава, второй - из железа. Покрытый электрод обрабатывают электрической дугой или плазменной горелкой. Однако такое покрытие не обладает необходимой окислительной стойкостью в агрессивных газовых средах вследствие недостаточной прочности сцепления покрытия с графитированной основой. Для повышения адгезии и электропроводности покрытия предложено в первый слой включить 5-10% кремния, а второй - выполнить из меди.
В данной работе исследовали образцы лабораторного графита с нанесением защитного покрытия и без него (контрольные). Исходные графитированные образцы (табл. 1) изготовили на основе нефтяных коксов: игольчатого с баллом микроструктуры 5,7 и рядового - 4,3. Микроструктуру коксов оценивали в соответствие с ГОСТ 26132-84.
Таблица 1
Показатели качества исходных лабораторных образцов графита Table 1. Characteristics of quality of the initial laboratory samples of graphite
В составе защитного покрытия опробовали: оксид алюминия Л120з, диоксид кремния 81О2, карбид кремния и силикомарганец (МпС-17). Размеры частиц - менее 0,05 мм. Элементный состав (табл. 2), форму и размеры частиц материалов определяли с помощью растрового электронного микроскопа «1Б0Ь» 18М-6460 ЬУ.
Таблица 2
Покрытие наносили в виде 50% суспензии в жидком стекле (ГОСТ 7871). При нанесении суспензия проявляла хорошую адгезию к поверхности графита. Покрытые образцы сушили при температуре 110 °С. Затем эти образцы и контрольные без покрытия на рядовом и игольчатом коксах окисляли в муфельной печи при температуре 850 °С в течение з ч, охлаждали вместе с печью до комнатной температуры. Затем по относительной потере массы рассчитывали окисляемость (Ох, %) из выражения (1); по изменению окисляе-мости сравниваемых образцов - снижение окисления (АОх, %), пользуясь выражением (2):
Ох = (Ш0 - Шх)/Шо 100 %, (1)
АОх = (Оо - Ох)/Оо 100 %, (2)
где ш0 - масса до окисления, г; шх - масса окисленного образца, г; Оо - окисляемость контрольного образца, %; Ох - окисляемость исследуемого образца, %.
Окисляемость графитов на основе рядового нефтяного кокса составила 54,6%; на основе
игольчатого - 51,4%; снижение - 5,9%. Из этих результатов следует, что применение игольчатого кокса, наряду с повышением проводящих свойства графитов вдоль оси прессования, способствует интегральному снижению окисляемости графита.
Поскольку игольчатые коксы - основное сырье для изготовления высокоплотных графити-рованных электродов, работающих на мощных электросталеплавильных печах, для изучения защитных свойств выбранных составов использовали образцы графита на игольчатом коксе. Все опробованные составы показали снижение окисляе-мости графитов при температуре 850 °С от 18,7 (Л120з) до 63,8% (табл. 3). Наибольшую эффективность по защите от окисления графитовой поверхности показали составы на основе SiC и MnC-17: снижение окисляемости, соответственно, составило 63,8 и 49,8% относительно образцов без покрытия. Присутствие кислорода оксидов снижает защитные свойства покрытия.
Таблица3
Влияние покрытия на окисляемость графита на
игольчатом коксе при температуре 850 °С Table 3. The effect of coating on an oxidability of graphite based on needle-shaped coke at the temperature
of 850 °C
Защитное Потеря массы Снижение окис-
покрытие (окисляемость), мас. % ляемости, отн. %
нет 51,4 -
AI2O3 41,8 18,7
Na20(Si02)n 40,7 20,8
Si02 30,4 40,8
MnC-17 25,8 49,8
SiC 18,6 63,8
Из табл. 2 видно, что МпС-17 включает ~ 95% карбидообразующих металлов (Мп~57%, Бе~29%, 81-9%). Видимо, защитные свойства обусловлены формированием на поверхности графита карбидов этих металлов, которые нейтрализуют активные центры окисления, вовлекая углерод в реакции образования и разложения карбидов, что подтверждается на примере карбида кремния и термодинамическими расчетами.
ВЫВОДЫ
Показано, что снижению окисляемости графита способствуют: использование в качестве сырья высококачественного игольчатого кокса; применение защитного покрытия с максимальным содержанием карбидообразующих металлов. Предложены компонентный состав и методика нанесения суспензии; методика опробования защитного покрытия на графитовой поверхности.
Наименование показателей Графитированные образцы на коксе:
игольчатом рядовом
Действительная плотность, г/см3 2,22 2,18
Зольность, % 0,07 0,10
Массовая доля серы, % 0,10 0,11
Удельное электросопротивление, мкОм-м 6,5 8,0
Элементный состав исходных материалов Table 2. The elemental composition of the initial materials
Элементы AI2O3 Si02 SiC MnC-17
С - - 30,0 3,6
О 47,1 53,3 - -
Mg - - - 1,4
Ca - - - -
Al 52,9 - - -
Si - 46,7 70,0 8,8
Cr - - - 0,4
Fe - - - 29,0
Mn - - - 56,9
ЛИТЕРАТУРА
1. Апалькова Г.Д., Просвирина И.И., Рощин В.Е., Галян
B. С., Вдовин С.Е. // Металлургия. 2002. № 10. С. 146148;
Apalkova G.D., Prosvirina I.I., Roshchin V.E., Galyan V.S., Vdovin S.E. // Metallurgiya. 2002. N 10. P. 146-148 (in Russian).
2. Мордухович Б.Ш., Рабин П.Б., Денисов Ю.Л., Кор-чажкина О.Ф., Бурков В.В // Кокс и химия. 2004. № 8.
C. 10-14;
Mordukhovich B.Sh., Rabin P.B., Denisov Yu.L., Korchazhkina O.F., Burkov V.V. // Koks i Khimiya. 2004. N 8. P. 10-14 (in Russian).
3. Коновалова Е.А., Емяшев, А.В., Костарева Т.В., Вавилова А. Т., Ахмерова С.Н. Защита графитированных электродов на основе ферросилиция. /Тез. докл. V Все-союзн. научн.-техн. конф. электродной промышленности. Челябинск. 1983. C. 302-303;
Konovalova E.A., Emyashev A.V., Kostareva T.V., Vavi-lova A.T., Akhmerova S.N. Protection of graphite electrodes based on ferrosilicon. / Proceedings of V All-Russia Scientific-Practical Conf. of Electrode Industry. Chelyabinsk. 1983. P. 302-303 (in Russian).
4. Вавилова А.Т., Коновалова Е.А., Юзихов Ю.Д., Половой Б.В. Эффективность применения защиты от окисления графитированных электродов. / Сб. научн. тр. Формирование свойств электродного графита. М.: НИИгра-фит. 1991.С. 74-77;
Vavilova A.T., Konovalova E.A., Yuzikhov U.D., Polovoy B.V. Efficiency of application of protection against oxidation of graphite electrodes. / Collection of Scientific papers. Formation of properties of electrode graphite. M.: Nllgrafit. 1991. P. 74-77 (in Russian).
5. Русев Г.М., Киселев С.М., Овсяников В.В., Галюк Н.Ф. Патент РФ № 2193294. 2002;
Rusev G.M., Kiselev S.M., Ovsyannikov V.V., Galyuk N.F. RF Patent № 2193294. 2002 (in Russian).
Кафедра химической технологии
УДК 621.35. 620.1
Н.И. Полушин, М.С. Овчинникова, А.Л. Маслов, И.Ю. Кучина
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ С НАНОАЛМАЗАМИ
(Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС") e-mail: polushin@misis.ru. ovchmaria@mail.ru. anatmaslov@mail.ru. kuchinaira@yandex.ru
В данной статье отражены результаты исследования зависимости микротвердости никелевого композиционного электрохимического покрытия с наночастицами алмазов в качестве дисперсной фазы от концентрации нанопорошка алмазов в электролите. Приведены результаты испытаний модельных образцов и инструмента на абразивную стойкость и износостойкость.
Ключевые слова: композиционное электрохимическое покрытие; наноалмазы; абразивная стойкость; микротвердость; ресурс инструмента; алмазно-гальванический инструмент
ВВЕДЕНИЕ
В технической сфере важной проблемой является повышение эксплуатационных характеристик металлических покрытий, которая может быть решена за счет введения в металлическую матрицу дисперсных частиц. Наиболее интересным объектом в качестве упрочняющей фазы являются наноалмазы. Исходя из теории дисперсного упрочнения, наночастицы должны обладать высоким значением модуля Юнга, что позволяет получить максимальный эффект от упрочнения матрицы, о чем подробно написано в [1].
В исследовании рассматривается упрочнение электрохимического никелевого покрытия наночастицами. Электрохимический метод нанесения покрытия отличается сравнительной простотой технологической схемы и обеспечением равномерного распределения дисперсной фазы в покрытии.
В работах авторов, проведенных ранее, удалось добиться эффекта повышения прочностных характеристик никелевой матрицы с введением наночастиц алмазов. В работе [1] были исследованы концентрации наноалмазов в электролите
