Файл: Пауков А.В. Радиоактивные изотопы - помощники металлургов об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии.pdf

рис. 14 легко найти, что металл дефектной зоны листа образовался из зоны слитка, которая находится на рас­ стоянии 18—49% его радиуса Ro, считая от оси. В этой зоне располагаются шнуры внецентренной ликвации слитка. Кроме этого, в проведенном исследовании, как и в предыдущем, нашли, что дефектным местам соответ­ ствует наименьшая степень деформации металла.

Таким образом, с помощью метода радиоиндикаторов успешно изучается деформация как сортового, так и ли­ стового проката. »

Обезуглероживание металла при нагреве под прокат­ ку и деформация обезуглероженного слоя

Для улучшения качества металла важно снизить глу­ бину обезуглероженного слоя при его нагреве перед прокаткой. Процесс обезуглероживания стали на Донец­

52

ком металлургическом заводе изучали Л. Г. Гольдштейн и Л. А. Шварцман.

Опыты проводили в методических нагревательных пе­ чах. Радиоактивный углерод-14 ввели в образцы-свиде­ тели. Свидетели располагали на слябах (135Х135Х Х1500 мм): первую группу у стенки печи, третью — по оси печи и вторую — между первой и третьей. Металл последовательно проходил три зоны печи — методиче­ скую (нагрев до—900°С в среднем за 90 мин), свароч­ ную (нагрев от 900 до 1180°С за 40 мин) и томильную (1180°С — выдержка 20 мин). Из печи извлекали по од- ’ ному образцу каждой группы после прохождения метал­ лом одной из трех зон печи.

Распределение углерода в образцах изучали методом послойного радиометрического анализа. В этом методе образец обезуглероженной плоскостью помещается у счетчика ядерного излучения, который регистрирует по­ ток ß-частиц. Затем с образца снимают небольшой слой металла (десятые доли миллиметра), снова регистриру­ ют излучение и т. д. Всего было исследовано 216 образ­ цов-свидетелей.

Было найдено, что скорость потока газа и изменение его состава в определенных пределах (избыток воздуха меняли от 0,8 до 1,2) практически нс влияют на скорость обезуглероживания. Это означает, что самой медленной стадией процесса является диффузия (проникновение) углерода из глубинных слоев в поверхностные. Далее установили, что из общего количества окислившегося в печи углерода на первую, методическую, зону прихо­ дится примерно 10%, вторую, сварочную, — около 60 — 65% и на третью, томильную,— около 25—30%. Отсюда следует, что защиту металла от окисления с помощью завесы восстановительных газов надо в первую очередь предусматривать в сварочной, затем в томильной зонах.

53

Для дальнейшей математической обра­ ботки результатов опытов авторы уточни­ ли понятие глубины

Рис. 16. Номограмма для определе­ методической зоне пре­

ния глубины обезуглероженного слоя небрегли. Номограммы

54

обезуглероживания в зависимости от скорости или вре-' мени нагрева металла, а также от его температуры. В качестве примера на рис. 15 приведена номограмма для определения вспомогательной величины z при раз­ личной температуре металла, а на рис. 16 — номограмма для расчета по величине z глубины обезуглероженного слоя. Если, например, время нагрева 60 мин при темпе­ ратуре 1100°С, то из рис. 15 находим, что z-10-5=200. По этому значению z из рис. 16 находим, что глубина обезуглероженного слоя равна 1 мм.

Чтобы проследить за деформацией поверхностного обезуглероженного слоя, в слитки при разливке стали вводили изотоп фосфора-32. Слябы с фосфором-32 на­ гревали вместе с двумя образцами-свидетелями, содер­ жащими углерод-14. Один из свидетелей после нагрева металла извлекали из методической печи и анализирова­ ли на обезуглероживание. Второй — помещали заподли­ цо в опытный сляб перед прокаткой. При прокатке от промежуточных раскатов и готового профиля отбирали образцы для радиографии. Радиограммы образцов по­ казали, что различные участки профиля подвергаются разным деформациям. Только при прокатке на симмет­ ричные профили (круг, квадрат) обезуглероженный слой приблизительно равномерно располагается по пе­ риметру сечения проката. Глубина обезуглероженного слоя на готовом прокате х и на заготовке хс связа­ ны уравнениями:

а) для квадрата

б) для круга

2хс

55

где g — коэффициент вытяжки, равный отношению площадей поперечного сечения заготовок до и после прокатки.

Исследователи не только изучили кинетику процесса обезуглероживания металла, но и предложили метод за­ щиты металла от окисления с помощью порошка борат­ ного стекла (75% В2О3 и 25% Na2O). Порошок вводили

впечь через воздушную форсунку на границе сварочной

итомильных зон. При расходе порошка 5—7 или 17—20 г на 1 м2 поверхности металла глубина обезуглероженного слоя уменьшалась соответственно в 1,2—1,5 или в 3,5—4 раза. Во втором случае ухудшались условия прокатки из-за плотного слоя боратного стекла на ме­ талле.

Вцелом результатом работы является полученная ин­ женерная методика расчета, позволяющая определять условия нагрева металла, при которых обеспечивается выход 100% годного металла по обезуглерожениому слою.

ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИНДИКАТОРОВ

Контроль износа огнеупорной футеровки

Металлургические процессы, как правило, непрерыв­ ные с определенным циклом работы. Длительность цикла определяется в основном стойкостью огнеупорной футе­ ровки агрегата, от которой в немалой степени зависят технико-экономические показатели любого процесса. По­ этому изучение характера и скорости износа ее имеет весьма большое значение. Использование для этих целей радиоактивных индикаторов было одним из первых при­ меров их практического применения.

56

Футеровка доменных печей. Роль футеровки в работе печи очень велика, а методы контроля износа ограниче­ ны. На скорость износа влияют десятки причин: качест­ во огнеупора и качество кладки, режим сушки и режим задувки, конструкция горна и конструкция фундамента печи и т. д. Поэтому износ кладки на различных домен­ ных печах протекает по-разному. В одних случаях про­ должительность кампании печи по футеровке доходит до 10 лет, а в других полный износ, в частности лещади пе­ чи, наступает через четыре месяца ее работы. Так, на­ пример, произошло с лещадью одной из доменных печей Ново-Тульского завода. Известны случаи внезапного прорыва чугуна вследствие прогара лещади, что, есте­ ственно, приводило к тяжелым последствиям.

Таким образом, задача контроля износа огнеупорной футеровки доменной печи была и остается достаточно актуальной.

Степень износа футеровки грубо можно оценивать некоторыми косвенными методами, например, темпера­ турой. Поэтому термопарный метод измерения темпера­ тур футеровки практически был единственным методом контроля износа. Но этот метод имеет ряд недостатков конструктивного порядка, срок службы термопар неболь­ шой, температура внутренней поверхности кладки может сильно колебаться. В результате он дает лишь качест­ венную картину износа. Аіноголетний опыт показал, что наиболее надежные данные о службе футеровки домен­ ных печей удается получить с помощью радиоактивных индикаторов.

Радиометрические методы контроля разделяются на две группы. В первой радиоактивные изотопы исполь­ зуются в качестве меченых атомов, во второй — в виде источников излучения. В обоих случаях во время ремон­ та в лещадь печи (или любую другую часть ее) на раз­ личных горизонтах и в различных точках закладывают радиоактивные ампулы-вставки. Ампулы — графитовые

57.

или стальные (для уменьшения диффузии вещества изо­ топа) вставляют в отверстия в огнеупорных кирпичах и запрессовывают огнеупорной массой. По мере износа рядов огнеупора радиоактивные вставки обнажаются и в растворенном виде попадают в продукты плавки.

При использовании метода меченых атомов о разру­ шении футеровки в точке контроля судят по появлению радиоактивности в пробах металла или шлака, система­ тически отбираемых на радиометрический анализ. (Не­ достаток метода — необходимость большого и частого отбора проб). Чтобы определить, какая из радиоактивных вставок перешла в жидкий чугун или шлак и, следова­ тельно, в какой точке разрушилась футеровка, применя­ ют изотопы с различными физико-химическими свойства­ ми и различные принципы идентификации их.

Радиоактивные вещества должны иметь достаточные энергию и период полураспада, относительно высокую температуру плавления, хорошую растворимость только

вчугуне или только в шлаке, содержание их в продук­ тах плавки не должно превышать предельно-допустимых концентраций и т. д. Схема расположения радиоактив­ ных вставок зависит от задач, которые ставятся при кон­ троле. Например, при изучении разгара лещади их закла­ дывают по оси и по радиусам. При этом чем больше раз­ мещено вставок, тем более полно удается обследовать лещадь. С другой стороны, изотопы нельзя закладывать

вкаждом ряду огнеупоров, так как при наличии ямы, образовавшейся в результате износа, индикатор обнару­ живается в значительном количестве выпусков, не успе­ вая удалиться из печи до разрушения следующего ряда.

Радиоактивные вставки закладывают в лещадь при капитальном ремонте печи. На одной из печей Магнито­ горского металлургического комбината заложили пять таких вставок: в XII ряд (считая от фундамента) —

фосфор-32, в XI, VII и II ряды — кобальт-60 и в X ряд — кальций-45. На заводе им. Дзержинского при исследова-

58

нии разгара лещади из углеродистых блоков радиоактив­ ные источники разместили в семи точках тоже по оси печи: под I, II и III рядами блоков (считая снизу), под 1 рядом шамотной кладки и далее через каждые три ряда шамотного кирпича. Здесь были применены та­ лин-182, серебро-110, цинк-65, теллур-204.

Более совершенным является метод проникающего излучения, когда в футеровку закладывают источники с жестким у-пзлучением. Регистрация производится детек­ тором, установленным снаружи печи. Износ определяет­ ся по контролю состояния источника в месте его заклад­

59