Общие сведения об окалине

                  Прессованная окалина

                                             Рис 1

Окалина представляет собой продукт окисления железа. Согласно исследованиям, в окалине содержится от 55 до 80% FeO и от 20 до 50% Fe₂O₃, что соответствует содержанию 66-69% чистого железа в окалине. В сталях, легированных хромом, окалина содержит до 1% Cr₂О₃, а в сталях, легированных небольшим количеством никеля, окалина содержит от нескольких сотых до нескольких десятых процента NiO. Соотношение между количествами этих окислов в окалине может быть различно в зависимости от условий, при которых происходит окисление металла.

Окисление стали происходит при двух одновременно протекающих процессах: диффузии кислорода от поверхности к внутренним слоям металла и встречной диффузии металла через слой окалины на ее наружную поверхность.

В нагреваемой стали, железо интенсивно растворяется в окалине и диффундирует наружу. Скорость диффузии железа обычно превышает скорость диффузии кислорода, поэтому между окалиной и металлом нет сплошного контакта, а в слое окалины, прилегающем к металлу и состоящем из FeO, образуются поры.

Наличие окалины на поверхности прокатываемого материала имеет негативное влияние, которое проявляется в следующих фактах. Наличие окалины на заготовке при недостаточно эффективном ее удалении ведет к ее развальцовке и получению после прокатки проката с поверхностными дефектами, что снижает качество (сорт и внешний вид) поверхности конечного изделия. А ее удаление вызывает значительные дополнительные затраты труда и повышает себестоимость продукции. Окалина во внутренней структуре готового проката, снижает его механические свойства. Вторичная окалина обладает значительно большей твердостью и прочностью, чем материал прокатных валков, что приводит к их абразивному изнашиванию и снижению долговечности прокатного оборудования. Кроме того, наличие развальцованной на поверхности проката окалины ухудшает условия для последующих технологических операций, таких как лакировка, оцинковка или др. покрытие.

Возникновение окалины на поверхности прокатываемого материала (заготовок, полуфабрикатов, готового проката) происходит в течение всего производственного процесса. По месту образования в технологическом процессе различают первичную и вторичную окалину. Первичная (или печная) окалина возникает на поверхности заготовки при ее нагреве в печи. Характер и количество образуемой окалины зависит от типа печной атмосферы, температуры и длительности нагрева заготовки. Вторичная окалина возникает при задержках между технологическими операциями. Ее характер и количество зависит от качества материала, температуры и длительности задержки между технологическими операциями. Следует отметить, что особенно вредна первичная окалина, полученная при нагревании заготовок в окислительной атмосфере.

При нагреве металла необходимо стремиться к тому, чтобы первичная окалина как можно меньше прилипала к основному металлу для обеспечения наиболее легкого ее удаления с металла, что достигается соответствующими режимами нагрева.

Окалина углеродистой стали держится на поверхности непрочно, и лучше всего очищается при нагреве в окислительной атмосфере с содержанием кислорода 5-10%. Она легко отделяется при ударах, которые получают слитки при выдаче их из колодцев или печей и при укладке на рольганги.

Гораздо сложнее удалить окалину с малоуглеродистых легированных сталей, на поверхности которых она наиболее прочна.

Некоторые сорта нержавеющей стали хорошо очищаются только при нагреве в слегка окисленной печной атмосфере и плохо при нагреве в восстановительной или нейтральной. Но в то же время существуют сорта нержавеющей стали, хорошо очищающиеся при нагреве в восстановительной или нейтральной атмосферах.

На рисунке 1 изображено строение слоев окалины. Как видно из этого рисунка, наиболее прочно связан с металлической поверхностью третий слой из так называемой липкой окалины.

                      Cтроение слоев окалины

                                         Рис 2

При работе печей в окислительном режиме образуется толстая и сухая окалина, которая легко удаляется с поверхности при охлаждении слоя струей воды за счет различной усадки окалины и основного металла. На высоколегированных и низкоуглеродистых сталях возникает тонкая и прочная клейкая окалина, при которой не действует эффект неодинаковой усадки. Такая окалина удаляется путем ее дробления и последующего смыва.

Если первые два слоя окалины (равно как и окалина с обычной углеродистой стали) удаляется с заготовки при воздействии на нее энергии 17 кДж/м², то липкая окалина удаляется при значении этой энергии в 42 кДж/м². Это согласуется с мнением авторов о том, что для удаления окалины легированной стали, требуется большая сила удара, чем для окалины углеродистой стали.

Таким, образом, для более эффективного удаления окалины следует учитывать ее различия и соответственно, при нагреве заготовок следует стремиться к получению более толстого слоя окалины, который легче отделить, а вторичную окалину необходимо удалять в тот момент, когда она минимально прилипает к металлу в измельченном состоянии.

Существуют различные способы удаления первичной и вторичной окалины: механическое, абразивное, гидравлическое, гидроабразивное.

Наиболее эффективным способом удаления окалины является гидравлический. Гидравлическое удаление окалины (гидросбив, hydraulic descaling) - удаление окалины с поверхности металла при горячей прокатке водой под высоким давлением. Для облегчения сбива окалины, струи воды из сопел направляются под углом против движения металла. Гидросбив широко используют в прокатном производстве для удаления как печной, так и вторичной окалины.

                                            Гидросбив окалины

                                                Рис 3

Средние нормы угара металла в процессах горячей пластической обработки считается 2-3% от массы заготовок. Лишь при изготовлении крупных паковок объем угара может достигать 7%.

В современных металлургических технологиях окалину чаще всего применяют для корректировки химического состава стали (в конвертерном производстве и при переработки лома). В конвертерном процессе окалина добавляется для удаления из чугуна углерода. В отличие от обычной продувки кислородом и добавлении железной руды, при вводе окалины отсутствует угар железа и увеличения объема шлака.

При переработке окалины её направляют на два процесса: твердо- и жидкофазное восстановление. Т.К. любая окалина содержит пылевидную составляющую, то её ввод в металлургические агрегаты возможно только в виде брикетов. При этом если речь идет о конвертерной и мартеновской плавки, то плотность брикета должна быть больше плотности шлака равной 4.2г/см². В противном случае брикеты находятся на поверхности расплава и не вступают в реакцию с углеродным расплавом.

Твердофазное восстановление окалины проводится либо в доменных или в трубчатых печах. Температура такого восстановления меньше температуры плавления металла, поэтому восстановление из оксидов осуществляется в твердом состоянии. Доменный процесс считается менее эффективным. Т.К. после восстановления происходит науглероживание железа. Доменный процесс редко применяют по причине высоких требований к прочности брикета. Масса материалов в шахте печи велика и создает большие давления на брикеты. Если прочность брикетов мала, то они разрушаются и нарушают газопроницаемость доменной печи. Это приводит к разрушению корпуса печи из-за высокого давления газа. При твердофазном восстановлении в трубчатых печах брикеты подаются в верхней части наклонной печи и перемещаются в ней при вращении. С заданной стороны печи устанавливается газовая горелка. В качестве плазмообразующего используется природный газ с кислородом. При высоких температурах образуются газы восстановители железа (СО и Н₂).Требования к прочности брикетов определяются нагрузками при перекатывании брикетов по корпусу печи. При малой прочности образуется много окалиной пыли, которая вместе с газами выносится из печи. Повторное использование этой пыли затруднено из-за высокой влажности.

Проблемы:

Утилизация окалины вызывает большие трудности, особенно мелкой (крупность частиц до 100 мкм), содержащей до 20-30 % масел. Основные пути ее переработки – химическое и термическое обезжиривание, однако, эти процессы являются дорогостоящими.