Удосконалення гідравлічного видалення окалини на станах гарячої прокатки

Размещено на http://www.allbest.ru

Донбаська державна машинобудівна академія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВДОСКОНАЛЕННЯ ГІДРАВЛІЧНОГО ВИДАЛЕННЯ ОКАЛИНИ НА СТАНАХ ГАРЯЧОЇ ПРОКАТКИ

Жуков Микола Борисович

УДК 621.771.025

Спеціальність 05.03.05 "Процеси та машини обробки тиском"

Краматорськ - 1999

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти України

Науковий керівник: - доктор технічних наук, професор Соколов Лев Миколайович, професор кафедри “Обробка металів тиском” Донбаської державної машинобудівної академії.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Дорошко Володимир Іванович, Східно-український державний університет, м. Луганськ, професор;

- кандидат технічних наук Грачов Ігор Анатолійович, ЗАТ “Новокраматорський машинобудівний завод”, м. Краматорськ, ведучій інженер відділу головного металурга.

Провідна установа - Донецький державний технічний університет

Захист відбудеться " 30 " квітня 1999 р. об " 11" годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій при Донбаській державній машинобудівній академії (343913, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус)

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії(343913, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус)

Автореферат розісланий " 30 " березня 1999 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 12.105.01, к.т.н., доц. Сатонін О.В.

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

гідравлічний окалина прокатка метал

Актуальність теми. Сучасні економічні умови на перший план висувають завдання невпинного підвищення якості металопродукції та переходу до енергозберігальних технологій. Стосовно до процесів гарячої прокатки рішення цієї проблеми можливе шляхом застосування прогресивних технологічних процесів, одним з яких є гідравлічне видалення окалини. Підвищенню ефективності гідроочистки приділяється особлива увага. Однак через складність явищ, які виникають при взаємодії струменя з навколишнім середовищем і гарячою поверхнею металу, залишаються неясними роль та відносне значення численних факторів, які сприяють відділенню окалини від металевої основи. У зв'язку з чим традиційне проектування гідравлічних установок базується по суті на досвідних даних, що зовсім недостатньо для раціонального вибору параметрів охолоджувача і способу подачі його на поверхню заготовки. Таким чином, виникає необхідність вирішення актуальної проблеми - підвищення якості прокату та зниження витрат, пов'язаних з гідроочисткою його поверхні від окалини, на базі науково обгрунтованого методичного забезпечення. Це й визначило ціль і задачі дослідження.

З'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з тематикою науково-дослідних робіт Донбаської державної машинобудівної академії:

Х-72-89 "Дослідження високонапірної установки гідровидалення пічної окалини" № Держ. реєстрації 01.09.000176603;

Х-41-91 "Розробка низьконапірного обладнання гідровидалення пічної окалини стану 2800" № Держ. реєстрації 01940046152.

Г - 03 96 № Держ. реєстрації 0196U015979

Г - 14-94 № Держ. реєстрації 0194U015531

Г - 01-97 № Держ. реєстрації 019U001595

Ціль і задачі досліджень. - Підвищення техніко-економічних показників гарячої прокатки на основі розробки математичних моделей і удосконалення процесу гідравлічного видалення окалини.

Для досягнення поставленої цілі сформульовані і вирішені наступні задачі:

установлення термічних напруг, що відокремлюють окалину від металевої основи при довільному законі однобічного охолодження, в залежності від розподілення температури;

дослідження розподілення температури при однобічному охолодженні окалини, установлення раціонального режиму охолодження окалини та виявлення основних параметрів процесу гідроочистки;

розробка двофазної моделі віялоподібного струменя й на цій основі розкриття фізичної суті надто низької ефективності традиційної гідроочистки високого тиску;

дослідження течії та тепловіддачі при натіканні на заготовку плоскопаралельного й вісесиметричного струменевих потоків; установлення впливу витрати охолоджувача на процес гідроочистки;

дослідження течії та тепловіддачі в каналі між поверхнями пружно підтисненого сопла й заготовки; установлення раціонального режиму роботи сопла;

розробка математичної моделі охолодження металу через шар окалини й на цій основі вияснення впливу відпрацьованого охолоджувача на процес гідроочистки;

дослідження можливості використання струменів гідрочистки для підвищення точності геометричних характеристик готового металопрокату.

експериментальна оцінка ступеня вірогідності розробленого математичного апарату, а також уточнення основних параметрів гідроочистки;

створення принципово нових способів та обладнання гідроочистки і впровадження їх у виробництво.

Наукова новизна отриманих результатів. Розроблена теорія процесу відділення окалини від металу, на цій основі запропонований метод інженерного розрахунку робочих параметрів охолоджувача й вибору найбільш раціональних способів його подачі на поверхню металу. Обгрунтована можливість використання для гідроочистки води під відносно низьким тиском.

Установлена залежність термічних напруг від параметрів потоку, виявлений раціональний режим охолодження окалини.

Розроблена двофазна модель віялоподібного струменю, на цій основі розкрита фізична суть надто низької ефективності традиційної гідроочистки високого тиску.

Одержане вирішення задач течії й тепловіддачі при натіканні на заготовку плоскопаралельного та вісесиметричного струменевих потоків, на цій базі розроблені методичні основи розрахунку й раціонального вибору енергетичних і геометричних параметрів потоків.

Досліджені течія й тепловіддача в каналі між поверхнями пружно підтиснутого сопла й заготовки, виявлені явища, які відрізняються від традиційних уявлень течій в плоских каналах; визначена оптимальна товщина шару охолоджувача й розроблені методи її стабілізації в процесі гідроочистки.

Розроблена математична модель охолодження металу через шар окалини, яка відрізняється від традиційної моделі, обгрунтована доцільність змиву з поверхні заготовки відпрацьованого охолоджувача; сформульована та вирішена задача раціонального вибору місця установлення засобів для змиву охолоджувача.

Установлені температура металу й величина сили прокатки в залежності від витрати струменів гідроочистки та швидкості проходження заготовок через зону охолодження; на цій основі обгрунтована доцільність використання гідроочистки для зменшення різнотовщинності одержаного прокату.

Практична цінність отриманих результатів. Розроблено теорію процесу відділення окалини від металу під впливом струменів гідроочистки. Методики розрахунку і проектування систем гідроочистки передані у виробництво , що використані спеціалістами ЗАТ НКМЗ при розробці низьконапірного видалення окалини на станах 2000 і 2500 НЛМК ,а також на стані 2800 Ал.МК.

Результати роботи впроваджені на станах 2000 НЛМК і 2800 Ал.МК. Економічний ефект від упровадження нових технологічних розробок оцінюється в 1 млн.крб. ( у цінах до 1990 р.), пайова частка 100 тис.крб.

Особистий внесок здобувача. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автору належить розробка математичних моделей процесу гідроочистки, участь у проведенні дослідів, аналіз і узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень, розробка принципово нових засобів гідроочистки і участь у впровадженні їх у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на Всесоюзному науково-технічному семінарі з питань проектування стану гарячої прокатки 2500 НЛМК, м. Ліпецьк, 1987 р.; технічній нараді з питань реконструкції й удосконалення гідроочистки пічної окалини на стані 2800, м. Краматорськ і м. Алчевськ, 1989 та 1991р.р.; міжнародній конференції “Металургійне, прокатне й ковальсько-пресове устаткування виробництва ЗАТ НКМЗ. Перспективи розвитку”, 27-28 березня 1996 року, м. Краматорськ; науково-технічних семінарах кафедр АВП, МТО, АММ ДДМА.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований в 26 друкованих працях, в тому числі в 6 фахових виданнях і 13 авторських свідоцтвах на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків. Вона викладена на 135 стор. друкарського тексту, містить 50 рисунків, 5 таблиць; список використаних джерел з 84 найменувань; а також 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, приведена характеристика, її спрямованість і наукова новизна. Сформульована мета дослідження та основні положення роботи.

СТАН ПИТАННЯ Й ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДОСЛІДЖЕННЯ

Аналіз наявних матеріалів показав, що сучасні гідравлічні установки високого тиску базуються по суті на досвідних даних і не забезпечують необхідної якості поверхні прокату, а витрати на гідроочистку досягають великих розмірів.

Для з'ясування причин незадовільної гідроочистки автори численних праць вимірювали тиск у зоні удару струменя, величина якого виявилася значно нижчою відносно тиску витікання води. На цій основі були зроблені висновки, які не узгоджуються із законами гідродинаміки однорідної рідини і, отже, не дозволяють теоретично обгрунтовано вибрати робочі параметри води.

У працях В.І.Зюзіна, М.Д.Залєсова й С.Є.Короткової розглядаються термічні напруги, під впливом яких окалина відділяється від металевої основи. Однак при побудові теоретичних залежностей приймався фіктивний закон розподілення температури по товщині окалини, що виключає можливість зв'язати задачі термопружності, теплопровідності й конвекційного теплообміну. Сумісне рішення цих задач дозволить установити раціональний режим охолодження окалини й визначити основні параметри процесу гідроочистки.

Ефективність відділення окалини залежить від інтенсивності теплообміну між її поверхнею та натікаючим потоком. У теоріях пограничного шару й конвекційного теплообміну розглядаються переважно безмежні потоки й відсутні положення, які дозволяють визначити течію та тепловіддачу в умовах натікання на заготовку обмежених струменевих потоків. Вирішення цієї проблеми дає можливість установити раціональну витрату охолоджувача й вибрати найбільш раціональний спосіб його подачі на заготовку.

Узагальнене вирішення комплексу цих та інших питань дозволить розробити методику інженерного розрахунку основних параметрів процесу гідроочистки і впровадити у виробництво низьконапірне гідровидалення окалини.

ТЕОРИТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ГІДРАВЛІЧНОЇ ОЧИСТКИ МЕТАЛУ ВІД ОКАЛИНИ

Розглянуто напружений стан окалини при довільному законі однобічного охолодження. Внаслідок цього одержані зсувні й відривні термічні напруги, під впливом яких окалина відділяється від металевої основи. Установлено, що максимальні зсувні напруги залежать від площі А, яка обмежена кривою розподілення перепаду температури ,

, (1)

а максимальні відривні напруги - від статичного моменту цієї площі

 , (2)

де й - товщина окалини й поперечна координата;

й - коефіцієнт лінійного розширення й модуль пружності матеріалу окалини;

й - коефіцієнти в залежності від товщини й пружних констант окалини ( й ).

Якщо відомі товщина й міцність зчеплення окалини з металом, на основі (1) і (2) можна визначити необхідний закон розподілення температури.

Методом операційного обчислювання досліджені температурні поля, які поширюються в глибину окалини при різній інтенсивності подачі охолоджувача. Виявлено оптимальний режим охолодження, що виникає в момент, коли фронт температурних збурень поширюється на всю товщину окалини, а необхідні для її відділення критичні напруги досягаються при мінімальній інтенсивності теплообміну. Враховуючи це, одержали час процесу гідроочистки (або довжину зони охолодження ), де - коефіцієнт температуропровідності окалини; - швидкість металу. В кінці періоду в окалині виникає поле відносної температури, для якого одержана наступна залежність:

(3)

де й - температури металу й охолоджувача;

- змінна по товщині окалини температура;

; - критерій Біо;

- коефіцієнт тепловіддачі;

- коефіцієнт теплопровідності окалини.

Аналіз співвідношень (1), (2) і (3) показує, що єдиним параметром, яким можна варіювати в процесі гідроочистки, є критерій (коефіцієнт тепловіддачі ). На рис. 1 побудували графіки залежності від безрозмірних й , на основі яких можна вибрати необхідний коефіцієнт тепловіддачі .

Аналіз показує, що при й прямують до граничних величин й . З урахуванням цього на підставі (1) і (2) одержали граничні зсувні й відривні напруги, які були значно вище міцності щеплення окалини з металом, що підтверджує можливість використання для гідрочистки термічного ефекту.

Зсув окалини настає значно раніше відриву і розрахунок процесу гідроочистки можна виконати на підставі зсувних напруг.

Таким чином, у результаті сумісного рішення задач термопружності й теплопередачі установлені основні параметри процесу відділення окалини і . Обидва параметри є основними при виборі найбільш раціонального способу подачі охолоджувача на поверхню заготовки та розрахунку його витрати й робочого тиску.

Традиційним способом гідроочистки є подача віялоподібних струменів, витікаючих через сопла під великим тиском (10...30 МПа). Вимірювання багатьох дослідників показали, що з віддаленням від сопла тиск на окалину зменшується відповідно квадратичному закону. Це явище пояснюють різким падінням швидкості струменю, хоч виміряний імпульс уздовж потоку практично залишався незмінним. Для повного розуміння процесів розвитку струменю та його впливу на гідроочистку побудували двофазну модель, яка грунтується на змішуванні води з оточуючим повітрям. На базі збереження імпульсу та результатів вимірювання розширення струменю одержані математичні залежності, які дозволяють вияснити характерні особливості двофазного потоку.

У випадку витікання води через традиційне сопло під тиском 11 МПа установлено, що: різке розширення струменя породжує величезну концентрацію ежекційного повітря й надто малу густину суміші ( = 5,8...18,5 кг/м3); з віддаленням від сопла витрата суміші зростає за рахунок ежекційного повітря; низький тиск на окалину обумовлений зменшенням густини суміші, а не падінням швидкості, яка фактично зменшується на 5...17%; тиск удару 0,048...0,264 МПа в десятки разів нижче межі міцності відриву окалини й свідчить про незначний рівень механічного ефекту; переважаючою об'ємною фазою суміші є повітря, яке знижує тепловий ефект; робоча ділянка струменя може супроводжуватися надзвуковою швидкістю, що ускладнює тепловіддачу.

Таким чином, підвищення ефективності роботи традиційної гідроочистки можна досягти шляхом зменшення концентрації ежекційного повітря. Для цього необхідно підвищувати робочий тиск, або зменшувати відстань від сопла до поверхні заготовки. Однак в результаті цього зростають витрати електроенергії на гідроочистку.

Досліджені течія та тепловіддача при натіканні на заготовку плоскопаралельних та вісесиметричних струменів низького тиску, які не змішуються з оточуючим повітрям. Процеси течії та тепловіддачі при взаємодії струменів з твердою поверхнею складні та маловивчені. На рис. 2 запропонована спрощена модель обтікання заготовки вісесиметричним струменем, яку умовно можна розділити на три зони: зону розвороту 1, зону розвинення турбулентного пограничного шару 2 та зону сповільненої течії 3. Ураховуючи надто малу протяжність зони розвороту, впливом її на процес охолодження можна знехтувати й припустити, що розвинення турбулентного пограничного шару починається від критичної точки О.

Методом інтегральних співвідношень пограничного шару та аналогії Рейнольдса одержані математичні залежності, які дозволяють розрахувати як плоскопаралельний, так і вісесиметричний струмінь. На рис.3 представлене число Нуссельта в залежності від співвідношення r/d при (див. рис. 2), де числа Рейнольдса і Нуссельта віднесені до діаметра сопла , а коефіцієнт залежить від температури поверхні та фізичних властивостей охолоджувача.

Ліва крива відображає тепловіддачу в зоні розвинення пограничного шару. Границя цієї зони й середнє число Нуссельта витікають із одержаних співвідношень й , на основі яких можна розрахувати робочий тиск і витрату сопла, крок сопел та їх число.

Розроблений принципово новий засіб гідроочистки шляхом подачі охолоджувача низького тиску в канал між поверхнями пружно підтиснутого сопла 1 та заготовки 2, рис. 4. Враховуючи гідравлічний опір проточної частини сопла й каналу, одержали математичні залежності течії та тепловіддачі, які відрізняються від традиційних уявлень течій у плоских каналах. На рис. 5 представлені коефіцієнт тепловіддачі й тиск на окалину в залежності від товщини шару охолоджувача при робочому тиску . Як бачимо, коефіцієнт тепловіддачі має максимум. Визначена раціональна товщина шару охолоджувача й розроблені методи її стабілізації в процесі гідроочистки шляхом вимірювання тиску в каналі та регулювання зусилля підтиснення сопла .

Розроблена математична модель процесу охолодження металу через шар окалини, на базі якої з урахуванням результатів дослідження тепловіддачі виявлено різке остигання зчепленого з окалиною шару металу не на повітрі, а поблизу гідравлічної установки, де на поверхні заготовки виникає пристінний струмінь відпрацьованого охолоджувача, що знижує термічний ефект у зоні обробки. Одержані математичні залежності раціонального вибору місця установлення засобів усунення впливу відпрацьованого охолоджувача при різних способах його подачі на поверхню заготовки.

Крім підвищення якості поверхні металу низьконапірна гідроочистка може бути використана й для стабілізації вихідних температур нагріву, а отже, і для зниження поздовжньої та поперечної різнотовщинності металопрокату.

Визначили відношення номінальної і реальної сил прокатки в залежності від номінальної і реальної температур

, (4)

де - коефіцієнт тепловіддачі;

і - довжина і висота заготовки;

і CМ - густина і теплоємкість металу;

- швидкість заготовки в зоні дії струменів гідроочистки;

c - степеневий показник у формулі Андреюка Л.В., який характеризує вплив температури на величину опору деформації даного металу або сплаву.

В кінці періоду охолодження температура металу повинна забезпечувати P/Pp=1. Ураховуючи це, одержали необхідну швидкість металу в залежності від температури нагріву .

. (5)

Таким чином, для регулювання температурного режиму прокатки необхідно вимірювати температуру металу перед входом у зону дії гідроочистки. Підстановка цієї температури в останнє рівняння дає можливість визначити швидкість транспортного рольгангу , яка забезпечує сталість температури Тп та її відповідність заданій величині Т.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ГІДРАВЛІЧНОЇ ОЧИСТКИ МЕТАЛУ ВІД ОКАЛИНИ

Вимірювання параметрів віялоподібних струменів (форми й розмірів, сили й тиску удару) підтвердили основні положення, прийняті при побудові двофазної моделі струменя. Експериментальні точки тиску в зоні удару струменя задовільно узгоджуються з теоретичними залежностями двофазного потоку.

Дослідження тепловіддачі проведено по відомій методиці, заснованій на вимірі кількості тепла, виділеного протікаючим по провіднику електричним струмом. Результати вимірювання коефіцієнтів тепловіддачі підтверджують справедливість теоретичних залежностей, одержаних при натіканні як плоскопаралельного, так і вісесиметричного струменів (див. рис. 3), а також при течії в плоскому каналі (див. рис. 5).

Для вивчення процесу відділення окалини експериментальне сопло 1 підтискували до поверхні зразка 2 із зусиллям пневмоциліндру (див. рис. 4). Підтримуючи тиск постійним та регулюючи зусилля , реєстрували тиск на окалину й товщину шару охолоджувача . Коефіцієнт тепловіддачі визначали в залежності від тиску (див. рис. 5), товщину окалини вимірювали після її відділення. Якість очистки оцінювали візуально. Результати дослідження при р0=0,5 МПа й =0,8 мм приведені на рис. 5, де штрихуванням відмічена зона ефективної гідроочистки. Як видно, повне відділення окалини спостерігається поблизу максимуму тепловіддачі. Зі збільшенням р>0,25 МПа <6 кВт/(м2С) і окалина не відділяється. У процесі експерименту підтримувався оптимальний режим роботи сопла й регулювалась швидкість переміщення зразка , що дозволило визначити час охолодження . Як установлено, при великих швидкостях зразка відділення окалини не спостерігається. Зі зменшенням швидкості ефективність гідроочистки підвищується і через час охолодження, який витікає з теоретичної залежності , спостерігається повне видалення окалини.

У табл. 1 представлені результати декількох дослідів по визначенню часу процесу ефективного відділення окалини в залежності від її товщини. Розходження теоретичних і експериментальних даних складає 30...40%, що можна віднести за рахунок більш низької температуропроводності окалини, яка утворювалася в атмосфері муфельної печі.

Таблиця 1 - Результати дослідження часу процесу відділення окалини

, мм	, кВт/(м2С)	м, м/с	, с	, с
0,8	6,5	0,45	0,088	0,064	1,345
1,0	6,5	0,30	0,133	0,100	1,330
1,2	6,5	0,20	0,200	0,144	1,348

Таким чином, експерименти підтверджують теоретичне положення про те, що оптимальним є режим охолодження, при якому фронт температурних збурень поширюється на всю товщину окалини, а також те, що основними параметрами процесу відділення окалини є коефіцієнт тепловіддачі й час охолодження .

СТВОРЕННЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ І ВПРОВАДЖЕННЯ НИЗЬКОНАПІРНИХ СИСТЕМ ГІДРООЧИСТКИ

Розроблені принципово нові засоби гідроочистки, ефективне застосування яких залежить від виду окалини й міцності щеплення з металом, стану поверхні заготовки та інших факторів. Для подачі охолоджувача розроблені спеціальні сопла: з самоочисною вихідною щілиною; такі, що дозволяють регулювати подачу охолоджувача в залежності від товщини окалини; що утворюють пульсуючі струмені та кавітаційні потоки.

Розроблено перспективний засіб низьконапірної гідроочистки шляхом подачі вільних струменів гомогенної суміші повітряних бульбашок та води, які натікають на поверхню заготовки з надзвуковою швидкістю.

Побудовані теоретичні моделі процесів формування однорідної суміші та прискорення її до надзвукової швидкості. На цій базі спроектована та виготовлена дослідно-виробнича установка, впровадження якої передбачається на стані 2800 Ал. МК.

Дослідно-виробничі випробування видалення пічної окалини проведені на стані 2000 НЛМК. Сопло (див. рис. 4) з опорною поверхнею 370х1850мм розміщувалось над рольгангом і пружно підтискувалось до поверхні сляба за допомогою пневмоциліндра. У процесі дослідження реєстрували: марку сталі, товщину окалини (обмірюванням відокремленої окалини), тиск пневмоциліндра , робочий тиск води і тиск на окалину . Витрату води , коефіцієнт тепловіддачі і потужність сопла розраховували по параметрам потоку. Ефективність очистки оцінювали візуально.

У таблиці 2 наведені деякі результати дослідження, при яких досягалася бездоганна гідроочистка.

Таблиця 2 - Результати дослідження при видаленні пічної окалини на стані 2000 НЛМК

№ досліду	Марка сталі	, мм	, МПа	, МПа	, МПа	, л/с	, Вт/(м2С)	, кВт
1	3СП	2,1	0,45	0,70	0,25	192,4	2850	132
2	3СП	2,3	0,35	0,65	0,18	197,0	2700	125
3	3СП	2,5	0,37	0,65	0,16	199,8	2600	127
4	3СП	2,4	0,38	0,70	0,21	201,0	2680	137
5	17ГС	3,8	0,37	0,40	0,13	150,0	2060	59
6	17ГС	4,0	0,35	0,45	0,11	166,5	2010	74
7	17ГС	3,7	0,38	0,40	0,13	150,0	2180	58

Як видно, повне відділення окалини спостерігається при різних параметрах охолоджувача, що можна пояснити різним станом поверхні прокату. Однак необхідний для відділення окалини коефіцієнт тепловіддачі знаходиться приблизно на однаковому рівні <3 кВт/(м2С), що при значній нерівності поверхні прокату компенсувалося збільшенням витрати охолоджувача. У всіх дослідах тиск на окалину значно менший межі міцності відриву окалини й свідчить про незначну роль механічного впливу охолоджувача.

Для всіх слябів стана 2000 можна прийняти р0=0,7 МПа і Q0=200 л/с при потужності сопла N0=140 кВт. Відмічена висока ефективність роботи сопла в порівнянні з гідроочисткою високого тиску (р0=14 МПа), потужність верхніх колекторів якої складає N0=1700 кВт.

Застосування способу досить ефективно для видалення вторинної окалини, що виникає на достатньо рівній поверхні прокату. Було виготовлене сопло, яке забезпечувало вузьку зону охолодження шляхом подачі потоку в поперечному напрямку прокату та застосування віджимних роликів, що зменшувало вплив відпрацьованого охолоджувача. Крім того, охолоджувач подавали в режимі зривної кавітації, парові бульбашки якої лопаються на поверхні окалини. Сопло розміщувалось перед ножицями стану й показало високу ефективність гідроочистки при р0=1,0…1,2 МПа, Q0=5…6 л/с, N0=5…7,2 кВт. Відзначимо, що потужність верхніх колекторів гідроочистки високого тиску, функціонуючої за чистовим окалинозламувачем, складає N0=1120 кВт.

Основні висновки

У результаті теоретичних та експериментальних досліджень розроблені принципово нові способи гідроочистки, які засновані на тепловому впливу струменів низького тиску. Ефективність і економічність використання способу залежить від виду окалини, її властивостей та стану поверхні заготовки.

У результаті дослідження термічних напруг і температурних полів визначені основні параметри процесу відокремлення окалини від металу: час , на протязі якого окалина охолоджується на всю товщину, і коефіцієнт тепловіддачі . Обидва параметри приймаються в залежності від товщини окалини, її міцності зчеплення з металом і є основними при виборі найбільш раціонального способу подачі охолоджувача.

Побудована двофазна модель віялоподібного струменю. На цій основі розкрита фізична суть надто низької ефективності та економічності традиційної гідроочистки високого тиску.

Розроблені математичні моделі процесів течії та тепловіддачі при натіканні на заготовку як плоскопаралельного, так і вісесиметричного струменів низького тиску. Внаслідок цього визначені робочий тиск і витрата охолоджувача, число струменів та відстань між ними. Установлено, що видалення тонкої міцно зчепленої пічної окалини слід вести вісесиметричними струменями, а більш товсту пічну окалину економічно вигідно видаляти плоскопаралельним струменевим потоком.

Розроблено принципово новий спосіб гідроочистки шляхом подачі охолоджувача низького тиску в канал між поверхнями пружно підтиснутого сопла та заготовки. У результаті дослідження течії та тепловіддачі в каналі виявлена оптимальна товщина шару охолоджувача та розроблені методи її стабілізації в процесі гідроочистки, що суттєво знижує витрату охолоджувача. Установлена висока ефективність та економічність способу при видаленні вторинної окалини, що виникає на достатньо рівній поверхні прокату.

Розроблена математична модель остигання металу через шар окалини; обгрунтована необхідність усунення з поверхні заготовки відпрацьованого охолоджувача. Одержані математичні співвідношення, які дозволяють визначити знаходження місця виведення охолоджувача в залежності від способу його подачі на поверхню заготовки.

Розроблені теоретичні моделі процесу охолодження металу в зоні дії струменів гідроочистки. Установлено, що шляхом регулювання швидкості заготовок та інтенсивності подачі охолоджувача можна стабілізувати температуру нагріву і, як наслідок, підвищити точність геометричних параметрів готової металопродукції.

Проведені дослідно-виробничі випробування гідроочистки пружно підтисненим соплом на стані 2000 НЛМК. Як установлено, для видалення пічної окалини достатньо забезпечити робочий тиск р0=0,7 МПа і витрату Q=200 л/с при потужності сопла N0=140 кВт, а для вторинної окалини - р0=1,2 МПа Q=6 л/с і N0=7,2 кВт. Відзначена більш висока ефективність гідроочистки в порівнянні з функціонуючою на стані гідроочисткою високого тиску (Р0=14МПа), потужність якої складає N0=1700 кВт при видаленні пічної окалини і N0=1120 кВт - вторинної окалини.

Основний зміст дисертації відбитий в наступних опублікованих наукових працях:

Жуков Н.Б., Чекулаев Е.Ф., Заключнов О.В., Лаптев М.Д. Измерение толщины струи гидросбива окалины//НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1976. - Сер. 1-76-15. - С.23-25.

Жуков Н.Б., Чекулаев Е.Ф., Заключнов О.В., Лаптев М.Д. Эффективность работы сопел систем гидросбива окалины//НИИИНФОРМТЯЖ-МАШ, 1976. - Сер. 1-76-15. С. 25-27.

Чекулаев Е.Ф., Заключнов О.В., Жуков Н.Б., Лаптев М.Д. Промышленные экспериментальные исследования систем гидросбива окалины// НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1976. - Сер. 1-76-15. С. 23-25.

Чекулаев Е.Ф., Жуков Н.Б., Вербицкий Л.Л. Исследование параметров охлаждения при гидросбиве окалины//Повышение эффективности тепло-утилизационного оборудования и систем охлаждения в черной металлургии. М.: Металлургия, 1982 (МЧМ СССР). - С. 51-54.

Жуков Н.Б. Двухфазная модель струи гидравлической очистки металла от окалины//Изв. вузов. Черная металлургия, 1987. - №11. - С. 52-54.

Жуков Н.Б. Исследование теплообмена на участке замедленного течения пристенной струи//Изв. вузов. Машиностроение, 1987. - №7. - С. 68-72.

Жуков Н.Б. Оптимальный режим работы сопла гидравлического удаления окалины//Изв. вузов. Черная металлургия, 1990. - №11. - С. 50-52.

Жуков Н.Б. Температурные поля и термонапряжения при гидравлическом удалении окалины//Изв. вузов. Черная металлургия, 1991. - №3. - С. 59-61.

Жуков Н.Б. Охлаждение окалины за время транспортировки заготовки в зону гидроочистки//Сб. научн. статей/Донбас. гос. машиностроит. академ. - Краматорск: ДГМА, 1994. - Вып. 2. - С. 126-136.

Жуков Н.Б. Исследование течения и теплоотдачи при натекании на заготовку осесимметричной струи//Сб. научн. статей/Донбас. гос. машиностроит. академ. - Краматорск: ДГМА, 1994. - Вып. 2. - С. 137-147.

Жуков Н.Б. Устройство для удаления окалины с нагретых заготовок сверхзвуковым низконапорным газожидкоструйным потоком. Сообщение 1//Сб. научн. статей/Донбас. гос. машиностроит. академ. - Краматорск: ДГМА, 1996. - Вып. 3. - С. 181-186.

Жуков Н.Б. Устройство для удаления окалины с нагретых заготовок сверхзвуковым низконапорным газожидкоструйным потоком. Сообщение 2. Теоретическая модель течения в устройстве для формирования гомогенной смеси газовых пузырей и жидкости//Сб. научн. статей/ Донбас. гос. машиностроит. академ. - Краматорск: ДГМА, 1996. - Вып. 2. - С. 187-195.

Жуков Н.Б. Устройство для удаления окалины с нагретых заготовок сверхзвуковым низконапорным газожидкоструйным потоком. Сообщение 3. Теоретическая модель ускорения водовоздушного потока до сверхзвуковой скорости//Сб. научн. статей/Донбас. гос. машиностроит. академ. - Краматорск: ДГМА, 1996. - Вып. 2. - С. 196-207.

А. с. 531582 СССР,. МКИ В21В. Сопло для гидросбива окалины с прокатываемых заготовок/Н.Б.Жуков, Е.Ф.Чекулаев, О.В.Заключнов, М.Д.Лаптев (СССР). - №2136431/02. Заявлено 22.05.75, опубл. 15.10.76, бюл. №38.

А. с. 611699 СССР, МКИ В21В. Устройство для гидросбива окалины с нагретых заготовок/Н.Б. Жуков, Е.Ф. Чекулаев, О.В. Заключнов, М.Д. Лаптев (СССР). - №2317489/02. Заявлено 22.01.76, опубл. 25.06.78, бюл. №23.

А. с. 624677 СССР, МКИ В21В. Способ очистки горячекатанной полосы от окалины/Н.Б.Жуков, Е.Ф.Чекулаев, О.В.Заключнов, М.Д.Лаптев, В.И.Пономарев (СССР). - №2426992/22-02. Заявлено 07.12.76, опубл. 25.09.78, бюл. №35.

А. с. 772639 СССР, МКИ В21В. Сопло для гидросбива окалины/Н.Б.Жуков, Е.Ф.Чекулаев, Е.А.Бондаренко, О.В.Заключнов, М.Д. Лаптев (СССР). - №2700288/22-02. Заявлено 22.12.78, опубл. 23.10.80, бюл. №39.

А. с. 829240 СССР, МКИ В21В. Способ удаления окалины с горячекатанной полосы/Н.Б.Жуков, Е.Ф.Чекулаев, О.В.Заключнов, М.Д. Лаптев, А.Д.Белянский, З.П.Каретный (СССР). - №2805118/22-02. Заявлено 03.08.79, опубл. 15.05.81, бюл. №18.

А. с. 1301506 СССР, МКИ В21В. Машина для удаления окалины /Е.Ф.Чекулаев, Н.И.Пономарев, Н.Б.Жуков, А.Д.Белянский, З.П.Каретный, А.Н.Корышев (СССР). - №3923615/22-02. Заявлено 08.07.85, опубл. 07.04.87, бюл. №13.

А. с. 1386324 СССР, МКИ В21В. Способ удаления окалины с поверхности нагретого металла/Н.Б.Жуков, Е.Ф.Чекулаев, Н.И.Пономарев, С.Г.Дейный, И.В.Франценюк, А.Д.Белянский, З.П.Каретный (СССР). - №3974439/31-02. Заявлено 10.11.85, опубл. 07.04.88, бюл. №13.

А. с. 1430130 СССР, МКИ В21В. Устройство для гидросбива окалины /Е.Ф.Чекулаев, Н.И.Пономарев, Н.Б.Жуков, А.Д.Белянский, З.П.Каретный, А.Н.Корышев (СССР). - №4180363/31-02. Заявлено 03.08.79, опубл. 15.05.81, бюл. №18.

А. с. 1612421 СССР, МКИ В21В. Способ удаления окалины/Н.И.Пономарев, Е.Ф.Чекулаев, Н.Б.Жуков, С.Г.Дейный, З.П.Каретный, А.Д.Белянский (СССР). - №4357261/31-02. Заявлено 03.08.79.

А. с. 1695573 СССР, МКИ В21В. Коллектор для удаления окалины с гарячекатанной полосы/Н.И.Пономарев, Н.Б.Жуков (СССР). - №4691267/02. Заявлено 15.05.89.

А. с. 1772954 СССР, МКИ В21В. Коллектор для удаления окалины /Н.И.Пономарев, Н.Б.Жуков (СССР). - №4820010/21. Заявлено 19.03.90.

А. с. 1829221 СССР, МКИ В21В. Способ ускоренного охлаждения поверхности нагретого металла/Н.Б.Жуков, Н.И.Пономарев (СССР). - №4691281/02. Заявлено 15.05.89.

А. с. 1830768 СССР, МКИ В21В.Коллектор для удаления окалины с гарячекатанной полосы/Н.И.Пономарев, Н.Б.Жуков, (СССР). - №4798887/27. Заявлено 02.03.90.

АНОТАЦІЇ

Жуков М.Б. Удосконалення гідравлічного видалення окалини на станах гарячої прокатки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 1999.

Дисертація присвячена удосконаленню й розвитку процесів очистки поверхні прокату від окалини. Розроблена теорія процесу, яка базується на термічному впливу води низького натиску. Крім підвищення якості поверхні обгрунтована можливість використання гідроочистки для стабілізації вихідної температури металу. В наслідок цього знизиться різнотовщинність готової металопродукції.

Ключові слова: окалина, низький тиск, термічні напруги, струменеві потоки, тепловіддача, різнотовщинність прокату.

Жуков Н.Б. Совершенствование гидравлического удаления окалины на станах горячей прокатки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 1999.

Диссертация посвящена совершенствованию и развитию процессов очистки поверхности проката от окалины.

Построена двухфазная модель веерообразной струи, на этой основе раскрыта физическая сущность весьма низкой эффективности и экономичности традиционной гидроочистки высокого давления. Обнаружено, что вследствие смешения высокоскоростной воды с окружающим воздухом и образования однородной смеси, преобладающей объемной фазой, которой является воздух (более чем в 100 раз), интенсивность теплового и механического воздействия на окалину существенно уменьшается.

В работе развивается новое направление, основанное на тепловом воздействии струи низкого давления, смешение которой не происходит.

Разработана математическая модель напряженного состояния окалины при произвольном законе одностороннего охлаждения. В результате этого определены термические напряжения, отделяющие окалину от металлической основы. Из анализа напряжений и температурных полей установлены основные параметры процесса, в качестве которых следует принимать время, в течение которого окалина охлаждается на всю толщину, и коэффициент теплоотдачи, характеризующий интенсивность теплообмена на ее поверхности. Оба параметра позволяют определить рабочее давление и расход охладителя при различных способах его подачи на обрабатываемую поверхность.

Установлено, что в зависимости от толщины окалины, ее прочности сцепления с металлической основой и состояния обрабатываемой поверхности для гидроочистки могут быть использованы как плоскопараллельные, так и осесимметричные струи низкого давления, а также низконапорное течение в канале, образованном поверхностями упруго поджатого сопла и заготовки. Разработаны теоретические модели течений, на основании которых определены рабочее давление и расход охладителя. Анализ результатов исследования показывает, что удаление тонкой прочно сцепленной с металлом печной окалины следует вести осесимметричными струями, а более толстую и менее прочную печную окалину экономически выгодно удалять струйным плоскопараллельным потоком. Напорное течение в канале, образованном поверхностями упруго поджатого сопла и заготовки, весьма эффективно при удалении тонкой воздушной окалины, образующейся на достаточно ровной поверхности раската.

Разработана математическая модель процесса охлаждения металла через слой окалины. Обнаружено, что одним из методов существенного повышения эффективности гидроочистки может быть удаление отработанного охладителя, образующегося на поверхности заготовки в момент ее захода в зону гидроочистки. Получены математические зависимости, позволяющие определить место установки средств удаления охладителя при различных способах его подачи на обрабатываемую поверхность.

Разработаны теоретические модели процессов формирования однородной водовоздушной смеси и ускорения ее до сверхзвуковой скорости. Установлено, что оптимальной является смесь, половину объема которой составляет вода, а половину - воздух. На этой основе разработана и изготовлена низконапорная опытно-промышленная установка для удаления печной окалины, внедрение которой предполагается на стане 2800 Ал. МК.

Опытно-промышленные опробования удаления окалины соплом, упруго поджатым к обрабатываемой поверхности, показали, что для печной окалины, образующейся в условиях прокатного стана 2000 НЛМК, достаточно обеспечить рабочее давление Ро=0,7 МПа и расход сопла Q0=200 л/с при потребляемой мощности N0=140 кВт, а для воздушной - Р0=1,2 МПа, Q0=6 л/с и N0=7,2 кВт. Отмечена более высокая эффективность гидроочистки по сравнению с функционирующим на стане "гидросбивом" высокого давления (Р0=14 МПа), потребляемая мощность которого составляет при удалении печной окалины N0=1700 кВт и воздушной - N0= 1120 кВт.

Помимо повышения качества очищаемой поверхности низконапорная гидроочистка может быть использована и для стабилизации исходной температуры заготовки и как следствие, снижения продольной и поперечной разнотолщинности листов и полос. Разработана математическая модель падения температуры металла в зависимости от расхода струй гидроочистки и скорости прохождения зоны охлаждения. На этой основе предложена система стабилизации исходной температуры раската.

Ключевые слова: окалина, низкое давление, термические напряжения, струйные потоки, теплоотдача, разнотолщинность.

Zhukov N.B. Perfection of hydraulic removal scale on hotrolling mills. - Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.03.05 - Processes and machines of processing by pressure. - Donbass state machine-building academy, Kramatorsk, 1999.

The dissertation is devoted to perfection and development of processes of a surface of hire from scale. The theory of process based on thermal influence of water of low pressure is developed. Except increase of quality of a surface the opportunity of use of hydroclearing for stabilization of initial temperature of metal is reasonable. As a result of it the disorder on thickness of ready hire will decrease.

Key words: scale, low pressure, thermal pressure, jet flows, connective heat transfer, variations in thickness.

Размещено на Allbest.ru