Главная страница ДонНТУ                 Страница магистров ДонНТУ

Биография     Автореферат    Электронная библиотека     Ссылки по теме     Отчет     Индивидуальное задание

ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

АНТЫКУЗА ОЛЕГА ВАСИЛЬЕВИЧА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ

Суков Г.С., Руденко В.И., Ошовская Е.В., Антыкуз О.В, Руденко Р.В.

Викладені теоретичні основи проектування пристроїв гідравлічного видалення огару, які базуються на забезпеченні необхідної енергії видалення огару. Надані положення дозволяють встановити оптимальні конструктивні параметри пристроїв.

Изложены теоретические основы проектирования устройств гидравлического удаления окалины, базирующиеся на обеспечении необходимой удельной энергии удаления окалины. Представленные положения позволяют установить оптимальные конструктивные параметры устройств.

The theoretical principles of hydraulic descaling devices design, which based on providing of necessary impact energy descaling are given. Presented principles allows to define the optimal constructive parameters of devices.

В настоящее время почти весь сортамент продукции металлургических заводов производится на прокатных станах. Важным технологическим этапом при производстве проката является удаление окалины с его поверхности. Недостаточно эффективное удаление окалины приводит к получению проката с поверхностными дефектами, удаление которых вызывает снижение сортности и требует значительных дополнительных затрат труда, что повышает себестоимость продукции.

Существуют различные способы удаления окалины с поверхности проката, однако, наибольшее распространение получила гидравлическая очистка окалины. Суть данного способа состоит в подаче на очищаемую от окалины металлическую поверхность струй воды под большим давлением (до 40 МПа) через специальные форсунки, устанавливаемые на, так называемом, коллекторе. Проведенные исследования [1] показали, что удаление окалины происходит в основном за счет механического разрыва слоя окалины под воздействием силы, развивающемся при ударе струи о нагретый металл. В настоящее время в установках гидравлического удаления окалины широко применяются форсунки фирм “Spraying Systems” и “Lechler”, сопла которых создают достаточно тонкую струю, обеспечивающую высокую удельную ударную силу. Корпус форсунки вваривается в коллектор, представляющий собой трубу из нержавеющей стали. К коллектору от насоса подводится вода через систему трубопроводов, вентилей и фильтров. На прокатных станах коллекторы устанавливаются на рольгангах до и после прокатных клетей в специально сконструированных для этого металлических боксах, а также непосредственно на прокатных клетях.

Несмотря на широкое использование гидравлических устройств для удаления окалины в отечественной и зарубежной литературе практически отсутствуют теоретические предпосылки и инженерные методики для определения основных параметров данных установок. Такое положение объясняется сложностью процессов истечения жидкости, а также вопросами защиты «ноу-хау» фирмами-изготовителями. При этом большинство авторов [1-4] отмечают следующую тенденцию проектирования устройств удаления окалины: необходимо создавать устройства с оптимальными конструктивными параметрами расположения форсунок, которые обеспечивают эффективное удаление окалины при снижении расхода жидкости. В данной статье изложены основные теоретические положения проектирования устройств для гидравлического удаления окалины, отвечающие данным требованиям.

Как было показано в [4], наиболее рациональным подходом для определения основных параметров коллектора для гидравлического удаления окалины является подход, основанный на обеспечении необходимой энергии струй жидкости для удаления окалины, которая является специфической для каждой марки стали [4]. Так для углеродистой стали удельная энергия удаления окалины составляет 17 кДж/м², для легированных марок стали – 42 кДж/м². Авторы [4] доказали, что нет необходимости расходовать больше энергии, создаваемой струями жидкости, чем требуется для конкретной марки стали и типа окалины.

На рисунке 1 представлены графики зависимости удельной энергии удаления окалины от расстояния между обрабатываемой поверхностью заготовки и соплами форсунок. Как видно из рисунка 1, удельная энергия обратно пропорциональна расстоянию. Тогда, при стационарно установленном коллекторе требуемое увеличение энергии можно компенсировать более высоким давлением. Другой способ заключается в том, что требуемую величину энергии можно достичь за счет изменения расстояния. При этом необходимо будет изменять также шаг установки форсунок на коллекторе. При назначении шага установки форсунок следует обеспечивать перекрытие факелов струй воды, чтобы не допустить на обрабатываемой поверхности проката полос с неудаленной окалины.

Рисунок 1 – Графики зависимости удельной энергии удаления окалины от расстояния между обрабатываемой поверхностью заготовки и соплами форсунок

Исходными данными при проектировании устройств гидравлического удаления окалины выступают: давление жидкости р; скорость перемещения проката v; ширина поверхности обрабатываемого проката В_з; тип сопел, используемых для форсунок и характеризующихся расходом V_с и углами раскрытия α, β; среднее значение удельной энергии удаления окалины е с поверхности проката, подвергаемого очистке. Расчетная схема коллектора с установленными форсунками приведена на рисунке 2. При проектировании устройств гидравлического удаления окалины прежде всего определяют следующие параметры: количество n и шаг установки A форсунок, высоту установки H форсунок над поверхностью обрабатываемого проката. Как было показано в [6], энергия струи, приходящаяся на единицу обрабатываемой поверхности, е, определяется по выражению:

e = F*V/(B²*T*v*cosθ).               (1)

где F – сила, создаваемая струей жидкости на обрабатываемой поверхности;
V – объемный расход жидкости;
В – ширина пятна контакта струи на обрабатываемой поверхности;
Т – глубина пятна контакта струи на обрабатываемой поверхности;
v – скорость движения проката;
θ – угол разворота сопла форсунки относительно продольной оси его сечения.

1 – балка-коллектор; 2 – форсунка; 3 – струя жидкости;
4 – прокат; 5 – пятно контакта на поверхности проката

Рисунок 2 – Расчетная схема коллектора для гидравлического удаления окалины

Сила F, создаваемая струей жидкости на обрабатываемой поверхности, зависит от давления и объемного расхода жидкости, высоты установки форсунок, геометрических параметров сопла. Тогда, согласно (1), удельная энергия удаления окалины определяется давлением и объемным расходом жидкости, скоростью движения проката, высотой установки и углом наклона форсунок над поверхностью проката, а также углами раскрытия струи жидкости. Выпускное отверстие сопла форсунки можно рассматривать как эллипс, большая ось которого равна a₀, а малая – b₀. С учетом геометрических соотношений между высотой установки Н нижнего края форсунки над обрабатываемой поверхностью, углом наклона струи воды γ к обрабатываемой поверхности, углами раскрытия струи жидкости в продольном (α) и поперечном (β) направлении, и шириной В и глубиной Т пятна контакта струи на обрабатываемой поверхности, на основании выражения (1) получено уравнение для нахождения высоты установки форсунок, необходимой для обеспечения требуемой удельной энергии удаления окалины:

A₃*H³ + A₂*H² A₁*H + A₀ = 0,               (2)

где А₃, А₂, А₁, А₀ – коэффициенты уравнения, определяемые по выражениям:

               (3)

где k_F – эмпирический коэффициент, связанный с гидравлическим сопротивлением сопла.

Решением уравнения (2) является значение высоты установки Н форсунки над обрабатываемой поверхностью. Поиск корней уравнения (2) можно выполнять методом Кардано или численными методами. В качестве интервала локализации корня при решении уравнения (2) численным методом можно назначать диапазон [0; 1] (единицы измерения – метр). Сопоставление точности и трудоемкости вычислений методом Кардано и численным методом дихотомии показало, что при любых комбинациях исходных данных точность нахождения действительного корня уравнения (2) обоими методами одинакова, но трудоемкость вычисления численным методом в 5 раз ниже. Поэтому при разработке системы проектирования устройств гидравлического удаления окалины для решения уравнения (2) выбран численный метод – метод дихотомии.

Количество форсунок n, необходимых для удаления окалины с поверхности проката шириной В_з, определяется из соотношения (рисунок 2)

n ≥ (B - O) / (B*cosθ - O),                (4)

где О – перекрытие пятен контакта струй жидкости на обрабатываемой поверхности, которое по данным [2-3] можно принимать равным O = (0,08...0,11)*B .

Расстояние между двумя соседними форсунками (шаг форсунок) равно:

A = B*cosθ - O.                (5)

Представленные зависимости составляют основу математического обеспечения системы проектирования устройств гидравлического удаления окалины и позволяют выбрать наиболее оптимальный конструктивный вариант их исполнения. В таблице приведены варианты устройств, отличающиеся давлением жидкости, количеством форсунок, суммарным расходом воды, развиваемой мощностью и удельной силой струи. Эти данные получены для следующих исходных данных: ширина проката 1550 мм, скорость перемещения проката 1,2 м/с, удельная энергия удаления окалины 17 кДж/м² , углы γ = θ = 15°.

Как видно из таблицы, лучшим из условия наименьшего расхода жидкости и максимальной удельной силы является первый вариант; из условия минимального количества форсунок – пятый вариант; второй и третий варианты являются практически одинаковыми по затратам ресурсов и развиваемой удельной силе, однако второй вариант позволяет использовать меньшее давление жидкости.

Выводы. Изложены теоретические основы проектирования устройств для гидравлического удаления окалины, базирующиеся на обеспечении необходимой удельной энергии удаления окалины, являющейся характерной величиной для каждой марки стали и условий производства. Представленные теоретические положения составляют основу математического обеспечения системы проектирования устройств гидравлического удаления окалины и позволяют установить их оптимальные конструктивные параметры.

Список литературы

1. Михеев В.А., Павлов А.М. Гидросбив окалины в прокатных цехах. – М.: Металлургия, 1964. – 107 с.
2. Оптимизация сопел для гидросбива окалины на широкополосном стане горячей прокатки / Беккер Э.-У., Биркемайер Г., Дегнер М. И др. // Металлургический завод и технология. – 2000. – С.74.-78.
3. Фрик Ю. Оптимизация расположения форсунок в устройствах гидромеханического удаления окалины // Сталь. – №11.–2003. С.69-73.
4. Silk N.J. The impact energy primary descaling // Steel Times.–1999.– №5.–P.184-185.
5. Определение основных параметров устройств для гидравлического удаления окалины / Руденко В.И., Суков Г.С., Руденко Р.В. и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность.–2004.–№4.–С.28-30.

Суков Г.C., Руденко В.И., Ошовская Е.В., Антыкуз О.В., Руденко Р.В. Теоретические основы проектирования устройств для гидравлического удаления окалины // Металлургические процессы и оборудование. - 2005. №1. - С. 35-39.

Биография     Автореферат    Электронная библиотека     Ссылки по теме     Отчет     Индивидуальное задание