Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В настоящее время, при довольно сложных экономических условиях, на рынке металлургической промышленности одним из ценных изделий является трубопрокатное производство. Чтобы обеспечить высокое качество проката необходимо эффективно и экономично удалить окалину с его поверхности. Окалина образуется на литых заготовках и в процессе прокатки в результате взаимодействия при нагреве поверхности изделия с воздухом окружающей среды.

Окалина на поверхности зарождается в виде ядер оксидов. Сначала эти ядра образуют вязкую пленку, плотно сцепленную с металлом и не имеющую пор. Слой оксидов равномерно нарастает на окисляемой поверхности. При этом нарушается ориентировка зерен, и в слое окалины возникают поры, вызванные также превращением материала. Верхний слой оксидов становится менее вязким [1].

Окалина – продукт высокотемпературного окисления металла или газовой коррозии. На готовом стальном полуфабрикате обычно имеется окалина толщиной менее 20 мкм (чаще 7–15 мкм). Наружный слой окалины обычно FeO (гематит), внутренний слой, прилегающий к металлу, – Fe2O3 (вюстит). На поверхности легированных сталей образуются сложные оксиды (NiO*Fe2O3, FeO*Cr2O3 и др.) [2].

При производстве горячекатаных листов образуется несколько типов железной окалины, различающейся по структуре и количеству фаз [3]:

Тип 1: двухслойная окалина, в состав которой входит магнетит и металлическое железо. Получение такого типа окалины характерно для медленно охлаждающихся участков широкой полосы и середины рулона. Эта металлическая окалина является продуктом разложения вюстита и часто в ее структуре присутствует небольшое количество нераспавшегося вюстита, что характерно для быстрого охлаждения рулонов или рулонов небольшой массы.

Тип 2: окалина железа, состоящая из прилегающего к металлу слоя вюстита и слоя магнетита. Такой тип окалины характерен для участков широкой полосы с интенсивным охлаждением.

Тип 3: окалина железа, состоящая из основного слоя магнетита, над которым расположен наружный слой гематита. Кромки полосы при этом имеют темную окраску.

Тип 4: трехслойная окалина: магнетит – вюстит – магнетит. Этот тип характерен для быстро охлаждающихся узких полос.

Cтроение слоев окалины

Рисунок 1 – Cтроение слоев окалины

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 [4]. 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 [4].

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 [4].

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 [4].

Все существующие на данный момент способы удаления окалины (механический, пескоструйный или дробеструйный, абразивный, гидравлический, ультразвуковой, химический и др.) имеют в основном такие недостатки как высокая энергоемкость, дороговизна, так и низкая экологичность.

Поэтому актуальной является проблема поиска решений по безопасному, эффективному удалению окалины с металла при низких энергозатратах.

1. Актуальность темы

С проблемой очистки поверхностей крупногабаритных изделий (в моем случае трубы большого диаметра) от окалины, ржавчины, грязи и т. д. перед окончательными операциями, такими как нанесение различных покрытий, покраски на предприятиях сталкиваются давно.

Наличие окалины на заготовке и на прокатываемом листе снижает сортность продукции, вызывает дополнительные материальные расходы, большие дополнительные затраты труда и снижает себестоимость продукции. Окалина по своим физическим свойствам отличается от основного металла, поэтому она затрудняет дальнейшую обработку изделия и практически делает невозможным такие процессы как волочение, прессование, штамповка, нанесение покрытий на поверхность металла, а также снижает его качество и устойчивость при использовании готовой продукции.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Выполненные экспериментальные и опытные исследования ряда научно-исследовательских организаций показали эффективность импульсных струй по сравнению со стационарными тех же параметров. Достигнутые результаты устройствами, создающими импульсные струи, разработанными в ДонНТУ, по разрушению угольного массива позволяют судить о возможности использования их для разрушения окалины. Оптимизация параметров этих устройств позволит достичь снижения энергопотребления на выполнение этой операции.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

  1. Анализ существующих методов и средств для разрушения окалины.
  2. Разработка математической модели процессов в гидроимпульсной установке.
  3. Моделирование процессов.
  4. Разработка рекомендаций по определению рациональных параметров гидроимпульсного способа очистки металла от окалины.

3. Обзор наиболее распространенных способов очистки металлопродукции от окалины

В настоящее время существует большое количество различных технологий очистки поверхностей. Каждая из них имеет как определенные преимущества, так и недостатки. При применении многих технологий очистки довольно остро встает вопрос по экологии процесса и утилизации получаемых при этом отходов. Существуют химические, механические, гидравлические и другие методы очистки от окалины.

Механические способы очистки наиболее просты, но малопроизводительны. Их рекомендуют использовать в сочетании с другими способами для очистки доступных зон оборудования. Этот способ основан на воздействии твердого тела на объект очистки для разрушения и снятия слоя загрязнения. Механические способы очистки от окалины применяют как для нагретых, так и для холодных заготовок. Очистку вручную осуществляют скребками в приспособлениях [5].

Химические способы очистки металлов от ржавчины и окалины заключаются в растворении окислов в кислотах и щелочах. Эти способы требуют больших производственных площадей, затрат на удаление и переработку травильных растворов и очистку сточных вод. Химические способы очистки дороги, энергоемки, вредны для здоровья обслуживающего персонала, вызывают коррозию производственного оборудования, являются источником загрязнения окружающей среды [5].

Гидравлический способ – 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. Установки гидравлического удаления окалины обычно размещают после окалиноломателей перед черновыми клетями и в межклетевых промежутках. На широкополосных станах горячей прокатки гидросбив применяют и перед чистовыми клетями.

Исторически первыми возникли и в дальнейшем получили наибольшее промышленное распространение конструкции устройств для гидравлического удаления окалины в виде стационарных коллекторов (сборники), в которые подается под требуемым давлением вода, с закрепленными на них соплами. Коллекторы размещаются по всей заданной ширине обрабатываемого проката. Гидравлический сбив окалины осуществляется одновременно как сверху, так и снизу.

Подача воды осуществляется объемными насосами, рабочее давление которых до 65,0 МПа, а потребляемая мощность до 150 кВт. Название такого метода – гидродинамическая очистка. При использовании данного метода можно удалить любую накипь и отложения. Очищение трубопроводов и труб осуществляется до металла, производится очень качественно, благодаря чему образование новой накипи замедляется. Кроме того, увеличивается КПД оборудования и снижаются энергозатраты. Этот метод имеет преимущества над механическим и химическими методами, поскольку при нем металл менее подвержен повреждениям. Также этот метод более экологичен [6].

4. Гидроимпульсный способ очистки труб от окалины

К гидроимпульсным относятся машины, в которых для привода промежуточного звена (рабочей массы) или непосредственного деформирования материала используется импульс ударного давления жидкости. Принцип действия гидроимпульсных машин обоснован впервые А. И. Зиминым (1956 г.). Он заключается в использовании энергии положительной полуволны, возникающей в трубе с начальным давлением р0 – 0 и скоростью v0 > 0 при гидравлическом ударе. И. Б. Матвеевым (1958 г.) обоснован другой принцип действия гидроимпульсных машин, в которых используется импульс, полученный в результате быстрой и полной разрядки потенциальной энергии, запасенной в жидкостном аккумуляторе [7].

Преимущество гидроимпульсного метода очистки проката в экономическом отношении по сравнению с другими методами очистки состоит в меньшем расходе энергии. Следует отметить также другие преимущества гидроимпульсного метода очистки как: сохранение формы и шероховатости обрабатываемой поверхности (отсутствие съема основного металла); экологичность метода (работа по замкнутому циклу); пожаро- и взрывобезопасность.

Многочисленными исследованиями, проведенными в Донецком национальном техническом университете, доказана возможность использования импульсных струй для разрушения различных твердых материалов. Этими же исследованиями было отмечено значительное превосходство (дальность, эффективность разрушения) водяной струи импульсного характера в сравнении со стационарной [8].

Результатом многолетней работы сотрудников ДонНТУ в области разработки гидроимпульсных устройств стало создание генератора импульсных струй (ГИС). Генератор импульсных струй предназначен для преобразования стационарного малорасходного потока рабочей жидкости (5–5,5 м3/ч) высокого давления (28–32 МПа) в импульсный поток с мгновенным расходом 60–90 м3/ч и давлением 23–26 МПа. Гидравлическая схема ГИС представлена на рисунке 2.

Принципиальная гидравлическая схема генератора импульсных струй

Рисунок 2 – Принципиальная гидравлическая схема генератора импульсных струй

Рисунок 3 – Принцип работы ГИС
(анимация: количество кадров – 6, количество повторений неограничено, размер 25,0 КБ)

ГИС состоит из основного гидропневмоаккумулятора (ГПА) 1, накопителя 2, исполнительного органа 3, управляющего клапан 4 и дополнительного ГПА 5.

Рабочий гидропневмоаккумулятор 1 накапливает энергию, подводимую к ГИС на стадии накопления энергии подготовки выстрела и передает эту энергию рабочему потоку в момент импульса.

Накопитель 2 предназначен для задания объема выстрела и выработки сигнала на срабатывание управляющего клапана.

Исполнительный орган 3 предназначен для формировании и направления струи в требуемую точку массива.

Управляющий клапан 4 служит для контроля состояния накопителя и реализации переключения главного клапана.

Дополнительный ГПА 5 предназначен для защиты подводящей магистрали от колебаний давления, создаваемых в системе.

Генератор импульсных струй обеспечивает преобразование малорасходного (до 0,0015 м3/с) стационарного потока рабочей жидкости высокого давления (до 32,0 МПа) в импульсный, повышенных мгновенных расходов (до 0,025 м3/с) того же давления. Мощность потока в период выстрела воды составляет около 500–700 кВт, при том что потребляемая мощность насоса 55 кВт. Большая мощность потока обеспечивает значительную разрушающую способность струи [10].

Выводы

Полученная априорная информация позволяет судить о возможности использования ГИС для усовершенствования гидравлического способа очистки проката от окалины.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2015 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Васильев Н. Н. Исаакян О. Н. Технический железнодорожный словарь / Н. Н. Васильев, О. Н. Исаакян, Н. О. Рогинский, Я. Б. Смолянский, В. А. Сокович, Т. С. Хачатуров. – М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1941.
  2. Марочник сталей и сплавов : [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.manual-steel.ru/term52116.html
  3. Технология производства металлопроката : [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://metallopraktik.ru/novosti/okalina-zheleza-na-goryachekatanoy-polose-metalla/
  4. Михеев В. А., Павлов А. М. Гидросбив окалины в прокатных цехах / В. А. Михеев, А. М. Павлов. – М.: Металлургия, 1964. – 107 с.
  5. Коломиец В. С. Оптимизация параметров стволов для формирования импульсной струи / В. С. Коломиец, А. Л. Зуйков. – Збірник наукових праць Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. – Краматорськ: ДДМА. – 2006. – № 1(3). – С. 211–216.
  6. Коломиец В. С. Гідроіипульсний пристрій / В. С. Коломиец, М. С. Сургай, М. П. Сороркопуд, А. Л. Зуйков, В. Е. Лагода. – Патент на корисну модель 21305. 2008 р.
  7. Коломиец В. С. Экпериментальные исследования режимов струеформирования импульсной струи / В. С. Коломиец, А. Л. Зуйков. – Наукові праці ДонНТУ. Вип. 14(127), серія гірнично-електромеханічна. – Донецьк: ДонНТУ, 2007. – 306 с.
  8. Коломиец В. С. Повышение суточной нагрузки на лаву на крутых и крутонаклонных пластах / В. С. Коломиец, Н. Г. Бойко, А. Д. Гончаров. – Наукові праці ДонНТУ. Вип. 16(142), серія гірнично-електромеханічна. – Донецьк: ДВНЗ ДонНТУ, 2008. – 306 с.
  9. Коломиец В. С. К улучшению динамических и структурных характеристик импульсных струй / В. С. Коломиец, А. Л. Зуйков. – Наукові праці ДонНТУ. Вип. 17(157), серія гірнично-електромеханічна. – Донецьк: ДВНЗ ДонНТУ, 2009. – 294 с.
  10. Коломиец В. С. Определение рациональной частоты струи гидроимпульсной установки для проведения добычных работ / О. А. Геммерлинг. – Наукові праці ДонНТУ. Вип. 18(172), серія гірнично-електромеханічна. – Донецьк: ДВНЗ ДонНТУ, 2010. – 282 с.