Главная страница ДонНТУ Страница магистров ДонНТУ
Актуальность работы
Цель и задачи исследования
Научная новизна полученных результатов
Практическое значение работы
Публикации
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ С ПОВЕРХНОСТИ ПРОКАТА
1.1 Общие сведения об окалине
1.2 Эффекты гидромеханического способа удаления окалины
1.3 Обзор и анализ способов и устройств для гидравлического удаления окалины с поверхности проката
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГИДРОСБИВА ОКАЛИНЫ С ПОВЕРХНОСТИ ЛИСТА
2.1 Характеристика нововго способа удаления окалины
2.2 Теоретические основы удаления окалины гидравлическим способом
2.3 Усовершенствованное устройство для подачи жидкости на поверхность проката
2.4 Характеристика сопел, применяемых в предлагаемом устройстве удаления окалины
2.5 Лабораторная установка механизма раздвижения форсунок и подачи жидкости на поверхность проката
Выводы
Перспективы дальнейших исследований
Перечень ссылок
В современных экономических условиях возросшей конкуренции на рынке металлопродукции решающим фактором является качество проката. Одним из направлений, обеспечивающим выпуск качественной прокатной продукции, является эффективное удаление окалины с поверхности заготовок и готового проката при прокатке.
В металлургической промышленности окалина, образующаяся на поверхности горячего металла создает довольно серьезные проблемы. Она образуется на литых заготовках, а также в процессе прокатки, в результате взаимодействия при нагреве поверхности продукции с окружающей средой (в основном кислород из воздуха). Окалина по своим физическим свойствам отличается от основного металла, и поэтому она затрудняет дальнейшую обработку изделия, а также снижает его качества и устойчивость при использовании готовой продукции. Например, при прокатки листовой продукции на станах горячей прокатки листа при наличии участков с не удаленной окалины, окалина вкатывается в лист, и лист уже не получается требуемой формы и качества, т. е. образуется больше брака, что снижает эффективность прокатного стана.
На сегодняшний день известно большое количество способов удаления окалины с помощью струй жидкости, подаваемых на поверхность проката под давлением, и конструкций устройств для их осуществления. Но эти методы обладают довольно серьезными недостатками, так как удаление окалины при помощи воды ведется по усредненным параметрам окалины, что приводит к образованию участков с не удаленной окалиной и переохлажденных участков.
В связи с этим особую актуальность в настоящее время несут исследования и разработки новых методов удаления окалины, которые позволят уменьшить площади участков с не удаленной окалиной и переохлажденных участков.
Целью магистерской работы является разработка разработка конструкции усовершенствованного устройства для гидросбива окалины с поверхности листа, и исследование ее энергосиловых параметров.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Научная новизна полученных результатов
Получены 2 патента: один на способ удаления окалины, а один на устройство удаления окалины.
Результаты теоретических исследований использованы при разработке конструкции механизма удаления окалины с поверхности проката, при разработке технической документации и изготовлении лабораторной установки.
По теме квалификационной работы магистра опубликовано 3 статьи. Основные положения изложены в этих 3 публикациях.
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ С ПОВЕРХНОСТИ ПРОКАТА
Окалина представляет собой продукт окисления железа. В зависимости от марки стали, в ней содержится незначительное количество окислов других элементов. 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 [1]. 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 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, развальцованная 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[1]. 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 типа 12ХНЗА, 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.
Рисунок 1 - Cтроение слоев окалины
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 [3]. На высоколегированных и низкоуглеродистых сталях возникает тонкая и прочная клейкая окалина, при которой не действует эффект неодинаковой усадки [3]. 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 [2]. Это согласуется с мнением авторов [3] 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.
1.2. Эффекты гидромеханического способа удаления окалины
На современных прокатных станах удаление окалины осуществляется исключительно гидромеханическим способом при помощи воды под большим давлением.
Гидромеханическое удаление окалины – это процесс создания механических усилий при помощи воды, подаваемой под большим давлением, для удаления окалины с поверхности прокатного материала.
Максимальное рабочее давление зависит от вида удаляемой окалины и от возможных геометрических условий, что в конечном итоге предусматривает создание нужного напорного давления при незначительном расходе воды и тем самым сокращения охлаждающего эффекта.
Гидромеханическое удаление окалины может привести к следующим эффектам:
Охлаждающий эффект. Эффект охлаждения зависит от удельной подачи воды Vуд. Как правило на практике этот показатель для гидросбива окалины составляет от 10 до 30 литр на квадратный метр(л/м2). Данная величина охлаждения подсчитывается из общего количества подачи воды из форсунки в секунду в пересчете на площадь удаления окалины в секунду:
Vуд = V / (b*v), (1.1)
где V - подача (л/с);
b - ширина удаления окалины (м);
v - скорость подката на рольганге(м/с).
Эффект дробления. Эффект дробления зависит от количества воды за единицу времени V, давления воды p и главным образом от расстояния А между форсунками и материалом.
Показатель эффекта дробления определяется следующим образом:
q ≈ V*sqrt(p) / A. (1.2)
При расстоянии между форсункой и поверхностью материала от 140 до 300 мм практический показатель давления струи составляет от 40 до 200Н/(см2). Отсюда следует вывод, что самым главным фактором следует считать расстояние между форсункой и обрабатываемой поверхностью материала.
Эффект испарения. Эффект взрыва водяного пара связан с эффектом охлаждения. Поверхность окалины очень неровная, покрыта трещинами, в которые может проникнуть вода. Там она очень быстро нагревается до испарения с последующим выбросом пара, при котором отрываются куски окалины. Показатели данного эффекта неизвестны. Однако нетрудно предположить, что этот эффект является наибольшим при наличии хрупкой окалины с трещинами.
Эффект слива. Распределив форсунки таким образом, чтобы образовался угол по отношению к вертикали, можно получить направление струи по горизонтали. Разрушенная окалина смывается струей для того, чтобы она не закатывалась в материал. Большое значение для эффекта слива имеет угол струи β. На практике он составляет от 5 до 15 градусов.
Факторы расчета. Самыми существенными факторами, влияющими на эффективность удаления окалины, являются:
Данные факторы следует учитывать при расчете устройства для гидросбива окалины, при этом также нужно принять во внимание вид окалины и общую конструкцию прокатной линии. У сталей с нормальным содержанием углерода первичная окалина обычно сухая, а у легированных сталей она тонкая и трудноудаляемая.
При удалении сухой окалины рекомендуется выбрать удельную подачу воды больше, чем, допустим, при удалении первичной, трудно отделяемой окалины.
1.3. Обзор и анализ способов и устройств для гидравлического удаления окалины с поверхности проката
Существуют различные способы удаления первичной и вторичной окалины: механическое, абразивное, гидравлическое, гидроабразивное.
Наиболее эффективным способом удаления окалины является гидравлический. К установкам и устройствам для удаления окалины в настоящее время предъявляются требования, связанные с их эффективностью и экономичностью.
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.
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 (рисунок 2).
Рисунок 2 - Стационаные коллекторы
Система гидросбива, описанная в изобретении [4], предназначена для удаления окалины с горячкатанной полосы или листов и включает верхние и нижние коллекторы с соплами, размещаемыми с определенным равным шагом. Через сопла подается вода высокого давления на поверхность обрабатываемого проката. Верхние и нижние коллекторы размещены на расстоянии большем, чем длина изделия, посредством чего коллекторы с соплами могут быть использованы последовательно, по-отдельности. Коллекторы с соплами подсоединены к насосу группового привода.
Рисунок 3 - Стационарная система гидросбива высокого давления
Практика использования стационарных коллекторов выявила отдельные проблемы, связанные с их эксплуатацией, а именно: большие расходы воды и потребление электроэнергии, наличие зон на поверхности проката с неполной очисткой из-за различия в характеристиках окалины.
Данные факты привели к созданию устройств для гидравлического удаления окалины, которые основываются на другом принципе. Удаление окалины выполняется одной или несколькими струями воды постепенно по ширине проката, перемещаясь от одной стороны проката к другой. Затем подача воды отключается и происходит возрат устройства в исходное положение. Струи, перемещаясь по ширине проката, могут также совершать круговое движение вокруг вертикальной оси. Примеры устройств, реализующих этот принцип описаны в [5, 6, 7].
НПП "Киевский институт автоматики" и НПП "ИНДРИС" разработано устройство гидросбива роторного типа [2] с основными параметрами – давление до 70 МПа (700 ат) и частоту вращения роторных головок до 3000 об/мин. Это устройство апробировано на Алчевском металлургическом комбинате.
Подобные устройства разрабатываются шведской фирмой Hermetik [8]. Устройство может содержать 2..4 вращающиеся форсунки, вращение которых обеспечивается гидромотором; скорость вращения может регулироваться автоматически.
Рисунок 4 - Устройство гидросбива роторного типа
Изобретение [10] представляет варианты устройств для удаления окалины (Рисунок 5) с непрерывного сортового проката. В зависимости от формы и размеров поперечного сечения форсунки, распыляющие воду, размещаются в специальном коллекторе в виде квадратной или круглой рамки. Линейный и угловой шаг форсунок постоянный. Форсунки установлены с перекрытием.
 |
 |
 |
Рисунок 5 - Варианты исполнения стационарного коллектора с форсунками для удаления окалины с сортового проката
В немецком патенте [9] описано устройство для гидравлического удаления окалины, которое содержит коллектор в виде сплошной вращающейся балки, имеющей в продольном направлении ряды сопел, разбрызгивающих воду под давлением, установленных на равных расстояниях с возможностью изменения расстояния до поверхности проката, внутреннюю трубу для подачи воды с поперечными отверстиями, число которых равно числу сопел, причем корпус балки установлен с возможностью вращения вокруг продольной оси.
Постоянное количество сопел и соответственно неизменяемое расстояние между ними в процессе удаления окалины с поверхности проката при прокатке разных по геометрическим размерам заготовок и различии в характеристиках окалины требуют предварительной ручной перенастройки числа сопел путем закрытия с помощью специальных пробок отверстий в трубе, в которые не вкручены сопла, и изменения расстояния до поверхности проката.
Рисунок 6 - Вращающийся коллектор для удаления окалины с регулированием параметров
Необходимо заметить, что при прокатке листов расстояния между рабочими валками с каждым проходом прокатываемого листа уменьшаются. Поэтому с целью сохранения постоянного расстояния от сопла до прокатываемой заготовки верхний коллектор крепят к подушкам, в которых расположены подшипники верхних валков. Таким образом, при изменении расстояния между валками автоматически сохраняется постоянное расстояние от верхнего коллектора до прокатываемого листа.
В тех случаях, когда диапазон толщины прокатываемых листов невелик, для упрощения конструкции верхний коллектор подвешивают к оси, которая может вращаться в подшипниках, закрепленных непосредственно к станинам стана. Все сопла закреплены в коллекторе. Последний представляет собой трубу с просверленными отверстиями, по которым к соплам подается вода. Крепление верхних коллекторов осуществляется в трех исполнениях.
В патенте [10] представлен агрегат для удаления окалины с поверхности непрерывнолитой полосы. Устройство содержит верхние и нижние ряды с соплами для подачи воды на поверхность полосы и отбойные щиты для водных струй. Ряды сопел имеют возможность проворота вокруг продольной своей оси, тем самым регулируется высота факела струй. Шаг сопел остается неизменным.
Рисунок 7 - Агрегат для удаления окалины с непрерывнолитой полосы
Современные системы и агрегаты гидросбива характеризуются широким использованием автоматизации.
Чешской фирмой АО «Valcovny plechu» Фридек Мистек разработана система высоконапорного гидросбива листовой стали, которая предназначена для устранения первичной окалины со слябов при производстве листовой стали[11]. Источником напорной воды является аккумуляторная станция с плунжерными насосами, которые подают напорную воду к форсункам в боксе гидросбива. Система гидросбива рассчитана на обработку слябов с большим диапазоном размеров по ширине и высоте, коллекторы гидросбива с форсунками разделены на секции с самостоятельным питанием воды. На основании индикации ширины и толщины сляба после его выхода из печи потом с помощью системы управления устанавливаются соответствующие секции ширины гидросбива и один из двух уровней гидросбива по высоте. Вся система управляется автоматически в зависимости от технологического процесса и состояния системы с помощью промышленного автомата.
Технические характеристики системы следующие:
| Слябы | 850x190x1600 мм |
| Давление гидросбива | 19 MПa |
| Расход гидросбива | 80 л/с |
| Потребляемая мощность насосного агрегата | 57 кВт |
| Установленная потребляемая мощность | (1+1) x 75 кВт |
АО «NOVA HUT» (Острава) разработана система высоконапорного гидросбива труб для удаления первичной окалины с заготовок при изготовлении бесшовных труб[11]. Установка гидросбива установлена на выходе из карусельной печи перед перфоратором. Окалина устраняется с начальных заготовок, которые потом поступают в перфоратор. Преимуществом устранения окалины является повышение качества конечного продукта (бесшовных труб) и снижение затрат на техническое обслуживание по причине низкого износа технологического оборудования. Устранение окалины с заготовок достигается с помощью воздействия высокоскоростной водяной струи. Источником напорной воды является высоконапорная насосная станция, которая подает воду по трубопроводной трассе к месту гидросбива, где находится венец гидросбива с форсунками. Вся система управляется автоматически в зависимости от технологического процесса.
Технические характеристики системы:
| Максимальные размеры заготовок | диаметр 235 мм |
| Давление гидросбива | 20 MПa |
| Расход гидросбива | 7,7 л/с |
| Потребляемая мощность насосного агрегата | 3 x 60 кВт |
| Установленная потребляемая мощность | (3+1) x 55 кВт |
Фирмой АО «VITKOVICE» (Острава) разработана и внедрена система высоконапорного гидросбива первичной и вторичной окалины со слябов и заготовок на толстолистовом стане 3,5 «Kvarto» (четырехвалковый прокатный стан)[11]. Окалина удаляется с верхней и нижней поверхностей в специальном аппарате для гидросбива окалины. Нижний брусок с форсунками закреплен в статическом положении, а верхний брусок с форсунками с помощью гидравлики автоматически поднимается в зависимости от толщины слябов. Устранение окалины происходит автоматически при одном проходе сляба через аппарат гидросбива окалины, где рабочее давление достигает 23 МПа (в зависимости от качества материала), а расход воды составляет 54 л/с. Вторичная окалина с проката шириной до 3400 мм также устраняется с верхней и нижней поверхности с помощью нижней платформы с форсунками и верхнего бруска платформы гидросбива с форсунками с обеих сторон реверсивной клети 3,5 четырехвалкового прокатного стана. Верхние бруски платформы гидросбива со стороны входа и выхода клети автоматически устанавливаются вместе с верхним рабочим и опорным валками (расстояние между форсунками и прокатом практически всегда одинаковое). Вторичная окалина с прокатных изделий устраняется в клети в ходе проката при рабочем давлении воды до 16,5 MПa и при расходе воды 90 л/с.
На толстолистовом прокатном стане прокатные изделия прокатываются на реверсивной прокатной клети 3,5 Kvarto, в которой в случае гидросбива вторичной окалины возникает необходимость быстрого изменения направления гидросбива с одной стороны клети на другую в коротком промежутке реверсирования. Изменение направления тока жидкости выгодно производить при нулевом давлении в трубопроводной системе. Это условие вызывает необходимость снизить избыток давления в трубопроводе перед изменением положения арматуры, а непосредственно после передвижения арматуры давление опять повысить. Источником высоконапорной воды являются плунжерные насосы, которые подают напорную воду прямо на форсунки гидросбива. Эти плунжерные насосы (10 рабочих насосов и 2 резервных) оборудованы усовершенствованными гидравлическими деталями, которые позволяют скачкообразно регулировать расход, т.е. позволяют в коротком промежутке времени начать и закончить подачу воды. Усовершенствование гидравлических деталей этих насосов заключается во внесении изменений и в их оборудовании системой управления всасывающих клапанов.
Система гидросбива окалины полностью управляется автоматом, работу которого можно запрограммировать. В автомат поступает информация об актуальном состоянии ключевых мест в системе. Автомат потом на основании анализа этих данных обеспечивает осуществление необходимых действий, как например, открывание и запирание арматуры, включение и выключение агрегатов, информирование обслуживающего персонала и, прежде всего, управляет на основании требований вышестоящей системы управления проката включением и выключением процесса гидросбива окалины. Комфортность управления системы гидросбива окалины повышена возможностью визуализации. Таким образом, обслуживающий персонал может на экране компьютера следить за актуальным состоянием и тенденциями в работе технологического процесса, а в случае необходимости может управлять отдельными элементами технологии гидросбива окалины из своего операторского центра.
| Параметры системы: | |
| Установленная потребляемая мощность | (10+2) x 250 кВт (3000 кВт) |
| 1. Устранение первичной окалины со слябов: | |
| Размеры слябов | - ширина: 800 - 1700 мм |
| - толщина: 100 - 450 мм | |
| Давления гидросбива | 23 MПa |
| Расход | 55 л/с |
| Потребляемая мощность насосных агрегатов | 6 x 242 кВт (1452 кВт) |
| 2. Устранение вторичной окалины с прокатных изделий: | |
| Размеры прокатных изделий | - ширина: 800 - 3400 мм |
| - толщина: 5 - 450 мм | |
| Давления гидросбива | 16,5 MПa |
| Расход | 90 л/с |
| Потребляемая мощность насосных агрегатов | 10 x 175 кВт (1750 кВт) |
На рисунке 8 приведена фотография стационарного коллектора с форсунками, с индивидуально контролируемым и регулируемым расходом[12].
Рисунок 8 - Коллектор с соплами с индивидуальным регулированием
Таким образом, проведенный обзор позволяет сформулировать требования к современным устройствам гидравлического удаления окалины:
2.1 Характеристика нововго способа удаления окалины
В основе данного способа удаления окалины лежит обеспечение в режиме реального времени необходимой энергии удаления окалины в зависимости от характеристик окалины на поверхности изделия путем оптимизации параметров струй жидкости, что позволяет достичь высокого качества удаления окалины.
Технический результат достигается тем, что в способе удаления окалины с поверхности изделия, включающем подачу жидкости под давлением нечетным количеством, по меньшей мере трех, струй, оси которых лежат в одной плоскости, направленных под углом к поверхности перемещаемого изделия, регулирование высоты струй и давления жидкости, по изобретению в процессе перемещения изделия непрерывно измеряют температурное поле поверхности изделия, осуществляют изменение высоты струй и угла наклона струй в зависимости от измеренного температурного поля и одновременно ведут синхронное перемещение струй вдоль поперечной оси изделия относительно неподвижной центральной струи, которую устанавливают так, что ее ось лежит в плоскости, проходящей через продольную ось изделия, причем струи, расположенные по разные стороны от неподвижной центральной струи, перемещают во взаимно противоположных направлениях на одинаковое расстояние[13].
На рисунке 9 показана схема системы, реализующей способ удаления окалины с поверхности листа.
Рисунок 9 - Схема удаления окалины с поверхности листа
Целесообразно в процессе изменения высоты струй, угла наклона струй и их синхронного перемещения перекрытие смежных стенок струй на поверхности изделия поддерживать равным 0,07 - 0,09 ширины факела струи[13].
Окалина, образующаяся на поверхности изделий, неоднородна по типу, структуре и плотности, т.е. имеет разные характеристики. Это различие можно установить по температуре окалины, определяемой по термограммам поверхности перемещаемого изделия. Для удаления окалины с разными характеристиками требуется различная удельная энергия удаления окалины. Обеспечение удельной энергии удаления окалины осуществляют струями жидкости, подаваемыми под давлением. При этом значение удельной энергии удаления окалины, обеспечиваемое струями, зависит от высоты струй, угла наклона струй к поверхности перемещаемого изделия, перекрытия смежных стенок струй и давления жидкости. Изменение характеристик окалины по поверхности перемещаемого изделия вызывает необходимость регулирования удельной энергии удаления окалины в режиме реального времени, которое обеспечивается путем оптимизации и изменения параметров струй жидкости, что позволяет достичь высокого качества удаления окалины с поверхности изделия[13].
Алгоритм работы системы следующий.
Предварительно по известным геометрическим характеристикам листа Вз, tз, Lз; скорости его перемещения Vз; усредненным данным о температуре и плотности окалины, которые характеризуют удельную энергию ее удаления Е; данным о типе и характеристиках форсунок (эквивалентный диаметр Dэкв, углы α продольного и поперечного β раскрытия струи, угол наклона струи γ, расход жидкости v); давлению жидкости Р определяется высота струи (расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности) H, необходимое число струй (сопел на коллекторе) n, расстояние между ними А, при котором на поверхности листа обеспечивается перекрытие смежных стенок струй, равное 0,07 - 0,09 ширины факела струи. С учетом найденных параметров на коллекторе монтируются сопла в количестве n с расстоянием А между ними, углом наклона γ, и коллекторы устанавливаются на расстоянии Н по обе стороны от поверхности листа. В процессе перемещения листа осуществляется регулирование параметров Н, А, γ и Р в зависимости от характеристик окалины на поверхности листа[13].
При выходе листа 1 из чистовой клети кварто 2 с помощью датчиков 3 измеряется его ширина и толщина, значения которых и момент измерения (t1) через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) передаются в ЭВМ управляющей программе. Датчиками 4, установленными на расстоянии L от датчиков 3, фиксируется момент прохождения переднего торца листа (t2), который также передается в ЭВМ. По полученным значениям определяется скорость перемещения листа: V = L/(t2 - t1). По найденному значению скорости рассчитывается интервал времени Δt, через который подается жидкость для удаления окалины на коллекторы 5[13].
Далее при прохождении листа под сканерами 6 непрерывно измеряется температурное поле поверхностей листа путем фиксирования термограмм верхней и нижней поверхностей, которые передаются в ЭВМ управляющей программе. Используя преобразование Фурье, для отсканированных участков верхней и нижней поверхностей листа определяется значения удельной энергии удаления окалины Е, которая должна быть создана струями 7 жидкости. С помощью зависимости между удельной энергией удаления окалины Е и параметрами струй Dэкв, v, α, β, Н и Р, и скоростью перемещения Vз листа в ЭВМ определяется необходимая высота струи Н’ и соответствующее изменение высоты струи ΔH = H - H’, обеспечиваемое перемещением коллекторов 5 по вертикали. Изменение высоты струи ведет к изменению ширины ее факела на поверхности листа и изменению величины перекрытия смежных стенок струй. Поэтому далее по известным ширине листа Вз, высоте струи H’, числе струй (сопел) n и параметрам Dэкв, α определяется необходимый угол наклона струй γ’ к поверхности листа и расстояние между струями А’, при которых будет обеспечено перекрытие смежных стенок струй равным 0,07 - 0,09 ширины факела струи. По полученным значениям определяются величины изменения угла наклона струй (сопел) Δ γ = γ - γ‘ и расстояния, на которое перемещаются струи ΔА = А - А’. Значения смещений ΔH, Δγ, и ΔА по обратной связи от ЭВМ к цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП) в реальном режиме времени преобразовываются в управляющие сигналы, передаваемые на приводы механизмов 8 возвратно-поступательного перемещения коллекторов по вертикали, механизмов 9 наклона сопел, механизмов 10 возвратно-поступательного перемещения сопел по горизонтали, осуществляя при этом изменение высоты струй, угла наклона струй и одновременное синхронное перемещение струй вдоль поперечной оси листа относительно неподвижной центральной струи, которую устанавливали так, что ее ось располагалась в плоскости, проходящей через продольную ось листа, причем струи, расположенные по разные стороны от неподвижной центральной струи, перемещаются во взаимно противоположных направлениях на одинаковое расстояние[13].
В случае, когда при заданном давлении жидкости невозможно обеспечить перекрытие смежных стенок струй равным 0,07 - 0,09 ширины факела струи, ЭВМ выдает управляющий сигнал на регулирование давления жидкости Р.
При дальнейшем перемещении листа 1 сканерами 11 фиксируются термограммы его нижней и верхней поверхностей после выполнения операции удаления окалины на отсканированном участке поверхности. Полученные термограммы передаются в ЭВМ для определения температуры поверхностей и проверки на наличие участков с неудаленной окалиной. При наличии следов неудаленной окалины выполняется корректировка параметров Р, Н, А, γ и формируются управляющие воздействия для механизмов коллекторов и давления жидкости. Описанный процесс выполняется непрерывно в течение всего времени перемещения листа длиной Lз[13].
Через интервал времени Δt от момента прохождения заднего торца листа, зафиксированного датчиком 4, подача жидкости прекращается[13].
2.2 Теоретические основы удаления окалины гидравлическим способом
При разработке конструкции устройства для гидравлического удаления окалины необходимо учитывать важные факторы: характеристики распыления; параметры удельного давления; конструктивные параметры оптимального расположения устройств гидросбива; особенности окалины и др. Игнорирование указанных факторов приводит к значительному снижению качества очистки поверхности проката от окалины, которое выражается в виде появления на поверхности проката участков с неудаленной окалиной, переохлажденных участков, а также к перерасходу жидкости, используемой для очистки.
В настоящее время отсутствуют четкие методики расчета основных параметров устройств для удаления окалины с помощью струй жидкости, а фирмы-производители и эксплуатационный персонал основываются на опытных данных и эмпирических зависимостях, что тоже снижает качество очистки поверхности проката от окалины.
На кафедре МОЗЧМ разработана методика определения основных параметров устройств для гидравлического удаления окалины с поверхности проката, которая учитывает характеристики окалины, режимы прокатки, геометрические размеры проката, параметры форсунок.
На рисунке 10 приведена схема стационарного устройства для гидравлического удаления окалины.
Данная методика базируется на использовании понятия удельной энергии удаления окалины струями жидкости.
1 – балка-коллектор; 2 – форсунка; 3 – струя жидкости;
4 – прокат; 5 – пятно контакта на поверхности проката.
Рисунок 10 - Схема стационарного устройства для гидравлического удаления окалины
В общем случае энергия струи жидкости, затрачиваемая на удаление окалины, Е определяется как
E = p*V*τ , (1)
где р – давление, создаваемое жидкостью на обрабатываемой поверхности;
V – объемный расход жидкости;
τ – время действия энергии.
Энергия, приходящаяся на единицу обрабатываемой поверхности, (удельная энергия удаления окалины) е:
e = E/s = p*V*τ / (B*T), (2)
где S – площадь, обрабатываемой поверхности;
В – ширина пятна контакта струи на обрабатываемой поверхности;
Т – глубина пятна контакта струи на обрабатываемой поверхности.
Давление струи жидкости на обрабатываемую поверхность:
p = F / S, (3)
где F – сила, создаваемая струей жидкости на обрабатываемой поверхности.
Тогда, после подстановки (3) зависимость (2) принимает вид:
e = F*V*τ / (B*T)2. (4)
Время τ, за которое участку обрабатываемой поверхности площадью S сообщается удельная энергия е для удаления окалины, можно выразить так
τ = T / (v*cosθ), (5)
где v – скорость движения проката;
τ – угол разворота сопла форсунки относительно продольной оси сечения сопла.
Тогда, выражение (4):
e = F*V / (B2*T*v*cosθ)2. (6)
С учетом геометрических соотношений между высотой установки Н нижнего края форсунки до обрабатываемой поверхности, углом наклона струи жидкости (форсунки) γ к поверхности обрабатываемого проката, углами раскрытия струи жидкости в продольном (α) и поперечном (β) направлении сечения этой струи и шириной (В) и глубиной (Т) пятна контакта струи на обрабатываемой поверхности выражение (6) принимает вид:
e = F*V*cos3γ / (8*H3*v*tg(α/2)*tg(β/2)*cosθ). (7)
Следует отметить, что сила, создаваемая струей жидкости на обрабатываемой поверхности, зависит от давления и объемного расхода жидкости, высоты установки форсунок, геометрических параметров сопла, т.е. F = f(p, V, H, α, β). Тогда, как видно из выражения (6), удельная энергия удаления окалины, создаваемая струей жидкости, определяется давлением и объемным расходом жидкости, скоростью движения проката, высотой установки и углом наклона форсунок над поверхностью проката, а также углами раскрытия струи жидкости.
Таким образом, при известных характеристиках сопел определение высоты их установки над поверхностью проката необходимо выполнять по критерию обеспечения необходимой удельной энергии удаления окалины, создаваемой струями жидкости:
H = (cosγ) / 2 * sqrt(F*V/(e*v*tg(α/2)*tg(β/2)*cosθ)). (8)
Количество форсунок (струй жидкости) n, необходимых для удаления окалины с поверхности проката шириной Вз, определяется из соотношения (рис.1)
Вз ≤ (C-O)*(n-1) +С или Вз ≤ (B*cosθ)*(n-1)+B*cosθ,
тогда
n ≥ (Вз - O) / (B*cosθ-O), (9)
где О – перекрытие пятен контакта факелов жидкости на обрабатываемой поверхности, которое по данным [1, 2] можно принимать равным
O = (0.08...0.11)*B. (10)
Расстояние между двумя соседними форсунками (шаг форсунок) равно:
A = B*cosθ-O. (11)
2.3 Усовершенствованное устройство для подачи жидкости на поверхность проката
Основной задачей предлагаемого устройства для гидравлического удаления окалины является подача жидкости на поверхность проката путем оптимального позиционирования сопел [14].
Данное устройство содержит корпус с размещенным в нем держателем с соплами, механизмы подъема и поворота сопел, по изобретению дополнительно содержит механизм линейного перемещения сопел, выполненный в виде приводного секционного вала, с по меньшей мере пятью секциями, закрепленного в корпусе так, что его продольная ось расположена в одной плоскости с продольной осью выполненного в виде штанги держателя, при этом в центральной секции вала с установленным на ней кронштейном выполнено сквозное шлицевое отверстие, остальные секции вала, содержащие с одной стороны хвостовик и с другой стороны – участок с наружной резьбой и шлицевым отверстием, установлены хвостовиками в шлицевых отверстиях предыдущих секций, на участках с наружной резьбой установлены кронштейны, выполненные с возможностью перемещения по держателю вдоль его продольной оси, причем сопла смонтированы в кронштейнах, а механизмы подъема и поворота сопел взаимосвязаны с корпусом и держателем [14].
На рисунке 11 приведен общий вид устройства для подачи жидкости на поверхность проката для удаления окалины; на рисунке 12 показан секционный вал.
Рисунок 11 - Общий вид устройства для подачи жидкости на поверхность проката для удаления окалины
Рисунок 12 - Секционный вал
Устройство для подачи жидкости на поверхность проката для удаления окалины (Рисунок 1) состоит из корпуса 1 с размещенным в нем держателем, выполненным в виде штанги 2, снабженного соплами 3. Устройство содержит механизм линейного перемещения сопел 3, выполненный в виде приводного секционного вала, состоящего из пяти секций 4, 5, 6, 7, 8. Секционный вал закреплен в корпусе 1 так, что его продольная ось расположена в одной плоскости с продольной осью штанги 2. В центральной секции 4 вала (Рисунок 3) выполнено сквозное шлицевое отверстие 9 (Рисунок 3). Секции 5, 6, 7, 8 вала содержат с одной стороны хвостовик 10, а с другой стороны – участок с наружной резьбой 11 и шлицевым отверстием 12. Секции 5 и 6 установлены своими хвостовиками 10 с противоположных сторон в шлицевом отверстии 9 центральной секции 4 вала. Секция 7 вала установлена хвостовиком 10 в шлицевом отверстии 12 секции 5 вала, а секция 8 соответственно своим хвостовиком 10 вставлена в шлицевое отверстие 12 секции 6. В шлицевое отверстие 12 секции 8 вставлен выходной вал 13 гидромотора 14 (Рисунок 1), который с помощью фланца закреплен на корпусе 1. В шлицевое отверстие 12 секции 7 вставлен хвостовик 15 опорного вала 16, установленного в корпусе 1. С внешней стороны центральной секции 4 вала неподвижно закреплен кронштейн 17. На участках с наружной резьбой 11 каждой секции 5, 6, 7, 8 вала соответственно установлены кронштейны 18, 19, 20 и 21. В кронштейнах 17, 18, 19, 20, 21 смонтированы сопла 3. В корпусе 1 выполнены щелевые пазы для выхода кронштейнов с соплами 3. В кронштейнах 17, 18, 19, 20, 21 выполнены сквозные отверстия, в которых с зазором размещена штанга 2. Механизм подъема сопел 3 включает в себя гидроцилиндры 22, связанные со стойками 23, которые присоединены с противоположных сторон штанги 2 к корпусу 1. Механизм поворота сопел 3 состоит из гидроцилиндра 24, шток которого соединен с рычагом 25, взаимосвязанным с корпусом 1 и закрепленным на штанге 2. Жидкость к соплам 3 подводится по шлангам (на рисунке условно не показаны) [14].
Устройство работает следующим образом.
При монтаже устройства над зоной перемещения проката, требующего удаления окалины, оно устанавливается в исходное положение, обуславливающее необходимые расстояние от сопел 3 до поверхности проката, угол наклона сопел 3 к поверхности проката и расстояние между соплами 3, смонтированными в кронштейнах 17, 18, 19, 20, 21 путем размещения их на соответствующих секциях 4, 5, 6, 7, 8 секционного вала. При изменении характеристик окалины в режиме реального времени расстояние между соплами 3 и поверхностью проката изменяется путем подъема или опускания корпуса 1 с помощью гидроцилиндров 22. При движении штоков гидроцилиндров 22 происходит вертикальное перемещение стоек 23 совместно с корпусом 1, и соответственно, штангой 2, кронштейнами 17, 18, 19, 20, 21 с соплами 3 и составным валом, а также механизмами поворота сопел и линейного перемещения сопел. Одновременно с помощью механизма поворота осуществляется изменение угла наклона сопел 3 к поверхности проката. При этом движение от штока гидроцилиндра 24 передается рычагу 25, который вместе с корпусом 1 поворачивается вокруг штанги 2. При повороте корпуса 1 вокруг штанги 2 осуществляется поворот кронштейнов 17, 18, 19, 20, 21 с соплами 3 и секционного вала. При этом выполняется изменение расстояния между соплами 3 с помощью механизма линейного перемещения. Вращение от гидромотора 14 через соединение хвостовика 13 его выходного вала, вставленного в шлицевое отверстие 12 секции 8 вала, с секцией 8 передается секции 8. Далее за счет соединения хвостовика 10 секции 8, вставленного в шлицевое отверстие 12 секции 6 вала, с секцией 6 вращение передается секции 6, хвостовик 10 которой, вставленный в шлицевое отверстие 9 центральной секции 4 вала, приводит во вращение центральную секцию 4. При этом вращение от центральной секции 4 вала через ее соединение с хвостовиком 10 секции 5 вала, вставленным в ее шлицевое отверстие 9, передается секции 5 вала. Далее за счет соединения секции 5 через ее шлицевое отверстие 12 с хвостовиком 10 секции 7 вала вращение передается секции 7 и затем через хвостовик 15 опорному валу 16. В результате происходит вращение секционного вала в корпусе 1. При вращении секционного вала происходит перемещение кронштейнов 18, 19, 20, 21 с соплами 3 по участкам с наружной резьбой 11 секций 5, 6, 7, 8 вала и вдоль штанги 2 [14].
Благодаря наличию механизмов подъема, поворота и линейного перемещения в режиме реального времени обеспечивается необходимое позиционирование сопел над поверхностью обрабатываемого проката, учитывающее характеристики окалины и геометрические параметры проката [14].
2.4 Характеристика сопел, применяемых в предлагаемом устройстве удаления окалины
Энергия удаления окалины обуславливается параметрами пятна контакта струи на поверхности проката, т.е. зависит от параметров и типа используемых сопел (форсунок). Лидером в производстве форсунок для гидросбива являются фирмы Lechler [15].
Форсунки для гидросбива фирмы Lechler имеют плоскую форму струи. Глубиной струи (толщиной) называется ширина факела по меньшей оси. В современных конструкциях глубина струи почти на 50 % меньше по сравнению с предыдущими поколениями. Это стало возможным лишь с помощью стабилизаторов и оптимизации условий течения во всех компонентах форсунки, например, ”Scalemaster High Performance“. В системах гидросбива с высотой установки форсунок до 80 мм глубина струи находится в пределах 3-4 мм. Распределение давления струи по площади распыления может быть точно измерено (Рисунок 13). Выполненные исследования явились основой для конструирования форсунок и выбор их расположения на коллекторе для наиболее равномерного распределения давления по всей ширине струи.
Рисунок 13 - Распределение удельного давления струи по площади, форсунка Scale master
Доминирующим фактором, влияющим на эффективность гидромеханического удаления окалины, является удельное давление струи воды на поверхность (импект, impeсt). После определения типа форсунки по углу распыления и калибру основным параметром является сила, зависящая от давления в гидросистеме и объемного расхода воды. Если давление воды зафиксировано и ограничено, то единственной переменной величиной можно считать площадь воздействия струи, которая обратно пропорциональна импекту. Угол раскрытия и глубина струи являются параметрами, которые влияют на площадь воздействия. Глубина струи зависит от качества обработки и внутренних размеров всех компонентов форсунки. Современные конструкции позволяют уменьшить глубину струи путем оптимизации зон течения потоков и уменьшения толщины стабилизирующего крыла (Рисунок 14). В результате создаваемый ламинарный поток позволяет получить прозрачную и точную струю на выходе из сопла с наибольшим значением импекта.
Рисунок 14 - Форсунка Scale master HP с оптимизированной внутренней поверхностью
Высота установки форсунки сильно влияет на ширину струи, а следовательно и на ее удар. Необходимо учитывать степень расширения струи в зависимости от угла раскрытия факела, а также давление воды. На рисунке 15 показано, как эффективная высота распыления может влиять на удельное давление без дополнительных затрат электроэнергии.
Для качественного удаления окалины необходимо равномерное распределение давления струи по ширине проката. При определении шага установки форсунок на коллекторе гидросбива большое значение имеют высота струи, угол распыления и перекрытие соседних струй. Для обеспечения перекрытия соседних струй в конструкции насадок форсунок заложен угол сдвига соседних струй на 15° относительно оси коллектора.
Рисунок 15 - Влияние высоты установки форсунки Sсale master на силу давления, давление 20 МПа, расход 25,5 л/мин, угол раскрытия струи 26°
Известно, что с увеличением угла атаки увеличивается ширина и глубина струи. Следовательно, с увеличением площади следа струи снижается удар. Измерения подтвердили, что при увеличении угла атаки с 15 до 30 значение удара уменьшается примерно на 18 %. Вертикально направленная струя является идеальной с точки зрения удара, чтобы поток воды частицами окалины двигался против направлении прокатки, чтобы избежать попадания его в валки. С другой стороны вода не должна разливаться слишком далеко по поверхности листа, чтобы она не попадала, например в печь. Это может произойти, если угол атаки больше 15°.
В настоящее время фмрмой Lechler разработаны маленькие форсунки с высотой установки от 50 до 100 мм. Внешний диаметр сварного ниппеля Micro Scale master составляет 16 мм, Standard Scale master – 43,5 мм, Mini Scale master – 27 мм, что позволяет конструировать сложные кольцевые коллекторы (Рисунок 16). Это также способствует уменьшению толщины стенок коллектора гидросбива, что является важным фактором уменьшения стоимости.
Рисунок 16 - Форсунка Scale master типа Standard
2.5 Лабораторная установка механизма раздвижения форсунок и подачи жидкости на поверхность проката
Целью данной квалификационной работы является исследование энергосиловых параметров усовершенствованного устройства для гидравлического удаления окалины с поверхности листа. Более качественное удаление окалины с поверхности проката достигается за счет обеспечения удельной энергии, необходимой для разрушения окалины. Это в свою очередь достигается путем изменения расстояния от сопел до поверхности листа и угла атаки. Но чтобы избежать переохлажденных участков и обеспечить удаление окалины по всему сечению листа, необходимо поддерживать постоянное перекрытие факелов струй воды на поверхности проката. Для этого в устройстве удаления окалины предусмотрен механизм раздвижения форсунок.
На рисунке 17 приведена модель механизма раздвижения форсунок.
Рисунок 17 (анимированный, 4 повтора) -
Модель механизма раздвижения форсунок
Для определения мощности привода механизма раздвижения форсунок необходимо установить зависимость сопротивления раздвижению форсунок от давления воды и количества форсунок. Поэтому было принято решение создать лабораторную установку механизма раздвижения форсунок. За основу была принята модель данного механизма и разработана техническая документация на изготовление лабораторной установки.
Общая схема лабораторного стенда приведена на рисунке 18.
1 – Регулируемый насос; 2 – электродвигатель; 3 – гидробак ; 4 – напорная магистраль;
5 – коллектор с механизмом раздвижения форсунок; 6 – защитный кожух с поддоном;
7 – безнапорная магистраль; 8 – гидробак; 9 – фильтр.
Рисунок 18 - Схема лаборатоного стенда
Работа установки. Вода из гидробака 3 закачивается при помощи регулируемого насоса 1. По напорной магистрали 4, пройдя предварительную очистку, вода подается на коллектор 5, с которого она распределяется на подключенные форсунки. Происходит процесс распыления воды соплами. Вся установка помещена в защитный короб 6, т.к. предусмотрено использование воды высокого давления (50 атм). В защитном коробе предусмотрен водосборник для отвода распыленной воды по безнапорной магистрали 7 в гидробак 8.
В квалификационной работе магистра предложена усовершенствованная установка для удаления окалины с поверхности проката.
В первой главе рассмотрены общие сведения об окалине, ее виды и свойства. Приведен перечень эффектов, к которым приводит гидромеханическое удаление окалины с поверхности проката. Приведен обзор существующих устройств для гидравлического удаления окалины, проведен их анализ, выявлены основные достоинства и недостатки. На основе этого анализа сформулированы основные требования к современным устройствам гидравлического удаления окалины.
Во второй главе рассмотрена характеристика нового способа удаления окалины. Описывается схема удаления окалины с поверхности листа и приводится алгоритм работы системы. Также приводятся теоретические основы удаления окалины гидравлическим способом. Они содержат методику определения основных параметров устройств для гидравлического удаления окалины с поверхности проката.
Также во второй главе приведена схема усовершенствованного устройства для подачи жидкости на поверхность проката и рассмотрен принцип работы этого устройства. Рассмотрены форсунки, применяемые в устройствах гидравлического удаления окалины. В этой главе приводится схема лабораторного стенда, на котором в последствии планируется проведение экспериментальных исследований.
Перспективы дальнейших исследований
По завершению изготовления и сборки экспериментального стенда, планируется проведение исследований с целью выявления зависимостей между суммарной силой сопротивления перемещения форсунок в горизонтальном направлении, числом форсунок и давлением воды. Кроме этого в перспективе планируется получение эпюры распределения давления по периметру факела струи на поверхности проката.
Биография Электронная библиотека Ссылки по теме Отчет Индивидуальное задание