Рисунок 1 – Схемы дробеметных установок с рольганговым конвейером RATIOJET Series.
Целью магистерской работы является исследование гидроимпульсного метода очистки проката от окалины.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- накопление и обработка информации о режимах образования окалины на поверхности проката, ее типах;
- поиск и обработка сведений о существующих методах удаления окалины с поверхности проката;
- обзор существующих устройств для удаления окалины, выявление их достоинств и недостатков;
- расчет рациональных параметров гидроимпульсного метода разрушения окалины;
- рекомендации по применению гидроимпульсного способа очистки.
В настоящее время при довольно сложных экономических условиях в металлургической промышленности стоит важнейшая задача производства качественной прокатной продукции. В современном мире в связи с высокой конкуренцией на рынке металлопродукции качество проката является одним из решающих факторов. Основным способом, за счет которого обеспечивается высокое качество проката, считается эффективное и экономичное удаление окалины с поверхности изделий в прокатке. Окалина образуется на литых заготовках, а также в процессе прокатки, в результате взаимодействия при нагреве поверхности продукции,в основном,с кислородом из воздуха окружающей среды.
Наличие окалины на заготовке и на прокатываемом листе влечет за собой серьезные проблемы, помимо снижения сортности, вызывает значимые дополнительные затраты труда, что повышает себестоимость продукции. Окалина по своим физическим свойствам отличается от основного металла, и поэтому она затрудняет дальнейшую обработку изделия, практически делает невозможным такие процессы, как волочение, прессование, штамповка, нанесение покрытий на поверхность металла, а также снижает его качества и устойчивость при использовании готовой продукции. Вполне очевидно, что если при прокатке листовой продукции на станах горячей прокатки листа остаются участки с не удаленной окалиной, то окалина вкатывается в лист, и лист уже не получается требуемой формы и качества, т. е. образуется больше брака, и это существенно снижает эффективность прокатного стана.
На данный момент существует много различных способов удаления окалины и конструкции механизмов для их осуществления, но они обладают довольно существенными недостатками. В виду этого на сегодняшний день особенно актуальна тема исследования и разработки новых методов удаления окалины, которые позволят увеличить их эффективность и существенно снизить затраты.
Исследование гидроимпульсного способа очистки проката от окалины.
Окалина на поверхности стали 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].
В зависимости от марки стали, в ней содержится кроме окислов железа незначительное количество окислов других элементов. Согласно исследованиям, в окалине содержится от 55 до 80% FeO и от 20 до 50% Fe2O2, что соответствует содержанию 66-69% чистого железа в окалине [2]. 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.
По месту образования в технологическом процессе различают первичную и вторичную окалину[2]. 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 [2].
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.
Следовательно, необходимо учитывать различия окалин для более эффективного ее удаления. И 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.
Удаление окалины — обязательная технологическая операция, необходимая для получения проката высокого качества. 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 другое покрытие.
В настоящее время существует немалое количество различных технологий очистки поверхности проката. Каждая из них имеет как определенные преимущества, так и недостатки. При применении многих технологий очистки довольно остро встает вопрос по экологии процесса и утилизации возникающих при этом отходов. Удаление окалины производится химическим, механическим, гидравлическим и другими способами.
К механическим относятся: пескоструйный, дробепескоструйный, дробеметный, гидроабразивный, абразивный, также иглофрезерование.
Пескоструйная и дробеструйная очистка проката от окалины металлическим песком или дробью является эффективным способом струйной оброботки поверхности. Металлический песок (представляет собой рубленую проволоку, длина частиц которой равна диаметру , т. е. 0,4—2,7 мм) или дробь (диаметром 0,2—8,0 мм), направляемые сжатым воздухом через сопло специального аппарата, с силой ударяются об очищаемую поверхность [3].
Металлический песок и дробь должны быть из того же материала или материала, близкого по электрохимической характеристике к материалу очищаемой поверхности. В этом случае частицы металла, остающиеся на поверхности, не могут быть причиной преждевременного появления под слоем покрытия очагов коррозии. В качестве материала для изготовления песка и дроби применяют сталь, чугун, алюминий, медь, бронзу и другие материалы; песок и дробь можно применять многократно.
Так как очистка пескоструйными и дробеструйными аппаратами сопровождается образованием металлической пыли, очистку этими аппаратами поверхности изделий осуществляют в специальных кабинах, камерах, металло-пескоструйных и дробеструйных барабанах или используются установки, оснащенные этими аппаратами [4]. Применение передвижных и переносных дробеструйных аппаратов с обеспыливанием исключает загрязнение рабочего места продуктами очистки. Недостатком данного метода является высокая стоимость оборудования и большой расход сжатого воздуха.
Дробеструйная и особенно пескоструйная пневматическая очистка литья в современных литейных применяется в редких случаях или не применяется. Вместо нее применяют механическую дробеметную очистку потоком дроби, выбрасываемой на отливки быстровращающимся лопаточным колесом. Дробь применяют чугун¬ную и стальную, литую и колотую, размером преимущественно 0,8—2,5 мм [5]. Кинетическую энергию дробь приобретает не за счет сжатого воздуха, а за счет действия центробежной силы, возникающей при быстром вращении лопаточного двухдискового дробеметного колеса, являющегося рабочим органом дробеметного аппарата.
Этим способом очищают поверхности отливок, поковок, проката, а также листовой материал толщиной не менее 5 мм. Основное преимущество такой механической дробеметной очистки в технологическом отношении — получение высокой степени чистоты поверхности отливок. Дробеметные машины, применяемые для очистки литья, можно разделить на дробеметные барабаны, столы, камеры. Существуют и другие способы механической очистки, например, на специальных станках металлическими щетками различной формы, в галтовочных барабанах и колоколах.
Компания «SciTeeX» — ведущий производитель дробемётного оборудования в мире. Проектное бюро SciTeeX RME GMBH в (Германия), в мировом центре разработки дробеструйной техники разрабатывает оборудование согласно последним достижением в области дробемётной обработки. Завод — изготовитель SciTeeX Sp.z.o.o. (Польша) оснащен самым передовым оборудованием и технологиями для изготовления и дробемётного оборудования и поставки на рынки всего мира.
Дробеметные установки с рольганговым конвейером RATIOJET Series это высокопроизводительные автоматы для очистки стальных листов и профилей от окалины [6]. В качестве проходного устройства в дробемётной установке применяется роликовый (рольганговый) транспортер с регулируемой в широком диапазоне скоростью подачи изделий на очистку. В зоне дробемётной камеры размещены колеса в виде турбин из износостойкой стали для выброса дроби посредством центробежного разгона лопатками. Дробемётная обработка изделия происходит в непрерывном автоматическом режиме одновременно с разных направлений потоком стальной круглой дроби, обеспечивая равномерную и тщательную очистку от коррозии, окалины, нагара и др. загрязнений. Регулирования интенсивности и скорости дробемётной очистки производиться на дозирующих клапанах подающих дробь на турбину дробемётного колеса.
Гидроабразивный способ очистки состоит в том, что из резервуара установки на очищаемую поверхность изделия через сопло под давлением сжатого воздуха направляется струя смеси кварцевого песка и воды (пульпа). Абразивным материалом может служить не только кварцевый песок, но и молотый гранит и шлак. В абразивную смесь вводят ингибиторы — вещества, предотвращающие быстрое появление коррозии на очищенных влажных поверхностях. Кроме того, поверхности изделия после очистки промывают в холодной и горячей воде, а затем в растворе пассиваторов — хромпика или нитрита натрия — для предотвращения коррозии.
Особенность технологии такой обработки заключается в том, что при равной производительности, более высоком качестве очистки, небольшой стоимости существенно снижаются нагрузки на природоохранные мероприятия. Кроме того, с точки зрения показателей качества обрабатываемых поверхностей, гидроабразивная очистка имеет преимущества: позволяет удалять загрязнения без нарушения исходной поверхности, вымывать их из микропор и микротрещин, производить очистку тонких листов (до 0,3 мм) без коробления.
Производительность процесса зависит от времени обработки, размера и марки абразивных частиц, концентрации их в суспензии диаметра и формы сопла, давления и расхода воздуха, угла атаки, близка к производительности дробеструйной обработки [7]. Разрушение абразивных частиц при гидроабразивной обработке протекает в десятки раз медленнее чем при пескоструйной, что объясняется демпфирующим действием рабочей жидкости, поэтому абразив может выдерживать до десяти циклов очистки.
Затраты на гидроабразивную обработку складываются из затрат на абразив (при замкнутом цикле обработки оборачиваемость абразива составляет 10 раз), стоимости электроэнергии (варьируется в зависимости от цены на электроэнергию в конкретном регионе) стоимости воды, стоимости сжатого воздуха, зарплаты рабочего и стоимости изнашиваемых частей. Одним из основных недостатков метода – это необходимость сжатого воздуха c подачей 240 м3/час и давлением 0,6 МПа, то есть необходимость компрессора или цеховой сети.
Существуют несколько конструкций гидроабразивных установок, отличающихся системами смешения абразивного материала с водой и подачи рабочей смеси к соплу: давлением сжатого воздуха, давлением, создаваемым насосом на быстровращающийся ротор, который рабочую смесь отбрасывает на очищаемую поверхность; раздельная подача песка и воды сжатым воздухом и др.
Основное преимущество гидроабразивной очистки — почти полное отсутствие пыли, а к недостаткам относятся большой расход песка, необходимость затрат времени на очистку от песка, на промывку и сушку, неблагоприятное действие на кожу рук некоторых антикоррозионных составов.
Для абразивной очистки проката в металлургии используют плоскошлифовальные, круглошлифовальные, бесцентрово-шлифовальные, агрегатные, ленточно-шлифовальные, абразивно-отрезные, ручные подвесные и стационарные станки [5].
Универсальные плоскошлифовальные станки с подвижным столом, имеющие поперечное расположение круга к направлению возвратно-поступательной подачи, получили наибольшее распространение в металлургии для сплошной и выборочной зачистки строчками слитков, слябов и прокатных заготовок квадратного сечения.
Круглошлифовальные станки наиболее распространены в общем парке металлорежущих шлифовальных станков. Эти станки применяются для обработки цилиндрических, конических и профильных поверхностей. В металлургии нашли применение круглошлифовальные станки с продольной возвратно-поступательной подачей заготовки или шлифовальной бабки. В этих станках высота абразивного круга меньше обрабатываемой поверхности заготовки и подача при сплошной зачистке устанавливается не более 1\3 высоты круга на оборот заготовки при окружной скорости абразивного круга, значительно превышающей скорость заготовки. В кинематике этих станков предпринимаются попытки как разделения в широком диапазоне регулирования продольных и вращательных подач заготовки, так и их совмещения, что позволяет осуществлять на одном станке раздельно такие технологические операции. Исследуется сплошная зачистка строчкой, сплошная зачистка бесцентровым вращением заготовки, выборка местных дефектов как вдоль оси проката, так и по его окружности.
Удаление окалины осуществляется также на иглофрезерных установках. Процесс иглофрезерования представляет собой срезание с поверхности металла окислов и окалины торцами упруго-подвижных проволочек.
Иглофреза представляет собой тело вращения, гладкая наружная поверхность которого образуется шлифовальными торцами металлических проволочек, сваренных по внутреннему диаметру и сжатых с боков жесткими фланцами. Число режущих кромок может достигать 40 млн. в зависимости от размера фрезы.
Иглофрезерования в металлургии применяется для удаление окалины с поверхности крупного сортового проката из углеродистой и низколегированных сталей.
Значительные резервы заложены в усовершенствовании твердых сплавов, быстрорежущих сталей и абразивных материалов, а также в комплексном усовершенствовании конструкции и технологии изготовления режущего инструмента [8].
Необходимо дальнейшее усовершенствование методов регулирования формы стружки, которая при высоких скоростях резания и резании с подогревом становится пластичной и опасной. Стружкоотвод регулируется с помощью особых форм режущей части дополнительных устройств (стружколоматели, стружкозавиватели и др.), а также программированным изменением толщины среза (колебания инструмента, переменная подача и т. д.).
Гидравлическое удаление окалины. На отдельных металлургических комбинатах, в системе гидросбива используется давление воды до 18 МПа. Как показала длительная эксплуатация этих систем гидросбива, они не обеспечивают создание необходимого скоростного напора струи воды, способного эффективно очищать листы от окалины.
На листах остаются зоны с неполной очисткой окалины, что снижает качество проката и допускает брак. Кроме того, сопла имеют большие диаметры выходных отверстии (5-8 мм) при большом их количестве (десятки на одну клеть). Этим обусловлен большой расход воды - несколько сотен м3/час, а, следовательно, повышенное потребление электроэнергии. Такие системы гидросбива имеют большую установленную мощность.
Следует также отметить, что ввиду низкого давления, больших расходов воды и отсутствия современных средств автоматики, затраты электроэнергии при работе существующих систем гидросбива в несколько раз, а иногда даже на порядок превышают необходимые.
На применяемых в СНГ системах гидросбива окалины струя воды подается под сравнительно низким давлением – преимущественно до 10-20 МПа. Эти системы не обеспечивают создание необходимого удельного скоростного напора струи воды, способного эффективно очищать заготовки от окалины. На листах остаются зоны с неполной очисткой, что снижает качество проката и допускает брак. Плоско-веерные сопла имеют большие диаметры выходных отверстий (5 – 8 мм) при большом их количестве (десятки на одну клеть), чем обусловлен большой расход воды (до 5000 м3/ч) и, следовательно, повышенное потребление электрической энергии. Мощность таких систем достигает нескольких тысяч киловатт.
Над созданием более эффективных и менее энергоемких систем гидросбива окалины работают многие зарубежные фирмы [9].
Японской фирмой «Сумитомо канд зоку коре к.к.» предложена система гидросбива окалины с регулированием расхода жидкости на основе предварительно установленного соотношения между маркой стали, толщиной полосы, температурой смотки, скоростью транспортировки полосы и расхода жидкости на единицу поверхности полосы.
Германской фирмой «Woma – Apparatenbau and Co GmBH» предложена система гидросбива с рабочим давлением 20,0-50,0 МПа и уменьшенным расходом воды за счет применения вращающейся душирующей балки, снабженной соплами, позволяющей производить многократное обрызгивание заготовки водяными потоками.
Фирма «SMS Шлоеман-Зимаг» в процессе совершенствования гидросбива увеличила рабочее давление насосов гидросбива с 25 МПа до 40 МПа при одновременном уменьшении расстояния сопел до поверхности листа и увеличении их количества. При этом удалось повысить долю металла, имеющего не более одного дефекта на весь рулон.
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.
Результатом многолетней работы сотрудников ДонНТУ в области разработки гидроимпульсных устройств стало создание генератора импульсных струй (ГИС)[10]. Генератор импульсных струй обеспечивает преобразование малорасходного (до 0,0015 м3/с) стационарного потока рабочей жидкости высокого давления (до 12,0 МПа) в импульсный повышенных мгновенных расходов ( до 0,025м3/с) того же давления. Мощность потока в период выстрела воды составляет около 500 -700кВт, при том что потребляемая мощность насоса 55 кВт. Большая мощность потока обеспечивает значительную разрушающую способность струи. Значительное преимущество гидроимпульсного метода очистки проката в экономическом отношении по сравнению с другими выше упомянутыми методами очистки – меньший расход энергии.
На рисунке 4 гидравлическая схема ГИС, на которой представлены условные диаметральные разрезы узлов устройства, дополненные схемой гидравлических соединений.
Рабочий гидропневмоаккумулятор 1 имеет внутри поршень 6, разделяющий внутреннее пространство на две камеры: газовую 7 и жидкостную 8.
Внутренний объем накопителя 2 поршнем 9 также разделен на две камеры: рабочую 10 и подпорную 11.
Ствол 13 исполнительного органа с рабочим насадком 14 присоединен к главному клапану 3. Прижатием поршня – клапана 12 к седлу 17 обеспечивается прекращение доступа жидкости к стволу 13 и рабочему насадку 14.
Внутри управляющего клапана 4 размещен поршень – клапан 18, образующий ряд камер.
Герметизация и коммутация камер управляющего клапана 4 осуществляется путем прижатия конических поверхностей наконечников к сбросному 24 или напорному 25 седлам.
Рабочая жидкость подается по подводящей магистрали и ставу подачи 29. Далее жидкость через зарядный дроссель 30 поступает в рабочую камеру 10 накопителя 2 и к исполнительному органу. Зарядный дроссель 30 служит для создания нагрузки на насосе в момент импульса, а также уменьшения времени срабатывания управляющего 4 и главного клапана 3. На входе в ГИС установлен балластный гидропневмоаккумулятор 5.
Ввод устройства в автоколебательный режим осуществляется подачей рабочей жидкости от насосной установки через подводящую магистраль к ГИСу.
Вывод из режима автоколебаний осуществляется прекращением подачи рабочей жидкости.
Принцип работы ГИС представлен на рисунке 5.
(Анимация, количество кадров - 6, задержка между кадрами - 0,4 с, количество циклов повторения - 6; 19,2 кБ.)
Преимущества гидроимпульсного метода:
1) универсальность (возможность обрабатывать поверхности сложных геометрических форм) , удаление загрязнений из микропор и микротрещин;
2) сохранение формы и шероховатости обрабатываемой поверхности, т. е. отсутствие съема основного металла;
3) низкие энергозатраты;
4) экологичность метода;
5) работа по замкнутому циклу;
6) пожаро и взрывобезопасность.
В данной работе проведен анализ существующих методов очистки проката от окалины, выявлены их достоинства и недостатки, а также обоснована эффективность применения гидроимпульсного способа очистки.
Перспектива исследования - расчет рациональных параметров гидроимпульсного метода разрушения окалины.