Рисунок 1 - Схеми дробеметні установок з рольгангові конвеєром RATIOJET Series.
Метою магістерської роботи є дослідження гідроімпульсного методу очищення прокату від окалини.
Поставлена мета досягається вирішенням таких завдань:
- накопичення та обробка інформації про режими появи окалини на поверхні прокату, її типи;
- пошук та обробка відомостей про існуючі методи видалення окалини з поверхні прокату;
- огляд існуючих пристроїв для видалення окалини, виявлення їх переваг та недоліків;
- розрахунок раціональних параметрів гідроімпульсного методу руйнування окалини;
- рекомендації щодо застосування гідроімпульсного способу очищення.
У даний час при досить складних економічних умовах в металургійній промисловості стоїть найважливіше завдання виробництва якісної прокатної продукції. У сучасному світі у зв'язку з високою конкуренцією на ринку металопродукції якість прокату є одним з вирішальних факторів. Основним способом, за рахунок якого забезпечується висока якість прокату, вважається ефективне та економічне видалення окалини з поверхні виробів в прокатці. Окалина утворюється на литих заготовках, а також у процесі прокатки, в результаті взаємодії при нагріванні поверхні продукції, в основному, з киснем з повітря навколишнього середовища.
Наявність окалини на заготівлі і на прокатуваному листі тягне за собою серйозні проблеми, крім зниження сортності, викликає додаткові затрати праці, що підвищує собівартість продукції. Окалина за своїми фізичними властивостями відрізняється від основного металу, і тому вона ускладнює подальшу обробку виробів, практично робить неможливим такі процеси, як волочіння, пресування, штампування, нанесення покриттів на поверхню металу, а також знижує його якість і стійкість при використанні готової продукції. Цілком наявно, що якщо при прокатці листової продукції на станах гарячої прокатки листа залишаються ділянки з не віддаленої окалиною, то окалина вкочується в лист, і лист вже не виходить необхідної форми і якості, тобто утворюється більше браку, і це істотно знижує ефективність прокатного стану.
На даний момент існує багато різних способів видалення окалини та конструкцій механізмів для їх здійснення, але вони мають досить істотні недоліки. З огляду на це на сьогодняшній день особливо актуальна тема дослідження і розробки нових методів видалення окалини, які дозволять збільшити їх ефективність і істотно знизити витрати.
Дослідження гідроімпульсного способу очищення прокату від окалини.
Окалина на поверхні сталі зароджується у вигляді ядер оксидів. Спочатку ці ядра утворюють в'язку плівку, щільно зчеплену з металом і без пор. Шар оксидів рівномірно наростає на окисляючій поверхні. При цьому порушується орієнтування зерен, і в шарі окалини виникають пори, викликані також перетворенням матеріалу. Верхній шар оксидів стає менш в'язким [1].
В залежності від марки сталі, в ній міститься крім оксидів заліза незначна кількість оксидів інших елементів. Згідно з дослідженнями, в окалині міститься від 55 до 80% FeO і від 20 до 50% Fe2O2, що відповідає змісту 66-69% чистого заліза в окалині [2]. У сталях, легованих хромом, окалина містить до 1% Cr2О3, а в сталях, легованих невеликою кількістю нікелю, окалина містить від декількох сотих до кількох десятих відсотка NiO. Співвідношення між кількостями цих окислів у окалині може бути по-різному залежно від умов, за яких відбувається окислення металу. Окислення сталі відбувається при двох одночасно протікаючих процесах: дифузії кисню від поверхні до внутрішніх верств металу і зустрічної дифузії металу через шар окалини на її зовнішню поверхню. У нагрітої сталі, залізо розчиняється в окалині і дифундує назовні. Швидкість дифузії заліза зазвичай перевищує швидкість дифузії кисню, тому між окалиною і металом немає суцільного контакту, а в шарі окалини, прилеглому до металу і, що складається з FeO, утворюються пори.
За місцем утворення в технологічному процесі розрізняють первинну і вторинну окалину[2]. Первинна (або грубна) окалина виникає на поверхні заготівки при її нагріві в печі. Характер і кількість утвореної окалини залежить від типу пічної атмосфери, температури і тривалості нагріву заготівки. Вторинна окалина виникає при затримках між технологічними операціями. Її характер і кількість залежить від якості матеріалу, температури і тривалості затримки між технологічними операціями. Слід зазначити, що особливо шкідлива первинна окалина, отримана при нагріванні заготівок у окисної атмосфері.
При нагріванні металу необхідно прагнути, щоб первинна окалина як можна менше прилипала до основного металу для забезпечення найбільш легкого її видалення з металу, що досягається відповідними режимами нагріву.
Окалина вуглецевої сталі тримається на поверхні неміцно, і краще за все очищається при нагріванні в окислюючій атмосфері з вмістом кисню 5-10%. Вона легко відділяється при ударах, які отримують злитки при видачі їх з колодязів або печей і при укладанні на рольганги. Набагато складніше видалити окалину з маловуглецевих легованих сталей типу 12ХНЗА, на поверхні яких вона найбільш міцна [2].
Деякі сорти нержавіючої сталі добре очищаються тільки при нагріванні у злегка окисленої пічної атмосфері і погано при нагріванні у відновній або нейтральній. Але в той же час існують сорти нержавіючої сталі, які добре очищаються при нагріванні у відновній або нейтральній атмосферах.
Отже, необхідно враховувати відмінності окалин для більш ефективного її видалення. І при нагріванні заготовок слід прагнути до отримання більш товстого шару окалини, який легше відокремити, а вторинну окалину необхідно видаляти в той момент, коли вона мінімально прилипає до металу в подрібненому стані.
Видалення окалини - обов'язкова технологічна операція, необхідна для отримання прокату високої якості. Наявність окалини на поверхні прокатуваного матеріалу має негативний вплив, який проявляється в таких фактах. Наявність окалини на заготівлі при недостатньо ефективному її видаленні веде до її розвальцьовування і отриманню після прокатки прокату з поверхневими дефектами, що знижує якість (сорт і зовнішній вигляд) поверхні кінцевого виробу. А її видалення викликає значні додаткові затрати праці і підвищує собівартість продукції. Окалина, яка развальцьована у внутрішній структурі готового прокату, знижує його механічні властивості. Вторинна окалина володіє значно більшою твердістю і міцністю, ніж матеріал прокатних валків, що призводить до їх абразивного зношуванню і зниженню довговічності прокатного обладнання. Крім того, наявність развальцованної на поверхні прокату окалини погіршує умови для наступних технологічних операцій, таких як лакування, оцинковка або інше покриття.
У даний час існує чимала кількість різних технологій очищення поверхні прокату. Кожна з них має як певні переваги, так і недоліки. При застосуванні багатьох технологій очищення досить гостро постає питання з екології процесу та утилізації виникаючих при цьому відходів. Видалення окалини проводиться хімічним, механічним, гідравлічним та іншими способами.
До механічних відносяться: піскоструменевий, дробепіскоструменевий, дробеметний, гідроабразивний, абразивний, також іглофрезерний метод.
Піскоструминне і дробоструминне очищення прокату від окалини металевим піском або дробом є ефективним способом струменевої обробки поверхні. Металевий пісок (представляє собою рубаний дріт, довжина частинок якої дорівнює діаметру, тобто 0,4-2,7 мм) або дріб (діаметром 0,2-8,0 мм), що направляється стисненим повітрям через сопло спеціального апарату, з силою вдаряються по поверхні, яку очищають [3].
Металевий пісок і дріб повинні бути з того ж матеріалу або матеріалу, близького за електрохімічною характеристикою до матеріалу поверхні, що очищається. У цьому випадку частинки металу, що залишаються на поверхні, не можуть бути причиною передчасної появи під шаром покриття вогнищ корозії. Як матеріал для виготовлення піску та дробу застосовують сталь, чавун, алюміній, мідь, бронзу та інші матеріали. Пісок і дріб можна застосовувати багато разів.
Так як очищення піскоструменевими і дробеструменевими апаратами супроводжується утворенням металевого пилу, очищення цими апаратами поверхні виробів здійснюють у спеціальних кабінах, камерах, метало-піскоструменевих і дробеструменевих барабанах або використовуються установки, оснащені цими апаратами [4]. Застосування пересувних та переносних дробеструменевих апаратів зі знепилюванням виключає забруднення робочого місця продуктами очищення. Недоліком цього методу є висока вартість обладнання і велика витрата стисненого повітря.
Дробоструминне і особливо піскоструминне пневматичне очищення лиття в сучасних ливарних застосовується в рідкісних випадках або не застосовується. Замість неї застосовують механічне дробеметне очищення потоком дробу, що викидається на виливки лопатковим колесом, яке швидко обертається. Дріб застосовують чавунну і сталеву, литу і колоту, розміром переважно 0,8-2,5 мм [5]. Кінетичну енергію дріб набуває не за рахунок стисненого повітря, а за рахунок дії відцентрової сили, що виникає при швидкому обертанні лопаткового дводискового дробеметного колеса, що є робочим органом дробеметного апарату.
Цим способом очищають поверхні виливків, поковок, прокату, а також листовий матеріал товщиною не менше 5 мм. Основна перевага такого механічного дробеметного очищення в технологічному відношенні - отримання високого ступеня чистоти поверхні виливків. Дробеметні машини, застосовувані для очищення лиття, можна розділити на дробеметні барабани, столи, камери. Існують і інші способи механічного очищення, наприклад, на спеціальних верстатах металевими щітками різної форми, в галтовочних барабанах.
Компанія "SciTeeX" - провідний виробник дробеметного обладнання у світі. Проектне бюро SciTeeX RME GMBH (Німеччина), у світовому центрі розробки дробеструменевої техніки розробляє обладнання згідно останнім досягненням в області дробеметної обробки. Завод - виробник SciTeeX Sp.zoo (Польща) оснащений самим передовим устаткуванням і технологіями для виготовлення дробеметного обладнання.
Дробеметні установки з рольганговим конвеєром RATIOJET Series це високопродуктивні автомати для очищення сталевих листів і профілів від окалини [6]. В якості прохідного пристрою у дробеметній установці застосовується роликовий (рольганговий) транспортер з регульованою в широкому діапазоні швидкістю подачі виробів на очищення. У зоні дробеметної камери розміщені колеса у вигляді турбін зі зносостійкої сталі для викиду дробу за допомогою відцентрового розгону лопатками. Дробеметна обробка виробу відбувається в безперервному автоматичному режимі одночасно з різних напрямків потоком сталевого круглого дробу, забезпечуючи рівномірне і ретельне очищення від корозії, окалини, нагару та інших забруднень. Регулювання інтенсивності і швидкості дробеметного очищення виробляється на дозуючих клапанах, які подають дріб на турбіну дробеметного колеса.
Гідроабразивний спосіб очищення полягає в тому, що з резервуара установки на зовнішню поверхню виробу через сопло під тиском стисненого повітря направляється струмінь суміші кварцового піску і води (пульпа). Абразивним матеріалом може служити не тільки кварцовий пісок, але і мелений граніт і шлак. В абразивну суміш вводять інгібітори - речовини, що запобігають швидку появу корозії на очищених вологих поверхнях. Крім того, поверхні виробу після очищення промивають у холодній і гарячій воді, а потім у розчині пасиватором - хромпіка або нітриту натрію-для запобігання корозії.
Особливість технології такої обробки полягає в тому, що при рівній продуктивності, більш високій якості очищення, невеликої вартості істотно знижуються навантаження на природоохоронні заходи. Крім того, з точки зору показників якості оброблюваних поверхонь, гідроабразивне очищення має переваги: дозволяє видаляти забруднення без порушення вихідної поверхні, вимивати їх з мікропор і мікротріщин, проводити очищення тонких листів (до 0,3 мм) без викривлення.
Продуктивність процесу залежить від часу обробки, розміру та марки абразивних частинок, концентрації їх в суспензії, діаметру і форми сопла, тиску і витратам повітря, кута атаки, близьке до продуктивності дробеструменевої обробки [7]. Руйнування абразивних часток при гідроабразивної обробці протікає в десятки разів повільніше ніж при піскоструминної, що пояснюється демпфуючою дією робочої рідини, тому абразив може витримувати до десяти циклів очищення.
Витрати на гідроабразивну обробку складаються з витрат на абразив (при замкнутому циклі обробки оборотність абразиву становить 10 разів), вартості електроенергії (варіюється в залежності від ціни на електроенергію в конкретному регіоні), вартості води, вартості стисненого повітря, зарплати робітників і вартості зношених частин. Одним з основних недоліків методу - це необхідність стисненого повітря з подачею 240 м3/год і тиском 0,6 МПа, тобто необхідність компресора або цехової мережі.
Існують декілька конструкцій гідроабразивних установок, що відрізняються системами змішання абразивного матеріалу з водою і подачі робочої суміші до сопла: тиском стисненого повітря, тиском, створюваним насосом на ротор, який робочу суміш відкидає на поверхню, що чиститься; роздільна подача піску і води стисненим повітрям.
Основна перевага гідроабразивного очищення - майже повна відсутність пилу, а до недоліків відносяться велика витрата піску, необхідність витрати часу на очищення від піску, на промивку і сушку, несприятливу дію на шкіру рук деяких антикорозійних складів.
Для абразивного очищення прокату в металургії використовують плоскошлифувальні, круглошліфувальні, бесцентрово-шліфувальні, агрегатні, стрічково-шліфувальні, абразивно-відрізні, ручні підвісні і стаціонарні станки [5].
Універсальні плоскошлифувальні верстати з рухомим столом, що мають поперечне розташування кола до напрямку зворотно-поступальної подачі, отримали найбільше поширення в металургії для суцільної та вибіркової зачистки рядками злитків, слябів і прокатних заготівок квадратного перетину.
Круглошліфувальні верстати найбільш поширені в загальному парку металорізальних шліфувальних верстатів. Ці верстати застосовуються для обробки циліндричних, конічних і профільних поверхонь. У металургії знайшли застосування круглошліфувальні верстати з поздовжньою зворотно-поступальною подачею заготівки або шліфувальної бабки. У цих верстатах висота абразивного кола менше оброблюваної поверхні заготовки і подача при суцільній зачистці встановлюється не більше 1 \ 3 висоти кола на оберт заготівки при обертовій швидкості абразивного кола, яка значно перевищує швидкість заготівки. У кінематиці цих верстатів робляться спроби як розділення в широкому діапазоні регулювання поздовжніх і обертальних подач заготівки, так і їх поєднання, що дозволяє здійснювати на одному верстаті роздільно такі технологічні операції. Досліджується суцільна зачистка рядком, суцільна зачистка бесцентровим обертанням заготовки, вибірка місцевих дефектів як уздовж осі прокату, так і за його окружністю.
Видалення окалини здійснюється також на іглофрезерному обладнанні. Процес іглофрезерування представляє собою зрізання з поверхні металу оксидів і окалини торцями пружно-рухомих проволок.
Іглофреза являє собою тіло обертання, гладка зовнішня поверхня якого утворюється шліфувальними торцями металевих проволок, зварених по внутрішньому діаметру і стиснених з боків жорсткими фланцями. Число ріжучих крайок може досягати 40 млн. залежно від розміру фрези.
Іглофрезерування в металургії застосовується для видалення окалини з поверхні великого сортового прокату з вуглецевої і низьколегованих сталей.
Значні резерви закладені в удосконаленні твердих сплавів, швидкорізальних сталей і абразивних матеріалів, а також у комплексному удосконаленні конструкції і технології виготовлення різального інструменту [8].
Необхідне подальше удосконалення методів регулювання форми стружки, яка при високих швидкостях різання і різанні з підігрівом стає пластичної й небезпечною. Стружковідвід регулюється за допомогою особливих форм ріжучої частини додаткових пристроїв (стружколомателі, стружкозавівателі та ін), а також програмованим зміною товщини зрізу (коливання інструменту, мінлива подача і т. д.).
Гідравлічне видалення окалини. На окремих металургійних комбінатах, в системі гідрозбиву використовується тиск води до 18 МПа. Як показала тривала експлуатація цих систем гідрозбиву, вони не забезпечують створення необхідного швидкісного напору струменя води, здатного ефективно очищати листи від окалини.
На сторонах залишаються зони з неповним очищенням окалини, що знижує якість прокату і допускає бракування. Крім того, сопла мають великі діаметри вихідних отворів (5-8 мм) при великій їх кількості (десятки на одну кліть). Цим обумовлена велика витрата води - кілька сотень м3/год, а, отже, підвищене споживання електроенергії. Такі системи гідрозбиву мають велику встановлену потужність.
Слід також зазначити, що зважаючи на низький тиск, великі витрати води і відсутність сучасних засобів автоматики, витрати електроенергії при роботі існуючих систем гідрозбиву в кілька разів, а іноді навіть на порядок перевищують необхідні.
На вживаних в СНД системах гідрозбиву окалини струмінь води подається під порівняно низьким тиском - переважно до 10-20 МПа. Ці системи не забезпечують створення необхідного питомого швидкісного напору струменя води, здатного ефективно очищати заготівлі від окалини. На сторонах залишаються зони з неповним очищенням, що знижує якість прокату і допускає бракування. Плоско-віялові сопла мають великі діаметри вихідних отворів (5 - 8 мм) при великій їх кількості (десятки на одну кліть), чим обумовлена велика витрата води (до 5000 м3/ г) і, отже, підвищене споживання електричної енергії. Потужність таких систем досягає кількох тисяч кіловат.
Над створенням більш ефективних і менш енергоємних систем гідрозбиву окалини працюють багато закордонних фірм [9].
Японською фірмою «Сумітомо канд зоку корі к.к.» запропонована система гідрозбиву окалини з регулюванням витрати рідини на основі попередньо встановленого співвідношення між маркою сталі, товщиною смуги, температурою змотування, швидкістю транспортування смуги і витрати рідини на одиницю поверхні смуги.
Німецькою фірмою "Woma - Apparatenbau and Co GmBH" запропонована система гідрозбиву з робочим тиском 20,0-50,0 МПа і зменшеною витратою води за рахунок застосування балки, яка обертається і забезпечена соплами, що дозволяє робити багаторазове оббризкування заготовки водяними потоками.
Фірма «SMS Шлоеман-Зімаг» в процесі вдосконалення гідрозбиву збільшила робочий тиск насосів гідрозбиву з 25 МПа до 40 МПа при одночасному зменшенні відстані сопел до поверхні листа і збільшенні їх кількості. При цьому вдалося підвищити частку металу, що має не більше одного дефекту на весь рулон.
Численними дослідженнями, проведеними в Донецькому національному технічному університеті, доведено можливість використання імпульсних струменів для руйнування різних твердих матеріалів. Цими ж дослідженнями було відзначено значну перевагу (дальність, ефективність руйнування) водяного струменя імпульсного характеру порівняно зі стаціонарним.
Результатом багаторічної роботи співробітників Донецького національного технічного університету в галузі розробки гідроімпульсних пристроїв стало створення генератора імпульсних струменів (ГІС) [10]. Генератор імпульсних струменів забезпечує перетворення маловитратних (до 0,0015 м3 / с) стаціонарного потоку робочої рідини високого тиску (до 32,0 МПа) в імпульсний підвищених миттєвих витрат (до 0,025 м3 / с) того ж тиску. Потужність потоку в період пострілу води складає близько 500-700кВт, при тому що споживана потужність насоса 55 кВт. Велика потужність потоку забезпечує значну руйнівну здатність струменя. Основна перевага гідроімпульсного методу очищення прокату в економічному відношенні порівняно з іншими вищезгаданими методами очищення - менша витрата енергії.
На рисунку 4 надана гідравлічна схема ГІС, на якій представлені умовні діаметральні розрізи вузлів пристрою, доповнені схемою гідравлічних з'єднань.
Робочий гідропневмоаккумулятор 1 має всередині поршень 6, що розділяє внутрішній простір на дві камери: газову 7 і рідинну 8.
Внутрішній об'єм накопичувача 2 поршнем 9 також розділений на дві камери: робочу 10 і підпірну 11.
Ствол 13 виконавчого органу з робочим насадком 14 приєднаний до головного клапана 3. Притисненням поршня - клапана 12 до сідла 17 забезпечується припинення доступу рідини до стволу 13 і робочого насадку 14.
Всередині керуючого клапана 4 розміщений поршень - клапан 18, який утворює ряд камер.
Герметизація і комутація камер керуючого клапана 4 здійснюється шляхом притиснення конічних поверхонь наконечників до скидного 24 або напірного 25 сідел.
Робоча рідина подається за допомогою підвідної магістралі і ставу подачі 29. Далі рідина через зарядний дросель 30 надходить у робочу камеру 10 накопичувача 2 і до виконавчого органу. Зарядний дросель 30 служить для створення навантаження на насосі в момент імпульсу, а також зменшення часу спрацьовування керуючого 4 і головного клапана 3. На вході в ГІС встановлений баластний гідропневмоаккумулятор 5.
Введення пристрою в автоколебательний режим здійснюється подачею робочої рідини від насосної установки через магістраль, що підводить до ГІСу.
Вихід з режиму автоколивань здійснюється припиненням подачі робочої рідини. Схема дії ГІС надана на рисунку 5.
(Анімація, кількість кадрів - 6, затримка між кадрами - 0,4 с, кількість циклів повторення - 6; 19,2 кБ.)
Переваги гідроімпульсного методу:
- універсальність (можливість обробляти поверхні складних геометричних форм), видалення забруднень з мікропор і мікротріщин;
- збереження форми і шорсткості оброблюваної поверхні, тобто відсутність знімання основного металу;
- низькі енерговитрати;
- екологічність методу;
- робота по замкнутому циклу;
- пожежо і вибухобезпечність.
У даній роботі проведено аналіз існуючих методів очищення прокату від окалини, виявлено їх переваги та недоліки, а також обгрунтована ефективність застосування гідроімпульсного способу очищення.
Перспектива дослідження - розрахунок раціональних параметрів гідроімпульсного методу руйнування окалини.
На даний момент робота знаходиться в стадії розробки. Термін виконання роботи - грудень 2010 року. Кінцеві результати роботи можуть відрізнятися від наведених на сайті.