Источник: ILASS-Europe 2001, Zurich, 2001.
Для очистки стали от окалины при горячей прокатке применяются сопла высокого давления распыления. Сила удара и давление сопла можно определить с помощью второй и третьей аксиомы Ньютона. Это позволяет рассчитывать воздействие давление с помощью довольно простой формулы. Прямое измерение воздействия возможно с преобразователем силы, просматривая область прямого столкновения брызг струи. Размер капель брызг струи, кажется, вторичным фактором, потому что чисто механические рассмотрения приводят к достаточной модели воздействия. Однако, измерение площади, покрытой брызгами, показывает, что струя воды распалась при попадании на поверхность, но не была распылена полностью. Это может быть доказано быстро сделанной фотографией. Различные исследования доказывают гипотезу, что тепловой удар из-за больших градиентов поверхностных изменений температуры под брызгами является доминирующим признаком над физическим механизмом очистки от окалины, особенно для вторичной. Именно поэтому необходимы два дополнительных типа эксперимента, чтобы охарактеризовать влияние струи воды на горячую поверхность, которая является измерением коэффициента передачи тепла падающей воде, и удаление накипа проверяют в лабораторных условиях. Исследование металлургических и поверхностных качественных параметров стали до и после теста позволяет определить количество очистки от окалины, эффективность.
Для удаления окалины при горячей прокатке применяют высокого давления сопла плоско-струйного типа. Окалина - это слой оксида образованной на поверхности стали из-за высоких температур до 1250° C и присутствия кислорода и других газов. Она может быть образована как первичная окалина в атмосфере нефти и газа нагревательной печи, или, как вторичная окалина в условиях окружающей среды в процессе прокатки. Первичная окалинаа имеет пористую структуру и толщины в диапазоне от 1 до 5 мм, в то время как вторичная окалина имеет более компактные микроструктуры и толщины от 60 до 100 мкм [2]. Последнюю сложнее удалить, и как правило от 5 до 10 мкм слоя остается.
Использование насадка высокого давления для удаления накипи в процессе производства является необходимой мерой для качества стали. В литературе механизм очистки от окалины объясняется по-разному. Механические силы высокого давления воздействуют как «лезвие бритвы» струи, ответственной за удаление окалины с поверхности. С другой стороны, струи воды вызывают интенсивное охлаждения поверхности и создают высокий градиент температуры в области близкой к поверхности. Это может привести к распаду оксидного слоя из-за различного теплового расширения слоя окалины и стали, то есть высокой силы сдвига между окалиной и сталью, и в окалине.
Плоско-струйные насадки с прямоугольным распределением воздействия и углами брызг между 22° и 40°, предпочтены для создания сопел высокого давления воздействия в достаточной рабочей ширине распыления. Давление брызг колеблется от 80 до 500 бар с расходом от 10 до 200 л / мин. Спрей обычно охватывает расстояние от 50 до 200 мм.
Физический механизм удаления окалины до сих пор является предметом полемики [1,2]. Окалина - слой оксида железа, материал с особенностью керамики, т.е. низкий коэффициент теплового расширения и хорошие тепло-изоляционные свойства. С другой стороны, сталь имеет высокий коэффициент теплового расширения. На рисунке 1 показано результаты анализа REM из слоя первичной окалины - как правило, Fe2O3 - на стали. Когда струя воды под высоким давлением попадает на поверхность соединения окалина / сталь, не только острый пик механического давления индуцируется, но и высокий градиент изменения температуры поверхности, в связи с интенсивным охлаждением струей воды. Это создает огромную сдвигающую силу между металлом и окалиной, и непосредственно в самой окалине. Это можно наблюдать в лабораторных условиях, вторичная окалина разбивается подобно взрыву. Оценки механических напряжений, вызванных воздействием струи, и касательных напряжений, созданных тепловым ударом, показывают, что последнии могут быть примерно в 500 раз выше и, таким образом, доминирует над процессом [2]. Это доказывает потребность в тепловых измерениях в дополнение к чистому механическому определению давления воздействия.
Действительная модель механизма очистки от окалины может быть получена лишь, закончив механические (воздействие) и тепловые (теплопередача) эксперименты исследования очистки от окалины непосредственно при лабораторных условиях. Это требует создание окалины в контролируемых условиях, а затем выполнить процесс очистки от окалины. Последний подобен тесту теплопередачи: горячая стальная пластина с окалиной перемещена под стую сопла с высоким давлением, и окалина удалена более или менее полностью. Рисунок 2 показывает две стальные пластины после удаления окалины в различных условиях и с разным успехом очистки от накипа. Окалина была подготовлена в атмосферных условиях, которая составляет так называемую вторичную окалину на заводе. Исследование металлургических и поверхностных качественных параметров стали позволяет определить количественный результата процесса очистки от окалины. Для того, чтобы получить определенное качество окалины, нагревая условия, поверхностное качество и сорт стали должны контролироваться тщательно. Оценка результатов испытаний, то есть количество удаленной окалины и качество поверхности стали, осуществляется несколькими методами: оптической или электронной микроскопии, анализа изображений, гравиметрические методы или магнитно-индукционные измерений.
Очистка стали от окалины до сих пор представляет собой процесс, который нуждается в интенсивном исследовании, чтобы понять основные физические механизмы. Энергия и импульс струи насадка очистки от окалины доминируют над параметрами брызг, которые создают воздействие на стальную поверхность. Хотя, может быть показано, что жидкость распадается, полное распыление не имеет место при условиях очистки от окалины, и размер капельки не тот параметр, который характеризует процесс очистки от окалины. Противодействие жидкости и горячей поверхности имеет механический так же как и термодинамический тип. Термодинамика очистки от окалины может быть исследована с измерениями теплопередачи. Теплопередача от горячей поверхности вызывает градиенты высокой температуры в составе масштаба/стали и является доминирующей причиной для разрыва окалины. Тепловой эффект распыления струи охватывает более широкую область на поверхности, чем чисто механическое воздействие.
Корреляция между механическими и тепловыми параметрами может быть найдена только комбинацией следствий механических и тепловых экспериментов. Эффективность очистки от окалины может быть изучена при лабораторных условиях с управляемыми экспериментами очистки от окалины. Эта работа будет продолжена, чтобы получить полную модель очистки от окалины.