Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

В даний час, при досить складних економічних умовах, на ринку металургійної промисловості одним з цінних виробів є трубопрокатне виробництво. Щоб забезпечити високу якість прокату необхідно ефективно і економічно видалити окалину з його поверхні. Окалина утворюється на литих заготовках і в процесі прокатки в результаті взаємодії при нагріванні поверхні виробу з повітрям навколишнього середовища.

Окалина на поверхні зароджується у вигляді ядер оксидів. Спочатку ці ядра утворюють в’язку плівку, щільно зчеплену з металом і не має пір. Шар оксидів рівномірно наростає на поверхні, що окислюється. При цьому порушується орієнтування зерен, і в шарі окалини виникають пори, викликані також перетворенням матеріалу. Верхній шар оксидів ставати менш в’язким [1].

Окалина – продукт високотемпературного окислення металу або газової корозії. На готовому сталевому напівфабрикаті зазвичай є окалина товщиною менше 20 мкм (частіше 7–15 мкм). Зовнішній шар окалини зазвичай FeO (гематит), внутрішній шар, що прилягає до металу, – Fe2O3 (вюстіт). На поверхні легованих сталей утворюються складні оксиди (NiO * Fe2O3, FeO * Cr2O3 та ін.) [2].

При виробництві гарячекатаних листів утворюється кілька типів залізної окалини, що розрізняється за структурою і кількістю фаз [3]:

Тип 1: двошарова окалина, до складу якої входить магнетит і металеве залізо. Отримання такого типу окалини характерно для ділянок широкої смуги, що повільно охолоджуються і середини рулону. Ця металева окалина є продуктом розкладання вюстіта і часто в її структурі присутня невелика кількість нераспавшегося вюстіта, що характерно для швидкого охолодження рулонів або рулонів невеликої маси.

Тип 2: окалина заліза, що складається з прилеглого до металу шару вюстіта і шару магнетиту. Такий тип окалини характерний для ділянок широкої смуги з інтенсивним охолодженням.

Тип 3: окалина заліза, що складається з основного шару магнетиту, над яким розташований зовнішній шар гематиту. Кромки смуги при цьому мають темне забарвлення.

Тип 4: тришарова окалина: магнетит – вюстіт – магнетит. Цей тип характерний для вузьких смуг, що швидко охолоджуються.

Будова шарів окалини

Рисунок 1 – Будова шарів окалини

Виникнення окалини на поверхні матеріалу, що прокочується (заготівок, напівфабрикатів, готового прокату) відбувається протягом всього виробничого процесу. За місцем освіти в технологічному процесі розрізняють первинну і вторинну окалину [4]. Первинна (або пічна) окалина виникає на поверхні заготовки при її нагріві в печі. Характер і кількість утвореною окалини залежить від типу пічної атмосфери, температури і тривалості нагріву заготовки. 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 в окислювальному атмосфері.

При нагріванні металу необхідно прагнути до того, щоб первинна окалина якомога менше прилипала до основного металу для забезпечення найбільш легкого її видалення з металу, що досягається відповідними режимами нагріву [4].

Окалина вуглецевої сталі тримається на поверхні неміцно, і краще всього очищається при нагріванні в окислювальному 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 [4].

Для більш ефективного видалення окалини слід враховувати її відмінності і відповідно, при нагріванні заготівок 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 [4].

Всі існуючі на даний момент способи видалення окалини (механічний, піскоструйний або дробоструминний, абразивний, гідравлічний, ультразвуковий, хімічний та ін.) мають в основному такі недоліки як висока енергоємність, дорожнеча, так і низька екологічність.

Тому актуальною є проблема пошуку рішень щодо безпечного, ефективного видалення окалини з металу при низьких енерговитратах.

1. Актуальність теми

З проблемою очищення поверхонь великогабаритних виробів (в моєму випадку труби великого діаметра) від окалини, іржі, бруду та ін. перед остаточними операціями, такими як нанесення різних покриттів, фарбування на підприємствах зустрічаються давно.

Наявність окалини на заготівлі та на листі, що прокочується знижує сортність продукції, викликає додаткові матеріальні витрати, великі додаткові витрати праці і знижує собівартість продукції. Окалина за своїми фізичними властивостями відрізняється від основного металу, тому вона ускладнює подальшу обробку вироби і практично унеможливлює такі процеси як волочіння, пресування, штампування, нанесення покриттів на поверхню металу, а також знижує його якість і стійкість при використанні готової продукції.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Виконані експериментальні та досвідчені дослідження ряду науково-дослідних організацій показали ефективність імпульсних струменів в порівнянні зі стаціонарними тих же параметрів. Досягнуті результати пристроями, що створюють імпульсні струменя, розробленими в ДонНТУ, по руйнуванню вугільного масиву дозволяють судити про можливості використання їх для руйнування окалини. Оптимізація параметрів цих пристроїв дозволить досягти зниження енергоспоживання на виконання цієї операції.

Для досягнення зазначеної мети поставлені наступні завдання:

  1. Аналіз існуючих методів і засобів для руйнування окалини.
  2. Розробка математичної моделі процесів в гідроімпульсної установці.
  3. Моделювання процесів.
  4. Розробка рекомендацій щодо визначення раціональних параметрів гідроімпульсного способу очищення металу від окалини.

3. Огляд найбільш поширених способів очищення металопродукції від окалини

В даний час існує велика кількість різних технологій очищення поверхонь. Кожна з них має як певні переваги, так і недоліки. При застосуванні багатьох технологій очищення досить гостро постає питання з екології процесу та утилізації одержуваних при цьому відходів. Існують хімічні, механічні, гідравлічні та інші методи очищення від окалини.

Механічні способи очищення найбільш прості, але малопродуктивні. Їх рекомендують використовувати в поєднанні з іншими способами для очищення доступних зон устаткування. Цей спосіб заснований на впливі твердого тіла на об’єкт очищення для руйнування і зняття шару забруднення. Механічні способи очищення від окалини застосовують як для нагрітих, так і для холодних заготівок. Очищення вручну здійснюють скребками у пристосуваннях [5].

Хімічні способи очищення металів від іржі і окалини полягають у розчиненні оксидів в кислотах і лугах. Ці способи вимагають великих виробничих площ, витрат на видалення та переробку травильних розчинів і очищення стічних вод. Хімічні способи очищення дорогі, енергоємні, шкідливі для здоров’я обслуговуючого персоналу, викликають корозію виробничого обладнання, є джерелом забруднення навколишнього середовища [5].

Гідравлічний спосіб – видалення окалини з поверхні металу при гарячій прокатці водою під високим тиском. Для полегшення збивання окалини струмені води з сопел направляються під кутом проти руху металу. Гідросбив широко використовують в прокатному виробництві для видалення як пічної, так і вторинної окалини. Установки гідравлічного видалення окалини зазвичай розміщують після окаліноломателей перед чорновими клетями і в межклетевих проміжках. На широкосмугових станах гарячої прокатки гідросбів застосовують і перед чистовими клетями.

Історично першими виникли і в подальшому отримали найбільше промислове поширення конструкції пристроїв для гідравлічного видалення окалини у вигляді стаціонарних колекторів (збірники), в які подається під необхідним тиском вода, із закріпленими на них соплами. Колектори розміщуються по всій заданій ширині оброблюваного прокату. Гідравлічний збивши окалини здійснюється одночасно як зверху, так і знизу.

Подача води здійснюється об’ємними насосами, робочий тиск яких до 65,0 МПа, а споживана потужність до 150 кВт. Назва такого методу – гідродинамічна очистка. При використанні даного методу можна видалити будь-який накип і відкладення. Очищення трубопроводів і труб здійснюється до металу, проводиться дуже якісно, як наслідок утворення нового накипу сповільнюється. Крім того, збільшується ККД обладнання і знижуються енерговитрати. Цей метод має переваги над механічним і хімічними методами, оскільки при ньому метал менш схильний до пошкоджень. Також цей метод більш екологічний [6].

4. Гідроімпульсний спосіб очищення труб від окалини

До гідроімпульсних відносяться машини, в яких для приводу проміжної ланки (робочої маси) або безпосереднього деформування матеріалу використовується імпульс ударного тиску рідини. Принцип дії гідроімпульсних машин обгрунтований вперше А. І. Зиміним (1956 р.). Він полягає у використанні енергії позитивної напівхвилі, що виникає в трубі з початковим тиском р0 – 0 і швидкістю v0  > 0 при гідравлічному ударі. І. Б. Матвєєвим (1958 р.) обгрунтован інший принцип дії гідроімпульсних машин, в яких використовується імпульс, отриманий в результаті швидкої і повної розрядки потенційної енергії, запасеної в рідинному акумуляторі [7].

Перевага гідроімпульсного методу очищення прокату в економічному відношенні в порівнянні з іншими методами очищення полягає в меншій витраті енергії. Слід зазначити також інші переваги гідроімпульсного методу очищення як: збереження форми і шорсткості оброблюваної поверхні (відсутність знімання основного металу); екологічність методу (робота по замкнутому циклу); пожежо- та вибухобезпечність.

Численними дослідженнями, проведеними в Донецькому національному технічному університеті, доведена 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 стаціонарною [8].

Результатом багаторічної роботи співробітників ДонНТУ в області розробки гідроімпульсних пристроїв стало створення генератора імпульсних струменів (ГІС). Генератор імпульсних струменів призначений для перетворення стаціонарного маловитратного потоку робочої рідини (5–5,5 м3/год) високого тиску (28–32 МПа) в імпульсний потік з миттєвою витратою 60–90 м3/год і тиском 23–26 МПа. Гідравлічна схема ГІС представлена на рисунку 2.

Принципиальная гидравлическая схема генератора импульсных струй

Рисунок 2 – Принципова гідравлічна схема генератора імпульсних струменів

Рисунок 3 – Принцип роботи ГІС
(анімація: кількість кадрів – 6, кількість повторень необмежено, розмір 25,0 КБ)

ГІС складається з основного гідропневмоаккумулятор (ГПА) 1, накопичувача 2, виконавчого органу 3, керуючого клапана 4 і додаткового ГПА 5.

Робочий гідропневмоаккумулятор 1 накопичує енергію, підводиться до ГІС на стадії накопичення енергії підготовки пострілу і передає цю енергію робочого потоку в момент імпульсу.

Накопичувач 2 призначений для завдання обсягу пострілу і вироблення сигналу на спрацьовування керуючого клапана.

Виконавчий орган 3 призначений для формування та направлення струменя в потрібну точку масиву.

Керуючий клапан 4 служить для контролю стану накопичувача і реалізації перемикання головного клапана.

Додатковий ГПА 5 призначений для захисту підвідної магістралі від коливань тиску, який створюється в системі.

Генератор імпульсних струменів забезпечує перетворення маловитратного (до 0,0015 м3/с) стаціонарного потоку робочої рідини високого тиску (до 32,0 МПа) в імпульсний, підвищених миттєвих витрат (до 0,025 м 3/с) того ж тиску. Потужність потоку в період пострілу води складає близько 500–700 кВт, при тому що споживана потужність насоса 55 кВт. Велика потужність потоку забезпечує значну руйнівну здатність струменя [10].

Висновки

Отримана апріорна інформація дозволяє судити про можливості використання ГІС для удосконалення гідравлічного способу очищення прокату від окалини.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2015 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

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