Назад в библиотеку

Влияние параметров гидравлического удаления окалины на потери температуры и качество поверхности проката

Автор: Petr Kotrbacek., Jaroslav Horsky., Miroslav Raudensky., Michal Pohanka.
Источник: Suppl. Metal Forming 2004

Аннотация

Petr Kotrbacek., Jaroslav Horsky., Miroslav Raudensky., Michal Pohanka. Влияние параметров гидравлического удаления окалины на потери температуры и качество поверхности проката материала. Показана установка гидравлическая для удаления окалины, которая может влиять на теплопередачу и конечную температурную область прокатного материала. Получены граничные условия, пригодные для использования в численной модели

Гидравлический удаления окалины представляет собой процесс удаления оксида с поверхности горячей стали. Качество поверхности после удаления окалины является основным результатом для конечной поверхности прокатного изделия. Аспект теплоотвода, как часть процесса удаления окалины, как правило, рассматривают не серьезно. Переохлажденная поверхность может негативно повлиять на требуемую температурную область прокатного материала.

Экспериментальная работа была сосредоточена на изучении удаления окалины в связи с передачей тепла и качества удаления окалины с поверхности. Были реализованы два типа исследований. Первый тип исследования – перепад температур, когда продукт проходит под соплом (тест теплопередачи). Второй тип исследования – качество поверхности, когда определяется распыление слоя оксидов и оценивается их остаточная толщина. Тест теплопередачи оценивали обратной задачи и результаты получи в виде граничных условий, пригодных для использования в численной модели. Расчет численной модели удаления окалины демонстрирует влияние различных параметров на эффективность процесса.

Процесс распыления высокого давления в основном используется в качестве промежуточного шага между непрерывным литьем и горячей прокатки или в нескольких положениях прокатки. Оксиды удаляются из поверхности с помощью двух основных механизмов. Первый – локальной закалки поверхности, вызывает термические напряжения между слоем окислов и компактного материала. Второй – эффект влияния динамической силы на струю воды. Термические напряжения значительны под влиянием динамики процесса теплообмена. Параметр, описывающий интенсивность охлаждения, является коэффициентом теплопередачи (HTC) распределения в зоне воздействия. Коэффициент теплопередачи зависит от типа сопла, давления воды, температуры воды, температуры поверхности, положения (высота распыления) сопла от поверхности и скорости материала под струей [1]. Значение местных сил воздействия играет важную роль в механической части окалины.

 

Экспериментальное оборудование

Экспериментальный стенд был построен для изучения охлаждения линейно движущихся объектов. Шестиметровые балки несущие подвижную тележку и приводной механизм, см рис. 1 и 2, образуют основную часть экспериментальной установки. Электронное устройство измерения положения встроено в тележке.

Механизм привода состоит из электродвигателя, управляемого программируемым блоком, коробкой передач, двумя роликами и тяговым тросом. Балка разделена на три секции. Предельные секции используются для ускорения или замедления в тележке. Скорость тележки постоянна там, где распыляются сопла над измеряемым образцом.

Рисунок 1 – Принципиальная схема лабораторного стенда: 1) охлаждающая среда, 2) манометр 3) сопло, 4) перемещающийся дефлектор, 5) трубопровод сопла, 6) тестовая пластина, 7) перемещающаяся тележка, 8) регистратор данных, 9) ролик, 10) электродвигатель, 11) перетяжка троса, 12) балки

Рисунок 2 – Фото линейного стенда

Измерение передачи тепла

Тестируемые пластины со встроенными датчиками температуры помещаются на дорожке. Пример типичного размера тестируемого пластины можно видеть на рис. 3. Датчики измерения температура на глубине 1 мм от охлаждаемой поверхности.

Рисунок 3 – Проверка плиты - геометрическое расположение, одно измерение сопла

 

Экспериментальная процедура

Проход под соплом вызывает падение температуры в образце материала, указанного с помощью датчиков температуры. Эта информация вместе со свойствами материала и особенностями калибровки датчика температуры используется в качестве входных данных для обратной задачи теплопроводности.

 

Обратная задача теплопроводности

Основная часть обратной задачи является численная 3D-модель тестируемой пластины и датчиков. Распределение температуры внутри испытуемого образца описывается ниже:

где Т – температура, t – время, х, у, z – пространственные координаты, k – теплопроводность, c – тепловая мощность и ρ – плотность.

Прямое решение этого уравнения может быть сделано относительно легко с помощью численного метода, со знанием теплофизических свойств материалов и граничных условий. Обратная задача означает, в данном случае, нахождение граничных условий (HTC на поверхности) от температуры, измеряемой внутри образца. Температуры, взятые из эксперимента, записывают когда датчик расположен внутри образца. Метод, используемый здесь, основаны на принципе минимизации [2]. Основная часть этой процедуры является схема расчета коэффициента теплопередачи в момент времени М. Непосредственное вычисление разветвляется на время М-1. Два разных значения HTC применяются для определенного количества шагов вперед r. HTC h* минимизирует среднее квадратного корня вычисляя отклонение между Tihj и измеряется Tiexp температурой.

Тогда оптимальное значение HTC h* может быть выражено как:

где Di – коэффициент чувствительности, который может быть численно оценивается как:

Для чрезвычайно интенсивной теплоотдачи численной процедуры, которая увеличивает точность вычисленных значений могут быть применены в HTC максимумы.

 

Тест качества

Итоговое качество поверхности после удаления окалины, для большинства пользователей, более важный параметр, чем материал, переохлажденный струями. Вода удаляя окалину влияет на конечное качество поверхности и зависит от параметров распыления [1].

Стальные тестируемые пластины используются для испытания качества. Пластины с подогревом определяют слой готовой окалины. Получение требуемого слоя окалины является наиболее важной частью эксперимента.

Как только испытываемая пластина с начальной температурой и поверхность правильно окислена, она сразу перемещается на дорожку и помещается на испытательном стенде. Распыление – часть эксперимента, такое же, как в вышеупомянутом тесте теплопередачи. Испытание пластины проходит через распылительную камеру, см. рис. 2. Окончательную структуру окалины после удаления замораживают в коробке с азотом, где остывает испытываемая пластина.

 

Измерение толщины окалины

Тестируемая пластина показывает две области, см. рис. 11. В центральной части испытываемой пластины можно видеть заметную область (след сопла). По бокам тестируемой пластины можно видеть исходный слой окалины (вне следа сопла).

Наиболее точный способ измерения толщины и изучения морфологии окалины является использование электронного микроскопа. Электромагнитный датчик можно быть использован для измерения толщины шкалы. Этот метод обеспечивает усредненные значения определенной области.

Область с различной толщиной окалины остается в распыленном виде. Другими словами – окалина имеет, как правило, не постоянную толщину. Таким образом, конечное качество поверхности лучше выражать не только от средней толщины окалины, но даже в процентном количестве оставшихся частиц окалины.

Соотношение между качеством и параметров распыления, например, давление, тип форсунки, высота распыления, угол наклона и скорости, изучено. Пример исследования параметров приведено на рис. 12. Здесь показано влияние давления и скорости ударного образца на качество поверхности. Ударное давление распыления воды приблизительно линейно зависит от давления воды.

Рисунок 12 показывает лучшее качество поверхности для высокого воздействия со скоростью 1,0 м/с.

Рисунок 11 – Фото пластины после испытания качества удаления окалины;

Рисунок 12 – 3D-схема: Зависимость оставшейся окалины от скорости движения стали и давления

 

Выводы