.

Вдосконалення гідравлічного видалення окалини на станах гарячої прокатки: Автореф. дис… канд. техн. наук / М.Б. Жуков, Донбас. держ. машинобудів. ак

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 1981
Скачать документ

Донбаська державна машинобудівна академія

На правах рукопису

Жуков Микола Борисович

УДК 621.771.025

ВДОСКОНАЛЕННЯ ГІДРАВЛІЧНОГО ВИДАЛЕННЯ ОКАЛИНИ НА СТАНАХ ГАРЯЧОЇ ПРОКАТКИ

Спеціальність 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата
технічних наук

Краматорськ – 1999

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти України

Науковий керівник: – доктор технічних наук, професор Соколов Лев Миколайович, професор кафедри “Обробка металів тиском” Донбаської державної машинобудівної академії.
Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор Дорошко Володимир Іванович, Східно-український державний університет, м. Луганськ, професор;
– кандидат технічних наук Грачов Ігор Анатолійович, ЗАТ “Новокраматорський машинобудівний завод”, м. Краматорськ, ведучій інженер відділу головного металурга.

Провідна установа – Донецький державний технічний університет

Захист відбудеться ” 30 ” квітня 1999 р. об ” 11″ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій при Донбаській державній машинобудівній академії (343913, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус)

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії(343913, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус)

Автореферат розісланий ” 30 ” березня 1999 р.

Учений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 12.105.01, к.т.н., доц. Сатонін О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасні економічні умови на перший план висувають завдання невпинного підвищення якості металопродукції та переходу до енергозберігальних технологій. Стосовно до процесів гарячої прокатки рішення цієї проблеми можливе шляхом застосування прогресивних технологічних процесів, одним з яких є гідравлічне видалення окалини. Підвищенню ефективності гідроочистки приділяється особлива увага. Однак через складність явищ, які виникають при взаємодії струменя з навколишнім середовищем і гарячою поверхнею металу, залишаються неясними роль та відносне значення численних факторів, які сприяють відділенню окалини від металевої основи. У зв’язку з чим традиційне проектування гідравлічних установок базується по суті на досвідних даних, що зовсім недостатньо для раціонального вибору параметрів охолоджувача і способу подачі його на поверхню заготовки. Таким чином, виникає необхідність вирішення актуальної проблеми – підвищення якості прокату та зниження витрат, пов’язаних з гідроочисткою його поверхні від окалини, на базі науково обгрунтованого методичного забезпечення. Це й визначило ціль і задачі дослідження.
З’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з тематикою науково-дослідних робіт Донбаської державної машинобудівної академії:
• Х-72-89 “Дослідження високонапірної установки гідровидалення пічної окалини” № Держ. реєстрації 01.09.000176603;
• Х-41-91 “Розробка низьконапірного обладнання гідровидалення пічної окалини стану 2800” № Держ. реєстрації 01940046152.
• Г – 03 96 № Держ. реєстрації 0196U015979
• Г – 14-94 № Держ. реєстрації 0194U015531
• Г – 01-97 № Держ. реєстрації 019U001595
Ціль і задачі досліджень. – Підвищення техніко-економічних показників гарячої прокатки на основі розробки математичних моделей і удосконалення процесу гідравлічного видалення окалини.
Для досягнення поставленої цілі сформульовані і вирішені наступні задачі:
• установлення термічних напруг, що відокремлюють окалину від металевої основи при довільному законі однобічного охолодження, в залежності від розподілення температури;
• дослідження розподілення температури при однобічному охолодженні окалини, установлення раціонального режиму охолодження окалини та виявлення основних параметрів процесу гідроочистки;
• розробка двофазної моделі віялоподібного струменя й на цій основі розкриття фізичної суті надто низької ефективності традиційної гідроочистки високого тиску;
• дослідження течії та тепловіддачі при натіканні на заготовку плоскопаралельного й вісесиметричного струменевих потоків; установлення впливу витрати охолоджувача на процес гідроочистки;
• дослідження течії та тепловіддачі в каналі між поверхнями пружно підтисненого сопла й заготовки; установлення раціонального режиму роботи сопла;
• розробка математичної моделі охолодження металу через шар окалини й на цій основі вияснення впливу відпрацьованого охолоджувача на процес гідроочистки;
• дослідження можливості використання струменів гідрочистки для підвищення точності геометричних характеристик готового металопрокату.
• експериментальна оцінка ступеня вірогідності розробленого математичного апарату, а також уточнення основних параметрів гідроочистки;
• створення принципово нових способів та обладнання гідроочистки і впровадження їх у виробництво.
Наукова новизна отриманих результатів. Розроблена теорія процесу відділення окалини від металу, на цій основі запропонований метод інженерного розрахунку робочих параметрів охолоджувача й вибору найбільш раціональних способів його подачі на поверхню металу. Обгрунтована можливість використання для гідроочистки води під відносно низьким тиском.
Установлена залежність термічних напруг від параметрів потоку, виявлений раціональний режим охолодження окалини.
Розроблена двофазна модель віялоподібного струменю, на цій основі розкрита фізична суть надто низької ефективності традиційної гідроочистки високого тиску.
Одержане вирішення задач течії й тепловіддачі при натіканні на заготовку плоскопаралельного та вісесиметричного струменевих потоків, на цій базі розроблені методичні основи розрахунку й раціонального вибору енергетичних і геометричних параметрів потоків.
Досліджені течія й тепловіддача в каналі між поверхнями пружно підтиснутого сопла й заготовки, виявлені явища, які відрізняються від традиційних уявлень течій в плоских каналах; визначена оптимальна товщина шару охолоджувача й розроблені методи її стабілізації в процесі гідроочистки.
Розроблена математична модель охолодження металу через шар окалини, яка відрізняється від традиційної моделі, обгрунтована доцільність змиву з поверхні заготовки відпрацьованого охолоджувача; сформульована та вирішена задача раціонального вибору місця установлення засобів для змиву охолоджувача.
Установлені температура металу й величина сили прокатки в залежності від витрати струменів гідроочистки та швидкості проходження заготовок через зону охолодження; на цій основі обгрунтована доцільність використання гідроочистки для зменшення різнотовщинності одержаного прокату.
Практична цінність отриманих результатів. Розроблено теорію процесу відділення окалини від металу під впливом струменів гідроочистки. Методики розрахунку і проектування систем гідроочистки передані у виробництво , що використані спеціалістами ЗАТ НКМЗ при розробці низьконапірного видалення окалини на станах 2000 і 2500 НЛМК ,а також на стані 2800 Ал.МК.
Результати роботи впроваджені на станах 2000 НЛМК і 2800 Ал.МК. Економічний ефект від упровадження нових технологічних розробок оцінюється в 1 млн.крб. ( у цінах до 1990 р.), пайова частка 100 тис.крб.
Особистий внесок здобувача. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автору належить розробка математичних моделей процесу гідроочистки, участь у проведенні дослідів, аналіз і узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень, розробка принципово нових засобів гідроочистки і участь у впровадженні їх у виробництво.
Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на Всесоюзному науково-технічному семінарі з питань проектування стану гарячої прокатки 2500 НЛМК, м. Ліпецьк, 1987 р.; технічній нараді з питань реконструкції й удосконалення гідроочистки пічної окалини на стані 2800, м. Краматорськ і м. Алчевськ, 1989 та 1991р.р.; міжнародній конференції “Металургійне, прокатне й ковальсько-пресове устаткування виробництва ЗАТ НКМЗ. Перспективи розвитку”, 27-28 березня 1996 року, м. Краматорськ; науково-технічних семінарах кафедр АВП, МТО, АММ ДДМА.
Публікації. Основний зміст дисертації опублікований в 26 друкованих працях, в тому числі в 6 фахових виданнях і 13 авторських свідоцтвах на винахід.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків. Вона викладена на 135 стор. друкарського тексту, містить 50 рисунків, 5 таблиць; список використаних джерел з 84 найменувань; а також 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, приведена характеристика, її спрямованість і наукова новизна. Сформульована мета дослідження та основні положення роботи.

СТАН ПИТАННЯ Й ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДОСЛІДЖЕННЯ

Аналіз наявних матеріалів показав, що сучасні гідравлічні установки високого тиску базуються по суті на досвідних даних і не забезпечують необхідної якості поверхні прокату, а витрати на гідроочистку досягають великих розмірів.
Для з’ясування причин незадовільної гідроочистки автори численних праць вимірювали тиск у зоні удару струменя, величина якого виявилася значно нижчою відносно тиску витікання води. На цій основі були зроблені висновки, які не узгоджуються із законами гідродинаміки однорідної рідини і, отже, не дозволяють теоретично обгрунтовано вибрати робочі параметри води.
У працях В.І.Зюзіна, М.Д.Залєсова й С.Є.Короткової розглядаються термічні напруги, під впливом яких окалина відділяється від металевої основи. Однак при побудові теоретичних залежностей приймався фіктивний закон розподілення температури по товщині окалини, що виключає можливість зв’язати задачі термопружності, теплопровідності й конвекційного теплообміну. Сумісне рішення цих задач дозволить установити раціональний режим охолодження окалини й визначити основні параметри процесу гідроочистки.
Ефективність відділення окалини залежить від інтенсивності теплообміну між її поверхнею та натікаючим потоком. У теоріях пограничного шару й конвекційного теплообміну розглядаються переважно безмежні потоки й відсутні положення, які дозволяють визначити течію та тепловіддачу в умовах натікання на заготовку обмежених струменевих потоків. Вирішення цієї проблеми дає можливість установити раціональну витрату охолоджувача й вибрати найбільш раціональний спосіб його подачі на заготовку.
Узагальнене вирішення комплексу цих та інших питань дозволить розробити методику інженерного розрахунку основних параметрів процесу гідроочистки і впровадити у виробництво низьконапірне гідровидалення окалини.
ТЕОРИТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ГІДРАВЛІЧНОЇ
ОЧИСТКИ МЕТАЛУ ВІД ОКАЛИНИ
Розглянуто напружений стан окалини при довільному законі однобічного охолодження. Внаслідок цього одержані зсувні й відривні термічні напруги, під впливом яких окалина відділяється від металевої основи. Установлено, що максимальні зсувні напруги залежать від площі А, яка обмежена кривою розподілення перепаду температури ,

,
(1)

а максимальні відривні напруги – від статичного моменту цієї площі

,
(2)

де й – товщина окалини й поперечна координата;

й – коефіцієнт лінійного розширення й модуль пружності матеріалу окалини;

й – коефіцієнти в залежності від товщини й пружних констант окалини ( й ).

Якщо відомі товщина й міцність зчеплення окалини з металом, на основі (1) і (2) можна визначити необхідний закон розподілення температури.
Методом операційного обчислювання досліджені температурні поля, які поширюються в глибину окалини при різній інтенсивності подачі охолоджувача. Виявлено оптимальний режим охолодження, що виникає в момент, коли фронт температурних збурень поширюється на всю товщину окалини, а необхідні для її відділення критичні напруги досягаються при мінімальній інтенсивності теплообміну. Враховуючи це, одержали час процесу гідроочистки (або довжину зони охолодження ), де – коефіцієнт температуропровідності окалини; – швидкість металу. В кінці періоду в окалині виникає поле відносної температури, для якого одержана наступна залежність:

(3)

де й – температури металу й охолоджувача;
– змінна по товщині окалини температура;
; – критерій Біо;
– коефіцієнт тепловіддачі;
– коефіцієнт теплопровідності окалини.

Аналіз співвідношень (1), (2) і (3) показує, що єдиним параметром, яким можна варіювати в процесі гідроочистки, є критерій (коефіцієнт тепловіддачі ). На рис. 1 побудували графіки залежності від безрозмірних й , на основі яких можна вибрати необхідний коефіцієнт тепловіддачі .
Аналіз показує, що при й прямують до граничних величин й . З урахуванням цього на підставі (1) і (2) одержали граничні зсувні й відривні напруги, які були значно вище міцності щеплення окалини з металом, що підтверджує можливість використання для гідрочистки термічного ефекту.
Зсув окалини настає значно раніше відриву і розрахунок процесу гідроочистки можна виконати на підставі зсувних напруг.
Таким чином, у результаті сумісного рішення задач термопружності й теплопередачі установлені основні параметри процесу відділення окалини і . Обидва параметри є основними при виборі найбільш раціонального способу подачі охолоджувача на поверхню заготовки та розрахунку його витрати й робочого тиску.
Традиційним способом гідроочистки є подача віялоподібних струменів, витікаючих через сопла під великим тиском (10…30 МПа). Вимірювання багатьох дослідників показали, що з віддаленням від сопла тиск на окалину зменшується відповідно квадратичному закону. Це явище пояснюють різким падінням швидкості струменю, хоч виміряний імпульс уздовж потоку практично залишався незмінним. Для повного розуміння процесів розвитку струменю та його впливу на гідроочистку побудували двофазну модель, яка грунтується на змішуванні води з оточуючим повітрям. На базі збереження імпульсу та результатів вимірювання розширення струменю одержані математичні залежності, які дозволяють вияснити характерні особливості двофазного потоку.
У випадку витікання води через традиційне сопло під тиском 11 МПа установлено, що: різке розширення струменя породжує величезну концентрацію ежекційного повітря й надто малу густину суміші ( = 5,8…18,5 кг/м3); з віддаленням від сопла витрата суміші зростає за рахунок ежекційного повітря; низький тиск на окалину обумовлений зменшенням густини суміші, а не падінням швидкості, яка фактично зменшується на 5…17%; тиск удару 0,048…0,264 МПа в десятки разів нижче межі міцності відриву окалини й свідчить про незначний рівень механічного ефекту; переважаючою об’ємною фазою суміші є повітря, яке знижує тепловий ефект; робоча ділянка струменя може супроводжуватися надзвуковою швидкістю, що ускладнює тепловіддачу.
Таким чином, підвищення ефективності роботи традиційної гідроочистки можна досягти шляхом зменшення концентрації ежекційного повітря. Для цього необхідно підвищувати робочий тиск, або зменшувати відстань від сопла до поверхні заготовки. Однак в результаті цього зростають витрати електроенергії на гідроочистку.
Досліджені течія та тепловіддача при натіканні на заготовку плоскопаралельних та вісесиметричних струменів низького тиску, які не змішуються з оточуючим повітрям. Процеси течії та тепловіддачі при взаємодії струменів з твердою поверхнею складні та маловивчені. На рис. 2 запропонована спрощена модель обтікання заготовки вісесиметричним струменем, яку умовно можна розділити на три зони: зону розвороту 1, зону розвинення турбулентного пограничного шару 2 та зону сповільненої течії 3. Ураховуючи надто малу протяжність зони розвороту, впливом її на процес охолодження можна знехтувати й припустити, що розвинення турбулентного пограничного шару починається від критичної точки О.
Методом інтегральних співвідношень пограничного шару та аналогії Рейнольдса одержані математичні залежності, які дозволяють розрахувати як плоскопаралельний, так і вісесиметричний струмінь. На рис.3 представлене число Нуссельта в залежності від співвідношення r/d при (див. рис. 2), де числа Рейнольдса і Нуссельта віднесені до діаметра сопла , а коефіцієнт залежить від температури поверхні та фізичних властивостей охолоджувача.
Ліва крива відображає тепловіддачу в зоні розвинення пограничного шару. Границя цієї зони й середнє число Нуссельта витікають із одержаних співвідношень й , на основі яких можна розрахувати робочий тиск і витрату сопла, крок сопел та їх число.
Розроблений принципово новий засіб гідроочистки шляхом подачі охолоджувача низького тиску в канал між поверхнями пружно підтиснутого сопла 1 та заготовки 2, рис. 4. Враховуючи гідравлічний опір проточної частини сопла й каналу, одержали математичні залежності течії та тепловіддачі, які відрізняються від традиційних уявлень течій у плоских каналах. На рис. 5 представлені коефіцієнт тепловіддачі й тиск на окалину в залежності від товщини шару охолоджувача при робочому тиску . Як бачимо, коефіцієнт тепловіддачі має максимум. Визначена раціональна товщина шару охолоджувача й розроблені методи її стабілізації в процесі гідроочистки шляхом вимірювання тиску в каналі та регулювання зусилля підтиснення сопла .
Розроблена математична модель процесу охолодження металу через шар окалини, на базі якої з урахуванням результатів дослідження тепловіддачі виявлено різке остигання зчепленого з окалиною шару металу не на повітрі, а поблизу гідравлічної установки, де на поверхні заготовки виникає пристінний струмінь відпрацьованого охолоджувача, що знижує термічний ефект у зоні обробки. Одержані математичні залежності раціонального вибору місця установлення засобів усунення впливу відпрацьованого охолоджувача при різних способах його подачі на поверхню заготовки.
Крім підвищення якості поверхні металу низьконапірна гідроочистка може бути використана й для стабілізації вихідних температур нагріву, а отже, і для зниження поздовжньої та поперечної різнотовщинності металопрокату.
Визначили відношення номінальної і реальної сил прокатки в залежності від номінальної і реальної температур

,
(4)

де – коефіцієнт тепловіддачі;
і – довжина і висота заготовки;
і CМ – густина і теплоємкість металу;
– швидкість заготовки в зоні дії струменів гідроочистки;
c – степеневий показник у формулі Андреюка Л.В., який характеризує вплив температури на величину опору деформації даного металу або сплаву.
В кінці періоду охолодження температура металу повинна забезпечувати P/Pp=1. Ураховуючи це, одержали необхідну швидкість металу в залежності від температури нагріву .
.
(5)
Таким чином, для регулювання температурного режиму прокатки необхідно вимірювати температуру металу перед входом у зону дії гідроочистки. Підстановка цієї температури в останнє рівняння дає можливість визначити швидкість транспортного рольгангу , яка забезпечує сталість температури Тп та її відповідність заданій величині Т.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ
ГІДРАВЛІЧНОЇ ОЧИСТКИ МЕТАЛУ ВІД ОКАЛИНИ
Вимірювання параметрів віялоподібних струменів (форми й розмірів, сили й тиску удару) підтвердили основні положення, прийняті при побудові двофазної моделі струменя. Експериментальні точки тиску в зоні удару струменя задовільно узгоджуються з теоретичними залежностями двофазного потоку.
Дослідження тепловіддачі проведено по відомій методиці, заснованій на вимірі кількості тепла, виділеного протікаючим по провіднику електричним струмом. Результати вимірювання коефіцієнтів тепловіддачі підтверджують справедливість теоретичних залежностей, одержаних при натіканні як плоскопаралельного, так і вісесиметричного струменів (див. рис. 3), а також при течії в плоскому каналі (див. рис. 5).
Для вивчення процесу відділення окалини експериментальне сопло 1 підтискували до поверхні зразка 2 із зусиллям пневмоциліндру (див. рис. 4). Підтримуючи тиск постійним та регулюючи зусилля , реєстрували тиск на окалину й товщину шару охолоджувача . Коефіцієнт тепловіддачі визначали в залежності від тиску (див. рис. 5), товщину окалини вимірювали після її відділення. Якість очистки оцінювали візуально. Результати дослідження при р0=0,5 МПа й =0,8 мм приведені на рис. 5, де штрихуванням відмічена зона ефективної гідроочистки. Як видно, повне відділення окалини спостерігається поблизу максимуму тепловіддачі. Зі збільшенням р>0,25 МПа 

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020