автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Исследование и совершенствование процесса и установок абразивно-порошковой очистки листового проката от окалины

& * ^ / - ^

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Череповецкий государственный университет

На правах рукописи

РУМЯНЦЕВ Вадим Владимирович

УДК 621.771.23.016.2.023

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА И УСТАНОВОК АБРАЗИВНО-ПОРОШКОВОЙ ОЧИСТКИ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ОТ ОКАЛИНЫ

Специальность 05.04.04 - Машины и агрегаты металлургического

производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

В в е д е н и е.......................................... 5

Глава 1. Проблема создания экологически чистых процессов удаления окалины с поверхности горячекатаного листового проката и установок для их реализации. 9

1.1. Аналитический обзор существующих технологий очистки от окалины горячекатаного листового проката ........................... ............. 9

1.2. Принцип действия и основные параметры процесса абразивно-порошковой очистки листового проката

от окалины..................................... 23

1.3. Промышленная реализация АПО-процесса листового проката (установки вертикального типа циклического действия) ......................... 26

1.3.1. Трехмодульный опытно-промышленный агрегат

АПО горячекатаных полос от окалины ......... 27

1.3.2. Конструкция модуля АПО ..................... 30

1.3.3. Изменения конструкции модуля АПО ........... 33

1.4. Промышленные исследования АПО-процесса на трехмодульном опытно-промышленном агрегате ..... 36

Выводы по главе 1 ..................................... 41

Глава 2. Математическое моделирование процесса АПО

листового проката ............................... 44

2.1. Обзор методик расчета параметров процесса АПО... 44

2.2. Построение математической модели напряженного состояния порошка применительно к установкам АПО с непрерывным режимом циркуляции порошка и с параллельным направлением давления

нагнетания и движения проката.................. 59

2.2.1. Граничные условия......................... 62

2.2.2. Решение краевой задачи для напряжений ...... 63

2.2.3. Анализ результатов моделирования ........... 66

2.3. Построение математической модели АПО-процесса

применительно к установкам с непрерывным режимом циркуляции порошка и с перпендикулярным к направлению движения проката давлением нагнетания порошка ............................ 76

2.3.1. Граничные условия задачи ................... 77

2.3.2. Напряженное состояние порошка .............. 80

2.3.3. Поля скоростей порошка ..................... 84

2.3.4. Анализ полученных теоретических зависимостей ............................... 92

Выводы по главе 2 .................................... 99

Глава 3. Экспериментальные исследования процесса АПО

листового проката на лабораторной установке ---- 103

3.1. Цели и задачи исследования .................... 103

3.2. Описание лабораторной установки ............... 105

3.3. Экспериментальная проверка математической

модели процесса АПО листового проката ......... 111

3.4. Методика и результаты проверки эффективности применения перпендикулярной и непрерывной схемы нагнетания порошка ............................ 115

3.5. Методика и результаты исследований эффективности абразивных порошков ............. 121

Выводы по главе 3.................................... 126

Глава 4. Совершенствование конструкций установок АПО

листового проката ..............................128

- 4 -

4.1. Разработка технических решений по

совершенствованию конструкции установок АПО листового проката ............................. 128

4. 2. Реализация разработанных технических решений в действующей модели промышленного модуля АПО горячекатаных стальных полос .................. 137

4.3. Методика проведения экспериментов на действующей модели промышленного модуля АПО ............... 147

4.4. Экспериментальные исследования процесса очистки на действующей модели промышленного модуля АПО горячекатаных стальных полос .................. 152

Выводы по главе 4 ................................... 160

Заключение (общие выводы) ...... 163

Л и т е р а т у р а .................................... 166

Приложения .................................... 175

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА СОЗДАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ПРОЦЕССОВ УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ С ПОВЕРХНОСТИ ГОРЯЧЕКАТАНОГО ЛИСТОВОГО ПРОКАТА И УСТАНОВОК ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

1.1. Аналитический обзор существующих технологий очистки от окалины горячекатаного листового проката.

Образующаяся при горячей прокатке и последующем охлаждении окалина затрудняет или делает невозможными дальнейшие операции: холодную прокатку, штамповку, прессование, нанесение различных покрытий на поверхность металла. В связи с этим очистка горячекатаного листового проката от окалины является обязательной технологической операцией. Для решения этой задачи в состав оборудования цехов холодной прокатки листовой стали входят устройства, в которых осуществляется удаление окалины с поверхности горячекатаной полосы.

Способы удаления окалины с поверхности металла достаточно многочисленны. Их можно классифицировать по характеру воздействия на очищаемый листовой прокат. Классификация способов удаления окалины представлена на рис.1.1.

В прокатном производстве наибольшее распространение получили технологии, в которых используются химические и механические способы очистки.

Химическое травление - традиционная технология удаления окалины с поверхности горячекатаного металла. Для травления горячекатаных рулонов из малоуглеродистых и углеродистых сталей наибольшее распространение получили водные растворы серной кислоты Н2304.

i. i. Классификация способов удаления окалины с поверхности листового проката.

Травление производится в непрерывных травильных агрегатах, большей частью горизонтального типа. В качестве химически активного вещества используется 20...22% раствор серной кислоты при температуре 90...95 градусов.

Использование при травлении горячекатаного металла соляной кислоты НС1 имеет, по сравнению с серной кислотой, ряд выявленных на практике преимуществ:

- лучшее качество поверхности проката после травления,

- уменьшение потерь металла при травлении на 25%,

- меньшая стоимость соляной кислоты по сравнению с серной,

- повышение интенсивности растворения окалины в 1,6...2 раза,

- увеличение скорости прохождения полосы через травильную ванну в 1,5... 2 раза.

Однако солянокислотное травление требует примерно в 3 раза больших, чем при сернокислотном, капитальных вложений и затрат на содержание основного и вспомогательного оборудования, энергию и материалы, в результате чего себестоимость процесса оказывается в 1,5...3 раза выше, чем при использовании серной кислоты.

Для удаления окалины с поверхности полос из легированных и нержавеющих сталей неэффективно применение ни соляной, ни серной кислоты: для этой цели используются смеси кислот, включающие азотную Ш03, а также соли (селитра, поваренная соль и т.д.). Скорость травления при использовании такой технологии значительно (в 2..3 раза) ниже по сравнению с сернокислотным травлением, а затраты резко увеличиваются.

Травление полос из коррозионностойких сталей осуществля-

ется с использованием в качестве химически активного вещества расплава щелочи, дополняющего действие раствора кислоты. При щелочно-кислотном травлении листовой прокат проходит сначала через ванну с расплавом щелочи и селитры, нагретым до 400... 500 градусов, а затем дотравливается в кислотных ваннах.

С целью интенсификации процесса травления применяют активное перемешивание травильного раствора (например, ультразвуком), сообщают полосе принудительную вибрацию, используют технологию турбулентного травления [1] и так далее.

В настоящее время широко применяют электрохимическое травление [2] в кислотных растворах и щелочных расплавах примерно того же состава, что и для химического травления. В зависимости от того, какую роль выполняет очищаемая полоса, различают анодное, катодное или бесконтактное анодно-катодное электрохимическое травление (в последнем случае полоса проходит между несколькими парами электродов с переменной полярностью). При кислотном электрохимическом травлении в результате электролиза на отрицательно заряженном участке полосы выделяется водород, на положительном - кислород. Выделяющиеся газы разрыхляют и отрывают окалину и переводят оксиды железа в более растворимое соединение. В последние годы в технологию электрохимического травления внесен ряд усовершенствований, среди которых следует отметить бесконтактное травление в нейтральном электролите, представляющем собой водный раствор сульфата натрия Ыа2304 концентрации до 20%. В результате процессов, происходящих на поверхности полосы при использовании этого раствора, окалина удаляется и переходит в электролит в виде гидрата окиси железа, который затем выде-

ляется при очистке раствора в фильтрах или центрифугах. Электрохимическое травление протекает гораздо интенсивнее традиционного травления (время травления уменьшается в 3...5 раз), потери металла снижаются примерно в 2...3 раза, при осуществлении этой технологии не требуется сложных сооружений для обезвреживания сточных вод, затраты на травление меньше, чем при других химических способах очистки.

Большинство технологий, связанных с травлением, не обеспечивают экологическую безопасность производства, требуют установки систем для улавливания, нейтрализации и регенерации вредных отходов травильных отделений, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду и пагубно влияющих на здоровье обслуживающего персонала. Пары кислот, выделяемые с поверхности травильных ванн, приводят к коррозии и разрушению не только основного оборудования, но и подъемно-транспортных машин и механизмов, а также строительных конструкций зданий. Разработка и эксплуатация современных агрегатов травления, безопасных с точки зрения экологии, (например, непрерывных травильных агрегатов, использующих для очистки соляную кислоту), связана со значительными материальными и финансовыми затратами.

Другой химический способ удаления окалины заключается в восстановлении металла при его нагреве в восстановительной атмосфере [2,3]. Часто в качестве восстановительной атмосферы применяют хлористо-водородный газ или водород. В результате указанных процессов оксиды переходят в легко удаляемые соединения. Этот способ целесообразно применять для удаления тонкого слоя оксидов, что и осуществляется в агрегатах для нанесения покрытий. Преимуществами указанного способа являют-

ся: возможность совмещения травления и термообработки, отсутствие травильной хрупкости и исключение операции обезжиривания и очистки перед нанесением покрытия; к недостаткам можно отнести значительные энергетические затраты.

Помимо описанных способов удаления окалины с поверхности листового проката, применяются в промышленности и разрабатываются технологии, использующие механические, физические и физико-химические воздействия на очищаемый прокат.

Гидросбив окалины [4] осуществляется следующим образом: на прокатываемый металл под давлением подается вода, значительная часть ее сразу же отскакивает от металла. Вместе с отлетающей водой захватывается и отломанная ею окалина. В значительной степени окалина удаляется за счет чисто механического отслаивания ее под воздействием силы, возникающей при падении струи на прокатываемый металл. Для повышения эффективности коробления окалины струя воды должна быть тонкой, обеспечивая резкое, а не постепенное охлаждение. При этом решающее значение имеет форма создаваемой соплом струи и удельное давление ее при падении. Данный способ реализуем только в том случае, когда обработка осуществляется сразу же после выхода проката из рабочей клети.

Технология очистки проката с помощью изгиба [5] основана на использовании различия в механических свойствах окалины и основного металла: при пластической деформации металла, вызываемой местным изгибом полосы, на более хрупкой окалине возникают трещины, которые способствуют отслаиванию и опаданию окалины. Способ очистки изгибом высокопроизводителен, полностью механизирован, осуществляется в технологическом потоке. В качестве недостатков этого способа отмечается следую-

щее: при содержании в металле свыше 0,4% углерода невозможно получить удовлетворительное качество очистки; в процессе деформации металл подвергается некоторому упрочнению.

В последнее время на металлургических предприятиях все чаще используют правку с растяжением [6...8]. Эта тенденция обусловлена следующими причинами:

- при правке растяжением (при удлинении примерно на 0,7%) обеспечивается, кроме ломки окалины, значительное уменьшение неплоскостности подката, облегчается прохождение полосы по технологической линии, повышается качество полосы;

- при правке растяжением наблюдается меньшая нагартовка полосы, что облегчает условия холодной прокатки.

Данный способ не позволяет полностью удалить окалину с поверхности листового проката, поэтому он применяется только в сочетании с другими технологическими операциями очистки для предварительного разрушения слоя окалины.

Удаление окалины обжатием очищаемой полосы осуществляется за счет того, что полоса пропускается через встречно вращающиеся по отношению к направлению движения проката валки, установленные с раствором, равным толщине проката [9]. Взрыхляемая валками окалина отбрасывается под струи гидросмыва, который охлаждает ее и удаляет с полосы на боковую сторону рольганга. При этом исключается возможность попадания окалины в валки .и ее вкатывание в поверхность полосы. Проходя в результате инерции разгона через встречно вращающиеся валки, полоса постепенно тормозится и далее плавно входит в следующую клеть стана, создающую тянущее усилие. Данный способ не позволяет удалять окалину, образовавшуюся по выходу проката из последней клети стана.

- 16 -

Дробеструйная очистка [5] проката от окалины заключается в том, что на поверхность металла под действием струи сжатого воздуха через сопло подается поток дроби. При соударении дроби с металлом происходит разрушение окалины и ее удаление. Данный способ связан со значительным расходом энергии для сообщения потоку дроби заданной скорости.

Дробеметная очистка [2,5] заключается в том, что подаваемая с высокой скоростью при помощи турбинки с метательными лопастями дробь разрушает и сбивает окалину с поверхности полосы. Такая технология позволяет очищать листы толщиной до 50 мм, шириной до 4000 мм и длиной до 14000 мм со скоростью от 0,5 до 6 м/мин. Дробеметная очистка требует изготовления специального дорогостоящего оборудования.

При дробеструйной и дробеметной очистке наблюдается значительный износ оборудования, кроме того, в процессе очистки металл наклёпывается и может быть травмирован (вмятины на поверхности полосы), загрязнен частицами дроби.

В щеточном способе очистки от окалины в качестве инструмента, взаимодействующего с прокатом, используются ролики щеточного типа [10]. Технология очистки такова: зачистные элементы щетки прижимаются к поверхности очищаемой полосы, из источника жидкости высокого давления через сопло на зачистные элементы подается жидкость, при этом щетка начинает вращаться. При протягивании проката окалина с поверхности полосы срезается зачистными элементами и струями воды из сопла, соединенного с источником жидкости высокого давления, сбивается как с поверхности металла, так и с поверхности зачистных элементов, предотвращая их засаливание.

В нашей стране разработан способ зачистки поверхности

иглофрезами - круглыми щетками, набранными из прямых отрезков проволоки или пластинок [2]. Самозатачивающиеся иглофрезы могут удалять за один проход слой металла от 0,002 до 5 мм по всей ширине проката. Промышленная эксплуатация иглофрез показала их большую долговечность, высокий класс чистоты получаемой поверхности.

Недостатками щеточного и иглофрезерного способов являются повышенный расход металла, низкая производительность, большие удельные давления инструмента и его загрязнение продуктами очистки, значительные трудности при очистке широких полос.

При очистке резанием окалина удаляется резцом, свободно установленным на оси, прижимаемым к поверхности проката режущей кромкой под углом к направлению подачи [11]. Для реализации этого .способа необходимо изготовление специального оборудования, очистку широких полос осуществить таким способом затруднительно.

Шлифование при помощи кругов [12] обычно применяется перед травлением. Использование кругов связано с большими энергозатратами, габаритные размеры кругов ограничены.

Гидроабразивная очистка [13,14] осуществляется следующим образом: на поверхность проката подают струю жидкости высокого давления через плоское сопло, расположенное под определенным углом, через другое сопло в струю жидкости вводят струю абразивного шлама. Абразивные частицы сдирают окалину и вместе с ней смываются жидкостью.

Реализация данного способа связана с дополнительными энергетическими затратами на создание высокого давления жидкости, наблюдается