автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование и совершенствование процесса ускоренного охлаждения проката в линии сортовых станов

На правах рукописи

ии^иЬ4Б81

Киркин Дмитрий Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОКАТА В ЛИНИИ СОРТОВЫХ

СТАНОВ

Специальность 05.14 04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец-2007

003064681

Работа выполнена в Череповецком государственном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Калягин Юрий Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Осипов Юрий Романович

- кандидат технических наук

Окунева Татьяна Александровна

Ведущее предприятие - ОАО ССМ «Тяжмаш», г. Череповец

Защита диссертации состоится АиреЛЛ2007 г в часов на заседании диссертационного совета Д 212 297 01 в Череповецком государственном университете по адресу 162600, г Череповец Вологодской обл., пр Луначарского, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Череповецкого государственного университета

Автореферат разослан и>сд£>ТС( 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Никонова Е Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Выход на мировой уровень российской металлопродукции и жесткая конкурентная борьба требуют производства высококачественного проката Большинство европейских стандартов устанавливает статические показатели качества, обеспечение которых характеризует долговременный уровень стабильности качества проката конкретного производителя

В настоящее время строительная отрасль России переходит на арматуру нового класса прочности (А500С) с узким заданным диапазоном механических характеристик проката Для увеличения срока службы арматуры необходимо совершенствовать технологию ее производства, так как возврата арматурной стали в металлофонд страны практически не происходит. Основным недостатком существующей технологии ускоренного охлаждения продукции нового вида является её эмпирический характер, когда положительного результата достигают методом проб и ошибок Такое положение можно преодолеть созданием математических имитационных моделей, позволяющих прогнозировать размеры зон структурно-фазовых превращений и прочностные свойства проката в зависимости от технологических режимов упрочнения

В связи с этим работа, направленная на развитие теории тепловых процессов, протекающих при ускоренном охлаждении сортового проката, с целью совершенствования режимов установок термоупрочнения, получения продукции с гарантированным уровнем прочностных свойств, является актуальной.

Цель работы - исследование и совершенствование процесса ускоренного охлаждения проката в линии сортовых станов

Методы исследований. Работа выполнена на основе комплексных экспериментальных и теоретических исследований с применением численных методов решения дифференциальных уравнений теплообмена с помощью программного обеспечения Microsoft Excel 2003, Microsoft Visual Basic 6 3 SP-3

Научная новизна.

1 Разработана математическая модель технологического процесса ускоренного охлаждения проката в линии сортового стана, учитывающая все "активные" (водяное охлаждение) и "пассивные" (воздушное охлаждение) участки охлаждения линии термоупрочнения и самих охладителей.

2 По разработанной математической модели получены закономерности протекания тепловых процессов при термоупрочнении проката на различных режимах прерывистого охлаждения Предложенная математическая модель протестирована путем сравнения с аналитическим решением задачи охлаждения бесконечного однородного цилиндра при постоянных граничных условиях Ш-ого рода, а также путем ее сопоставления с результатами натурных экспериментов.

3 На основе разработанной математической модели получена функциональная зависимость температурного поля проката на выходе из охладителя от коэффициента теплоотдачи и скорости прокатки

4 Установлена зависимость среднего коэффициента теплоотдачи от относительной скорости движения воды в охладителе, определяемой по расходам воды на охлаждающие форсунки охладителя, при разной скорости прокатки и изменении средней температуры охлаждающей воды

5 Получены экспериментальные зависимости температуры на поверхности арматурного проката после охлаждения в линии ускоренного охлаждения от расходов воды на форсунки охладителей

Практическая ценность.

1 На языке программирования MS Visual Basic 6 3 разработана программа расчета теплового процесса ускоренного охлаждения сортового проката, реализующая сквозной тепловой просчет всех охладителей линии и участков отдыха между охладителями,

2. В программной среде разработки смоделированы режимы ускоренного охлаждения арматурного проката и рассчитаны для термоупрочнения требуемые расходы охлаждающей воды на форсунки охладителей, являющиеся базовыми настройками линии

3. Разработана методика проведения экспериментов по настройке охладителей линии ускоренного охлаждения проката на требуемый теплосъем с учетом влияния гидродинамики движения жидкости на теплообмен при охлаждении проката

4. Впервые разработан и внедрен экспериментальный стенд для настройки охлаждающей секции стана 150 согласно разработанной методике проведения экспериментов по п 3

5 Разработанные по п п 1,2 способы теплового и гидравлического расчета охладителей и внедренный по п 4 стенд настройки позволили снизить количество дефектов сортового проката, связанных с недостатками системы регулирования его температуры в линии стана 150

6 На основе математического моделирования разработана усовершенствованная схема ускоренного охлаждения на стане 350, реализующая траекторию охлаждения арматурного проката № 25 - № 40 с минимальной температурной неоднородностью для уменьшения количества дефектов в виде трещин и пустот по сечению профиля Экспериментальная проверка и опробование усовершенствованной технологии охлаждения при испытаниях установки термоупрочнения на стане 350 дали положительный результат

7 Разработана усовершенствованная система регулирования ускоренного охлаждения проката на стане 350

Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли проверку в промышленных условиях при наладке режимов ускоренного охлаждения на станах 150 и 350 сортопрокатного цеха (СПЦ) ОАО «Северсталь», рекомендованы к внедрению в этом цехе, а также могут быть использованы организациями, занимающимися проектированием и разработкой технологических режимов и систем регулирования ускоренного охлаждения сортового проката

Практическая ценность и перспективность разработок подтверждены актами промышленных испытаний и опробований, приведенными в приложении

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 4-й Международной научно-технической конференции «Инфотех-2004» «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (Череповец 2004 г.), на VI Межвузовской конференции молодых ученых (Череповец 2005 г), на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда 2005 г ), на конференции «XXV Российская школа по проблеме науки и технологии» (Екатеринбург 2005 г ), на «XXXIII конференции молодых специалистов» (Череповец, ЧВИИРЭ, 2005 г ), на 5-й Международной научно-технической конференции "Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства", на 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда 2006 г), на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда 2006 г ), на Международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк 2006 г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений Общий объем работы 184 страницы машинописного текста, включает в себя 68 рисунков, 11 таблиц и список литературы, состоящий из 114 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и сформулирована ее цель, описаны методы исследований и приведена характеристика структуры диссертации.

В первой главе выполнен критический анализ состояния вопроса ускоренного охлаждения сортового проката на примере исследуемых в диссертационной работе установок ускоренного охлаждения стана 150 и стана 350 СПЦ ОАО «Северсталь». В результате анализа установлено, что

1 Установка термоупрочнения (УТУ) на стане 350 находится в процессе проектирования и внедрения, технология не отработана и не проверена на практике, следовательно, для разработки усовершенствованной технологии ускоренного охлаждения проката требуются научные исследования, проработки и расчеты Существующие научные разработки в данном направлении ориентированы на определенные установки термического упрочнения для узкого сортамента, поэтому неприменимы для рассматриваемой УТУ стана 350

2 Существующая технология ускоренного охлаждения проката в линии стана 150 не удовлетворяет требованиям современной тенденции к стабильности и качеству сортового проката Регулирование общим клапаном расхода воды на три охладителя в линии ускоренного охлаждения, а также измерение расхода воды в общем коллекторе не позволяет осуществлять равномерный теплосъем на охладителях В литературе не отражены технические решения по совершенствованию методов настройки охладителей при таких условиях

3 Регулирование процесса охлаждения проката в линии станов 150, 350 на основании замеров температуры металла в конце прокатки и после завершения ускоренного водяного охлаждения характеризуется малой точностью и небольшой эффективностью, т к пирометр осуществляет измерение только температуры поверхности металла. Реализация требуемых траекторий охлаждения с возможностью минимизации температурной неоднородности проката требует математического моделирования процесса ускоренного охлаждения.

4. Ввиду недостатков технологии ускоренного охлаждения на исследуемых объектах возникают дефекты проката, такие как трещины, разброс механических свойств по длине проката, наличие в микроструктуре металла единичных участков структуры подкалки

С учетом результатов анализа выявленной проблематики сформулированы задачи исследования

1. Разработать математическую модель тепловых процессов ускоренного охлаждения готового проката со сквозным просчетом всех охладителей и участков отдыха проката установки термоупрочнения сортового стана Рассчитать для использования в математической модели тепловые мощности охлаждающих секций

2 Смоделировать и исследовать на математической модели режимы ускоренного охлаждения арматурного проката класса прочности А500С. Расчетный анализ динамики изменения температурного состояния по сечению арматуры при ускоренном охлаждении представить в графическом виде с разверткой по времени.

3 Разработать усовершенствованную схему ускоренного охлаждения, реализующую траекторию охлаждения с минимальной температурной неоднородностью проката, что позволит получать продукцию требуемого качества

4 Разработать техническое предложение по совершенствованию и модернизации системы регулирования ускоренного охлаждения готового проката.

5 Исследовать теплообмен в охладителях и разработать методику их теплового и гидравлического расчета при ускоренном охлаждении сортового проката.

6. Разработать экспериментальный стенд для настройки охлаждающей секции согласно разработанным методикам теплового и гидравлического расчета охладителей

Во второй главе сформулированы и раскрыты основные этапы разработки усовершенствованной технологии ускоренного охлаждения арматурного проката класса прочности А500С с комплексным контролем теплосъема и его регулированием с высокой точностью

Для разработки усовершенствованной технологии требуется детальное исследование процесса термоупрочнения арматурного проката, для чего необходима математическая модель технологического процесса ускоренного охлаждения сортового проката (заготовки), которая является задачей нестационарной теплопроводности.

Поскольку в рассматриваемом случае заготовка имеет форму цилиндра (см рис 1) и ее движение происходит в направлении своей оси, температурное поле

удобно искать в цилиндрической системе координат г = <р,г,т)> где г - радиус, <р - азимутальный угол, г - координата, отсчитываемая вдоль оси цилиндра, т - время.

Рис 1 Расчетная схема участка ускоренного охлаждения арматуры а) вертикальный разрез, б) поперечное сечение, 1 - охлаждаемая арматура; 2 - кольцевой зазор с водой, 3 - часть корпуса охладителя; <оарм - скорость прокатки арматуры, м/с, сож - скорость течения жидкости (воды) в охладителе, м/с, Ь, - длина активной части охладителя с номером г, м

Дифференциальное уравнение, описывающее температурное поле круглой заготовки в цилиндрических координатах, имеет вид

со

дг2 г дг

О <г<г0, 0<г<Ь,

(1)

где со - скорость перемещения заготовки вдоль оси 2 ш = , а - коэффициент

температуропроводности стали, м2/с, г0 ~ радиус круглой заготовки, Ь — общая длина участка ускоренного охлаждения, включающего все зоны с водяным и воздушным охлаждением

Начальное условие для температурного поля заготовки имеет вид.

где /о — температура заготовки на входе в участок ускоренного охлаждения

Таким образом, температурное поле заготовки становится функцией двух переменных г иг ¡ = причем время нахождения заготовки в участке ох-

лаждения т связано с координатой г при стационарной скорости перемещения заготовки соотношением т = г/со, с помощью которого температурное поле заготовки можно представлять в виде функции от радиуса г и времени т.

На оси заготовки (г = 0) принимается следующее граничное условие (условие симметрии)

8г

= 0, 0 <г<1

(3)

г=О

На поверхности заготовки (г = г0) граничное условие задается в зависимости от типа зоны охлаждения

Граничное условие третьего рода в зонах с водяным охлаждением согласно законам Ньютона-Рихмана, Фурье и сохранения энергии имеет вид

д((г,г)

дг

(4)

где X - коэффициент теплопроводности стали, Вт/м°С, а; - средний коэффициент теплоотдачи в зоне с водяным охлаждением с номером г, Вт/м2оС, , г]-

координаты начала и конца г-ой зоны с водяным охлаждением, А -Пг Л-

температура поверхности заготовки на отметке г охладителя, °С, („ - средняя температура охлаждающей воды, °С,

При охлаждении заготовки на воздухе (отдых заготовки между секциями охладителей) теплообмен определяется законом Стефана-Больцмана

-X

дг

= С„-е.,

;(г0,г)+273

л4

100

(5)

где С0 ~ 5,67 Вт/(м К ) - коэффициент излучения абсолютно черного тела, ем = 0,8 - степень черноты поверхности стальной заготовки, координаты

начала и конца /- й зоны с воздушным охлаждением

Предложенная математическая модель (уравнения (1) - (5)) процесса ускоренного охлаждения проката в линии сортового стана, учитывающая все "активные" и "пассивные" участки охлаждения линии термоупрочнения и самих охладителей, реализована методом конечных разностей по неявной схеме

Разработанная математическая модель протестирована и установлена ее адекватность путем сравнения с аналитическим решением задачи охлаждения бесконечного однородного цилиндра при постоянных граничных условиях Ш-ого рода. Численное решение задачи охлаждения цилиндрической заготовки имеет преимущества перед аналитическим решением, одно из которых состоит в следующем. Аналитическое решение получено в виде бесконечного ряда, причем слагаемые этого ряда содержат функции Бесселя, также представленные в виде бесконечных рядов При использовании аналитических решений необходимо оставлять лишь несколько первых слагаемых ряда, а остальные отбрасывать, таким образом, аналитическое решение не дает практически точного решения, а трудоемкость вычислений при использовании аналитического решения гораздо больше, чем при численном решении Для математической модели рассчитаны тепловые мощности охладителей Средние коэффициенты конвективной теплоотдачи а, на поверхности арматуры при турбулентном течении в каналах кольцевого поперечного сечения можно рассчитать по известному критериальному уравнению В П Исаченко

Схема материального баланса охлаждающей воды в охладителе стана 350 показана на рис 2

а

в

&

(ли

-7*-1-у-

1-й участок ^ 11-й участок

Ся Ся1+Сш

Рис 2. Схема материального баланса охлаждающей воды для охладителя стана 350

На рис 3 показана зависимость относительной скорости течения воды оа = ш - га от расхода воды на охладитель при разной скорости ш , диаметр заготовки - = 40 мм, внутренний диаметр охладителя - = 65 мм (см рис 1) Скорость течения жидкости для канала кольцевого поперечного сечения можно рассчитать по уравнению = а\! ^экв > где р экв - эквивалентная площадь кольцевого канала, рис 3 видно, что чем больше

0Vm.M/C

сечения м2 Из

Рис 3 Зависимость относительной скорости течения воды (оотн от расхода воды при разной скорости юарм, ¿1=40 мм, й?2=65 мм

----- ,=30*С N

о*с

1.- 20?tt« j.

0 29 5 75 10 125 15 17,5 »„„М/с

Рис 4 Зависимость а от соохн при различной средней температуре охлаждающей воды, с/1=40 мм, ¿4=65 мм

меньше при том же расходе Gx относительная скорость течения воды к>отн вдоль заготовки На рис. 4 показана расчетная зависимость среднего коэффициента теплоотдачи а от соотн в охладителе при различной средней температуре охлаждающей воды Чем выше температура охлаждающей воды, тем больше а при той же {оотн, однако влияние температуры на теплоотдачу не очень сильное С учетом последних расчетных зависимостей и основываясь на исходных данных

и технологических параметрах при прокатке арматурного проката, оценены тепловые мощности охладителей проектируемой установки УТУ стана 350

Третья глава посвящена моделированию и исследованию режимов ускоренного охлаждения арматурного проката класса А500С в линии сортового стана 350 с помощью разработанной математической модели. Процесс ускоренного охлаждения, математически описанный во второй главе, смоделирован при помощи языка программирования MS Visual Basic 6 3с реализацией сквозного просчета всех охладителей и участков отдыха между охладителями

При разработке режимов упрочнения учитывалось, что при охлаждении проката сплошным потоком воды его поверхностные слои должны переохлаждаться ниже точки мартенситного превращения, а среднемассовая температура после охлаждения должна составлять 540 - 580 °С, обеспечивая самоотпуск мартенсита и превращения аустенита в центральных слоях с образованием феррит-но-перлитной структуры

5 „ 10 15

Время, с

температуре поверхности 3 температура в 1^нтре

температура в 14% от поверхности 4 средняя температура

Рис 5. Ускоренное охлаждение арматуры № 40 при требуемых расходах воды число водоохлаждающих секций п-1,

Смоделированы режимы ускоренного охлаждения арматурного проката по

стандартной 1000 п

схеме охлажде-

/ с-. 900

ния (рис. 5), в которой ИСПОЛЬ- 800 зуются все семь р 700 охладителей, рассчитаны термоупрочнения требуемые % расходы охлаж- н дающей воды на форсунки "активных" охладителей, являющиеся базовыми настройками линии

В процессе моделирования стандартная схема охлаждения усовершенствована так, чтобы время отдыха арматуры между охладителями было достаточным для выравнивания температуры по сечению проката с выходом более высокой температуры центральных слоев к поверхности

профиля (см рис 6) Из ана- Рис- 6 Разработанная схема охлаждения

лиза, проведенного по схеме пРокалта Ана с™не 350 <п,ять активных охлади-г ., телеи)' А - активные охлаждающие зоны;

на Рис б иометрических п - "пассивные" зоны УТУ размеров УТУ стана 350 были

сделаны следующие заключения Расстояние "пассивной" зоны между охладителями № 1 и № 2 является достаточным для отдыха проката и значительного уменьшения разницы температуры по сечению, перепад температур между центром и поверхностью проката снижается до ~ 320 °С (стрелка 1 на рис 5)

Зоны отдыха между охладителями № 2 и № 3, № 3 и № 4, № 4 и № 5, № 5 и № 6 являются недостаточными для выравнивания температуры по сечению проката Перепады температур между центром и поверхностью проката после отдыха в этих "пассивных" зонах (стрелки 2, 3, 4, 5, рис 5) имеют большие значе-

со = 9,83 м/с

ния и находятся в диапазоне 550 - 640 °С, что вызывает значительные термические и структурные напряжения

После охладителя № 6 до завершающего термоупрочнение охладителя № 7 зона отдыха обеспечивает минимальную температурную неоднородность проката (стрелка 6 на рис 5).

Исходя из данных раскладок, предлагается схема охлаждения с выключенными охладителями № 3 и № 5, после чего зоны отдыха между охладителями № 2 и № 4, № 4 и № 6 становятся достаточными для выравнивания температуры по сечению проката

Моделированием установлено, что усовершенствованная схема ускоренного охлаждения обеспечивает требуемую температуру самоотпуска для арматурного проката А500С (рис 7)

Из анализа 10ооп изменения тем-

900

пературы для стандартной 800

схемы охлажде- р 700 ния (рис 5) и g для усовершен- ? ствованной

600

г, 10

Время, с

1"— температура поверхности 2 температура в 14% от поверхности

3 — температура « центре 4— средняя температура

схе- § 500 мы (рис. 7), еле- | 400 дует, что темпе- ь ратурная неоднородность арматурного проката № 40 при новых условиях охлаждения стала значительно меньше Максимальный перепад температуры между центром и

поверхностью проката после отдыха в "пассивных" зонах при охлаждении по усовершенствованной схеме равен 440 °С, что на 200 °С меньше максимальной температурной неоднородности проката (640 °С), возникающей при стандартной схеме ускоренного охлаждения

При использовании усовершенствованной схемы ускоренного охлаждения проката снижаются энергозатраты в силу того, что используется меньшее количество "активных" (работающих) охладителей, для которых требуется меньшее количество включенных насосов в линии подачи воды Одновременно с этим уменьшаются затраты на обслуживание и ремонт секций охлаждения

Для реализации требуемых режимов охлаждения, полученных с помощью математической модели, с возможностью минимизации температурной неодно-

Рис 7 Ускоренное охлаждение арматуры № 40 при требуемых расходах воды число водоохлаждающих секций п — 5, т = 9,83 м/с

арм

Коллектор 0 150 мм

1 0 50 мм | 050 мм

1 2

родности для достижения равномерных по сечению и длине проката механических свойств разработана усовершенствованная система регулирования ускоренного охлаждения проката на стане 350

В четвертой главе показаны результаты исследований ускоренного охлаждения в натурных условиях

Для проверки теоретических расчетов, произведенных по разработанной математической модели, и их апробирования на широком спектре промышленных режимов сортопрокатного стана 150 был создан экспериментальный стенд (рис. 8) и разработана методика проведения экспериментов на нем по настройке охладителей на требуемый теплосъем с учетом влияния гидродинамики движения жидкости на теплообмен при охлаждении проката

Из графиков, полученных по математической модели (рис 9), и графиков (трендов) замеров температуры на рис. 10 видно, что при пробных про-катках на стане 150 арматуры диаметром 8 мм достигнуто падение температуры на настраиваемом охладителе приблизительно равное рассчитанному значению (А/Стенда 197 С ~ ДА

Рис 8 Экспериментальный стенд для настройки охладителей-1,2- электромагнитный расходомер, 3 - щит индикаторов с приборами ИРТ-1730 У, 4 - гибкие шланги, 5 -вентиль

расчет

1

Вреыя с 2— температура в центре

200 °С). После настройки на экспериментальном стенде на необходимую тепловую мощность охладители устанавливаются согласно технологической инструкции и операционной карте

на установочные места в линии ускоренного охлаждения

Таким образом, были получены практические результаты, соответствующие значениям по разработанной математической модели технологического процесса ускоренного охлаждения проката в линии сортового стана

1 — температуре поверхности 2— температуре в центре 3"" средняя температура

Рис 9 Смоделированный процесс ускоренного охлаждения проката диаметром с1 = 8 мм охладителем на экспериментальном стенде

l-.-.'C 1100 1000 эоо aoo

700 600 soo ■too

300 200 100

Дг™, - 197 -с

* 820 'С

(N N СО (Я

^-сч (SirH<ocnm уэ tp r-

8 П П

Я

Pwc. 10. Замеры температуры проката d = 8 мм класса A4QQC га выхода охладителя, настраиваемого на экспериментальном стенде

Разработанные по математической модели способы теплового и гидравлического расчета охладителей с определением расходов воды на прямоточные и отсечные форсунки и внедренный экспериментальный стенд для настройки охладителей на расчетные тепловые мощности позволили добиться требуемого равномерного процесса термоупрочнения и снизить количество дефектов сортового проката, связанных с недостатками системы регулирования его температуры в линии стана 150.

Испытания на установке термического упрочнения стана 350 при опробовании усовершенствованной технологии для арматуры № 25 -=- № 40 из стали

О ч« "зтч рн-Ш-uu» и>0Т»*геЛДОМ1№ ПекДОМ*

Рис. 11. Распределение предела прочности арматуры А500С № 40

СтЗГпс показали, что механические свойства проката отвечают требованиям класса А500С и имеют гарантированный запас прочности и пластичности и высокую степень однородности распределения по длине проката (см. рис. 11 - 13).

Рис. 12. Распределение предела текучести арматуры А500С № 40

Рис. 13. Распределение относительного удлинения арматуры A50QC № 40

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработана математическая модель технологического процесса ускоренного охлаждения проката в линии сортового стана, учитывающая все "активные" (водяное охлаждение) и "пассивные" (воздушное охлаждение) участки охлаждения линии термоупрочнения и самих охладителей. Предложенная математическая модель протестирована путем сравнения с аналитическим решением задачи охлаждения бесконечного однородного цилиндра при постоянных граничных условиях Ш-ого рода

Получено решение краевой задачи теплопроводности в осесимметричном случае с граничными условиями третьего рода методом конечных разностей по неявной схеме

2. Установлена зависимость среднего коэффициента теплоотдачи от относительной скорости движения воды в охладителе, определяемой по расходам воды на охлаждающие форсунки охладителя, при разной скорости прокатки и изменении средней температуры охлаждающей воды

Рассчитаны тепловые мощности охладителей и определены средние коэффициенты конвективной теплоотдачи на поверхности арматуры в "активной" зоне охладителя.

3. На языке программирования MS Visual Basic 6 3 разработана программа расчета теплового процесса ускоренного охлаждения сортового проката В программе реализован сквозной тепловой просчет всех охладителей линии ускоренного охлаждения и участков отдыха между охладителями

Программа позволяет исследовать и анализировать тепловые режимы ускоренного охлаждения на математической модели процесса термоупрочнения го-товогог проката и прогнозировать влияние прерывистой закалки на распределение температур по сечению проката, обеспечение необходимых прочностных характеристик на профильном сортаменте стана. Расчетный анализ динамики изменения температурного состояния по сечению сортового проката при ускоренном охлаждении представляется программным путем в графическом виде с разверткой по времени

4 По разработанной математической модели получены закономерности протекания тепловых процессов при термоупрочнении проката на различных режимах прерывистого охлаждения, получена функциональная зависимость температурного поля проката на выходе из охладителя от коэффициента теплоотдачи и скорости прокатки

В программной среде разработки MS Visual Basic 6 3 смоделированы режимы ускоренного охлаждения арматурного проката и рассчитаны для термоупрочнения требуемые расходы охлаждающей воды на форсунки охладителей, являющиеся базовыми настройками линии

5 На основе математического моделирования разработана усовершенствованная схема ускоренного охлаждения на стане 350, реализующая траекторию охлаждения арматурного проката № 25 - № 40 с минимальной температурной неоднородностью для уменьшения количества дефектов в виде трещин и пустот по сечению профиля.

6. Разработана усовершенствованная система регулирования ускоренного охлаждения проката на стане 350

7. Экспериментальная проверка и опробование разработанной на основе математического моделирования усовершенствованной технологии охлаждения

при испытаниях установки термоупрочнения на стане 350 дали положительный результат. Проведенные испытания механических свойств проката показали, что использование усовершенствованной технологии прерывистого охлаждения арматурной стали благоприятно повлияло на рост уровня прочности, пластичности и степени однородности распределения механических свойств по сечению и длине проката и позволило обеспечить механические свойства арматурного проката № 25 - № 40 на уровне класса прочности А500С

8. Разработана методика проведения экспериментов по настройке охладителей линии ускоренного охлаждения проката на требуемый тегаюсъем с учетом влияния гидродинамики движения жидкости на теплообмен при охлаждении проката.

9. Впервые разработан и внедрен экспериментальный стенд для настройки охлаждающей секции стана 150 согласно разработанной методике проведения экспериментов по п 8

10. Получены экспериментальные зависимости температуры на поверхности арматурного проката после охлаждения в линии ускоренного охлаждения от расходов воды на форсунки охладителей. Проведенные практические испытания подтвердили теоретические расчеты с небольшими расхождениями, те предложенная математическая модель ускоренного охлаждения проката протестирована путем ее адаптивного сопоставления с результатами натурных экспериментов.

11. Разработанные по математической модели способы теплового и гидравлического расчета охладителей с определением расходов воды на прямоточные и противоточные форсунки и внедренный по п. 9 стенд настройки позволили добиться требуемого равномерного процесса термоупрочнения и снизить количество дефектов сортового проката, связанных с недостатками системы регулирования его температуры в линии стана 150.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Киркин, Д.С. Термическое упрочнение стальной катанки / Д.С Киркин, Ю А Калягин, С В. Лукин. // Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства). - М.. Машиностроение, 2006. -№ 10 -С. 36-38.

2 Киркин, Д.С Совершенствование процесса ускоренного охлаждения готового проката на проволочном стане 150 сортопрокатного цеха ОАО "Северсталь" / Д.С. Киркин, Ю А. Калягин, Г А Хорев, С В. Лукин // Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах. Материалы 4-й Междунар. научно-техн. конф «Инфотех-2004». - Череповец: ЧТУ,2005 -С 51-53.

3. Киркин, Д.С. Разработка оптимальной технологии ускоренного охлаждения горячекатаной арматурной стали класса прочности А500С № 40 на стане 350 сортопрокатного цеха ОАО "Северсталь" / Д.С Киркин, Ю.А. Калягин, С В. Лукин // Материалы 6-й межвуз научно-техн. конф. мол ученых. - Череповец-ГОУВПОЧТУ,2005 -С 130-132.

4. Киркин, Д С Разработка математической модели процесса термического упрочнения горячекатаной арматурной стали / Д С. Киркин, Ю А. Калягин // Молодые исследователи - регионам. Материалы Всероссийской науч. конф.

студ и аспирантов. - Вологда, 21-22 апреля 2005 г - Вологда. ВГТУ, 2005 -Т 1 -С 79-81

5 Киркин, ДС. Исследование режимов ускоренного охлаждения горячека-танной арматурной стали в сортопрокатном цехе ОАО «Северсталь» / Д С Киркин, Ю А. Калягин, С В Лукин // В кн • Краткие сообщения 25-й Российской школы по проблемам науки и технологий - Екатеринбург УрО РАН, 2005 -С 171-172

6 Киркин, Д С. Моделирование режимов термоупрочнения арматурной стали в сортопрокатном цехе ОАО «Северсталь» / Д С. Киркин, Ю А Калягин, С В. Лукин // Тезисы докладов 25-й Российской школы по проблемам науки и технологий -Миасс МСНТ,2005.-С 37

7 Киркин, Д С Математическое моделирование технологического процесса охлаждения арматурной стали / Д.С Киркин, Ю.А. Калягин И Материалы 33-й военно-научной конференции молодых специалистов института, 27-29 апреля

2005 г, г. Череповец. - Череповец ЧВИИРЭ, 2006 - С. 82-83

8. Киркин, Д С. Исследование тепловых процессов при ускоренном охлаждении сортового проката в установке термической закалки / Д С. Киркин, Ю А. Калягин, С В. Лукин // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства: Материалы 5-й Междунар науч-техн. конф., поев. 50-летию ОАО «Северсталь» В 2 ч Ч. 1. - Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2006 -С 125-129

9 Киркин, Д С Совершенствование процесса термического упрочнения горячекатаной арматурной стали при ускоренном охлаждении металла на сортопрокатном стане / Д.С. Киркин // Вузовская наука - региону. Материалы 4-й Всероссийской науч.-техн. конф - Вологда- ВГТУ - 2006 - С 54-56.

10. Киркин, Д С. Исследование теплообмена на участке термической закалки проката в линии сортового стана / Д С Киркин, Ю А Калягин // Молодые исследователи - регионам: Материалы Всероссийской науч конф студентов и аспирантов В 2 т. Т. 1. - Вологда: ВГТУ, 2006. - С 145-146

11 Киркин, Д.С. Совершенствование тепловой работы секций участка ускоренного охлаждения сортового проката на основе математического моделирования / Д С Киркин, Ю.А. Калягин // Вестник ЧГУ - Череповец ЧГУ, - 2006 -№2.-С 68-70

12. Киркин, Д.С. Совершенствование процесса термической обработки горячекатаной арматурной стали при охлаждении заготовок на сортопрокатных станах / Д С. Киркин, Ю.А. Калягин, C.B. Лукин // Вести высших учебных заведений Черноземья -Липецк, - 2006.-№4 -С.41-46

13. Киркин, Д.С Оптимизация технологии упрочнения стержневой арматуры класса прочности А500С / Д С. Киркин, Ю.А Калягин, C.B. Лукин // Материалы Междунар. науч.-техн конф Энергетика и энергоэффективные технологии,

2006 г, г. Липецк - Липецк. ЛГТУ, 2006. - С 151-156.

_Лицензия А № 001633 от 2 февраля 2004 г_

Подписано к печати 0 07 г

_ Тир 100 Уел п л 1,7 Формат 60x84 Vis Зак /¿^_

ГОУ ВПО Череповецкий государственный университет 162600 г Череповец, пр Луначарского, 5

ВВЕДЕНИЕ.

1. КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА О ПРОЦЕССЕ УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СОРТОВОГО ПРОКАТА.

1.1. Влияние термической обработки на свойства стали и сплавов.

1.2. Ускоренное охлаждение проката в линии сортовых станов (на примере стана 150 и 350 сортопрокатного цеха ОАО "Северсталь").

1.2.1. Конструктивные и технологические параметры установки ускоренного охлаждения стана 150.

1.2.2. Конструктивные и технологические параметры установки ускоренного охлаждения стана 350.

1.3. Технологии ускоренного охлаждения проката на сортопрокатных станах.

1.3.1. Режимы ускоренного охлаждения проката.

1.3.2. Регулирование ускоренного охлаждения проката.

1.4. Дефекты сортового проката при ускоренном охлаждении.

Выводы по главе и постановка задачи.

2. ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СОРТОВОГО ПРОКАТА.

2.1. Этапы разработки усовершенствованной технологии ускоренного охлаждения арматурного проката класса прочности А500С.

2.2. Разработка математической модели ускоренного охлаждения сортового проката.

2.3. Тестирование математической модели.

2.4. Решение краевой задачи теплопроводности для установки термического упрочнения проката.

2.5. Расчет тепловой мощности охладителей.

Выводы по главе.

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОКАТА

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Технология исследования тепловых режимов ускоренного охлаждения арматурного проката.

3.2. Моделирование режимов ускоренного охлаждения арматурного проката.

3.3. Разработка усовершенствованной схемы охлаждения и моделирование на ней процесса термоупрочнения арматурного проката.

3.4. Разработка системы регулирования ускоренного охлаждения проката. 103 Выводы по главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОКАТА.

4.1. Экспериментальная проверка усовершенствованной технологии при испытаниях установки термоупрочнения проката на стане 350.

4.2. Разработка экспериментального стенда для настройки охладителей.

4.3. Исследования на экспериментальном стенде в натурных условиях.

4.4. Результаты натурных исследований ускоренного охлаждения проката. 142 Выводы по главе.

Актуальность работы.

Металлургические агрегаты, в том числе и сортопрокатные станы, являются очень материалоемкими. Повышение производительности таких агрегатов, либо качества выпускаемого ими продукта резко увеличивает экономическую эффективность работы производства и предприятия в целом.

Выход на мировой уровень российской металлопродукции и жесткая конкурентная борьба требуют производства высококачественного проката. Основными условиями повышения конкурентоспособности продукции является снижение затрат на ее изготовление при сохранении и предпочтительном достижении требуемого на данный момент уровня потребительских свойств продукции [110]. Большинство европейских стандартов устанавливает статические показатели качества, обеспечение которых характеризует долговременный уровень стабильности качества проката конкретного производителя.

В настоящее время строительная отрасль России переходит на арматуру нового класса прочности (А500С) с узким заданным диапазоном механических характеристик проката [19, 25, 55, 83, 97, 107]. Для увеличения срока службы арматуры необходимо совершенствовать технологию ее производства, так как возврата арматурной стали в металлофонд страны практически не происходит.

Одним из основных путей повышения качества и эффективности производства проката с гарантированным уровнем свойств (в частности, заданной структурой и механическими характеристиками) является совершенствование режимов ускоренного прерывистого охлаждения проката, обеспечивающего необходимую термообработку и, соответственно, уровень механических свойств.

Тепловым процессам ускоренного охлаждения проката в линии сортовых станов посвящено значительное количество экспериментальных и теоретических исследований. Существенный вклад в исследование тепловых процессов при ускоренном охлаждении сортового проката внесли: В.И. Губинский, Ю.И. Пилипченко, Ю.Т. Худик, С.А. Мадатян, В.Я. Чинокалов, А.В. Юрьев, Ю.Б. Дьяченко, Б.Б. Быхин, И.А. Михаленко, К.Ф. Стародубов, И.П. Видищев, В.А. Шеремет, Г.А. Курбатов и другие.

Изучению вопросов, связанных с возникновением дефектов сортового проката, и исследованиям, направленным на улучшение качества и эффективности производства проката, посвящены научные труды: В.В. Бринзы, В.Ю. Лапинера, И.И. Маркина, Б.Н. Матвеева, Ю.А. Дарды, И.Н. Смияненко, А.Б. Стеблова, Д.И. Шлейнинга, В.В. Китаева, Р. Шмидта, И. Шарфа.

Основным недостатком существующей технологии ускоренного охлаждения продукции нового вида является её эмпирический характер, когда положительного результата достигают методом проб и ошибок. Такое положение можно преодолеть созданием математических имитационных моделей [109], позволяющих прогнозировать размеры зон структурно-фазовых превращений и прочностные свойства проката в зависимости от технологических режимов упрочнения.

Использование технологии термического упрочения позволяет получить оптимальное сочетание поверхностных характеристик проката, при этом значительно сокращается количество окалины на поверхности проката, повышается ее травимость, исключается или значительно сокращается дальнейшая термообработка проката.

В связи с вышесказанным работа, направленная на развитие теории тепловых процессов, протекающих при ускоренном охлаждении сортового проката, с целью совершенствования режимов установок термоупрочнения, получения продукции с гарантированным уровнем прочностных свойств, является актуальной.

Целью данной работы является исследование и совершенствование процесса ускоренного охлаждения арматурного проката в линии сортовых станов для обеспечения необходимого уровня качества готовой продукции с заданными механическими свойствами и структурой при минимальном количестве окалины на поверхности.

Методы исследований.

Работа выполнена на основе комплексных экспериментальных и теоретических исследований с применением численных методов решения дифференциальных уравнений теплообмена с помощью программного обеспечения Microsoft Excel 2003, Microsoft Visual Basic 6.3 SP-3.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель технологического процесса ускоренного охлаждения проката в линии сортового стана, учитывающая все "активные" (водяное охлаждение) и "пассивные" (воздушное охлаждение) участки охлаждения линии термоупрочнения и самих охладителей.

2. По разработанной математической модели получены закономерности протекания тепловых процессов при термоупрочнении проката на различных режимах прерывистого охлаждения. Предложенная математическая модель протестирована путем сравнения с аналитическим решением задачи охлаждения бесконечного однородного цилиндра при постоянных граничных условиях Ш-ого рода, а также путем ее сопоставления с результатами натурных экспериментов.

3. На основе разработанной математической модели получена функциональная зависимость температурного поля проката на выходе из охладителя от коэффициента теплоотдачи и скорости прокатки.

4. Установлена зависимость среднего коэффициента теплоотдачи от относительной скорости движения воды в охладителе, определяемой по расходам воды на охлаждающие форсунки охладителя, при разной скорости прокатки и изменении средней температуры охлаждающей воды.

5. Получены экспериментальные зависимости температуры на поверхности арматурного проката после охлаждения в линии ускоренного охлаждения от расходов воды на форсунки охладителей.

Практическая ценность.

1. На языке программирования MS Visual Basic 6.3 разработана программа расчета теплового процесса ускоренного охлаждения сортового проката, реализующая сквозной тепловой просчет всех охладителей линии и участков отдыха между охладителями.

2. В программной среде разработки смоделированы режимы ускоренного охлаждения арматурного проката и рассчитаны для термоупрочнения требуемые расходы охлаждающей воды на форсунки охладителей, являющиеся базовыми настройками линии.

3. Разработана методика проведения экспериментов по настройке охладителей линии ускоренного охлаждения проката на требуемый теплосъем с учетом влияния гидродинамики движения жидкости на теплообмен при охлаждении проката.

4. Впервые разработан и внедрен экспериментальный стенд для настройки охлаждающей секции стана 150 согласно разработанной методике проведения экспериментов по п. 3.

5. Разработанные по п.п. 1, 2 способы теплового и гидравлического расчета охладителей и внедренный по п. 4 стенд настройки позволили снизить количество дефектов сортового проката, связанных с недостатками системы регулирования его температуры в линии стана 150.

6. На основе математического моделирования разработана усовершенствованная схема ускоренного охлаждения на стане 350, реализующая траекторию охлаждения арматурного проката № 25 + № 40 с минимальной температурной неоднородностью для уменьшения количества дефектов в виде трещин и пустот по сечению профиля. Экспериментальная проверка и опробование усовершенствованной технологии охлаждения при испытаниях установки термоупрочнения на стане 350 дали положительный результат.

7. Разработана усовершенствованная система регулирования ускоренного охлаждения проката на стане 350.

Реализация работы.

Проблемы, связанные с технологией ускоренного охлаждения сортового проката стана 150, обсуждались на научно-технических совещаниях (10.11.2003, 01.03.2004) в сортопрокатном цехе (СПЦ) ОАО «Северсталь» (приложение 4) с привлечением специалистов управления механизации и автоматизации (УМиА) отдела автоматизации теплоэнергетических процессов. По поручению представителей сортопрокатного цеха для стана 150 была разработана по математической модели методика теплового расчета охладителей на линии ускоренного охлаждения прокатного стана. Результаты по разработанному тепловому расчету охладителей использовались для экспериментальных и теоретических исследований, для настройки охладителей на экспериментальном стенде на необходимые расходы воды на прямоточные и противоточные охлаждающие форсунки.

При проектировании и реализации научно-исследовательским институтом металлургической теплотехники (ОАО "ВНИИМТ") установки ускоренного охлаждения проката (установки термоупрочнения (УТУ)) стана 350 ОАО «Северсталь» было организовано сотрудничество с ноября 2004 года специалистов УМиА, сотрудников Череповецкого государственного университета с представителями сортопрокатного цеха, ответственными за , реконструкции и отвечающими за технологию работы строящейся установки. Разработанная математическая модель процесса термического упрочнения горячекатаной арматурной стали класса прочности А500С обсуждалась в рабочем порядке и была использована для разработки усовершенствованной схемы ускоренного охлаждения сортового проката на стане 350.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 4-й Международной научно-технической конференции «Инфотех-2004» «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (Череповец 2004 г.); на VI Межвузовской конференции молодых ученых (Череповец 2005 г.); на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда 2005 г.); на конференции «XXV Российская школа по проблеме науки и технологии» (Екатеринбург 2005 г.); на «XXXIII конференции молодых специалистов» (Череповец, ЧВИИРЭ, 2005 г.); на 5-й Международной научно-технической конференции "Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства"; на 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда 2006 г.); на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи -регионам» (Вологда 2006 г.); на Международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк 2006 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем работы 184 страницы машинописного текста, включает в себя 68 рисунков, 11 таблиц и список литературы, состоящий из 114 наименований.

Выводы по главе

1. Экспериментальная проверка и опробование разработанной на основе математического моделирования усовершенствованной технологии охлаждения при испытаниях установки термоупрочнения на стане 350 дали положительный результат.

2. Проведенные испытания механических свойств проката показали, что использование усовершенствованной технологии прерывистого охлаждения арматурной стали благоприятно повлияло на рост уровня прочности, пластичности и степени однородности распределения механических свойств по сечению и длине проката и позволило обеспечить механические свойства арматурного проката № 25 + № 40 на уровне класса прочности А500С.

3. Разработана методика проведения экспериментов по настройке охладителей линии ускоренного охлаждения проката на требуемый теплосъем с учетом влияния гидродинамики движения жидкости на теплообмен при охлаждении проката.

4. Впервые разработан и внедрен экспериментальный стенд для настройки охлаждающей секции стана 150 согласно разработанной методике проведения экспериментов по п. 3.

5. Получены экспериментальные зависимости температуры на поверхности арматурного проката после охлаждения в линии ускоренного охлаждения от расходов воды на форсунки охладителей.

6. Проведенные практические испытания подтвердили теоретические расчеты с небольшими расхождениями, т.е. предложенная математическая модель ускоренного охлаждения проката протестирована путем ее сопоставления с результатами натурных экспериментов.

7. Разработанные по математической модели способы теплового и гидравлического расчета охладителей с определением расходов воды на прямоточные и противоточные форсунки и внедренный по п. 4 стенд настройки позволили добиться требуемого равномерного процесса термоупрочнения и снизить количество дефектов сортового проката, связанных с недостатками системы регулирования его температуры в линии стана 150.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В литературном обзоре рассмотрены и проанализированы виды термической обработки стали, протекающие при ускоренном охлаждении проката в линии сортовых станов. Показано, какое существенное влияние оказывают условия охлаждения на структуру и свойства проката. Выполнен критический анализ состояния вопроса ускоренного охлаждения сортового проката на примере исследуемых в диссертационной работе установок ускоренного охлаждения стана 150 и стана 350 СПЦ ОАО «Северсталь». В результате анализа установлено, что:

1) Установка термоупрочнения (УТУ) на стане 350 находится в процессе проектирования и внедрения, технология не отработана и не проверена на практике, следовательно, для разработки усовершенствованной технологии ускоренного охлаждения проката требуются научные исследования, проработки и расчеты. Существующие научные разработки в данном направлении ориентированы на определенные установки термического упрочнения для узкого сортамента, поэтому неприменимы для рассматриваемой УТУ стана 350.

2) Существующая технология ускоренного охлаждения проката в линии стана 150 не удовлетворяет требованиям современной тенденции к стабильности и качеству сортового проката. Регулирование общим клапаном расхода воды на три охладителя в линии ускоренного охлаждения, а также измерение расхода воды в общем коллекторе не позволяет осуществлять равномерный теплосъем на охладителях. В литературе не отражены технические решения по совершенствованию методов настройки охладителей при таких условиях.

3) Регулирование процесса охлаждения проката в линии станов 150, 350 на основании замеров температуры металла в конце прокатки и после завершения ускоренного водяного охлаждения характеризуется малой точностью и небольшой эффективностью, т.к. пирометр осуществляет измерение только температуры поверхности металла. Реализация требуемых траекторий охлаждения с возможностью минимизации температурной неоднородности проката требует математического моделирования процесса ускоренного охлаждения.

4) Ввиду недостатков технологии ускоренного охлаждения на исследуемых объектах возникают дефекты проката, такие как трещины, разброс механических свойств по длине проката, наличие в микроструктуре металла единичных участков структуры подкалки.

С учетом результатов анализа выявленной проблематики для устранения недостатков существующей технологии и разработки усовершенствованного процесса ускоренного охлаждения сортового проката выполнена следующая работа:

1. Разработана математическая модель технологического процесса ускоренного охлаждения проката в линии сортового стана, учитывающая все "активные" (водяное охлаждение) и "пассивные" (воздушное охлаждение) участки охлаждения линии термоупрочнения и самих охладителей. Предложенная математическая модель протестирована путем сравнения с аналитическим решением задачи охлаждения бесконечного однородного цилиндра при постоянных граничных условиях III-ого рода.

Получено решение краевой задачи теплопроводности в осесимметричном случае с граничными условиями третьего рода методом конечных разностей по неявной схеме.

2. Установлена зависимость среднего коэффициента теплоотдачи от относительной скорости движения воды в охладителе, определяемой по расходам воды на охлаждающие форсунки охладителя, при разной скорости прокатки и изменении средней температуры охлаждающей воды.

Рассчитаны тепловые мощности охладителей и определены средние коэффициенты конвективной теплоотдачи на поверхности арматуры в "активной" зоне охладителя.

3. На языке программирования MS Visual Basic 6.3 разработана программа расчета теплового процесса ускоренного охлаждения сортового проката. В программе реализован сквозной тепловой просчет всех охладителей линии ускоренного охлаждения и участков отдыха между охладителями.

Программа позволяет исследовать и анализировать тепловые режимы ускоренного охлаждения на математической модели процесса термоупрочнения готового проката и прогнозировать влияние прерывистой закалки на распределение температур по сечению проката, обеспечение необходимых прочностных характеристик на профильном сортаменте стана. Расчетный анализ динамики изменения температурного состояния по сечению сортового проката при ускоренном охлаждении представляется программным путем в графическом виде с разверткой по времени.

4. По разработанной математической модели получены закономерности протекания тепловых процессов при термоупрочнении проката на различных режимах прерывистого охлаждения, получена функциональная зависимость температурного поля проката на выходе из охладителя от коэффициента теплоотдачи и скорости прокатки.

В программной среде разработки MS Visual Basic 6.3 смоделированы режимы ускоренного охлаждения арматурного проката и рассчитаны для термоупрочнения требуемые расходы охлаждающей воды на форсунки охладителей, являющиеся базовыми настройками линии.

5. На основе математического моделирования разработана усовершенствованная схема ускоренного охлаждения на стане 350, реализующая траекторию охлаждения арматурного проката № 25 + № 40 с минимальной температурной неоднородностью для уменьшения количества дефектов в виде трещин и пустот по сечению профиля.

6. Разработана усовершенствованная система регулирования ускоренного охлаждения проката на стане 350.

7. Экспериментальная проверка и опробование разработанной на основе математического моделирования усовершенствованной технологии охлаждения при испытаниях установки термоупрочнения на стане 350 дали положительный результат. Проведенные испытания механических свойств проката показали, что использование усовершенствованной технологии прерывистого охлаждения арматурной стали благоприятно повлияло на рост уровня прочности, пластичности и степени однородности распределения механических свойств по сечению и длине проката и позволило обеспечить механические свойства арматурного проката № 25 + № 40 на уровне класса прочности А500С.

8. Разработана методика проведения экспериментов по настройке охладителей линии ускоренного охлаждения проката на требуемый теплосъем с учетом влияния гидродинамики движения жидкости на теплообмен при охлаждении проката.

9. Впервые разработан и внедрен экспериментальный стенд для настройки охлаждающей секции стана 150 согласно разработанной методике проведения экспериментов по п. 8.

10. Получены экспериментальные зависимости температуры на поверхности арматурного проката после охлаждения в линии ускоренного охлаждения от расходов воды на форсунки охладителей. Проведенные практические испытания подтвердили теоретические расчеты с небольшими расхождениями, т.е. предложенная математическая модель ускоренного охлаждения проката протестирована путем ее сопоставления с результатами натурных экспериментов.

11. Разработанные по математической модели способы теплового и гидравлического расчета охладителей с определением расходов воды на прямоточные и противоточные форсунки и внедренный по п. 9 стенд настройки позволили добиться требуемого равномерного процесса термоупрочнения и снизить количество дефектов сортового проката, связанных с недостатками системы регулирования его температуры в линии стана 150.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли проверку в промышленных условиях при наладке режимов ускоренного охлаждения на станах 150 и 350 сортопрокатного цеха (СПЦ) ОАО «Северсталь», рекомендованы к внедрению в этом цехе, а также могут быть использованы организациями, занимающимися проектированием и разработкой технологических режимов и систем регулирования ускоренного охлаждения сортового проката.

Практическая ценность и перспективность разработок подтверждены актами промышленных испытаний и опробований, приведенными в приложении.

1. Айзатулов, Р.С. Освоение массового производства экономичной арматурной стали повышенной надежности класса A40QC для железобетона / Р.С. Айзатулов, В.Т. Черненко и др. // Сталь. - 1998. - № 6. - С. 53-58.

2. Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т.: пер. с англ. / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер. М.: Мир, Т. 1. 1990. -384 с.

3. Бабич, В.К. Термическое и термомеханическое упрочнение сортового проката / В.К. Бабич // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. 1987. - № 15. -С. 34-43.

4. Блантер, М.Е. Фазовые превращения при термической обработке стали / М.Е. Блантер. М.: Машгиз. - 1960. - 268 с.

5. Бочвар, А.А. Металловедение / А.А. Бочвар. М.: Металлургиздат. - 1956. - 496 е.: ил.

6. Бочков, Н.Г. Производство качественного металла на современных сортовых станах / Н.Г. Бочков. М.: Металлургия, 1988. - 312 с.

7. Брайнин, И.Е. / И.Е. Брайнин, В.А. Харченко, А.И. Кондратов // Сталь. -1958.-№4.- С. 342-347.

8. Бринза, В.В. Математическая модель выработки поверхностных дефектов при сортовой прокатке / В.В. Бринза, В.Ю. Лапинер, И.И. Маркин // Изв. вуз. Черн. металлургия. 1988. - № 5. - С. 80-84.

9. Бунин, К. П. Металлография / К. П. Бунин, А. А. Баранов. М.: Металлургия, 1970. - 254 е.: ил.

10. Быхин, Б.Б. Совершенствование режимов термоупрочнения стержневой арматурной стали / Б.Б. Быхин и др. // Сталь. 1998. - № 12. - С. 46-48.

11. Волковский, О.С. Совершенствование методов моделирования и внедрение ускоренного охлаждения проката специальных марок стали с целью повышения качества продукции: дисс. . канд. техн. наук / О.С. Волковский. Днепропетровск, 1988. - 234 с.

12. Вукалович, М.П. Термодинамика / М.П. Вукалович, И.И. Новиков. М.: Машиностроение, 1972. - 672 с.

13. Гинцбург, Я.С. Прокатка качественной стали / Я.С. Гинцбург, К.К. Андрацкий. М.: Металлургиздат. - 1953. - 464 е.: ил.

14. Гончаров, Ю.Б. Об оценке режимов термоупрочнения арматурных стержней по характеру распределения микроструктуры и микротвердости по сечению проката / Ю.Б. Гончаров, И.П. Видищев, Р.А. Буркова // Изв. вуз. Черн. металлургия. 1989. - № 2. - С. 73-76.

15. Гончаров, Ю.В. / Ю.В. Гончаров, Т.В. Хлынцева, В.А. Дудука // Металлург, и горнорудн. пром-ть. 2000. - № 8-9. - С. 255-256.

16. Губинский, В.И. Совершенствование ускоренного охлаждения арматурного проката / В.И. Губинский и др. // Металлург, и горнорудн. пром-ть. 2002. -№> 3. - С. 104-107.

17. Губинский, В.И. Теплотехническое совершенствование процесса термоупрочнения арматурного проката на ОАО "КГМК "Криворожсталь" / В.И. Губинский // Теория и практика металлургии. 2004. - № 3-4. - С. 139-141.

18. Губинский, В.И. Уменьшение окалинообразования при производстве проката / В.И. Губинский, А.Н. Минаев, Ю.В. Гочаров. К.: Техшка, 1981. -135 с.

19. Гуляев, А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. М.: Металлургия, 1966. -480 е.: ил.

20. Гуляев, А.П. Термическая обработка стали / А.П. Гуляев. М.: Машгиз. -1960.-495 с.

21. Дарда, Ю.А. Пути повышения качества и эффективности производства катанки и сортового проката на современных проволочных и мелкосортных станах / Ю.А. Дарда и др. // Тр. 5-го конгресса прокатчиков. М., 2004. - С. 243-245.

22. Доронин, В.М. Термическая обработка углеродистой и легированной стали / В.М. Доронин. М.: Металлургиздат. - 1955. - 395 с.

23. Дубовой, В.Я. Флокены в стали / В.Я. Дубовой. М.: Металлургиздат. -1950.-331 е.: ил.

24. Дьяченко, Ю.В. Производство арматурной стали при использовании трассы термоупрочнения с пониженным давлением воды / Ю.В. Дьяченко, B.C. Тимофеев, В.Б. Закшевский и др. // Сталь. 1998. - № 11. - С. 51-54.

25. Жадан, В.Т. Отделка и термическая обработка сортового проката. / В.Т. Жадан, А.Н. Осадчий, Н.В. Стеценко. М.: Металлургия, 1978. - 192 с.

26. Зуев, В.М. Термическая обработка металлов: Учебник. 5-е изд. / В.М. Зуев. М.: Изд-во Высш. шк., 2001. - 288 с.

27. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. -М.: Энергоиздат, 1981.-416 е.: ил.

28. Исаченко, В.П. / В.П. Исаченко, Н.М. Галин // Изв. вузов. Энергетика. -1965.-№6.-С. 5-16.

29. Каталог продукции сортопрокатного производства. Череповец. ОАО "Северсталь", 1998. - 13 с.

30. Кириллин, В.А. Техническая термодинамика. Учебник для вузов. Изд. 2-е. / В.А. Кириллин и др. // М.: Энергия, 1974. 448 е.: ил.

31. Киркин, Д.С. Моделирование режимов термоупрочнения арматурной стали в сортопрокатном цехе ОАО «Северсталь» / Д.С. Киркин, Ю.А. Калягин,

32. С.В. Лукин // Тезисы докладов 25-й Российской школы по проблемам науки и технологий. Миасс: МСНТ, 2005. - С. 37.

33. Киркин, Д.С. Совершенствование процесса ускоренного охлаждения готового проката на проволочном стане 150 сортопрокатного цеха ОАО "Северсталь" / Д.С. Киркин, Ю.А. Калягин, Г.А. Хорев, С.В. Лукин //

34. Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах: Материалы 4-й Междунар. научно-техн. конф. «Инфотех-2004». Череповец: ЧТУ, 2005. - С. 51-53.

35. Киркин, Д.С. Совершенствование тепловой работы секций участка ускоренного охлаждения сортового проката на основе математического моделирования / Д.С. Киркин, Ю.А. Калягин // Вестник ЧТУ. Череповец: ЧТУ, - 2006. - № 2. - С. 68-70.

36. Киркин, Д.С. Термическое упрочнение стальной катанки / Д.С. Киркин, Ю.А. Калягин, С.В. Лукин. // Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства). М.: Машиностроение, 2006. - № 10. - С. 36-38.

37. Кугушин, А.А. Высокопрочная арматурная сталь / А.А. Кугушин, И.Г. Узлов, В.В. Калмыков и др. М.: Металлургия, 1986. - 272 с.

38. Курбатов, Ю.Л. Методика теплового расчета установки регулируемого охлаждения проката / Ю.Л. Курбатов, А.А. Минаев, С.А. Онищенко. -Донец, политехи, ин-т. Донецк, 1983. - 9 с. - Деп. в УкрНИИНТИ, 12.03.84, №469.

39. Курбатов, Ю.Л. Разработка и исследование двухмерной математической модели ускоренного охлаждения проката / Ю.Л. Курбатов, А.А. Минаев, А.Ю. Носов, Ю.Е. Бердишевский. Донец, политехи, ин-т. - Донецк, 1986.- 9 с. Деп. в Черметинформации 10.12.86, № 3724.

40. Курдюмов, Г.В. Превращения в железе и стали / Г.В. Курдюмов, Л.М. Утевский, Р.И. Энтин. М.: Наука, 1977. - 238 с.

41. Курдюмов, Г.В. Явления закалки и отпуска / Г.В. Курдюмов. М.: Металлургиздат. - 1960. - 64 с.

42. Лыков, А.В. Теория теплопроводности / А.В. Лыков. М.: Высш. шк., 1967.- 601 с.

43. Мадатян, С.А. Арматура железобетонных конструкций / С.А. Мадатян. -М.: Воентехмет. 2000. - 256 е.: ил.

44. Мадатян, С.А. Современные требования к качеству арматурной стали для обычного и предварительно напряженного железобетона / С.А. Мадатян // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. 1998. - № 7- 8. - С. 27-29.

45. МакКелви, М. Visual Basic® 5: пер. с англ. / М. МакКелви, Р. Мартинсон, Дж. Веб, Б. Ризельман. СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1988. - 976 е.: ил.

46. Матвеев, Б.Н. Методы повышения качества сорта и катанки (обзор зарубежных источников) / Б.Н. Матвеев // Пр-во прок. 2001. - № 1. - С. 40-47.

47. Металловедение и термическая обработка стали: Справ, изд. 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. Т. I. Методы испытаний и исследования / Под ред. М. Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. - М.: Металлургия, - 1983. - 352 с.

48. Металловедение и термическая обработка стали: Справ, изд. 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. Т. II. Основы термической обработки / Под ред. М. Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. - М.: Металлургия, - 1983. - 368 с.

49. Минаев, А.А. Исследование регулируемого охлаждения сортового металла / А.А. Минаев, С.В. Устименко, Ю.Е. Бердичевский и др. -НИИЧерметинформ. Донецк, 1981. - С. 95-97. - Деп. в УкрНИИНТИ 07.09.81, №2986.

50. Минаев, А.А. Методика теплового расчета установки регулируемого охлаждения проката / А.А. Минаев, Ю.Л. Курбатов, С.А. Онищенко. -Донец, политехи, ин-т. Донецк, 1984. - 8 с. - Деп. в УкрНИИНТИ, 12.03.84, №46974-84.

51. Минаев, А.А. Особенности пульсирующего течения хладагента в камерах устройств ускоренного охлаждения / А.А. Минаев, Е.Н. Смирнов // Изв. вузов. Черн. металлургия. 1988. - № 11. - С. 156-157.

52. Минаев, А.А. Показатель эффективности устройств для охлаждения движущегося проката / А.А. Минаев, Ю.Е. Бердичевский, П.Ф. Бублик // Изв. вузов. Черн. металлургия. 1985. - № 6. - С. 154-155.

53. Минаев, А.Н. Гидродинамический расчет устройств для охлаждения катанки / А.Н. Минаев, В.И. Губинский, В.П. Коваль и др. // Металлургия и коксохимия. Металлургическая теплотехника: Респ. межвед. научн.-тех. сб. К.: Технпса, 1975. - Вып. 45. С. 7-11.

54. Михаленко, И.А. Технология производства арматуры диаметром 25-28 мм класса прочности А500С с высокими пластическими свойствами / И.А. Михаленко // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. 2004. - № 6. - С. 46-49.

55. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И. М. Михеева. М.: Энергия, 1977. - 344 с.

56. Обеспечение качества по сечению заготовок в производстве сортового проката и катанки // Новости черной металлургии за рубежом. 2002. -№4.-С. 80.

57. Паисов, И.В. Термическая обработка стали и чугуна / И.В. Паисов. М.: Металлургия, 1970. - 262 е.: ил.

58. Парусов, В.В. Выбор стали и режима термомеханической обработки арматурного проката, поставляемого в мотках /В.В. Парусов и др. // Сталь. -2004.-№6.-С. 87-89.

59. Пат. 2174881 Россия, В 21 В 45/02. Устройство для регулируемого охлаждения проката / Морозов А.А.; Тахаутдинов Р.С.; Котий В.Н. и др. -№ 2001102664/02; Заявл. 30.01.01; Опубл. 20.10.01.

60. Пат. 2174884 Россия, В 21 В 45/02. Нагнетающая форсунка / Морозов А.А.; Тахаутдинов Р.С.; Котий В.Н. и др. № 2001102668/02; Заявл. 30.01.01; Опубл. 20.10.01.

61. Пат. 2180278 Россия, В 21 В 45/02. Устройство для термической обработки и гидротранспортирования проката / Морозов А.А.; Тахаутдинов Р.С.; Котий В.Н. и др. -№ 2001102666/02; Заявл. 30.01.01; Опубл. 10.03.02.

62. Пат. 2183522 Россия, В 21 В 37/76. Способ управления процессом охлаждения проката / Урцев В.Н.; Бердичевский Ю.Е.; Хабибулин Д.М. и др. № 2001111361/02; Заявл. 26.04.01; Опубл. 20.06.02.

63. Петрова, А.Ф. Производство термоупрочненной арматурной стали на прокатном стане 300-2 / А.Ф. Петрова // Металлург. 1994. - № 2. - С. 2829.

64. Пилипченко, Ю.И. Использование противоточного охлаждения при термическом упрочнении арматуры в потоке стана / Ю.И. Пилипченко и др. // Термическая обработка металлов. М., 1975. - Вып. 4. - С. 71-74.

65. Пилипченко Ю.И. Исследование структуры и свойств термоупрочненной арматурной стали диаметром 32-40 мм / Ю.И. Пилипченко и др. // Металлург, и горнорудн. пром-ть. 1986. - № 2. - С. 35.

66. Попов, А.А. В кн.: Фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах / А.А. Попов. Свердловск: Машгиз. - 1950. С. 18 - 35, С. 36 - 63.

67. Попов, А.А. Фазовые превращения в металлических сплавах / А.А. Попов. М.: Металлургиздат. - 1963. - 783 с.

68. Райцес, В.Б. Термическая обработка на металлургических заводах / В.Б. Райцес. М.: Металлургия, 1971. - 247 е.: ил.

69. Рыбалов, А.А. Сравнительный анализ методов расчета конвективного теплообмена при охлаждении арматурного проката / А.А. Рыбалов, В.И. Губинский // Металлург, и горнорудн. пром-ть. 2003. - № 1. - С. 117-119.

70. Садовский, В.Д. Структурные превращения при закалке и отпуске сталей / В.Д. Садовский. Свердловск: УФАН СССР, 1945. - 72 с.

71. Сеничев, Г.С. Влияние технологии принудительного охлаждения при термомеханическом упрочнении на формирование структуры и свойств арматурной стали / Г.С. Сеничев // Тр. 4-го конгресса прокатчиков. Т. 1. -М., 2002. - С. 334-336.

72. Смирнов, М.А. Основы термической обработки стали / М.А. Смирнов, В.М. Счастливцев, Л.Г. Журавлев. Изд-во: Наука и технологии, 2002. - 519 с.

73. Стародубов, К.Ф. Рентгеноструктурное исследование арматурной стали после термического упрочнения ее по различным схемам / К.Ф. Стародубов и др. // Терм, упрочнение прок. М., 1969. - Вып. 30. - С. 117-120.

74. Стеблов, А.Е. Комплексный подход к качеству сортового проката / А.Е. Стеблов и др. // Сталь. 2004. - № 8. - С. 43—45.

75. Стеблов, А.Б. Комплексная оценка качества сортового проката / А.Б. Стеблов // Литье и металлургия. 2003. - № 2. - С. 113-117.

76. Степашин, A.M. Оценка качества поверхности сортового проката / A.M. Степашин, Д.И. Шлейнинг, В.В. Китаев // Сталь. 1995. - № 10. - С. 47-48.

77. Тахаутдинов, Р.С. Производство термомеханически упрочненной арматуры на мелкосортном стане 250-1 Магнитогорского металлургического комбината / Р.С. Тахаутдинов // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. 2003. -№12.-С. 47-48.

78. Технологическая инструкция ТИ 105-П. С2-02-03. Производство проката на проволочном стане 150 сортопрокатного цеха ОАО "Северсталь". -Череповец, 2003. 56 с.

79. Технологическая инструкция ТИ 105-П. СС-01-2005. Производство проката на среднесортном стане 350. Череповец, 2005. - 32 с.

80. Технологическая инструкция ТИ 105-П. СС-02-03. Производство проката на среднесортном стане 350 сортопрокатного цеха ОАО "Северсталь". -Череповец, 2003. 65 с.

81. Технология термической обработки в машиностроении: Справочник. М.: Машиностроение, 1980. 783 с.

82. Тихонов, И.Н. Производство арматурного проката класса А500С в мотках / И.Н. Тихонов и др. // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. 2005 - № 5. - С. 37-40.

83. Урбанов, JI. И. / Л. И. Урбанов, Е.М. Крамченко, В.П. Логинов // Изв. вуз. Черн. металлургия. 1998. - № 11. - С. 48-51.

84. Устройство термоупрочнения арматуры стана 350 СПЦ ОАО «Северсталь». Техническое описание состава и конструктивного исполнения механического оборудования и руководство по эксплуатации. ОАО «ВНИИМТ». Екатеринбург, 2005. - 26 с.

85. Фастовский, Б. Г. Справочник прокатчика / Б. Г. Фастовский. М.: Металлургия, 1972. -304 с.

86. Федосеенко, В.А. Обеспечение производства высококачественного сортоваго проката на стане 350 / В.А. Федосеенко и др. // Сталь. 1997. -№ 1.-С. 31-32.

87. Хандрос, Л.Г. Металлы, электроны, решетка / Л.Г. Хандрос, И.А. Арбузова. Киев: Наукова думка, 1975. - 440 с.

88. Худик, Ю.Т. Исследование служебных характеристик установки для термического упрочнения арматурной стали в потоке стана 250-5 завода «Криворожсталь» / Ю.Т. Худик и др. // Термическая обработка металлов. -М„ 1979. Вып. 8. - С. 65-66.

89. Чинокалов, В.Я. Оптимальные режимы упрочнения арматуры класса А500С после прокатки с повышенной скоростью / В.Я. Чинокалов и др. // Сталь. 2003. - № 1. - С. 94-96.

90. Шеремет, В.А. Ускоренное охлаждение арматурного проката в нескольких камерах / В.А. Шеремет, И.М. Любимов, И.Н. Смияненко и др. // Теория и практика металлургии. 2001. - № 2. - С. 37-41.

91. Шмид, Р. Возможности повышения качества катанки / Р. Шмид // Металлург. 1997. -№ 6. - С. 36-40.

92. Шмидт, Р. Совершенствование технологии охлаждения с целью улучшения качества катанки / Р. Шмидт, И. Шарф // Тр. 2-го конгресса прокатчиков. М., 1998. - С. 290-297.

93. Щербаков, В.И. Разработка режимов термоупрочнения арматурной стали № 25-36 в условиях стана 320 БМЗ / В.И. Щербаков, Г.А. Курбатов, В.А. Тищенко // Литье и металлургия. 2002. - № 2. - С. 27-29.

94. Энтин, Р.И. Превращения аустенита в стали / Р.И. Энтин. М.: Металлургиздат. - 1960. - 252 с.

95. Юрьев, А.Б. Прерывистое охлаждение в потоке стана 450 стальной арматуры большого диаметра / А.Б. Юрьев и др. // Тр. 4-го конгресса прокатчиков. Т. 1. - М., 2002. - С. 301-304.

96. Юрьев, А.Б. Разработка технологии упрочнения стержневой арматуры диаметром 32-40 мм на класс А500С / А.Б. Юрьев и др. // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. 2002 - № 10. - С. 41-43.

97. Юрьев, А.В. Оптимизация технологии упрочнения стержневой арматуры диаметром 32-40 мм класса А500С / А.В. Юрьев и др. // Сталь. 2002. - № 2.-С. 68-69.

98. Яблоков, Д.В. Исследование показателей качества катанки при разработке технологии производства углеродистых сталей из непрерывнолитых заготовок / Д.В. Яблоков и др. // Тр. 5-го конгресса прокатчиков. М., 2004. - С. 254-258.

99. Delaey L., Krishman R., Tas H., Warlimont H. Journ. Material Sci., 1974. -v. 9.-P. 1521-1554.

100. Mehl R., Hagel W. Progress in Metal Physics, 1950. - № 6. - P. 74-98.