автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологии и оборудования подготовки катанки к волочению в поточных лининях производства стальной проволоки



ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Виноградов Алексей Иванович

Исследование и совершенствование технологии и оборудования подготовки катанки к волочению в поточных линиях производства стальной проволоки

Специальность 05.04.04 - Машины и агрегаты металлургического производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., проф., засл. деят. науки и

техники РФ Э. А. Гарбер Научный консультант - к.т.н., доц. С. А. Кузнецов

Череповец 1999

Оглавление

Введение..............................................................................................5

1. Современное состояние теории и технологии подготовки катанки к волочению.........................................................................................8

1.1. Анализ существующих методов очистки катанки от окалины................8

1.2. Традиционные подсмазочные покрытия и способы их нанесения.......12

1.3. Современное состояние совмещенной технологии очистки и

волочения проволоки.................................................................................18

1.4. Обзор известных математических моделей процесса абразивно-порошковой очистки................................................................22

1.5. Анализ математических моделей состояния сыпучей среды в

камерах АПО первого поколения...............................................25

Выводы по главе 1..................................................................................................28

2. Теоретический анализ процесса АПО цилиндрического проката и его технические приложения.....................................................................29

2.1. Решение задач о состоянии сыпучей среды на основе методов

теории пластичности...............................................................29

2.1.1. Решение плоской задачи о движении сыпучего материала в клиновой камере...................................................................33

2.1.2. Решение задачи о движении сыпучего материала в конической камере............................................................................37

2.2. Расчет напряжений и скоростей при движении цилиндрического

проката через коническую камеру, заполненную сыпучим абразивным материалом..........................................................41

2.2.1. Постановка и решение задачи-аналога в теории пластичности.....41

2.2.2. Решение задачи о течении сыпучего материала, увлекаемого движением прутка через коническую камеру АПО.....................54

2.3. Исследование процесса АПО с помощью разработанной

математической модели............................................................58

2.4. Постановка задачи объемного трения сыпучей среды в камере с

осевой симметрией..................................................................61

2.5. Экспериментальная проверка математической модели процесса

абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины..............................................................................66

2.6. Прикладные результаты анализа математической модели................72

2.6.1.Разработка камеры с переменной конусностью...............................72

2.6.2.Уточнение требований к абразивным порошкам.............................74

2.6.3.Разработка конструкции дозатора свежего абразивного порошка. 76

2.6.4.Разработка конструкции дозатора порошка-пластификатора.........79

Выводы по главе 2..........................................................................83

3. Разработка технологии и устройства для нанесения подсмазочного покрытия в едином технологическом потоке с механической очисткой и волочением проволоки........................................................................84

3.1. Роль подсмазочного слоя на поверхности металла.................................84

3.2. Теоретические основы новой технологии создания подсмазочного

слоя...................................................................................86

3.2.1.Адсорбционная теория адгезии.............................................86

3.2.2.Механическая теория адгезии................................................94

3.2.3.Электронная теория адгезии................................................95

3.2.4.Химическая теория адгезии.................................................96

3.2.5.Подготовка поверхности субстрата........................................97

3.3.Выбор способа нанесения и вещества для подсмазочного покрытия ..100

3.4.Расчет удельных затрат материала подсмазочного покрытия...............103

3.5.Устройства для нанесения подсмазочного покрытия в потоке с механической очисткой и волочением..................................................105

Выводы по главе 3................................................................................................114

4. Исследования параметров совмещенной технологии.................................115

4.1.Исследования коэффициентов внешнего и внутреннего трения

абразивного порошка............................................................................115

4.2.Исследования количества канифоли на поверхности заготовки в

лабораторных условиях.........................................................121

4.3.Определение количества канифоли на поверхности катанки в

промышленных условиях.......................................................125

Выводы по главе 4........................................................................126

5.Реализация и исследование эффективности новых технических решений........128

5.1. Исследование влияния новой конструкции установки АПО на

показатели шероховатости катанки и проволоки.................................128

5.2. Исследование эффективности оборудования и технологии для

нанесения подсмазочного покрытия......................................................134

5.2.1.Исследования эффективности подсмазочного покрытия по обрывности проволоки.......................................................................135

5.2.2.Сравнительные исследования микрогеометрии образцов проволоки с нанесением подсмазочного слоя.................................136

5.3. Реализация новых технических решений и перспективы

дальнейшего развития совмещенной линии................................139

Выводы по главе 5................................................................................................141

Заключение.......................................................................................143

Литература.........................................................................................145

Введение

Повышение экологической безопасности производства и совмещение нескольких процессов в единый технологический поток - фундаментальные проблемы современной металлургии, в том числе - волочильно-калибровочного производства.

Основным способом удаления окалины с поверхности катанки на метизных предприятиях России и за рубежом является метод химического травления окалины в растворах различных кислот. Этот способ является экологически вредным, наносящим ущерб здоровью обслуживающего персонала и чистоте окружающей среды. Пары кислот, выделяющиеся с поверхности травильных ванн, приводят к коррозии оборудования и разрушению строительных конструкций зданий. Для нейтрализации и утилизации вредных отходов травильных отделений используются дорогостоящие улавливающие, нейтрализационные и регенерационные установки. Кроме того, кислотный способ не поддается совмещению с операциями волочения в едином технологическом потоке из-за дискретного характера операций окунания бунтов, а также из-за возможности попадания остатков растворов в зону деформирования.

Совмещению в единый технологический поток операций подготовки катанки к волочению и самого волочения препятствует также общепринятый метод нанесения на поверхность травленой катанки подсмазочного покрытия окунанием в ванны с известковым молоком или раствором буры.

Одной из перспективных отечественных технологий экологически чистого удаления окалины является процесс абразивно-порошковой очистки поверхности горячекатаного металла (АПО - процесс), разработанный на кафедре «Машин и агрегатов металлургических заводов» Череповецкого государственного университета в сотрудничестве со специалистами промышленных предприятий г. Череповца. В состав поточной линии, реализующей этот процесс, входит компактная установка бескислотного удаления окалины с поверхности катанки, включающая окалиноломатель и блок абразивно-порошковой очистки (АПО) катанки, а также волочильный стан.

В связи с тем, что в переходный период российской экономики временно снизились экологические требования к промышленным предприятиям, крупные специализированные метизные заводы пока не идут на полный отказ от технологии травления. В то же время, крупные европейские фирмы, например, металлургическая фирма «Азсоте1а1», еще в 80-х годах полностью перешли на бескислотную технологию подготовки металла к волочению, даже несколько поступившись при этом производительностью и показателями качества продукции [1].

Интерес, проявляемый вновь создаваемыми российскими предприятиями к приобретению совмещенной технологии, показал, что при необходимости производства проволоки в объеме, обеспечиваемом 2-мя - 3-мя волочильными станами, иной альтернативы, кроме использования подобных поточных линий, нет, так как в этих условиях ввод в действие и содержание оборудования для химического травления катанки не могут быть рентабельными. Малые предприятия, приобретя совмещенную технологию, смогут производить с меньшими затратами изделия из собственной проволоки, на которую крупными предприятиями-монополистами поддерживаются высокие цены, а в дальнейшем получат возможность освоить новые виды сталепроволочной и метизной продукции.

Изложенные в ряде работ [1,2,3] результаты исследований поточной технологии очистки катанки от окалины и волочения проволоки позволили решить в 1992-95 гг. ряд конструкторских задач и создать работоспособное оборудование, которое было поставлено нескольким предприятиям России и стран СНГ. Однако более широкое промышленное использование этой технологии сдерживалось тем, что качество поверхности катанки, очищаемой механическим способом в потоке, несколько уступало качеству травленой катанки, вызывая более интенсивный износ волочильного инструмента. Поэтому в данной работе была поставлена задача разработать оборудование нового поколения, обеспечив тем самым коренное улучшение качества поверхности очищенной катанки и повышение износостойкости волочильного инструмента.

Для решения этой задачи необходимо было усовершенствовать процесс абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины и решить проблему нанесения на поверхность катанки в потоке с волочением подсмазочного покрытия.

В диссертации изложены методики и результаты разработок и исследований по указанным проблемам, которые затрагивают два основных направления:

1) Теоретические исследования: развитие и усовершенствование математической модели процесса абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины, разработка на этой основе новых технических решений и конструкций оборудования для абразивно-порошковой очистки катанки от окалины.

2) Разработка принципиально новой технологии и оборудования для нанесения на поверхность катанки подсмазочного покрытия в едином технологическом потоке абразивно-порошковой очистки от окалины и волочения проволоки.

В работе также приводятся результаты лабораторных и промышленных исследований новой технологии и оборудования.

1. Современное состояние теории и технологии подготовки катанки к волочению

1.1. Анализ существующих методов очистки катанки от окалины

На большинстве метизных предприятий процесс подготовки металла к волочению включает следующие технологические операции [4,5]:

- травление металла в кислотном растворе;

- промывка в горячей воде;

- промывка в холодной воде душированием;

- нейтрализация остатков кислоты;

- нанесение подсмазочного покрытия (известкование, покрытие бурой и др.);

- сушка.

В традиционной технологии кислотного удаления окалины наиболее широко применяется травление в растворе серной кислоты Н28С>4. Травление в соляной кислоте НС1 позволяет увеличить скорость и качество травления, но себестоимость солянокислотного травления в 1,5...2 раза выше, чем сернокислотного. Для удаления окалины с поверхности катанки из легированных, нержавеющих сталей применяются смеси кислот, а также электрохимические методы, при этом резко увеличиваются производственные затраты.

Высокие удельные затраты и значительная экологическая опасность применения химической технологии травления заставляют предприятия искать альтернативные методы удаления окалины с поверхности проката. Новые методы преимущественно относятся к различным механическим способам очистки от окалины; это, например, такие, как иглофрезерный, дробеметный, дробеструйный, обточка резцами, шлифовка различными абразивными материалами и др., в том числе различные комбинации этих способов.

Все эти способы и устройства делятся на две большие группы: устройства грубого удаления окалины - окалиноломатели и устройства тонкой очистки. Взламывание окалины в окалиноломателях [6, 7, 11... 13, 22...24] происходит за

счет деформации поверхностного слоя материала катанки. Как правило, отслаивается только часть окалины, наиболее хрупкий внешний ее слой.

Окалиноломатели могут отличаться по виду используемой деформации, например, изгиб, растяжение, кручение и их комбинации. Наиболее широко используется деформация изгиба катанки на свободно вращающихся роликах, расположенных в одной или нескольких плоскостях [11,13].

Иногда роликовый узел, изгибающий катанку, выполняют в блоке, имеющем ось вращения, совпадающую с направлением протяжки, и соединенным с приводом. В таких окалиноломателях, помимо изгибной деформации, катанка подвергается скручиванию [22...24], что повышает эффективность отслаивания окалины, улучшает процесс последующего волочения.

Для эффективного отслаивания окалины необходимо, чтобы величина относительного растяжения поверхностных слоев катанки распространялась в область пластической деформации, достигающей нескольких процентов. По этой причине роликовые окалиноломатели обладают двумя существенными общими свойствами:

- помимо грубого удаления окалины, они осуществляют правку (рихтовку)

катанки, так как значительные по величине знакопеременные пластические изгибы устраняют все исходные деформации и их следы в виде остаточных напряжений;

- пластическая деформация требует затрат энергии, подводимой за счет

усилия протягивания, поэтому такое устройство всегда является средством, обеспечивающим натяжение катанки, равное усилию протягивания.

На многих предприятиях окалиноломатели применяются в комплексе операций по подготовке металла к волочению в качестве предварительной стадии, с последующим окончательным удалением окалины путем травления или тонкой механической очистки.

Механические способы окончательной очистки различаются по видам воздействий, приводящих к удалению окалины. Прежде всего, это обработка резанием и воздействие абразивными материалами.

Обработка резанием может выполняться специально изготавливаемым инструментом, имеющим режущие кромки, приводимым в движение относительно проката специальным приводом, и сопровождается снятием стружки. Низкая производительность, большие потери металла и проблемы с центровкой обрабатываемого участка позволяют применять данный способ только для прямолинейного пруткового металла ответственного назначения с особыми свойствами поверхностного слоя (например, калиброванная подшипниковая сталь).

Для обработки резанием широко используются устройства и способы, основанные на применении проволочных щеток и иглофрез [19, 20, 21], представляющих собой инструмент с эластичной рабочей поверхностью, образованной многочисленными упругими режущими элементами. Вращающиеся проволочные щетки и иглофрезы обладают свойством самозатачиваться при их реверсировании. Основное различие между проволочными щетками и иглофрезами состоит в различной плотности и жесткости проволочного ворса. Быстрый износ щеток является основным недостатком машин, использующих их для удаления окалины.

Виды абразивной обработки отличаются друг от друга родом среды, несущей абразивные частицы. Это, например, может быть твердая среда (шлифование абразивными кругами различных видов, в том числе эластичными [26], обработка наждачными ремнями и пр.), жидкая (гидроабразивная обработка [27]), газообразная (различные виды дробеструйной обработки) и сыпучая, в качестве которой используется сам абразивный порошок или смесь различных составляющих на его основе (абразивно-порошковая очистка - АПО) [8-10,14,15].

Шлифование наждачными кругами [26] применяется, главным образом, для обработки пруткового материала как один из видов окончательной отделки поверхности. Применение подобной технологии для катанки имеет недостатки, выраженные в низкой производительности, потерях металла, опасности искажения формы поперечного сечения. Прогрессивным является применение недорогих кругов, выполненных из эластичного материала типа "Скочбрайт" (США) [28]. На предприятиях Nippon Steel Corp. (Япония) применяется чистовая отделка

поверхности катанки абразивными ремнями. Оборудование таких линий громоздко, малопроизводительно, отличается высоким уровнем затрат и используется только для очистки катанки из нержавеющих сталей.

Гидроабразивная обработка [27] также мало подходит к очистке такого материала, как стальная катанка. Поверхность катанки является выпуклой с / большой величиной кривизны, и при обтека�