автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка конструкций и режимов работы устройств для струйного охлаждения крупного фасонного проката и труб



о 2 ИЮН 1997

На правах рукописи

ЗАМАРАЕВ Лев Михайлович

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ ДЛЯ СТРУЙНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ КРУПНОГО

ФАСОННОГО ПРОКАТА И ТРУБ

Специальность 05,16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург - 1997 .

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте металлургической теплотехники (ВНИИМТ) и в Институте машиноведения Уральского отделзния Российской Академии наук (ИМАШ УрО РАН), г. Екатеринбург.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

КАВАДЕРОВ А.В.

Официальные оппоненты - доктор технических, наук, профессор

ЯРОШЕНКО Ю.Г.; кандидат технических наук, старший научный сотрудник ШУЛЬМЕЙСТЕР Ф.Е.

Ведущее предприятие - ОАО «Северский трубный завод».

Защита диссертации состоится 19 мая 1997 г. в 14 ч 45 мин на заседании специализированного совета Д 063. 14. 01 по присуждению ученых степеней доктора и кандидата технических наук металлургического факультета Уральского государственного технического университета -УПИ (третий учебный корпус, ауд. Мт-509).

Ваш отзыв, скрепленный печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, УГТУ - УПИ, ученому секретарю совета института, тел. 44-85-74.

Автореферат разослан апреля 1997 г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 063. 14. 01 П

доктор технических наук, профессор Шумаков Н.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Крупный фасонный прокат (швеллеры, балки и широкополочные балки) и трубы являются наиболее используемыми в промышленности и строительстве профилями. В настоящее время в связи с увеличением этажности строительства, ростом добычи, а также транспортировки по трубопроводам нефти и газа повысились требования к прочности этих изделий. С другой стороны, наметился дефицит легирующих элементов и значительно возросла их стоимость. В этих условиях должны быть найдены экономичные способы повышения качества перечисленных профилей. Одним из таких способов может стать максимальное использование возможностей низколегированных и углеродистых сталей за счет внедрения прогрессивных методов термообработки, включающих в себя ускоренное охлаждение как с прокатного, так и со специального нагрева.

Таким образом, проблему создания конструкций и режимов работы этих устройств можно считать актуальной.

Анализ проведеннных различными авторами исследований показал, что наиболее перспективными для реализации этого процесса являются спрейерные устройства проходного типа с дифференцированной раздачей воды по периметру для крупного фасонного проката и вращающиеся спрейеры для труб. Для разработки таких устройств необходим научно обоснованный метод расчета их конструктивных и режимных параметров. Проблема создания такого метода не решена из-за отсутствия закономерностей связывающих параметры теплообмена с массивностью профилей, изменяющейся по их

сечению, а также с конструктивными и режимными параметрами спрейерных устройств.

Не решена также проблема организации охлаждения труб во вращающихся спрейерах, поскольку отсутствуют методы расчета траектории струй и условий их натекания на охлаждаемую поверхность. Использование существующих методов расчета вращающихся

потоков жидкости, образующихся в замкнутом объеме за счет нате!

кания на стенку устройства (центробежные насосы, циклоны), неправомерно из-за существенного отличия процессов.

В связи с этим научный и практический интерес представляет исследование закономерностей охлаждения и гидродинамики струй при термоупрочнении в устройствах спрейерного тина, целью которого является создание комплексного метода расчета рационального охлаждения профилей сложной формы, конструкции и режимов работы устройств, позволяющих реализовать это охлаждение.

Цель работы. Разработка конструкций и научно обоснованных методов расчета режимов работы спрейерных устройств для высокоинтенсивного охлаждения тел сложной формы.

В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:

1.Проведено расчетное моделирование охлаждения крупного фасонного проката и труб, на основании которого определены требования к формированию отводимых с поверхности охлаждаемых профилей тепловых потоков, а также рациональные пределы увеличения их значений и длительности охлаждения.

2.В процессе экспериментальных исследований установлены закономерности, связывающие конструктивные и режимные параметры охлаждающих устройств с параметрами теплообмена. 1

3.Создана математическая модель формирования траекторий струй во вращающемся спрейере и условий их натекавия на поверхность охлаждаемых труб, которая использована в процессе расчетных экспериментальных исследований.

4.Разработаны конструкции устройств для охлаждения крупного фасонного проката и труб, успешно прошедшие опыгао-промышленные испытания.

Научная новизна. Установлены закономерности охлаждения проката сложной формы, в том числе с переменной по сечению массивностью, в спрейерных устройствах.

Впервые разработан комплексный метод расчета оптимизации распределения параметров теплообмена, конструктивных и режимных параметров устройств при ускоренном охлаждении проката сложной формы в процессе упрочняющей термообработки.

Впервые разработана математическая модель процесса формирования граекторий струй во вращающемся спрейере, установлены закономерности, позволяющие рассчитать конструктивные и режимные параметры спрейеров, обеспечивающие равномерное охлаждение труб.

Практическая значимость. Созданы конструкции опытно-промышленных устройств, опробованные в потоке УБС НТМК, на

стане 20-102 и термоотделе цеха Т1 СевТЗ, применение которых позволило улучшить прочностные свойства проката на 5-10%. Полученные результаты переданы в УРАЛГИПРОМЕЗ на НТМК и СевТЗ.

На защиту выносятся:

1. Конструкции устройств для высокоинтенсивного равномерного охлаждения крупного фасонного проката и труб.

2.Ьзультаты численного моделирования и экспериментальных исследований процессов теплоотдачи при ускоренном охлаждении крупного фасонного проката и труб в спрейерных устройствах.

3.Закономерности, связывающие параметры теплообмена с конструктивными и режимными параметрами спрейерных устройств.

4.Матемапческая модель формирования траектории струй во вращающемся Сфейере.

5.Результаты численных и стендовых экспериментов по изучению гидродинамики струй во вращающемся спрейере и условий их натекания на поверхность охлаждаемой трубы.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзном семинаре "Совершенствование методов нагрева и охлаждения металла в прокатном производстве" (Москва, ВДНХ СССР, 1979), на научно-технической конференции "Проблемы теплофизики, теплотехники и экономии топлива в черной металлургии." (Свердловск, 1980), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы термической и термомеханической обработки сталей" (Днепропетровск, 1981), на УШ научно-технической конференции молодых ученых и специалистов Урала "Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрега-тов"(Свердловск,1982), па Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование теплотехники металлургических процессов и агрегатов" (Свердловск, 1983).

Публикации. По диссертации опубликована 21 работа, получено 6 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, включает 205 страниц машинописного

текста, 52 рисунка, 19 таблиц и список литературы из 155 наименований. _

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и основные положения работы, представленной к защите.

Глава 1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Анализ научно-технической литературы показал, что переход к массовой термообработке крупного фасонного проката и труб сдерживается из-за отсутствия устройств интенсивного охлаждения, позволяющих получить высокие механические свойства в условиях современного поточного производства. Процесс интенсивного охлаждения этих изделий в различных системах изучался достаточно активно, однако описанные в литературе системы охлаждения имеют ряд недостатков, препятствующих их применению в промышленных условиях.

На основании изучения различных конструкций устройств сделан вывод о перспективности спрейерных устройств проходного типа, которые легко вписываются в технологическую линию современных цехов. При этом для охлаждения крупного фасонного проката необходимы спрейерные устройства с регламентированной раздачей воды по периметру профиля, обеспечивающие избирательное охлаждение различных его элементов, а для равномерного охлаждения невращающихся труб - вращающиеся спрейеры.

При анализе литературы, посвященной исследованию процессов кипения жидкости на высокотемпературных поверхностях, установлено, что в достаточной мере изучен теплообмен при наличии какого- либо одного режима охлаждения, причем исследования проводились при простых условиях. Приведенные в литературе данные даже для этих условий отличаются в десятки раз, что объясняется недостаточной теоретической и экспериментальной проработкой вопроса. Имеющиеся экспериментальные данные по струйному охлаждению высокотемпературных поверхностей получены при исследовании тел простой формы с постоянной по сечению массивностью. Нет экспериментальных данных по распределению гидродинамических параметров, обеспечивающих равномерный теплоотвод с поверхности изделий, состоящих из элементов различной массивности.

В исследованных работах не решены вопросы формирования траектории струй во вращающемся спрейере, на которые влияют такие факторы, как эффект центрифугирования, соотношение центробежных, инерционных сил и сил гравитации. Имеющиеся методики расчета вращающихся потоков жидкости, закручивающихся в устройствах за счет натекания на стенку или турбину (жидкостные форсунки, газовые горелки, вихревые энергоразделители, теплообменники, центробежные насосы, циклоны), неприемлемы, поскольку условия формирования потока жидкости в этих устройствах существенно отличаются от условий существующих во вращающемся спрейере.

На основании анализа научно-технической литературы определена цель работы - создание устройств для ускоренного охлаждения крупного фасонного проката и труб. Определены задачи, решение

которых необходимо для создания таких устройств. К числу которых относятся: . _____

- Разработка комплексного метода расчета теплообмена, конструктивных и режимных параметров устройств, позволяющих реализовать этот теплообмен при термообработке тел сложной формы, в том числе имеющих переменную массивность по сечению.

- Создание метода расчета формирования образующегося во вращающихся спрейерах водяного потока и условий его натекания на трубу, при которых обеспечивается равномерное омывание ее поверхности.

- Формулирование рекомендаций по конструктивным и режимным параметрам промышленных устройств для высокоинтенсивного охлаждения крупного фасонного проката и груб и исследование работы этих устройств в промышленных условиях.

Глава 2.ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОХЛАЖДЕНИЯ КРУПНОГО ФАСОННОГО ПРОКАТА И ТРУБ ПРИ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ТЕРМООБРАБОТКЕ В СПРЕЙЕРНЫХ УСТРОЙСТВАХ

В главе приведены методики численного моделирования, описание конструкции экспериментального стенда, методики проведения и обработки экспериментальных исследований охлаждения профилей сложной формы, в том числе с переменной по сечению массивностью.

В процессе расчетного моделирования установлено, что закономерности охлаждения профилей зависят от их массивности, которую в расчетах задавали как соотношение объема элемента профиля к площади его охлаждаемой поверхности (У/Р). Установлено, что исследуемые профили по массивности условно можно разделить на две группы: 1- с соотношением \7Р<10 мм; 2 - N№>10 мм.

Для профилей первой группы, обеспечивая для различных элементов профиля равные значения комплекса, определяемого произведением величины отводимого с поверхности элемента теплового потока на величину, обратную его массивности (чБ/У), удается до-бится равных по сечению температур охлаждения в интервале температур структурных превращений (от 800 до 200°С). Для этих профилей можно в процессе охлаждения получить достаточно равномерную по сечению структуру.

Для профилей второй группы не удается добиться равенства скоростей охлаждения по сечению в технологическом интервале температур, поскольку охлаждение внутренних слоев лимитируется теплопроводностью. Установлено, что для таких профилей существует рациональный предел отводимых тепловых потоков, превышение которого не приводит к существенному увеличению скорости охлаждения внутренних слоев. Рассчитаны значения этих пределов для профилей различной массивности.

При охлаждении балок, имеющих переменную по сечению массивность, значения которой для отдельных элементов превышает 10 мм, равенство значений комплекса яРЛ/ для различных элементов профиля не обеспечивает равенства скоростей их охлаждения по периметру профилей, состоящих из элементов различной массивности. При выбранной схеме задания распределения отводимых тепловых

потоков в первую очередь смена режима теплообмена происходит на поверхности более массивной части профиля - сочленения, в то время как полка и стойка продолжают еще некоторое время охлаждаться при режиме кипения. Такая картина протекания процесса вызывает еще большую неравномерность в охлаждении по периметру балки и может привести к возникновению остаточных напряжений. Поскольку для профилей с толщиной элементов У/Т > 10 мм скорость охлаждения внутренних слоев регламентируется теплопроводностью с достаточной надежностью, можно говорить только о закалке поверхностного слоя. При этом в результате закалки возможны деформации и наличие остаточных напряжений, для устранения которых требуется дополнительная термическая обработка.

Установлено, что при температурах поверхности меньше Ю0°С режим охлаждения меняется на менее интенсивный. Получена выраженная в критериальной форме зависимость длительности интенсивного охлаждения от массивности профиля и параметров теплообмена.

В процессе проведения экспериментов получены зависимости, связывающие параметры теплообмена с конструктивными и режимными параметрами спрейерных устройств. Параметры теплообмена рассчитаны на основании статистической обработки 1200 графиков охлаждения, построенных по показаниям термопар, полученных в 124 опытах. Опыты проводились при различных конструктивных и режимных параметрах работы спрейера. Проведенные эксперименты показали, что основными параметрами влияющими на интенсивность охлаждения, являются плотность орошения ( количество воды, поданное на единицу охлаждаемой поверхности за единицу време-

ни), конструкция и диаметр сопла, а также расстояние до места на-текания струи.

зависимость отводимых с поверхности элемента профиля, непосредственно омываемого струями воды, тепловых потоков от плотности орошения, конструкции и диаметра сопел носит линейный характер и может быть выражена уравнением я = А V/ + В,

где - плотность орошения; А и В коэффициенты, зависящие от размера сопел. Получены значения этих коэффициентов для различных диаметров и конструкции сопел.

Получена зависимость, определяющая величину отводимых, параметров теплообмена, от расстояния до места натекания струи, выраженного в калибрах сопла, описываемая уравнением

где qo - плотности теплового потока в точке пересечения оси струи с охлаждаемой поверхностью; - плотности теплового потока в точке г/Ус = 5; К и Ы- экспериментальные коэффициенты, зависящие от плотности орошения.

В процессе проведения экспериментов подтверждена правильность основных положений, принятых при расчетном моделировании. Сравнение экспериментальных и расчетных графиков охлаждения, полученных при одинаковом распределении параметров теплообмена,позволяет говорить о достаточной надежности расчетного метода.

Установлено, что при плотностях орошения больших 150 м3/(м?ч)

В главе приведены данные по прочностным свойствам и структуре образцов,, вырезанных из балок, охлажденных при высоких плотностях орошения.

Глава 3. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ, ОБРАЗОВАННОГО СТРУЯМИ ВО ВРАЩАЮЩЕМСЯ СПРЕЙЕРЕ

В главе приведено описание математической модели формирования траектории струй во вращающемся спрейере, методик проведения численных и стендовых экспериментов по изучению гидродинамики струй и условий, обеспечивающих равномерное охлаждение труб в этих устройствах.

Модель описывает положение элементарного объема струи в любой момент времени в цилиндрической системе координат в зависимости от соотношения инерционных и центробежных сил при учете сил гравитации и эффекта центрифугирования при рахтачных конструктивных параметрах спрейера.

С использованием предложенной модели проведены расчетные и экспериментальные исследования формирования вращающегося внугри спрейера потока, определен ряд закономерностей этого процесса.

Установлено, что внутри спрейера образуется воздушная полость, размер и конфигурация которой зависит от конструктивных и режимных параметров устройства, а также от степени влияния сил гравитации.

При малых скоростях вращения спрейера и истечения струй силы гравитации значительно влияют на процесс формирования струй.

Траектории струй, по - разному ориентированных относительно сил гравитации, становятся несимметричными относительно оси вращения спрейера. Такой режим неприемлем, так как приводит к неравномерности омывания поверхности труб, и как следствие, к неравномерному их охлаждения. Проведенные исследования показали, что силы гравитации перестают оказывать заметное влияние на процесс при значениях критериев Фруда Бгц >1 и Ргип >100, где РгШ1 определяет соотношения сил инерции струи и гравитации (Ргш = и2 / g Лб), а Бгц - соотношения центробежной и гравитационной сил (йц = ги2!^).

При высоких скоростях вращения спрейера размеры воздушной полости могут стать больше диаметра охлаждаемой трубы, при этом охлаждение отсутствует. Установлено, что разворот сопла в сторону, противоположную направлению вращения спрейера на угол, зависящий от соотношения скоростей вращения и истечения струи, уменьшает диаметр полости. Получено выражение для расчета этого угла:

у = - агс5т(ш / и СОБф)),

где со -скорость вращения спрейера; и - скорость истечения струи; р - угол наклона струи к радиальному направлению в плоскости, проходящей через ось спрейера.

В процессе исследований работы спрейера установлено, что при вращении спрейера и поступательном движении трубы на ее поверхности формируется зона орошения спиралевидного типа. Для равномерного омывания поверхности трубы необходимо смыкание зон орошения.

Получека зависимость, позволяющая определять ряд скоростей вращения спрейера, обеспечивающих смыкание зон орошения при

различных конструктивных и режимных параметрах работы вращающихся спрейеров, размерах и скоростях движения труб:

30 V [271 Бп/Бр - (а(т0) - а (т2))]

--------

П (г(т0) - г(т2))

где V - скорость движения трубы; 7.(х) и а (х) - координаты точки падения струи на поверхность трубы; Бп/Бр - соотношение, определяющее число сопел спрейера; V- скорость движения трубы.

Полученные в численных экспериментах, проведенных с использованием предлагаемой математической модели, результаты сравнивались с результатами стендовых экспериментов, проведенных при тех же параметрах процесса. Сравнение дано высокую степень совпадения.

При охлаждении труб в спрейере при параметрах его работы, рассчитанных по предлагаемому методу, достигнута высокая равномерность охлаждения по периметру трубы: перепад температур по периметру трубы не превышал 10 град.

Глава 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ И РЕЖИМНЫМ ПАРАМЕТРАМ СПРЕЙЕРНЫХ УСТРОЙСТВ. ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ШИРОКОПОЛОЧНЫХ БАЛОК И ТРУБ

В данном разделе на примере расчетов параметров устройства для закалки крупного фасонного проката со специального нагрева рассмотрены возможности метода, описанного в главе 2, а также результаты испытаний опытно-промышленных устройств для охлаждения широкополочных балок и труб.

Расчетный анализ охлаждения профилей различной массивности, проведенный в данной работе, показал наличие пределов рационального увеличения плотностей отводимых тепловых потоков как по величине, так и по продолжительности, а также необходимость избирательного охлаждения элементов различной массивности. Таким образом, устройство для охлаждения крупного фасонного проката должно позволять регламентировать подвод воды как по периметру профиля, так и по времени охлаждения. Для удовлетворения последнего требования устройство должно иметь несколько последовательно установленных секций различной конструкции с индивидуальными подводами воды.

Как показал анализ геометрических характеристик крупных фасонных профилей ( за основу взят сортамент Универсального балочного стана НТМК ), для их охлаждения возможно использование секций с относительно простыми схемами расположения сопел, ста-

ционарно укрепленных на двух-трех рамах. В таком устройстве, в зависимости от формы и размеров обрабатываемого профиля, заданный режим охлаждения осуществляется с пульта оператора за счет включения и отключения различных групп сопел, а также за счет вертикального перемещения подвижных рам со смонтированными па них соплами.

Для определения параметров и порядка работы этих секций предварительно производится расчет по методу, описанному в главе 2.

При конструировании закалочного устройства большое значение имеет его длина, которая зависит от производительности термоотделения, ритма выдачи балок из печи и времени, необходимого на ее охлаждение. Время охлаждения балок различных типоразмеров определяется на основании приведенной в главе 2 методики расчетов. Скорость перемещения закаливаемого профиля определяется с учетом проектной производительности, длины закаливаемого профиля, расстояния между последовательно обрабатываемыми профилями и массы погонного метра профиля.

По найденной скорости перемещения профиля и времени, необходимому на его закалку, определяется требуемая длина устройства.

Расходы воды на секции и размеры сопел определяются на основании зависимостей, полученных в результате экспериментальных исследований в главе 2.

В главе приведены параметры закалочных устройств, рассчитанные по предлагаемой методике.

В главе приведены результаты исследований охлаждения широкополочных балок в потоке универсального балочного стана НТМК, из которых видно, что при охлаждении после прокатки возникает

ряд трудностей, связанных с провалами по структуре и механическим свойствам металла балок. Установлено, что причиной возникающих на стане проблем является высокая температура конца прокатки сочленения балок. Для устранения этих проблем необходимо провести избирательное охлаждение середины сочленения.

Предварительно проведенные расчеты показали, что кратковременное избирательное охлаждение сочленения, проведенное непосредственно перед входом в чистовую клеть стана и в период перехода металла из пластического состояния в упругое, позволяет достичь требуемой перед концом прокатки температуры и снизить остаточные напряжения.

На основе анализа результатов проведенных расчетов созданы конструкция и режимы работы опытно-промышленного устройства для избирательного охлаждения широкополочных балок в потоке прокатного стана.

Устройство устанавливалось на расстоянии 30 м после предчис-товой клети и в 70 м перед чистовой клетью и обеспечивало охлаждение в течение 1.5-6 с при температурах, близких к температурам перехода металла из пластического состояния в упругое.

В соответствии с технологическими требованиями устройство включалось при прокатке крупносортных балок, качество металла которых по прогнозу могло быть пониженным.

В процессе исследований устройство показало свою работоспособность и надежность. Полученные данные позволяют утверждать, что даже кратковременное (в течение 2-6 с) охлаждение исследованного сортамента балок позволило снизить перепад температур между сочленением и полкой, а также стойкой в период перехода из пластического в упругое состояние . Охлаждение балок в устройстве

обеспечило повышение временного сопротивления на 2.5-4.5 кгс/мм2 и сняло проблему провалов по качеству.

В главе описано исследование опытно-промышленного вращающегося спрейера в потоке стана 20-102 и термоотделении цеха "11 СевТЗ

При разработке консгрукции и режимов работы онытно-промышлешюго уС1р0ЙС1ва использованы методики, описанные в главах 2 и 3.

В экспериментах, проведенных на стане 20 - 102 СевТЗ, охлаждалась труба диаметром 76 мм с толщиной стенки 3.5 мм. Спрейер длиной 700 мм и диаметром по срезу сопел 170 мм устанавливался в кассету редукционного стана непосредственно за чистовой клетью.

При оценке качества закалки образцов определялись .механические свойства (ст„, От, (V/ по периметру в трек точках под углом 120°. Эксперименты, проведенные на стане, показали, что даже при малых расходах воды (из-за дефицита воды в цехе) кратковременное охлаждение в снрейере (порядка 0.6 с) позволяет повысить прочностные свойства металла трубы. При меньшей длительности охлаждения влияние охлаждения не отмечено.

В экспериментах по исследованию опытно-промышленного спрейера в термоотделе № 1 цеха Т-1 Северского трубного завода размеры спрейера по срезу сопел были увеличены до 410 мм, а длина непрерывной зоны орошения - до 1400 мм.

Спрейер устанавливался в термоотделе № I цеха Т-1 Северского трубного завода вместо штатного щелевого стационарного спрейера и предназначался для закалки труб диаметром от 146 до 245 мм с толщиной стенки до 12.5 мм и муфтовой заготовки диаметром

274 мм со стенкой 23.6 мм. Подаваемый к спрейеру расход воды в 500 м/час обеспечивал плотности орошения порядка 450 м3/(м2 ч). Скорости движения труб (4.8-7.6 м/мин) и муфтовой заготовки (2.3-2.8 м/мин) обеспечивали в среднем время охлаждения в спрейе-ре от 14 с для труб и до 30 с для муфтовых заготовок. Скорость вращения спрейера в зависимости от обрабатываемого сортамента менялась от 40 до 70 об/мин.

Была проведена термообработка труб из стали 32Г2 размером 245 X 8.9 мм на группу прочности Л и муфтовой заготовки размером 274 X 23.6 мм из стали 32Г2Ф на группу прочности М.

Получены следующие результаты механических свойств после термообработки в спрейерах различной конструкции (слева от косой полосы приведены данные для вращающегося спрейера, справа-для стационарного).

Размер трубы ов, Н/мм2 сгт, Н/мм2 §5, % ШС

245X8.9 775/702 860/816 17.6/18.4 32.3/30

274X23.6 880/790 980/970 14.5/15.5 32.5/29

Из полученных данных видно, что прочностные свойства труб после обработки во вращающемся спрейере на 5 - 10 % выше, чем в стационарном.

ВЫВОДЫ

1. На основе численного моделирования процессов охлаждения крупного фасонного проката и труб изучены закономерности процесса. Отмечено значительное влияние толщины проката на процесс

охлаждения и установлена условная граница массивности, выше которой не обеспечивается с квотное прокаливание профиля. Рассчитаны значения рациональных пределов увеличения отводимых тепловых поюков для профилей различной массивности. Определена зависимость длительности интенсивного охлаждения от параметров теплообмена и массивности элементов.

2. В процессе экспериментальных исследований выявлены конструктивные и режимные параметры струйного охлаждения, оказывающие основное влияние на интенсивность охлаждения. Такими параметрами являются плотность орошения (количество воды, подаваемой на единицу поверхности профиля за единицу времени), диаметр и конструкция сопла, расстояние до места натекания струи. Получены зависимости, позволяющие рассчитать параметры теплообмена в зависимости от этих параметров.

3. Разработанный на основании результатов численного моделирования н экспериментальных исследований комплексный метод оп-пшизации распределения параметров теплообмена, конструктивных и режимных параметров спрейерных устройств для интенсивного охлаждения проката сложной формы позволил рассчитать режимы охлаждения, конструктивные и режимные параметры работы опытно-промышленных устройств для охлаждения балок в потоке универсального балочного стана НТМК.

4.11а основании предложенной математической модели процесса формирования струй во вращающемся спрейере, численных экспериментов, проведенных с ее использованием, а также экспериментальных исследований работы спрейера найдены параметры, влияющие на гидродинамику струй и на условия их натекания на поверхность охлаждаемых труб. К этим параметрам относятся эффекг

центрифугирования, соотношения инерционных, центробежных сил и сил гравитации, а также конструктивные параметры спрейера, такие как угол раскрытия струи сопла, углы его наклона к радиальному направлению спрейера, схема расположения сопел. На основании анализа проведенных исследований создан метод, позволяющий рассчитать конструктивные и режимные параметры спрейеров, обеспечивающие равномерное омывание струями воды поверхности труб.

6. Применение этого метода в комплексе с методом оптимизации параметров теплообмена , конструктивных и режимных параметров спрейерных устройств позволило создать конструкцию и режимы работы опытно-промышленного вращающегося спрейера, испытанного в потоке стана 20-102 и в термоотделении цехаТ1 Сев'ГЗ.

7.Применение опытно-промышленных устройств для охлаждения балок и труб позволило увеличить прочностные свойства этих профилей на 5-10%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Траянов Г.Г., Замараев Л.М., Маликов Г.К. Охлаждение широкополочных балок при закалке // Металлургическая теплотехника: Темат. отрасл. сб. ВНИИМТ. М„ 1978. № 7. С.42-52.

2. Разработка систем и режимов струйного охлаждения стали при термообработке / Траянов Г.Г., Липунов Ю.И., Петрова Л.Б., Замараев Л.М. // Металлургическая теплотехника: Темат. отрасл. сб. ВНИИМТ. М„ 1979. № 8. С. 130-134.

3. Траянов Г.Г., Замараев Л.М. Вращающийся спрейер для охлаждения труб при закалке и прокатке // Сталь. №9.1985. С. 84-85.

4. Избирательное охлаждение широкополочной балки в потоке УБС Ш'МК/ Траянов Г.Г., Замараев Л.М., Коганский И.О., Евдоки-

мов Е.Ф. // Повышение качества металлопроката путем термической итермомеханической обработки. Днепропетровск, 1985. С.20-23.

5. Замараев Л.М., Траянов Г.Г. Охлаждение цилиндрических изделий во вращающемся спрейере // Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов. М.: Знание МДНТП, 1986. С. 127-129.

6. Коганский И.О., Замараев Л.М. Избирательное принудительное охлаждение широкополочной балки в потоке УБС НТМК // Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов. М.: Знание МДНТП, 1986. С. 123-125.

7. Избирательное принудительное охлаждение широкополочной

балки при контролируемой прокатке на УБС НТМК / Траянов Г.Г., Коганский И.О., Замараев Л.М., Долженков Н.С. // Исследование тепловых процессов и агрегатов основных переделов черной металлургии. М.: Металлургия, 1987. С. 95-98.

8 .Исследование влияния температуры прокатки и условий охлаждения на качество широкополочных балок / Траянов Г.Г., Замараев Л.М., Каганский И.О., Исаченко Т.С., Каркадинов Ю.А.; ЦНИИ информации и технико-экономических исследований; Мин. чер. мет. СССР, Черметинформация, УралНИИЧМ. Свердловск, 1986. Дсп. 07.04.86, № 3334-ЧМ.

9. Замараев Л.М. Вращающийся спрейер для охлаждения труб И Металлургические и заготовительные производства: процессы и машины. Свердловск, 1992. С.95-98.

10. Замараев Л.М., Локшин Б.Е., Крайнев В.П. Вращающийся спрейер для охлаждения труб // Сталь. № 4. 1995. С. 46-48.

11. A.c. № 1061873 СССР, МКИ4 В21В, 45/02. Способ охлаждения двутавровых широкополочных балок после горячей прокатки / Траянов Г.Г., Л.М.Баева Т.С., ГубертВ.С., Замараев Л.М. и др. № 3000840; Зявл. 05.11.80; Опубл. 22.08.83. Бюл. № 47. ...

12. A.c. № 1081217 СССР, МКИ4 C21D, 1/62, В21В. Форсунка для охлаждения изделий / Траянов Г.Г., Замараев Л.М., Легенький В.И., Ратнер Э.М. № 348084; Заявл. 05.08.82; Опубл.22.12.83.Бюл.№ 11. -13. A.c. № 1397505 СССР, МКИ4 C21D, 1/62. Способ охлаждения

полых цилиндрических изделий, например труб / Замараев.Л.М., Траянов Г.Г. № 4170733; Заявл. 30.12.86; Опубл. 22.01.88. Бюл. № 19.

14. A.c. № 1691415 СССР, МКИ4 C21D, 1/62. Способ охлаждения двутавровых профилей в линии прокатного стана / Коганский И.О.,

Траянов Г.Г., Замараев Л.М., Диденко С.И. № 46Ö9708; Заявл. 22.08.88; Опубл. 15.04.90. Бюл. № 30.

15. A.c. № 1691415 СССР, МКИ4 C21D, 1/62. Устройство для охлаждения цилиндрических изделий / Замараев Л.М., Локшин Б.Е., Липовецкий А.И. № 4707224; Заявл. 19.06.89; Опубл. 15.07.91. Бюл. № 42.

16: A.c. № 1735388 СССР, МКИ4 C21D, 1/62. Устройство для охлаждения цилиндрических изделий / Замараев Л.М., Траянов Г.Г., Липунов Ю.И., Ратнер Э.М. №482270; Заявл. 3.05.09; Опубл. 22.01.92. Бюл. № 19. 17. Патент №2017832 РФ, МПК6 C21D, 1/62. Способ настройки спрейера / Замараев Л.М., Локшин Б.Е. Опубл. 15.08.94.

Подписано в печать 08.04.97 Формат 60x84 1/16

Бумага писчая Плоская печать Усл.п.л. 1,39

Уч.-изд.л. 1.09 Тираж 100 Заказ 95 Бесплатно

Издательство УГТУ

620002, Екатеринбург, Мира, 19

ОСО НИЧ.620002, Екатеринбург, Мира, 19