Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ - 7
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 12
-
Производство и потребление толстого листа в России и мире 12
-
Трубопроводный транспорт 14
-
Применение толстолистового проката в других отраслях 19
-
Стали для толстолистового проката и технологии их упрочнения 20
-
Требования к сталям для магистральных труб большого диа- 21 метра
-
Основные технологические направления повышения свойств толстолистового проката 23
-
Термическая обработка со специального нагрева 35
-
Теплообмен при водяном охлаждении проката 38
-
Основные закономерности кипения воды на высоконагретых 40 поверхностях
-
Теплообмен при охлаждении высоконагретых тел в объёме 41 жидкости.
-
Теплообмен при струйном охлаждении проката. Влияние режимных и конструктивных параметров на интенсивность
и равномерность струйного охлаждения 43
-
Устройства регулируемого охлаждения и закалки толстого листа 48
-
Выводы и задачи исследования 62
-
РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К УСТРОЙСТВАМ УСКОРЕННОГО КОНТРОЛИРУЕМОГО ОХЛАЖДЕНИЯ 65
-
Технологические требования 65
-
Требования к конструкции устройства 67
-
Требования к системе управления и КИП 68
-
Выводы 69
МЕТОДИКА АНАЛИЗА ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ УСКОРЕННОМ ОХЛАЖДЕНИИ ТОЛСТОГО ЛИСТА И 70 ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
-
Постановка задачи и выбор методик исследования 70
-
Расчет температурного поля в листе при ускоренном и естественном охлаждении (математическая постановка задачи) 73
-
Методика обработки результатов промышленных исследований 74
-
Выводы 79
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ УСКОРЕННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТОЛСТОГО СТАЛЬНОГО ЛИСТА ПОСЛЕ СПЕЦИАЛЬНОГО НАГРЕВА В 80 ПОТОКЕ СТАНА 3600 МК «АЗОВСТАЛЬ» И ИХ ВНЕДРЕНИЕ
4.1 Теплофизический анализ процесса ускоренного охлаждения тол- 81 стого стального листа
-
Конструктивные и режимные параметры устройства ускоренного охлаждения после роликовой печи 88
-
Исследование опытно-промышленных и промышленных устройств. Разработка рекомендаций по их модернизации. 92
Методика исследования 93
Результаты исследований опытно-промышленных устройств 95
Результаты исследований промышленных устройств 95
Анализ работы реконструированных устройств 99
Стендовые исследования гидравлических параметров раздающих коллекторов изменённой конструкции 102
Разработка параметров и исследование модернизированных уст- 105 ройств ускоренного охлаждения
Выводы 110
5 ОСВОЕНИЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛИРУЕМОГО ОХЛАЖДЕНИЯ 112 И ОТРАБОТКА РЕЖИМОВ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ ТОЛСТЫХ ЛИСТОВ В ПОТОКЕ СТАНА 5000 ЧерМК-ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ»
Конструктивные параметры устройства контролируемого охлажде- 112 ния
Определение теплотехнических характеристик устройства контро- 117 лируемого охлаждения. Разработка режимов прерванного охлаждения
5.3 Исследование равномерности охлаждения по площади широких 122 листов
-
Исследование равномерности раздачи воды по ширине листа 123
-
Исследование равномерности охлаждения по ширине листа 127 5.4; Анализ работы системы автоматизированного управления процес- 137
сом ускоренного охлаждения
5.5 Выводы 142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 146 ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А. Данные о метрологическом обеспечении исследова- 161 ний тепло физических характеристик охлаждающих устройств
Приложение Б. Иллюстративный материал к разделу 5 163
ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ И ИНДЕКСЫ
Обозначения:
а - коэффициент температуропроводности, м2/ с;
Со = 5,67 Вт /(м2-град4) - константа излучения абсолютно черного тела; ст— средняя теплоемкость в интервале температур t,- —10, Дж/(кг -град); c(t) - теплоемкость при температуре t, Дж/(кг-град)-, Л (t) -- коэффициент теплопроводности при температуре t, Вт/ (м-град)); D, d- диаметр, м;
F - площадь поверхности, сечения, м2; G - масса, кг;
g = 9,81 м/с - ускорение силы тяжести; Н - высота, м;
i - номер секции, интервала и др.; L,l - длина, м;
т - коэффициент массивности;
п - количество;
Р - давление, МПа\
Q - расход воды, м3/ч\
q - плотность теплового потока, Вт/м ;
г - радиус, м;
S - ширина секции, м;
Т - температура по абсолютной шкале, К;
t - температура по стоградусной шкале (Цельсия), С;
V- объем, м3;
v - скорость, м/с\
^-плотность орошения, м /(м -ч).
а - коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м град)\
у- плотность, кг/м3\
А - разность, напор;
8- толщина листа, мм, м;
е - степень черноты поверхности металла;
-77 - коэффициент полезного действия;
р - плотность металла, кг/м3;
Е- сумма, суммарное;
а- напряжение, Па\
т- время, с, ч;
(р - угловой коэффициент излучения;
(р - угол атаки струи воды, :
Аг3 - температура начала распада аустенита при охлаждении металла (выделение структурно свободного феррита);
Ati - температура начала распада аустенита с образованием феррито- арбйдйой смеси (ФКС) различной степени дисперсности - перлита, сорбита или бейнита;
М„ - температура начала бездиффузионного мартенситного превращения;
1 с'
ав - временное сопротивление разрыву, МПа; ат - предел текучести, МПа; а0,2 - условный предел текучести, МПа; 52 - относительное удлинение, %;
КСУ_г работа удара (ударная вязкость) при разрушении образца с V- образным надрезом при температуре I, Дж;
КСи_г работа удара (ударная вязкость) при разрушении образца с II- образным надрезом при температуре 1;, Дж.
Критерии:
Вг = а/Л - число Био; Е0 = а-т/5!2 - число Фурье;
К1 = дсЯ(или 1)/(НТс — То)) - критерий Кирпичева. Индексы:
в - верхняя поверхность листа;
и - измерение;
к - конвекция;
к.охл — конец охлаждения;
л-лучистый, излучение:
м - среднемассовая температура или металл;
н - нижняя поверхность листа;
н.охл - начало охлаждения;
не - насадок;
ос — окружающая среда;
п - поверхность;
ср - средняя.
Типы структур: Д - аустенит; Б - бейнит; К - карбиды; М - мартенсит; П - перлит; Ф - феррит;
ИФ - игольчатый феррит. Сокращения:
ИПГ (В\\^ТТ) - испытание падающим грузом;
КП — контролируемая прокатка;
РЗМ - 'роликовая закалочная машина;
ТЛП - толстолистовой прокат;
ТЛС - толстолистовой прокатный стан;
ТБД - трубы большого диаметра;
ТМО - термомеханическая обработка;
ТЭК - топливно-энергетический комплекс;
УКО - устройство контролируемого охлаждения;
УО - устройство охлаждающее;
УОВТ - установка охлаждения ванного типа;
УУО - устройство ускоренного охлаждения.
АСС - Accelerated Controlled Cooling (ускоренное контролируемое охлаждение);
DQ - Direct Quenching (прямая закалка);
DWTT -доля вязкой составляющей в изломе (по результатам ИПГ); ТМСР — Thermo Mechanical Controlled Process (термомеханическая контролируемая прокатка).
Фирменные процессы ТМСР с применением АСС:
ADCO - Adjustable Cooling;
CLC - Continuous On-Line Control;
DAC - Dynamic Accelerated Cooling Process;
ICS - Intensive Cooling System;
KCL - Kobe Steel's Controlled Rolling and Accelerated Cooling; MACOS - Mannesmann Accelerated Cooling System; MACS - Multipurpose Accelerated Cooling System; MULPIC - Multi-Purpose Interrupt Cooling (ACC+ DQ); OLAC - On-Line Accelerated Cooling; Super OLAC - усовершенствованный процесс OLAC.
Введение к работе
Актуальность темы. Стратегией развития металлургической промышленности России на период до 2020 года в качестве основных тенденций развития предусматривается освоение производство широкоформатного проката для толстостенных труб большого диаметра, и повышение качественных характеристик толстолистового проката, производимого для нужд оборонно- промышленного комплекса, судостроения, атомного машиностроения [1].
При решении задач освоения производства высококачественного толстолистового проката широкое применение находит регулируемое охлаждение, прежде всего при термомеханической обработке с целью повышения служебных свойств, а так же для повышения производительности оборудования. При этом повышение служебных свойств стального проката обеспечивается без увеличения, а зачастую и с уменьшением количества дорогостоящих легирующих элементов.
Особенностью современного этапа развития процессов термоупрочнения толстолистового проката является "широкое применение охлаждающих устройств большой производительности, устанавливаемых в потоке прокатного стана.
Результаты, достигаемые при термоупрочнении, в том числе по структуре и служебным свойствам, главным образом определяются совершенством организации ускоренного охлаждения проката, интенсивностью и равномерностью охлаждения, т.е. теплофизическими процессами. Высокопроизводительные агрегаты термоупрочнения, применяемые в мировой практике при производстве толстолистового проката, характеризуются большим расходом охлаждающей воды, что требует строительства дорогостоящих систем водоснабжения и водоочистки. В условиях имеющегося дефицита воды на металлургических предприятиях России и Украины, а также ограниченности длины отводящих рольгангов, актуальной становится задача обеспечения тепловой экономичности охлаждающих устройств.
Теплофизические процессы, протекающие в охлаждающих устройствах, применяемых для термоупрочнения проката, существенно отличаются от цР9це,ссов, протекающих при нагреве и кипении жидкостей в тегаюэнергети- ческих'агрегатах, в частности, вследствие резко выраженной нестационарности, поскольку данные процессы протекают в течении нескольких секунд или даже долей секунды. Это не позволяет в полной мере использовать при разработке охлаждающих устройств методы теплового расчета, разработанные в энергетике.
В условиях ускоренного охлаждения особым своеобразием отличается протекание кризисов теплообмена при кипении воды. В связи с особенностями гидродинамических процессов и существованием кризисов теплообмена в местах натекания струй воды интенсивность теплообмена на поверхности высоконагретого металла может достигать величин 10...30 МВт/м2, тогда как на перйферийных участках между струями интенсивность теплообмена ниже на порядок и более.
Быстрое охлаждение изделий, сопровождаемое структурными превращениями в металле, в условиях неравномерного распределения интенсивности теплоотвода приводит к возникновению термических и структурных напряжений в металле, которые в свою очередь могут вызвать деформацию проката.
Для выполнения требований технологии и обеспечения экономичности по расходу воды и энергоресурсов необходимо учесть взаимосвязанность различных процессов гидродинамики, тепловой работы охлаждающих устройств в увязке с процессами структурных превращений в металле и возникающими при этом напряжениями.
Развитие теории и практики термического упрочнения проката массового производства методами струйного охлаждения показало, что при гибком управлении процессом охлаждения преодолеваются недостатки воды, связанные с явлениями кризиса теплообмена при вынужденном кипении воды и особенностями гидродинамики течения струй воды и пароводяной смеси вдоль высоконагретых поверхностей, и обеспечивается повышение служебных свойств стали, наиболее распространённого материала в промышленности и строительстве, без увеличения, а зачастую и с уменьшением количества дорогостоящих легирующих элементов.
На современном этапе особое значение имеет обеспечение охлаждающих устройств системами автоматизированного управления технологическим процессом, тесно интегрируемых с АСУ смежных технологических агрегатов и вышестоящими АСУ.
Цели и задачи исследования. Разработка режимных и конструктивных параметров устройств регулируемого охлаждения толстолистового проката различного марочного и размерного сортамента для реализации широкого спектра технологических процессов их термического упрочнения и внедрение их в условиях действующих предприятий: МК «Азовсталь» и ЧерМК-ОАО «Северсталь».
Задачами работы являются:
Определение технологических и технических требований к устройствам» регулируемого охлаждения толстолистового проката с прокатного нагрева (в потоке стана) и после специального нагрева.
Использование результатов численного моделирования процессов теплообмена, протекающих при ускоренном охлаждении толстого листа, для определения параметров устройств ускоренного охлаждения.
Разработка раздающих коллекторов с плоскофакельными насадками, обеспечивающих равномерное распределение неразрывных потоков воды по ширине листа в широком диапазоне регулирования расходов, в том числе при работе на оборотной воде прокатного цеха с низким давлением.
Внедрение в эксплуатацию промышленных устройства регулируемого охлаждения с прокатного нагрева (в потоке стана) и после специального (печного) нагрева. Разработка режимов работы охлаждающих устройств, обеспечивающих реализацию различных технологий термоупрочнения.
5. Анализ опыта промышленной эксплуатации АСУ ТП устройства контролируемого охлаждения в потоке стана 5000 ЧерМК-ОАО «Северсталь».
Методы исследования. Численное моделирование динамики температурных полей по сечению толстолистового проката в процессе ускоренного охлаждения с постоянной и переменной по времени интенсивностью тепло- отвода от поверхности. Стендовые исследования гидродинамических параметров раздающих коллекторов и плоскофакельных потоков воды. Экспериментальное исследование теплофизических характеристик промышленных охлаждающих устройств.
Научная новизна:
На основе физического и математического моделирования процессов теплообмена разработаны принципы построения систем регулируемого охлаждения толстолистового проката, позволяющие реализовать в одном агрегате различные технологии термоупрочнения - прерванное ускоренное охлаждение, закалку и закалку с самоотпуском.
Разработаны конструкции раздающих коллекторов с плоскофакельными насадками, обеспечивающие высокую равномерность охлаждения по ширине и длине листа, и существенно более высокие, чем в зарубежных агрегатах, пределы регулирования скорости охлаждения - одного из главных параметров для обеспечения высокого уровня механических свойств.
Получены теплофизические характеристики устройств в виде зависимости плотности теплового потока q от плотности орошения на основании которых проведена адаптация математической модели для каждого конкретного агрегата с последующим определением оптимальных режимов работы устройств для термоупрочнения проката промышленного сортамента. Получены данные о высокой равномерности охлаждения по ширине и длине толстолистового проката (штрипса) для труб большого диаметра, удовлетворяющей требованиям международных стандартов. Величина абсолютного отклонения предела текучести составляет 7,4 МПа при допустимом разбросе по площади листа согласно требований международных стандартов в пределах 50 МПа.
Практическая значимость. Разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию устройства ускоренного охлаждения за нормализацион- ными печами в потоке стана 3600 МК «Азовсталь» и устройство контролируемого охлаждения в потоке стана 5000 ЧерМК-ОАО «Северсталь». Разработаны оптимальные с теплофизической точки зрения режимы охлаждения толстолистового проката в данных устройствах термоупрочнения. Разработана и реализована система управления УКО стана 5000, обеспечивающая в режи,ме реального времени достижение высоких показателей качества толстолистового проката различного назначения, включая магистральные трубы большого диаметра и судосталь. Математическая модель ускоренного охлаждения, разработанная во ВНИИМТ и реализованная в АСУ ТП для выбора и управления режимами термоупрочнения листов различного марочного и размерного сортамента, обеспечивает получение температуры конца охлаждения с отклонением от заданной не более 3%.
Положения, выносимые на защиту:
Комплекс требований к устройствам регулируемого охлаждения толстолистового проката и особенности построения и функционирования АСУ ТП многосекционных устройств ускоренного охлаждения.
Теплофизические особенности организации процесса термоупрочнения толстолистового проката с постоянной и переменной во времени интенсивностью охлаждения, обеспечивающего заданные технологические ограничения.
Конструкция раздающих коллекторов с плоскофакельными насадками, обеспечивающего равномерную раздачу воды, в том числе «грязного» оборотного цикла низкого давления (до 0,04 МПа), определяющие геометрические размеры плоскофакельныых насадков и величина расходного коэффициента коллектора л.
Определяющие теплофизические зависимости плотности теплового потока я от плотности орошения для разработанных и внедренных в промышленную эксплуатацию устройств. '5-: Результаты комплексного исследования равномерности охлаждения толстолистового проката для труб большого диаметра.
Личный вклад автора. Настоящая работа является обобщением результатов расчетных и экспериментальных исследований по выбору типа, установлению рациональных конструктивных и режимных параметров, созданию и запуску в промышленную эксплуатацию устройств ускоренного охлаждения листового проката, проведенных в ОАО «ВНИИМТ», в которых автор принимал непосредственное участие как ответственный исполнитель, так и как руководитель работ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены' и обсуждены на 9-й научно-технической конференции молодых специалистов и ученых Урала «Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов», Свердловск, 1984 г.; II Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки», Днепропетровск, 1985 г.; семинаре «Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов», Москва, МДНТП, 1986 г.; конференции «Проблемы качества и совершенствования оборудования тяжелого, энергетического, транспортного и химического машиностроения», Свердловск, НИИТяжМаш, 1986 г.; 10-й научно-технической конференции молодых ученых и .специалистов Урала «Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов, Свердловск, 1987 г.; Всесоюзной научно-технической конференции молодых металлургов-исследователей «Проблемы повышения технического уровня производства черных металлов и сплавов», Донецк, 1987 г.; Всесоюзном научно-техническом семинаре «Совершенствование технологии производства толстолистового проката с целью повышения качества готовой продукции», Донецк, 1987 г.; XI научно-технической конференции молодых ученых «Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов», Свердловск, 1988 г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки», Днепропетровск, 1988 г.; Всесоюзной научно- технической конференции «Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии», Свердловск, 1990 г.; И-й научно-технической конференции «Штрипс и трубы - обеспечение качества», Нижний Тагил, 2002 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов», РГАТА, Рыбинск, 2005 г.; на международной научно- практической конференции «Топливно-металлургический комплекс» АИН им. A.M. Прохорова, г. Екатеринбург, 2007г. и на VIII международном конгрессе прокатчиков, ММК, г. Магнитогорск, 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, из них: 8 статей в рецензируемых журналах по перечню ВАК, 8 статей в других журналах и сборниках научных трудов и докладов всероссийских и международных конференций. По теме диссертации получено авторское свидетельство и патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 216 наименований и 2 приложений. Материал изложен на 170 страницах машинописного текста, включает 72 рисунка и 31 таблицу.
Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ») в соответствии с основными направлениями научно-практической деятельности «Центра новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов» (до 2004 г. - лаборатория теплотехники регламентированного охлаждения проката) в рам- хоздоговорных работ и контрактов под руководством директора Центра, к.т.н. Липунова Ю.И. и ведущего научного сотрудника, к.т.н. Траянова Г.Г.; и на кафедре «Теплофизика и информатика в металлургии» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина в рамках Государственного контракта с Минобрнауки России по теме № 02.740.11.0152. " ' ,
Похожие диссертации на Разработка и внедрение в производство устройств термоупрочнения проката регулируемым охлаждением на основе анализа процессов теплообмена
-
-
