Введение к работе
Актуальность работы. На металлургических предприятиях России и за рубеком основным методом удаления окалины с поверхности катанки является дорогой, экологически вредный, наносящий ущерб здоровью обслуживающего персонала и чистоте окружающей среды способ химического тразления окалины в растзорах серной и соляной кислот. 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, нейтралнзационные и регенерационные установки. Кроме того, кислотный способ является по-существу дискретным и не поддается совмещению в поточной технологии с последующими операциями волочения, тогда как совмещение в едином технологическом потоке нескольких технологических процессов и повышение экологической безопасности производства является фундаментальными проблемами современной металлургии, в том числе и волочильно-калибровочного производства.
Высокие удельные затраты и значительная экологическая опасность применения химической технологии травления окалины заставляют предприятия и лаборатории во всем мире искать альтернативные методы удаления окалины. Новые методы преимущественно представляют различные механические способы очистки от окалины; это, например, такие, как иглофрезерный, дробеметный, дробеструйный, шлифовка различными абразивными материалами и др.. в том числе их разжчные комбинации. Большое разнообразие способов и конструкций для механического удаления окалины говорит о том. что в мире не существует достаточно отработанной, надежной и широко применяемой технологии механической очистки катанки от окалины.
Одним из перспективных механических способов удаления окалины является технология абразивно-порошковой очистки (АПО), характе-
- I -
рпзуюшаяся принципиальной технической простотой: катанка протягивается через рабочую камеру, в которую непрерывно подается и уплотняется абразивный порошок. Такая технология не требует изготовления специального инструмента типа иглофрез, щеток, резцов, абразивных кругов и т.п. Используемый в АПО-процессе абразивный порошок (например, колотая чугунная дробь) недорог и выпускается многими предприятиями.
Существенными достоинствамі новой технологии являются возможность ее совмещения с волочением в едином поточном процессе и экологическая чистота. Оборудование АПО является экономичным и неметаллоемким, несложно в управлении и обслуживании, и при встраивании в линии действующих волочильных станов не требует дополнительного персонала.
Основные технические решения по АПО-процессу признаны изобретениями в ССС? и запатентованы в ряде стран Европы, в СЖ и Японии.
Б 199С - 1991 гг. в сталепроволочно-метизном цехе Череповецкого сталепрокатного завода были введены в опытно-промышленную эксплуатацию совмещенные линии АПО и волочения катанки на базе стана трехкратного волочения No.48 участка грубого и среднего волочения и на базе стана Но.14 однократного волочения участка окалинолома-ния. Б предыдущие годы утановка АПО катанки эксплуатировалась в линии стана Кс.З калибровочного цеха.
Технологией АПО катанки активно заинтересовалась фирма Ascometal (Франция), поставившая для пробной очистки катанку из шарикоподшипниковой стали, и корпорация Nippon Steel (Япония), поставившая катанку из нержавеющих сталей нескольких марок и титана. Проявила заинтересованность также французская машиностроительная оирма О.Т.Т.. специализирующаяся на выпуске металлургического , в том числе волочильного оборудования.
г 199: году фирма Project Development International Inc. (США)
приобрела лицензию на право использования и распространения технологи:: АПО катанки на панамериканском рынке и в Великобритании.
Большой интерес к приобретению технологии абразивно-порошковой очистки катанки, совмещенной в потоке с волочением, проявляемый предприятиями и фирмами, вновь открывающими малые волочильно-ка-либрозочные или метизные производства, показал, что у таких предприятий альтернативы механической очистке нет, так как в условиях малого производства содержание кислотного хозяйства не может быть рентабельным.
Однако ряд научно-технических и конструкторско-технологических вопросов совмещения технологии АПО с волочением не был достаточно проработан и сдерживал промышленную реализацию этой технологии, а именно, для создания и широкого использования в промышленности оборудования совмещенных поточных линий было необходимо решение ряда научно-технических задач, важнейшими из которых являлись:
создание теории и исследование технологии абразивно-порошковой очистки катанки, т.е. нахождение основных конструктивных, энер-госилозых и режимных параметров, удовлетворяющих одновременно условиям качественной очистки и устойчивости процесса волочения, осуществляемых поточно;
разработка эффективного оборудования абразивно-порошковой очистки катанки, способного осуществить поточную технологию при оптимальных энергосиловых параметрах;
разработка оборудования поточной линии, позволяющего вести процесс волочения з потоке с очисткой в отсутствие подсмазочного покрытия;
совершенствование конструкции волочильных станов в плане повышения их надежности в услозиях возрсосшегс противонатяжения при эксплуатации б потоке с абразивно-порошковой очисткой;
исследование режимов эксплуатации совмещенных линий, главным образом потребления энергии, расходуемых материалов и износос-
t -
топкости рабочих органов АЛ С - и волочильного инструмента на предмет промышленной пригодности;
- исследование качества продукции, полученной п: новой техноло
гии, и определение области применимости зтой технологии в про
мышленности.
Цель работы. На основе математического моделирования процесса абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины и промышленных исследований процесса очистки катанки в потоке с волочением разработать и внедрить в производстве эффективное и экономичное оборудование совмещенных линий бескислотной очистки и золочения стальной катанки.
Методы исследований. В работе использоєань: методы математического моделирования, численного и аналитического решения системы дифференциальных уравнений состояния сыпучей среды, находящейся под давлением и контактирующей с очищаемой поверхностью цилиндрического проката.
Так как непосредственная экспериментальная проверка математической модели затруднена вследствие отсутствия соответствующих видов датчиков, была разработана специальная методика оценки соответствия математической моделі абразивно-порошковой очистки катанки реальным процессам путем косвенного измерения усилия протяжки и давления нагнетания шнека по электрическим параметрам приводов с последующей обработкой результатов измерений с целью вычленения из суммарного усилия протяжки дол:: каждого из устройств линии.
При исследовании механических характеристик и показателей качества продукции применялись стандартные методики отбора образцов проволоки и измерений. Методика весового определения содержания ::таточной окалины с травлением образцов работала на пределе точности. При обработке полученных данных использовались методы ма-
- г.'-!^тпческой статистики.
- I -
Научная новизна.
і. Лань: общая постановка, основные уравнения и граничные условия математической модели процесса абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката на основе положений механики сыпучих сред, при этом впервые учтены динамика сыпучей среды и специфический характер ее вязкости.
-
На основе созданной модели выполнены численное моделирование и псстроение поля скоростей порошка в рабочей зоне очистки, а также разработана новая методика энергосилового расчета процесса абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката.
-
Математическая модель процесса абразивно-порошковой очистки катанки исследована при вариации многих параметров, и на основе анализа выработаны принципиальные подходы к конструированию установки абразивно-порошковой очистки и ее узлов.
-
Разработаны и защищены патентами России и изобретениями СССР нозые технические решения по созданию установок абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката и совмещенных линий очистки и волочения катанки.
Основные положения, выносимые на зашиту:
-
Постановка и решение осесимметричной задачи математического моделирования процесса АПО цилиндрического проката от окалины с учетом напряженного состояния и динамики абразивного порошка в рабочей зоне; анализ полученных зависимостей.
-
Новые конструктивные и технологические разработки по созданию совмещенных линий АПО и волочения катанки от окалины.
-
Результаты промышленных исследований:
износостойкости рабочих органов АПО;
износостойкости волочильного инструмента е совмещенной технологии аоразивно-порошковой очистки и волочения катанки, в том числе обычных и спаренных волок при использовании раз личных видов технологических смазок и при возбуждении круго вых колебаний
катанки на входе в волоку;
- качества малоуглеродистой калиброванной стали и продукции сталепроволочко-мєтизного производства, полученной по совмещенной технологии.
Практическая ценность.
-
На основе решения системы уравнений математической модели сыпучей среды, взаимодействующей с катанкой, получены и подтверждены экспериментально выражения для инженерного расчета основных энергосиловых параметров процесса абразивно-порошковой очистки.
-
На основе анализа математической модели выработаны принципиальные положения для конструирования устройств абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката.
-
Разработаны и защищены на уровне изобретений 10 новых технических решений, позволивших создать совмещенную линию абразивно-порошковой очистки катанки в потоке с волочением; указанные решения запатентованы в России и за рубежом.
-
Исследованы и решены проблемы абразивного износа рабочих органов устройства абразивно-порошковой очистки - выходного отверстия рабочей камеры и винтовой части шнека.
-
Исследозаны возможности и эффект от применения на волочильных станах различных видов технологических смазок, различных видов волок, устройства стабилизации процесса волочения, при этом решена проблема повышения износостойкости волочильного инструмента до величин, сравнимых с обычной для традиционной технологии.
-
Проведенный в ходе опытно-промышленной эксплуатации совмещенных линий анализ качества малоуглеродистой калиброванной стали и продукции сталепроволочно-метизного производства показал, что разработанная технология удовлетворяет требованиям ГОСТов по этим видам продукции.
Реализация работы.
:. длительная опытно-промышленная эксплуатация совмещенной ли-
ни;: абразивно-порошковой очистки и волочения катанки на базе во-лочильно-калибровочного стана ВСК-1/750 'в калибровочном цехе ЧСПЗ, 198" - 1989 гг.
-
Опытно-промышленная эксплуатация совмещенной линии на базе стана трехкратного волочения UDZSA 3/650 фирмы "Sket", Германия, на участке грубого и среднего волочения сталепроволочно-метизного цеха ЧСПЗ, 1990 - 1991 гг.
-
Опытно-промышленная эксплуатация совмещенной линии на базе линш; окалиноломания на участке подготовки металла сталепроволочно-метизного цеха ЧСПЗ, 1991 г.
-
Продажа лицензии и технической документации на использование и распространение установок абразивно-порошковой очистки катанки на территории США, Южной Америки, Великобритании. Канады и Мексики сроком на 1.5 года фирме PDI, США; договорная цена - 500 тыс.руб. в ценах марта м-ца 1991 года.
-
Продажа лицензии, технической документации и поставка полного комплекта оборудования линии фирме "Антикор" (г.Ашгабат. Туркменистан), 1992 г. Договорная цена - 1 млн. 990 тыс.руб.
-
Поставка специализированного волочильного стана Ивановскому ремпзо-бердочному заводу, 1993 г., договорная цена - 4.5 млн.руб.
-
Еедется подготовка к отгрузке комплекта оборудования совмещенной линии в адрес КТИ "Автометиз", (г. Н.Новгород). Оплаченная в 1993 г. сумма - б млн. руб.
Достоверность научных положений и выводов обоснована сравнением расчетных данных, полученных при анализе математической моделі:, и данных, полученных при экспериментальных исследованиях на промышленном оборудовании, а"также подтверждена результативностью технических и конструкторских решений, разработанных на основе научных положений и рекомендаций; достоверность промышленных исследований технологических параметров процесса абразивно-порошковой очистки катанки, эксплуатационных характеристик оборудования
і: показателей качества продукции подтверждается запротоколированными результатами лабораторных измерений, произведенных в соответствии с действующими стандартами.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены:
на заседании Инновационного совета при Совете Министров Российской Федерации, 1992 г.;
на совещании в отделе машиностроения Миннауки РФ, 1993 г.;
на научно-технических совещаниях при главном инженере Череповецкого СПЗ;
на научно-техническом совещании при главном инженере Ленинградского СПЗ;
на научном семинаре Лаборатории пластической деформации металлических материалов ИМЕТ РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы, а также получено 10 авторских свидетельств на изобретения СССР и РФ, получены патенты РФ, США, Франции, Японии.
Объем диссертационной работы. Основной материал диссертации ,'166 стр. машноп. текста) включает Введение, 5 Глав, Заключение ;с общими выводами), список Литературы из 96 наименований. Перечень приложений из 42 наименований; 37 илл., 11 табл.
Нумерация рисунков, таблиц и приложений по главам.
Приложения: документы, иллюстрации, таблицы.
Приложения сброшюрованы отдельно.