Физические принципы гидравлического удаления печной окалины на стане горячей прокатки

26/05/2014 4:48pm

Автор: Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., Чистопьянов О.Ф., Корбут В.Б.,

Категории: прокатное производство

В работе рассмотрены основные способы удаления первичной окалины на листопрокатных станах. Освещены физические принципы гидравлического удаления печной окалины.

УДК 658.012.011.56:621.7.024.2

Грабовский Георгий Геннадиевич, ГНПК «Киевский институт автоматики», зам. генерального директора, д.т.н., проф.

Иевлев Николай Георгиевич, Институт проблем математических машин и систем НАН Украины, ученый секретарь, к.т.н., с.н.с.

Чистопьянов Олег Федорович, ГНПК «Киевский институт автоматики»,
старший научный сотрудник, к.т.н.

Корбут Виктор Борисович, Институт проблем математических машин и систем НАН Украины, старший научный сотрудник.

Физические принципы гидравлического удаления печной окалины на стане горячей прокатки

Получение проката высокого качества требует обеспечения листопрокатных станов исходным материалом, свободным от окалины.
В настоящее время в основном применяют следующие способы удаления первичной (печной) окалины: механический – с применением окалиноломателей; фрезерный; огневой; паровзрывной – с использованием лунчатых валков; гидравлический.
Как показала практика, наиболее эффективным и экономичным способом удаления первичной окалины является гидравлический, реализуемый струей воды, бьющей из сопла под высоким давлением. В работах [1, 2] сформулирован комплексный механизм гидравлического удаления окалины, состоящий из 4-х компонент:

  • механическая компонента струи, определяемая давлением удара, приводящего к взламыванию корки окалины;
  • термическая компонента, которая является следствием резкого снижения температуры (термический удар), приводящая к растрескиванию окалины вследствие разницы термической усадки с основным металлом;
  • пневматическая компонента, возникающая в результате взрывного парообразования, что дополнительно дробит и удаляет окалину;
  • гидравлическая компонента, т.е. смыв окалины горизонтальной составляющей струи, образовавшейся вследствие преломления о поверхность металла струи из сопел, и которая также является функцией ударного давления струи.

При гидравлическом способе очистки в качестве рабочей среды используют воду под большим давлением, а непосредственно исполнительным устройством является сопло, назначение которого состоит в создании струи воды и подвод ее в определенной форме и с высокой скоростью к раскаленной поверхности, чтобы не только взорвать слой окалины, но и быстро удалить ее с поверхности заготовки.
В настоящее время на листовых станах горячей прокатки в качестве устройств для гидросбива печной окалины находят применение два типа систем, отличающихся с одной стороны конструкцией исполнительного устройства подачи воды на поверхность металла, с другой стороны – параметрами рабочей жидкости – давлением воды в системе и ее расходом.
Традиционной конструкцией исполнительного устройства гидросбива является водяной коллектор, подсоединенный к насосам, с расположенными на нем стационарно водяными соплами как правило с плоским факелом (рис. 1). Эти системы отличаются относительно невысоким давлением воды (до 10-12 Мпа) и значительным расходом воды (6-8 тыс. л/мин) на установку, (стан 1800, Thyssen Krupp Stahl AG, Бохум, Германия, год модернизации 1997, [3]).

Традиционная конструкция коллекторов

Рис. 1 Традиционная конструкция коллекторов

Стремление мировой практики понизить потери тепла металлом в течение 1990-2010 г.г. привело к созданию систем типа HPLF («High Pressure, Low Flow» – высокое давление, малый расход [4]). Конструктивно они не отличаются от традиционных систем и оборудованы такими же плоскими соплами. Однако давление воды в этих устройствах существенно повышено (до 22 Мпа), при несколько пониженном расходе воды, составляющем приблизительно 3.5-5.5 тыс. л/мин. Типичным представителем станов с такими системами гидросбива является стан 1700 фирмы Eco Stahl, Айзенхюттенштадт, Германия, 1998 г.
Дальнейшие тенденции снижения как теплопотерь, так и энергопотребления при гидросбиве, а стало быть, и стоимости установленного оборудования, а также повышения качества очистки металла были реализованы в устройствах гидросбива с роторными головками (рис. 2) [2,4].

Пример конструкции роторной головки

Рис. 2 Пример конструкции роторной головки

В таких системах используются, как правило, круглые сопла массивной (сплошной) струи, инжектирующие «металлический прут» воды с очень малым расходом, воздействующей на очень малую площадь, и поэтому создающие весьма высокое давление удара. Давление в этих системах составляет от 30 до 60 МПа при расходах воды до 500 л/ мин, а давление удара в 10 раз большее, чем удар из плоского сопла. Сопла устанавливаются на вращающихся со скоростью до 1500 об/мин от электромотора или вследствие реактивной силы водяной струи головках, которые сканируют поверхность металла по дуге; 5-6 таких головок достаточно, чтобы покрыть полную ширину заготовки. В результате такой тип гидросбива использует очень малый расход при высоком давлении удара. Поскольку расход воды мал, требуемая установленная мощность не велика при очень высокой эффективности использования энергии. Роторные системы, работающие при особо малых расходах, в общем имеют улучшенные характеристики при немного более низких скоростях движения металла, чем обычные или HPLF-системы. Представителем стана с роторной системой гидросбива является стан спецсталей в Huta Baildon (Польша) [4].
Воздействие струй воды на окалину характеризуется двумя основными параметрами – силой гидродинамического удара о поверхность металла и удельной водяной нагрузкой – количеством воды на единицу поверхности, т.е. удельным расходом воды. Эти параметры являются функциями давления в системе, расстояния до поверхности металла, а также гидравлических характеристик сопла, которые, в конечном счете определяют кинетическую энергию струи. С другой стороны качество очистки зависит от свойств самой окалины – ее толщины, хрупкости, сцепления с металлом («клейкости»).
При толстой и сухой окалине, получающейся на углеродистых сталях при нагреве в окислительной атмосфере, при быстром охлаждении струями воды происходит усадка окалины по сравнению с поверхностью основного металла – сляба, в пограничном слое возникают тангенциальные силы среза, которые покрывают окалину трещинами, что способствует отделению и смыву отставшей окалины водой.
Однако тонкая и клейкая окалина, образующаяся на легированных и низкоуглеродистых сталях, создает проблемы. При удалении такой окалины из-за прочного соединения с поверхностью металла нельзя использовать эффект неодинаковой усадки – здесь требуется дробление и смывание. Для этого необходимы более сильный удар и меньшая нагрузка по количеству воды на единицу площади.
Одним из обязательных условий применения жидкостных струй для удаления окалины является получение струи с хорошими гидродинамическими свойствами.
Согласно уравнению Бернулли, скорость струи пропорциональна , где Р – величина давления в системе. Исследования жидкостной струи показали, что при давлении 60 МПа, что соответствует предельному значению рабочего давления современных систем гидросбива, скорость струи приблизительно равна скорости звука – 343 м/с. После выхода из сопла струя жидкости под действием турбулентных пульсаций теряет форму сечения сопла и принимает вид конуса или пирамиды.
В струе выделяются три участка – (рис. 3) [5]. Участок вблизи сопла состоит из сплошного стержня с поперечным сечением, равным по величине и форме выходному сечению сопла; этот участок струи называют начальным. За пределами начального участка струи в результате ее расширения и распада осевые продольные скорости и динамическое давление по сечению струи резко снижаются по кривой Гаусса от некоторого максимального значения до минимума в пограничной зоне. Этот участок, имеющий довольно значительные размеры по длине, называют основным. В нем очень велика концентрация капель, но струя не разрушена и имеет плотную внутреннюю структуру. В самом удаленном участке струя представляет собой смесь частиц жидкости и воздуха с невысокими значениями скорости и динамического давления. Этот участок для задачи очистки металла интереса не представляет.

Схема струи высокого давления

Рис. 3 Схема струи высокого давления

Самым производительным для осуществления очистки и удаления различных загрязнений (окалины), является основной (капельный) участок.
В поперечном сечении струя по структуре состоит из трех концентрических зон: первая – плотное ядро, вторая – менее плотная с мельчайшими пузырьками воздуха; третья состоит из капель в воздушной среде.
Проведенные исследования [6,7] показали, что для давлений жидкости в струе от 20 до 70 МПа длина начального участка практически не зависит от давления и равна 50-70 мм. С этого расстояния сплошной участок струи начинает распадаться и начинается основной участок – для задачи гидросбива – рабочий.
Динамическая характеристика струи отдельного сопла определяется двумя параметрами – полной силой удара Рполн. и удельной силой удара Руд. струи на единицу поверхности металла: Руд. = Рполн/f, где fпроекция поперечного сечения факела струи на данном расстоянии от сопла до металла.
Установлено, что в пределах рабочего (основного) участка полная сила удара струи с увеличением расстояния от сопла до металла в некотором диапазоне (до 500 мм) не меняется, что подтверждается данными табл. 1 [6], где представлены экспериментальные значения полной силы удара струи в зависимости от расстояния до металла.

Таблица 1 Полная сила удара струи


Расстояние от сопла, мм

Сила удара струи Н(кг)

Сила удара на 1 см ширины струи Н(кг)

Давление воды на выходе из сопла, МПа (атм)

0.854 (84.4)

1.281 (126.6)

0.854(84.4)

1.281(126.6)

203

129 (13.15)

191.5 (19.5)

35.6(3.63)

53.4(5.44)

254

127 (12.92)

189 (19.3)

28.8(2.94)

42.2(4.3)

280

124.5 (12.7)

187 (19.05)

23.4(2.38)

35.6(3.63)

457

120 (12.25)

178 (18.14)

15.5(1.58)

23.4(2.38)

508

118 (12.03)

176 (17.92)

13.35(1.36)

19.9(2.03)

Такие параметры, как давление перед соплом, сечение рабочего отверстия сопла и угол расхождения струи влияют на изменение ударного давления по линейному закону. Однако величина удельного давления (сила удара) струи при изменении расстояния от среза сопла до металла меняется весьма существенно. Согласно экспериментальным данным, также приведенным в табл. 1, сила удара на 1 см ширины с уменьшением расстояния увеличивается в 2.7 раза. Теоретические исследования [2,7] показывают, что удельное давление обратно пропорционально квадрату расстояния, т.е. при уменьшении расстояния вдвое величина удельного давления увеличивается в четыре раза. Так, согласно работе [7], значение удельной силы удара для двух различных расстояний подчиняется соотношению
,                                                                                                                                                       (1)
где Руд. и Р уд.i– удельные значения силы удара Н/мм2 на расстояниях hиhi.

На рис. 4 представлены характеристики силы удара в функции расстояния от сопла до поверхности металла для различных значений давления в системе, подтверждающие это же соотношение [2].

Зависимость удельной силы удара от расстояния до металла для различных давлений в системе

Рис. 4 Зависимость удельной силы удара от расстояния до металла для различных давлений в системе


Таким образом, сокращение расстояния от сопла до металла при данном давлении воды в системе является весьма эффективным средством повышения удельного ударного давления. В том случае, когда повышение ударного давления не целесообразно, преимущество заключается в том, что меньшее расстояние до сопла позволит значительно уменьшить расход воды при той же величине ударного давления. На рис. 5 в качестве примера изображены пять сопел с углом расхождения 30 град. и расходом 101.8 л/мин на сопло при давлении 200 бар, расположенные на расстоянии 200 мм до металла. При уменьшении расстояния до 110 мм можно сократить расход на сопло до 39.6 л/мин при том же давлении перед соплом (200 бар.) [3].

Влияние расстояния от сопел до металла

Рис. 5 Влияние расстояния от сопел до металла.
Давление воды в сопле Р = 200 бар. Всл – ширина сляба

Последним параметром, влияющим на качество очистки поверхности металла, является скорость движения сляба на рольганге гидросбива. Этот параметр определяет время контакта воды с обрабатываемой поверхностью, или удельный расход воды, приходящийся на квадратный метр поверхности металла, измеряемый в литрах на квадратный метр. При уменьшении расстояния от сопла до заготовки или увеличении водяной нагрузки (расхода воды) происходит более интенсивное охлаждение металла, что в большинстве случаев нежелательно – необходимо стремиться к максимально возможной эффективности удаления окалины при возможно меньшей потере тепла раскатом. С другой стороны, время воздействия воды на поверхность металла определяет интенсивность удаления – смыва уже взломанной окалины. т.е., в данном случае необходим разумный компромисс между водяной нагрузкой и скоростью движения сляба в камере гидросбива, обеспечивающий максимально полное удаление раздробленной окалины при минимальных потерях тепла.
Ранее были перечислены и охарактеризованы составляющие механизма удаления окалины – механическая, термическая (обусловленная температурной усадкой окалины и паровзрывным эффектом) и гидравлическая. Первые две из них создают эффект отрыва слоя окалины от основного металла и ее дробление. Последняя должна обеспечить смыв и удаление раздробленной окалины с поверхности металла. Несмотря на кажущееся разграничение функций отдельных составляющих, четко определить долю, вносимую в дело удаления окалины каждой из них, невозможно: вероятнее всего, они воздействуют совместно и одновременно. Однако считается, что механическое и термическое воздействия рабочей жидкости, т.е. подрыв и дробление окалины определяются таким ее параметром, как величина удельного удара струи, приходящаяся на единицу поверхности металла, MПa [4]:                                                                                            

                                                                                                                  (2)

где Qcп – расход жидкости через сопло;h расстояние от сопла до поверхности сляба; К,х,yконстанты сопла; α – угол расхождения струи, β – угол наклона струи относительно нормали к поверхности сляба.
Смыв частиц окалины с поверхности обрабатываемого металла осуществляется тем активнее и успешнее, чем большее количество воды будет инжектировано на эту поверхность, т.е. гидравлическая составляющая механизма гидросбива характеризуется вторым основным параметром системы, а именно удельным расходом жидкости, т.е. количеством воды, приходящимся на единицу обрабатываемой поверхности, л/кв.м
Qуд = ,                                                                                                                                (3)
здесь:Qсп – расход воды на сопло;vсл – скорость движения сляба в камере гидросбива,nколичество сопел гидросбива; Всл – ширина сляба;


                                                                                                                         (4)
vстр  – скорость истечения воды (струи) из сопла;sспсечение выходного отверстия сопла; μ – коэффициент расхода; g – ускорение свободного падения,  – плотность воды;
μ =а + ,
где а, В – константы; Re – число Рейнольдса, для Re ~ 105 a = 0.58-0.59 и В=0.89.
С другой стороны, как было рассмотрено ранее, процесс очистки металла от окалины в значительной степени определяется такими факторами, как химический состав стали и условия нагрева заготовки в печи – ее атмосфера, продолжительность и температура.
Таким образом, задача управления системой гидравлической очистки металла от первичной окалины сводится к предварительному определению для каждого конкретного сляба основных параметров струи рабочей жидкости (воды) – удельного давления удара Pуд и удельного расхода жидкости Qуд с учетомхимического состава стали и условий нагрева заготовки в печи.
В связи со сложностью и недостаточной изученностью процессов, происходящих на поверхности горячего металла при его очистке водой под высоким давлением, алгоритм теоретического расчета упомянутых параметров струи в настоящее время отсутствует. Однако имеющиеся главным образом в зарубежной литературе результаты экспериментальных исследований предоставляют некоторые данные для оценки этих параметров.
На рис. 6 представлены результаты исследований процесса удаления окалины для различных марок стали и ограничительные характеристики вышеупомянутых параметров струи (2) и (3) [4]. Значения параметров в области над ограничительной линией соответствуют такой комбинации удельных давленийPуд и расходов жидкости Qуд, которые для данной марки стали гарантируют полное удаление окалины при равных условиях по нагреву. Понятно, что вследствие различий как в процентном содержании легирующих элементов, так и по условиям нагрева качество очистки металла может иметь некоторый разброс. Однако эти характеристики представляют минимальные границы для комбинации параметров, ниже которых полная очистка металла не может быть гарантирована.
Как видно из рисунка, эти характеристики имеют отрицательный наклон, что свидетельствует о наличии обратной функциональной связи между удельными значениями давления удара и расхода. Это обстоятельство предоставляет возможность формирования в известной мере оптимальных соотношений между ударом и расходом для конкретного исполнения системы гидросбива, т.е. возможность компенсации уменьшения или недостатка расхода повышением давления и наоборот.

Ограничительные характеристики параметров струи гидросбива для различных типов стали

Рис. 6 Ограничительные характеристики параметров струи гидросбива для различных типов стали

Поскольку и Pуд и Qуд в отдельности важны для удаления окалины, предполагают, что наиболее полной характеристикой струи является их комбинация в виде произведенияPуд х Qуд. Эта величина представляет собой удельную энергию удара струи, приходящуюся на единичную площадь поверхности сляба. На рис. 7 и рис. 8 представлены экспериментальные данные по удалению окалины на углеродно-марганцевой и кремниево-марганцевой стали, где кривая (парабола) является характеристикой минимально необходимой удельной энергии удараPудхQуд – изоэнергетической характеристикой. Как следует из рисунков, эта энергия для рассматриваемых сталей составляет 17 и 42 кДж/кв.м. В области значительных удельных расходов изоэнергетическая характеристика имеет практически линейный вид, но проявляет тенденцию к существенному повышению необходимого давления удара в области малых значений расхода воды. При условии, что фактическая энергия струи превышает уровень изоэнергетической кривой, любая комбинация Pуд и Qуд гарантирует полное удаление окалины. Как видно, удельная энергия удара, необходимая для очистки кремниево-марганцевой стали, превышает такую энергию для углеродно-марганцевой стали в 2.5 раза. В данном случае предполагается влияние эвтектики фаялита (2FeO.SiO2), жидкой при температуре нагрева и действующей как клей между окалиной и поверхностью металла. В результате кремниево-марганцевые стали представляют особую проблему в задаче удаления окалины.

Изоэнергетическая кривая 17 кДж/кв.м для углеродно-марганцевой стали

 

Изоэнергетическая кривая 42 кДж/кв.м для кремниево-марганцевой стали

Рис. 7 Изоэнергетическая кривая 17 кДж/кв.м для углеродно-марганцевой стали

 

Рис. 8 Изоэнергетическая кривая 42 кДж/кв.м для кремниево-марганцевой стали

Согласно исследованиям, приведенным в [5], для стали с содержанием кремния более 0.5 % при работе в капельной зоне струи и температуре более 850 град.С условие удаления окалины определяется следующим выражением для удельной энергии удара
Pуд х Qуд >= 0.8 х (%Si),                                                                                                                                                      (5)
где Pуд – удельное давление воды, (кг/кв.см), Qуд – удельный расход воды, (л/кв.см), %Si– процентное содержание кремния в стали.
При этом предпочтительное расстояние от сопла до поверхности металла должно удовлетворять уравнению
yL <=h<= yH
yH=390000/(α+360) + P/5 – 960                                                                                                                                        (6)
yL=390000/( α +360) + P/29 – 960,
где Р – давление воды, α – угол расхождения струи, (град.).
Аналогичное выражение для никелевой стали имеет вид:
Pуд х Qуд >= 0.4 х (%Ni)                                                                                                                                                      (7)
Следует отметить значительный разброс величины необходимого давления удара по данным различных авторов. В табл. 2 приводятся значения этого параметра, выбранные из разных источников[8].

Таблица 2 Давление удара, необходимое для удаления первичной окалины по данным разных авторов

Источник
данных

T.Wada
и др.

O.Henning
и др.

H.Hojas
и др.

W.Herold

Давление удара,
кПа(кг/кв.см)

20-104
(0.2-1.04)

196-245
(2-2.5)

410(4.18)

392-1960
(4-20)

Тип стали

Низко
углеродистая

Углеродистая,
низко-легированная

Углеродистая,
высоко-легированная

Листовая,
полосовая сталь

Концепция удельной энергии удара предоставляет удобный метод сравнения характеристик различных систем гидросбива, сохраняя в тоже время такие важные параметры как удельные давление удара и расход. Такое сравнение представлено в таблице 3 [4].

Таблица 3 Сравнение различных систем гидросбива


Параметры систем

Типы систем

Обычные

HPLF-сильный удельный удар –
низкий расход

С роторными
головками

1. Расстояние до поверхности сляба, мм

215

100

150

2. Системное давление, МПа (бар)

18.3 (180)

35.7 (350)

20.4 (200)

3. Количество сопел, шт.

16

32

20

4. Расход на коллектор, /мин

2400

1380

348

5. Расход на сопло (головку), л/мин

150

43

17,4

6. Удельное давление удара, кПа (кг/кв.см)

620 (6.3)

980 (10)

4000 (40.8)

7. Удельный расход, л/кв.м

24.5

15.1

3.8

8. Мощность насоса, кВт

950

850

450

9. Потребная энергия, кВт*час

4.0

3.5

2.3

10. Энергия удара, кДж/кв.м

15

15

15

Как следует из таблицы, системы с роторными головками являются наиболее экономичными с точки зрения энергопотребления.
На рис. 9 для энергии удара 15 кДж/кв.м показано целесообразное исполнение систем в зависимости от требуемого давления удара.

Исполнение систем в зависимости от требуемого давления удара для удельной энергии удара 15 кДж/кв.м

Рис. 9 Исполнение систем в зависимости от требуемого давления удара для удельной энергии удара 15 кДж/кв.м

 

Приведенные выше зависимости и характеристики могут быть использованы при разработке автоматизированных систем гидросбива окалины на станах горячей прокатки как в части выбора параметров гидравлического оборудования, так и в алгоритмах автоматизированного управления, обеспечивающих выбор управляющих воздействий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кролль А. Гидромеханическое удаление окалины на широкополосных станах горячей прокатки // Черные металлы. – 2000. - № 3. – С. 48-52.
2. Manfred M.W. Upsсaling of descaling-2nd International Conference on hydraulic de-scaling in rolling mills // Steel Times. 1988. № 1. P. 17, 18.
3. Беккер Э.А., Биркемайер Г., Бюхеле В.И др. Применение оптимизированных сопел для гидросбива окалины на широкополосном стане горячей прокатки фирмы Thyssen Krupp Stahl AG. // Черные металлы. 2000. № 12. С. 42-46.
4. Silk N.J. The practical aspects of hydraulic de-scaling. // Steel Times Int. 2001.25.N7- Р.38-41,44
5. Shimizu M., Adachi A. e.al. // Cleaning method and cleaning apparatus for surface of sheet steel. // Патент 5884643 США, МПК В08 В3/00 № 165408 (Яп.).
6. Robbins J.L., Schaming E.I., Michalski W.I. Recent Developments in Hydraulic Descaling. // Iron and Steel Engineer. 1965. № 6. P. 167-173.
7. Зюзин В.И., Залесов М.Д. Теоретическое и экспериментальное исследование основных параметров систем гидросбива окалины с поверхности горячекатаных листов // Конструкции, исследования и внедрения новых машин листовых прокатных станов. Труды ВНИИМЕТМАШ. Сборник 3. М.- 1972. – С. 251-266.
8. Tadajoshi W. et al. Impact pressure of water in hydraulic descaling during hot strip mill rolling. // Tetsu to hagane. 1991,77, №9.

 


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

НАШІ КОНТАКТИ:

[email protected]

[email protected]

м. Дніпро

тел. +38 (056) 794-36-74, +38 (056) 794-36-75

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Керівник проекту - Гриньов Володимир Анатолійович

Партнеры