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

Категории: прокатное производство

В статье рассмотрены вопросы, связанные с эффективностью работы устройств гидравлического удаления окалины. Приведены сравнительные характеристики критериев оценки эффективности нескольких типов устройств гидросбива окалины.

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.

Некоторые проблемы энергоресурсосбережения и современные энергоресурсосберегающие технологии гидравлического удаления окалины на станах горячей прокатки

Эффективность работы устройства гидравлического удаления окалины (далее – гидросбив) характеризуется критерием качества K, представляющим собой отношение очищенной от окалины поверхности заготовки к ее полной поверхности. Тогда целевой функцией системы управления гидросбивом F_u является минимум среднеквадратичного значения σ этого критерия на каждом слябе в данной партии [1], т.е.
                                                                                                                                                         (1)
Физически механизм гидравлического удаления окалины представляет собой комплекс, состоящий из 4-х компонент: механической компоненты струи, определяемой давлением удара, приводящего к взламыванию корки окалины; термической компоненты (термический удар), приводящей к растрескиванию и отслоению окалины вследствие разницы термической усадки с основным металлом; пневматической компоненты, возникающей в результате взрывного парообразования, что дополнительно дробит и удаляет окалину и гидравлической компоненты, которая смывает отслоившуюся окалину [2] .
В гидросбиве эти механизмы участвуют совместно и одновременно, что делает систему трудной для изучения чисто аналитическими методами. Поэтому в мировой практике эффективность процесса удаления окалины исследуется, основываясь на экспериментальных данных о связи качества очистки с динамическими параметрами струи воды, предполагая, что в этих параметрах неявно участвуют все вышеперечисленные компоненты.
Таким образом, с другой стороны целевую функцию Fц можно представить в виде функции с векторным аргументом
F_u = f(P_уд,Q_уд,wок,),                                                                                                                                                    (2)
компоненты которого являются гидродинамическими  характеристиками струи и физическими свойствами окалины: Р_уд – удельное давление удара струи гидросбива (далее – удельный удар) на единицу площади поверхности заготовки; Q_уд –дельный расход жидкости на единицу площади поверхности заготовки (далее – удельный расход); wок – количество окалины на поверхности сляба;  – прочность сцепления окалины с поверхностью сляба.  
Удельный удар и удельный расход жидкости представляют собой главные характеристики струи рабочей жидкости и одновременно являются основными управляющими параметрами в системе гидросбива. Понятно, что точность расчета этих параметров имеет большое значение как для выбора конструктивных данных устройства гидросбива при проектировании, так и для определения управляющих параметров при управлении устройством в процессе очистки заготовки от окалины. В конечном счете, точность прогнозов по математической модели процесса представляет собой важный фактор в деле предварительной оценки энергоресурсозатрат рассматриваемого участка прокатного передела.
С применением теоремы количества движения и уравнения Бернулли можно получить аналитические выражения для удельного расхода жидкости на ширине следа сопла Q_уд.сп и удельного удара струи Р_уд:

Q_уд.сп =                                                                                                                                                          (3)
Р_уд  =                                                                                                                                                        (4)
где Р – давление в системе перед соплом, Q_сп – расход воды через сопло, s _сп – поперечное сечение отверстия сопла, В_сл – ширина струи или след струи на поверхности заготовки, S_сл – площадь следа струи на поверхности заготовки, vзг  – скорость подачи заготовки в камере гидросбива, k_Q – коэффициент пропорциональности, ρ – плотность воды.
Площадь следа струи в первом приближении может быть выражена теоретически. Например, для плоского сопла:
S_сл = 4h2tgθ/2×tgφ/2,                                                                                                                                                        (5)
где h – высота расположения сопла относительно плоскости заготовки, θ, φ – углы раствора струи по ширине и глубине соответственно.
Однако согласно исследованиям углы раствора струи зависят от высоты h и давления в коллекторе, и, кроме того, сила удара распространяется по площади удара неравномерно, будучи сосредоточенной по большей оси следа прямоугольного (эллиптического) сопла, или в центральной области для круглого сопла. Использование тригонометрических уравнений для описания площади и расчета удара в этом случае приводит к существенной погрешности [3]. Поэтому теоретическая модель (4) уточняется экспериментальными коэффициентами. Так площадь следа прямоугольного сопла согласно только что  сказанному выражают  в виде произведения ширины b на длину d, причем:
b = a1 + b1h – cP,                                                                                                                                                              (6)
d = a2 + b2h;                                                                                                                                                                        (7)
предложена также следующая формула:
Р_уд  =,                                                                                                                                                       (8)
где a_i, b_i, с_i – регрессионные коэффициенты, kР, x – константы, характерные для конкретного типа сопла, kР ≈ 1.25, х =1.8 – 2.5. В табл. 1 представлены результаты расчетов по моделям (4), (5), по (4) с использованием (6), (7) и по(8) для сопла с расходом 112 л/мин при угле раствора струи 30 град, высоте установки 200 мм и угле наклона струи относительно вертикали 15 град.
Таблица 1 Расчетные значения удельного удара по разным формулам

Как видно из таблицы, расчет по разным вышеприведенным формулам имеет значительный разброс результатов, что обуславливает необходимость корректировки математических моделей любого данного сопла посредством экспериментальных измерений давления удара для конкретных технологических условий.
Существенной характеристикой рассматриваемого процесса являются поверхностные потери тепла заготовкой ∆tпов  за счет теплообмена с водой в камере гидросбива [3]
Δt_пов=,                                                                                                                                                      (9)
где Q – полный расход воды в системе, t_зг, t_вд – температура поверхности заготовки (сляба) и воды в камере гидросбива, H_сл – толщина сляба, k_t – коэффициент пропорциональности.
Чрезмерное охлаждение особенно вредно для высоколегированных сталей, так как обуславливает трещины на поверхности или плохую деформируемость. Чувствительность к растрескиванию поверхности является одним из ограничений, которые следует учитывать при гидросбиве.
С учетом вышесказанного наиболее обобщенной характеристикой системы являются удельная энергия струи, т.е. количество энергии, передаваемое струей на единицу поверхности металла Eуд
Е_уд = Р_удQ_уд (Дж/кв.м),                                                                                                                                                  (10)
а также полная гидравлическая мощность системы
N = PQ (кВт),                                                                                                                                                                    (11)
которая имеет экономическую категорию, т.е. может и должна оцениваться денежной стоимостью электроэнергии, воды, эксплуатационных расходов и т.д. Таким образом, целевая функция (1) должна быть дополнена рядом ограничений, из которых наиболее существенными являются:
Q ≤ Q_доп, Δtпов≤ Δt_{пов.доп}, Руд≥ Р_уд.min                                                                                                                          (12)
где Qдоп – допустимое как по технологическим, так и по экономическим соображениям значение полного расхода жидкости в системе; Δt_пов, Δt_{пов.доп} – фактическое и допустимое снижение температуры поверхности металла в камере гидросбива, Р_уд.min – минимальное значение удельного удара струи, ниже которого удаление данного вида окалины становится невозможным.
Согласно выражениям (4) и (9), а также физике процесса, расход воды с одной стороны способствует повышению удельного удара и смыву подорванной окалины с поверхности заготовки, а с другой – увеличивает теплопотери заготовки в камере гидросбива, т.е., традиционные устройства отнимают тем больше тепла, чем лучше характеристики гидросбива. В то же время расход воды представляет собой наиболее существенную статью ресурсных и энергетических затрат на гидросбив. Поэтому одновременно с появлением технологии гидравлической очистки металла от окалины на станах горячей прокатки в 50-х годах прошлого столетия не прекращались поиски средств сокращения теплопотерь заготовкой и экономии энергоресурсов на гидросбив, в частности путем сокращения расхода воды. Одним из первых решений в этом направлении было секционирование коллекторов с возможностью регулирования количества сопел по ширине сляба [4]. По-видимому вследствие сложности реализации таких устройств эта методика в промышленности не прижилась.
Как видно из выражения (8), удельный удар обратно пропорционален высоте h в степени (для разных сопел) от 1.8 до 2.5. Поэтому минимизация высоты расположения сопел над верхней плоскостью заготовки является очень эффективным средством регулирования удара – уменьшая эту высоту можно обеспечить потребную удельную энергию удара с меньшим расходом воды. Однако в этом случае необходимо увеличить количество сопел в коллекторе, и, кроме того, при проходе заготовки в камере гидросбива возникает непредсказуемая проблема загнутой вверх «лыжи», что требует выполнения гарантированной высоты размещения верхних сопел во–избежание их повреждения, либо выполнения сложных и малонадежных устройств для отклонения или подъема верхнего коллектора при каждом появлении заготовки с подобным дефектом.
Соответственно из экспериментальных данных и уравнений (3), (4) и (10) можно видеть, что в координатах удельный удар – удельный расход существует кривая параболического вида, пропорциональная Р^3/2 и характеризующая место точек постоянства удельной энергии струи, причем в пространстве выше этой характеристики любая комбинация удельных значений давления удара и расхода гарантирует полное удаление окалины. Эта характеристика подсказывает возможность оптимизации параметров устройства путем снижения удельного расхода воды при соответствующем повышении удельного удара (рис. 1, кривые 5 и 15 кДж/кв.м).
Этот путь оптимизации параметров гидросбива нашел применение за рубежом под названием «системы HPLF («highe pressure – low flow» – высокое давление – низкий расход)», характеризуемыми рабочим давлением до 20-30 МПа, что примерно вдвое-втрое превышает давление в традиционных устройствах в СНГ и за рубежом (рабочее давление гидросбива печной окалины перед черновой клетью  широкополосного стана горячей прокатки фирмы Thyssen Krupp Stahl AG, Бохум (1998 год) составляет 12.5 МПа, гидросбив на модернизированном стане, поставленном в 2004 г. той же фирмой для завода Jiangsu Shagang Group Co. Ltd., Китай выполнен на давление 10.0 МПа [5, 6]). Так, например, фирмой Mannesmann Demag  во второй половине 90-х годов были построены три широкополосных стана, оборудованные системами HPLF: стан 2000 фирмы China Steel Corp., Тайвань (рабочее давление – 21 МПа), стан 1700 фирмы  Eko Stahl, Германия, (рабочее давление – 22.5 МПа), стан 1600 фирмы Saldanha Steel, ЮАР, (рабочее давление – 21 МПа) [7]. Согласно обобщенной характеристике систем HPLF приблизительно полуторакратное увеличение силы удара струи обеспечивается повышением рабочего давления до 30 МПа при вдвое уменьшенном расходе воды (табл. 2). Понятно что в соответствии со снижением общего количества воды, подаваемой на заготовку, снижаются и теплопотери ее поверхности, а следовательно и затраты топлива (газа) на нагрев заготовок в печах.
Сравнение характеристик различных систем гидросбива на основе удельной энергии удара [3] приведено в табл. 2.

Таблица 2 Характеристики различных систем гидросбива на основе удельной энергии удара

Особенно актуальной проблема рационального расходования энергоресурсов становится в последние годы в связи со значительным расширением сортамента и, соответственно, марок стали на станах горячей прокатки. Иллюстрацией этого утверждения может быть величина удельного удара, потребного для удаления окалины на углеродистых и легированных, особенно раскисленных кремнием сталях. Согласно исследованиям [8] на углеродистых и низколегированных сталях (0.5% Ni, Cr, Mo) успешное удаление и смыв окалины гарантируются при удельных параметрах расхода и удара соответственно 30 л/кв.м и 0.3 МПа, тогда как на кремниево-марганцевой стали (1.81% Si, 0.86% Mn) удовлетворительная очистка окалины возможна только при 60-70 л/кв.м и удельном ударе не менее 1 МПа. При этом обе эти марки сталей как правило прокатываются на одном и том же стане. В данном случае неизменный режим работы системы приводит к перерасходу энергоресурсов установки гидросбива на рядовых марках стали и значительному  понижению поверхностной температуры от гидросбива на этих заготовках, а, следовательно, к перерасходу топлива в нагревательных печах.
Следует отметить, что попытка снизить расход, например, при очистке углеродистых сталей за счет понижения давления в одной и той же гидросистеме приводит к переводу гидросистемы на значительно меньший энергетический уровень. На рис. 1 представлены изоэнергетическая кривая удельной энергии 15кДж/кв.м и две характеристики систем с гидравлическими сопротивлениями ОА и ОВ. Точки А и В на изоэнергетической кривой характеризуют работу систем с удельными значениями расхода и давления удара соответственно 0.65 МПа, 24 л/кв.м и 0.8 МПа, 17 л/кв.м. При желании регулировать расход в системе А, например переведя систему А в режим с расходом, равным расходу в системе В, путем изменения давления в нагнетающей магистрали, очевидно, что система А перейдет в режим работы с удельной энергией приблизительно 5 кДж/кв.м со значительным уменьшением удельного удара в точке С. Понятно, что при таких динамических параметрах 100%-я очистка окалины неосуществима – такое решение допустимо только в производстве с низкими требованиями к качеству поверхности [3]. Кроме того, осуществление такого регулирования в случае применения в качестве источника высоконапорной воды центробежных насосов в общем случае нереально без применения дорогих, например, асинхронных, частотно – регулируемых электроприводов. Применение групповой системы поршневых насосов в какой-то степени решает эту задачу (путем дробления источника воды высокого давления на несколько насосов), но требует тщательного подбора и самих насосов и нерегулируемых асинхронных электроприводов по механическим характеристикам для обеспечения равномерной загрузки параллельно работающих агрегатов.

Рисунок 1 Связь удельной энергии удара с расходом воды

В общем, потребление энергии системой гидросбива представляет собой довольно значительную часть потребления всем процессом, которая накладывается с малой продолжительностью включения на процесс прокатки, составляя, например, более 20% потребления черновой прокатной клетью.
Существенный ресурс экономии электроэнергии мог бы составлять перевод системы в паузах рабочего периода гидросбива на режим холостого хода. Однако обычный асинхронный электропривод центробежного насоса в выключенном состоянии гидросистемы потребляет около 60% своей номинальной мощности. Рассматривая эту проблему, фирма VOEST-ALPINE, Линц, Австрия видит решение вопроса в применении регулируемой частоты вращения насосов либо с помощью частотнорегулируемого тиристорного электропривода (ЧРЭП), либо используя электродвигатель постоянной скорости совместно с гидромуфтой. ЧРЭП проще с точки зрения эксплуатации, более экономичен энергетически, но более дорог по капитальным затратам. Эксплуатационные требования к гидромуфте больше, чем у ЧРЭП, но все же относительно невысоки и проще осуществимы. Экономичность оборудования ниже, чем у электрической системы, но все же приемлема, составляя около 97% в зависимости от режима работы. Рис. 2 характеризует экономию электроэнергии при снижении скорости центробежного насоса в периоде пауз гидросбива с помощью частотного преобразователя и электромуфты [9]. Эффективность применения любого из этих способов регулирования скорости насосов по сравнению с нерегулируемым асинхронным приводом очевидна.

Рисунок 2 Экономия электроэнергии в периоде пауз гидросбива: верхняя кривая-гидромуфта, нижняя кривая-регулируемый электропривод

Из вышеизложенного следует, что для каждой марки стали задача системы гидросбива сводится к разумному компромиссу между стремлением повысить давление удара до необходимой соответственно (12) величины и пропорционально снизить расход воды, а вместе с тем согласно (9) и теплопотери в камере гидросбива, что обеспечивает реализацию целевой функции (1) при ограничениях (12), и, кроме того, способствует снижению затрат топлива в нагревательных печах, а также уменьшает износ валков.
Первым шагом в этом направлении, как было упомянуто выше, стали системы типа HPLF, реализовавшие в рамках традиционных конструкций устройства с увеличенным удельным ударом за счет простого повышения давления в системе и соответственно уменьшенным расходом воды с сохранением необходимой удельной энергии. Непрерывно растущие в последние 10-15 лет требования к качеству поверхности проката и сокращению расходования энергоресурсов стимулировали дальнейшую оптимизацию рабочих параметров гидросбива. Эти поиски с одной стороны увенчались созданием концепции подвижной струи, которая позволила значительно расширить зону обработки  поверхности по ширине металла струей одного сопла, что в несколько раз уменьшило потребное количество сопел по ширине заготовки и в свою очередь привело к существенному снижению расхода воды. С другой стороны, стремление максимально полного использования параметров струи было реализовано в идее «полной струи» («full jet – полная или мощная струя» по зарубежной терминологии), где наряду с повышением давления в системах, решалась задача значительного увеличения удельного удара при умеренных значениях давления посредством резкого уменьшения площади следа струи на поверхности металла и оптимизацией процесса истечения струи из сопла. Эта идея была осуществлена в новой конструкции сопел с фокусированной струей при угле расхождения струи не более 2º и преимущественно круглым рабочим отверстием малого диаметра – около 1-1.5 мм, что в соответствии с выражением (4) позволило увеличить удельный удар почти на порядок по сравнению с традиционными системами.
Другое направление в повышении эффективности рабочей струи  развивалось несколькими фирмами: немецкой Lechler [5], японской Gokin Mfg. Co.,Ltd [10], российской Spraying Systems [11]. На рис. 3 представлено устройство новой серии сопел фирмы Lechler: на участке подвода воды перед мундштуком сопла предусмотрено направляющее устройство для струи, оптимальное в гидродинамическом отношении и создающее сглаженный поток воды без турбулентности.

Рисунок 3 Сопло фирмы Lechler:
1 – направляющее устройство для потока воды на входе,
2 – ниппель, 3 – накидная гайка, 4 – сопло

При этом получается значительно более узкая глубина следа струи на обрабатываемой поверхности и направленное ламинарное движение потока почти без потерь. В результате достигается увеличение ударного давления даже без изменения других параметров оборудования. Так, например, на упоминавшемся широкополосном стане горячей прокатки фирмы Thyssen Krupp Stahl AG, Бохум в результате замены в гидросбиве первичной окалины обычных сопел на новые сопла Scalemaster фирмы Lechler (1998 год) величина давления удара струи была повышена на 33-38% без изменения параметров гидравлической системы. На рис. 4 представлено сравнение характеристик ударного давления аналогичных сопел японской фирмы Gokin Mfg. Co.,Ltd.

Рисунок 4 Сопло фирмы Gokin Mfg. Co.,Ltd:
DNH – характеристика удельного удара сопла с направляющими устройствами,
DNB – без направляющих устройств, в %

Таким образом, в качестве основной проблемы в системах гидравлического удаления окалины представляется задача максимальной экономии энергоресурсов, решение которой в мировой практике ищется в оптимальном соотношении удельных расходов воды и силы удара струи при сохранении заданного значения удельной энергии удара. Преследуя эту цель, в течение 2000-2010 гг. были разработаны и успешно применены в металлургической промышленности наряду с другими мероприятиями (регулируемый электропривод насосов, сопла с минимизацией потерь, разработка математических моделей для автоматизированного управления системами гидросбива) три принципиально новых метода подачи воды на поверхность горячих заготовок, а именно:

• системы с вращающимися (роторными) головками с традиционным плоским типом струи;
• системы с роторными головками с соплами «полной струи»;
• системы со сканирующими головками и соплами «полной струи».

Далее эти системы рассмотрены более подробно.
Системы с роторными головками с традиционным типом струи
Этот принцип подачи воды на очищаемую поверхность заготовки изложен в патентном описании [12] и активно разрабатывался фирмой SMS Schloeman – Siemag AG (Патенты DE 43 02 331 A1 и DE 43 37 287 А1, 1994-1995 гг.). На рис. 5 представлена конструкция головки с плоским эллиптическим соплом 9 (возможно применение круглого сопла) с осью 8, которая наклонена под углом α к оси вращения головки 10, установленной вертикально к верхней и нижней плоскостям проката. Этот угол рекомендуется устанавливать в диапазоне 0-30º относительно оси вращения 10. Головка 5 имеет неподвижный корпус 3, который с помощью фланца 6 укреплен на прочном держателе, общем для всех головок. Во вращение головку приводят либо электродвигатель на ее верхней и нижней частях, выходной вал 11 которого через эластичную муфту 2 связан с приводной осью 13 вращающегося кольца 19 с соплами 9 и 20, либо реактивный крутящий момент водяной струи. Приводная ось 13 установлена в корпусе 3 на подшипниках 12, 18. В оси выполнено центральное сверление 16 для подвода воды под давлением к соплам через общий кольцевой канал 7, причем эта вода проводится в корпус через кольцевой канал 15 и отверстие 4. Кольцевой канал 15 герметизируется с помощью уплотнений 14, 17. Расстояние среза сопел до поверхности заготовки выбирается таким, чтобы длины малой и большой осей эллипса следа струи соответствовали желательной величине. Угол раскрытия в направлении большой оси плоскоструйного (эллиптического) сопла 9 при этом целесообразно иметь около 15 градусов. Этот угол составляет приблизительно половину угла традиционных сопел, где большой угол необходимо иметь, чтобы покрыть всю ширину проката при условии не слишком большого количества сопел.

Рисунок 5 Роторная головка по патенту фирмы Schloeman-Siemag

Действие одного сопла 9 на поверхности металла показано на рис. 6. Плоский эллипс следа струи вращается вследствие вращения сопла 9 относительно вертикальной оси головки 5, причем заготовка движется в направлении стрелки на рисунке. Если угловая скорость головки равна приблизительно 1000 об/мин, и скорость движения заготовки относительно неподвижных головок выбрана около 0.8 м/с, то при вращении головок продвижение проката в итоге составит величину d = (1/4-1/5) радиуса головки. Таким образом возникает спиральная картина следа струи, показанная на рис.6 темной полосой, соответствующей обороту головки на 360 градусов при движении заготовки на расстояние d. Рис. 6 показывает, что с помощью такой конструкции может быть обеспечена сплошная обработка поверхности по всей ширине сляба пятью-шестью головками, причем в соответствии с выбором угловой скорости головок, количества установленных сопел и скорости подачи проката вся поверхность многократно покрывается струей и тем самым очищается. Применяемое давление воды должно быть значительно выше, чем в традиционных устройствах гидросбива. Оно может составлять около 1000 бар, что согласно уравнениям (9) и (14) позволяет существенно снизить расход воды и соответственно уменьшить охлаждающее воздействие гидросбива. Эта конструкция позволяет менять режим работы как путем выбора угловой скорости головок, так и изменением скорости подачи проката, регулируя скорость задающего рольганга в соответствии с конкретными характеристиками окалины и необходимым качеством очистки.
Рассмотрен также вариант конструкции головки, где на вращающемся кольце 19 друг против друга установлены два сопла, оси которых 8 имеют разные наклоны относительно оси головки 10 (например, 15 и 0 градусов). При этом возможна такая конфигурация следов, при которой границы следов струй разных сопел на поверхности металла при его движении следуют непосредственно одна за другой. При некотором конкретном исполнении расположение следов соотносится так, что след струи по внутреннему радиусу почти достигает оси головки 10. В результате получаются два радиально граничащие (или наоборот радиально перекрывающиеся) один с другим спиральные следы (см. рис 6), причем одна спираль может проходить внутри другой.

Рисунок 6 След плоской струи роторной головки фирмы Schloeman-Siemag

Это приводит к очень равномерной струйной обработке, и, следовательно, качественной очистке окалины, так как внутренних, необработанных зон практически не остается. Очевидно, что по окружности могут быть расположены более двух сопел, которые в этом случае должны быть установлены так, чтобы радиально разместились более чем два следа струи.
Такой способ очистки обеспечивает равномерную обработку проката при особо малом расходе воды и незначительных потерях тепла.
Дальнейшее развитие этой идеи фирмой Schloeman-Siemag в направлении еще большего сокращения расхода воды особенно для тонких слябов (после непрерывной разливки) заключается в уменьшении количества головок (размещенных в блоках сверху и снизу) до двух и придании им непрерывного и реверсивного движения вперед и назад поперек хода очищаемого сляба (патент фирмы DE 43 37 287 А1). При этом особое внимание обращается на создание остросфокусированной и мощной струи воды, создающей вследствие очень малой области обработки на поверхности металла весьма высокий по своему воздействию эффект резания.
Понятно, что для покрытия всей обрабатываемой поверхности такими струями в рамках традиционных конструкций потребовалось бы значительное количество сопел, что создало бы проблему по их размещению по длине  коллектора (или привело бы к необходимости увеличивать количество коллекторов). Решение проблемы фирмой представляется в применении вращающихся и движущихся поперек заготовки головок. Вследствие комбинации движения роторных головок с соплами с одной стороны по круговой траектории, а с другой – линейного движения головок поперек подачи сляба, подобно развертке луча осциллографа, струя воды зондирует каждую точку поверхности металла. При этом поперечное движение головок регулируется в определенных границах согласно конкретной ширине заготовки. В соответствии с получающимся при таком решении уменьшением расхода воды заметно уменьшаются как энергия привода насоса, так и энергия потребления печами, а также существенно сокращается текущая стоимость эксплуатации. Для осуществления линейного перемещения может быть применен либо кривошипно-шатунный, либо гидравлический привод.
Системы с роторными головками и соплами «полной струи»
Этот тип гидросбива был разработан и впервые внедрен в промышленности фирмой VOEST-ALPINE Indusnrienanlagenbau (VAI) на стане горячей прокатки завода VA Stahl Linz, Австрия [9]. При разработке были  поставлены требования снижения капитальных и эксплуатационных затрат и расхода воды. Cогласно постановке задачи снижение расхода воды должно было быть обеспечено только повышением давления удара. Обычные прокатные станы ограничены в этом смысле типом струи. Традиционный плоский тип струи имеет определенную глубину и ширину, которые ограничивают количество сопел по ширине сляба. Поэтому была предложена концепция подвижных сопел – VAI встроила сопла во вращающийся суппорт, так, что вращающаяся струя описывает круговую траекторию на  поверхности заготовки. В этом случае вместо плоской струи было применено сопло с круглой в сечении сплошной струей.  Чтобы получить высокое давление удара воздействие струи должно быть сконцентрировано на малой площади, что гарантирует очистку трудно удаляемой окалины с высоким качеством поверхности стали.
Общий вид и устройство роторной головки VAI представлены на рисунках 7 и 8. В табл. 3 представлены типичные параметры системы с роторными головками.

Рисунок 7 Общий вид роторной головки VAI

Рисунок 8 Разрез роторной головки VAI
Таблица 3 Типичные параметры системы с роторными головками

Ротор (рис. 8) приводится во вращение посредством гидравлического силового элемента и состоит из неподвижного блока с центральной входной трубкой 2 и регулирующего диска 3. Роторная часть установлена на пустотелой оси и содержит двухступенчатое высоконапорное уплотнение и входную питательную трубку. Сопла 4 вставлены в крылья ротора так, что они все расположены по его диаметру. Количество сопел определяется требуемой скоростью подачи металла и необходимым расходом воды. Фактически ротор имеет диаметр окружности 480 мм. Поэтому на ширине сляба требуется установить 3-4 головки, расположенных в ряд. Вода под давлением подается через неподвижную центральную трубу в камеру под регулирующим диском. В этом диске на разных радиусах выполнены отверстия. Как только входная питающая линия состыкуется с каким-либо отверстием, вода под давлением подается к соплу. Сопла могут переключаться по группам согласно положению питающих отверстий на различных диаметрах. Таким образом, для каждой группы возможно использовать различные типы или размеры сопел. Такая конструкция позволяет с помощью регулирующего диска и выбора сопел выравнивать неравномерность удара по краям следа сопла. Другое достоинство состоит в том, что возможно регулирование действия струи на сляб в диапазоне например от 180 до 360 град. в пределах каждого оборота головки, что также дает возможность экономии расхода, если в рабочем диапазоне количество воды достаточно как для взламывания, так и для удаления окалины с поверхности заготовки, и соответственно снизить охлаждение сляба от гидросбива. В зависимости от числа оборотов ротора, количества сопел и скорости подачи на поверхности сляба получается картина кривых, описываемых струей, как это показано на рис. 9.

Рисунок 9 Распределение струй на поверхности сляба: R – радиус траектории струи,
t – диаметр струи, a – дистанция между струями; n – частота вращения головки;
v – скорость подачи заготовки

Вид кривой следа определяется диаметром (толщиной) струи t и радиусом окружности R, а интервал между кривыми следа а зависит от окружной скорости струи, количества струй и скорости подачи v. При высокой скорости подачи и малом числе оборотов интервал будет слишком большим, покрытие поверхности струей будет неполным, так что между кривыми следа струи будет оставаться остаточная окалина. Число оборотов ротора должно задаваться независимо от скорости подачи так, чтобы интервал а между двумя следами оставался менее 30 мм. В то же время этот интервал может выдерживаться малым при большем диаметре струи t, так что для той же самой дистанции а при той же скорости подачи v будет требоваться меньшее число оборотов. Давление удара и удельный расход воды подбираются путем вариации диаметра сопла и этих параметров. Соответствующие соотношения представлены на рис. 10.

Рисунок 10 Зависимость фактического удельного расхода воды от скорости подачи заготовки и диаметра сопел

Для снижения потерь из-за турбулентности используются сопла со стабилизаторами, причем расширение струи ограничено углом менее 2 град, благодаря чему обеспечивается высокая концентрация струи. Проведенные исследования показали, что конструкционные стали хорошо очищались даже при низком давлении (15 МПа) при экономии воды до 80% по сравнению с обычными устройствами гидросбива. Для удаления очень липкой окалины требовалось более высокое давление. Например, полная очистка стали Х12СrMoV122 (0.12%С, 0.2%Si, 0.8%Mn, 11,6%Cr, 2,7%Ni, 1.6%Mo, 0.3%V) возможна при рабочем давлении 24 МПа и скорости подачи 0.8 м/с.
Высоколегированные стали требуют повышенного количества воды и типичная экономия расхода для них составляет 50%. Стали с высоким содержанием кремния представляют проблему вследствие очень липкой окалины. Для этих марок требуются высокие значения удельного удара и количества воды, что может быть обеспечено при высокой частоте вращения ротора, низкой скорости подачи и больших диаметрах сопел. В общем, при давлении 30.0 МПа и скорости подачи менее 0.5 м/с роторный гидросбив обеспечивает хорошее качество очистки и низкие потери тепла, что особенно важно для материала, чувствительного к растрескиванию. Кроме того, концепция снижения общего расхода воды обуславливает так же значительное снижение стоимости напорной водяной системы.
Роторный гидросбив печной окалины фирмы VOEST- Alpine установлен на нескольких листопрокатных станах, в том числе на стане специальных сталей в Huta Baildon, Katowice, Польша и на аналогичном  стане Сolumbus в Южной Африке. На последнем роторный гидросбив поставлен фирмой в дополнение к предшествующему обычному  для очистки специальной продукции. Он работает при существующем давлении 20.0 МПа и не включается параллельно со старым традиционным гидросбивом. Особенно успешно ротор показал себя на очистке сталей марок AISI304 и 316, которые должны нагреваться в печи для максимального размягчения до 1270 0C, что формирует очень липкую окалину. Роторный гидросбив фактически исключил прокатку с окалиной и используется сейчас на всех марках нержавеющей стали, прокатываемой на Сolumbus, исключая AISI412 - на этой стали  формируется очень толстая окалина, с которой эффективно справляется обычный гидросбив. По сравнению с обычным роторный гидросбив обеспечивает снижение расхода воды приблизительно на 50%. В проблеме окалины на Сolumbus влияющим фактором является атмосфера в нагревательной печи. Отмечается, что роторный гидросбив представляет собой эффективное средство компенсации неблагоприятного влияния печной атмосферы, фактически исключившее закатку окалины. Характеристики роторного гидросбива иллюстрирует табл. 1. Роторные системы VAI обеспечивают энергетически эффективное использование насосных агрегатов. В случае применения регулируемого электропривода насосов со снижением частоты вращения агрегатов в паузах между циклами очистки обещается большая экономия электроэнергии и возврат инвестиций в течение менее 2-х лет.
Система с роторными головками Киевского института автоматики
В течение 2002-2003 гг. Киевским институтом автоматики (КИА) на стане горячей прокатки листов 2800 Алчевского металлургического комбината совместно со специалистами комбината была разработана и введена в действие высоконапорная система гидравлической очистки печной окалины с роторными головками и рабочим давлением до 60 МПа.
Роторные головки системы на стане 2800 приводятся во вращение реактивным моментом рабочей струи (рис. 11) [13].

Рисунок 11 Роторная головка гидросбива в системе КИА

Головка формирует водяной конус из струй воды с частотой вращения около 1000 об./мин, обрабатывающих полосу сляба шириной около 300 мм. Пять головок каждого из двух коллекторов обеспечивают сплошную очистку сляба на верхней и нижней поверхностях. Конструктивно роторная головка выполнена в виде пары ось-втулка; на оси установлен корпус с удлинителями, на концах которых под углом к оси расположены сменные сопла с круглыми рабочими отверстиями диаметром 1-2 мм. Со стороны оси, прикрепленной накидной гайкой к соответствующему патрубку коллектора, имеется канал подвода воды, соединенный через отверстия в корпусе с каналами удлинителей и сопел. Сопла расположены на горизонтальных подводящих трубках, крепятся к удлинителям накидными гайками и, кроме угла атаки, предназначенного для подрыва и смыва окалины с плоскости металла, повернуты относительно вертикальной оси головки на угол разгона, обеспечивающий создание реактивного вращающего момента. Пара ось-втулка образуют радиальный и упорный гидроподшипники. Угол атаки составляет около 15о, что соответствует принятым углам атаки действующих устройств гидросбива на прокатных станах.
Верхний коллектор смонтирован на подвижной раме – траверзе, при этом расстояние от среза сопел до обрабатываемой поверхности сляба устанавливается автоматически в зависимости от толщины сляба. С помощью регуляторов – байпасов осуществляется также автоматическое регулирование рабочего давления в системе в зависимости от марки стали и режима печного нагрева.
Водоструйное оборудование высокого давления (ВОВД) включает в себя:

• насосную станцию высокого давления (ВД);
• верхний и нижний коллектора с пятью головками на каждом;
• фильтр высокого давления;
• устройство пневматического управления насосной станцией.

ВОВД имеет следующие технические характеристики:

• количество агрегатов насосных ВД-5 (один резервный);
• номинальная производительность одного насоса – 100 л/мин (6 м3/ч);
• мощность приводного электродвигателя одного агрегата – 132 кВт;
• общая мощность – 660 кВт;
• наибольшее рабочее давление коллекторов 60 Мпа;
• наибольший расход воды на каждый коллектор – 200 л/мин (12 м3/ч);
• расстояние от сопел головок до поверхности слябов – 100-200 мм.

Системы со сканирующими головками и соплами «полной (когерентной) струи»

Основная идея этого устройства состоит в том, чтобы заменить обычные форсунки с плоскими соплами на форсунки с цилиндрическими соплами небольшого диаметра и с большой плотностью струи – так называемая полная или когерентная струя [14]. Смонтированные в ряд несколько таких форсунок осуществляют колебания таким образом, чтобы струи, описывая при колебании синусоидальную траекторию, могли покрыть всю ширину заготовки; термический удар, создаваемый такой струей, приводит к разрушению окалины, а незначительная продолжительность контакта ограничивает снижение температуры металла. Одна из важных характеристик метода состоит в том, что в непосредственном контакте с водой находится только 30% обрабатываемой поверхности (рис. 12).

Рисунок 12 Устройство гидросбива со сканирующей когерентной струей

На рис. 12 обозначены: 1 – фиксированный коллектор, 2 – вращающееся соединение, 3 – вибрирующее распределительное устройство, 4 – форсунка, 5 – шарикоподшипник, 6 – шатун.
Вследствие очень малого поперечного сечения когерентного сопла высокое давление удара получается при существенно уменьшенном давлении воды – в экспериментальных условиях хорошее удаление окалины было получено при давлении в системе от 50 до 70 бар и вдвое уменьшенном потреблении воды по сравнению с традиционными методами.
Рисунок 13 показывает процентное значение когерентной части струи, проходящей через отверстие Qк/Qп в зависимости от полного диаметра отверстия. Изменение наклона соответствует потере когерентности сопла; при воздействии на поверхность металла струя в 1.5 мм расширяется, и диаметр когерентной части струи становится равной приблизительно 2 мм.

Рисунок 13 Расход через калиброванное отверстие:
Qк – когерентная часть струи, Qп – полная струя

Этот рисунок показывает также очевидность благоприятного влияния стабилизатора струи, установленного на входе форсунки. С этим стабилизатором диаметр когерентной части уменьшается, и расход воды в когерентной части возрастает, увеличивая, таким образом, давление удара. На рис. 14 представлены характеристики скорости воды в зависимости от расстояния от оси струи для форсунки диаметром 1.5 мм. Как видно скорость плоской струи чуть ниже 5 м/с по сравнению с минимумом в 20 м/с для когерентной струи.

Рисунок 14 Сравнение скоростей когерентной и плоской струи

В табл. 4 приведены сравнительные технические параметры традиционной системы гидросбива и системы со сканирующей струей; обозначено: A – лабораторные условия, обычное плоское сопло; B – лабораторные условия, сканирующее когерентное сопло; C – широкополосный стан, традиционный метод; D – широкополосный стан, новый метод.

Таблица 4 Характеристики системы гидросбива со сканирующими головками

Гидравлические характеристики исследовались на серии форсунок разного диаметра. Результаты исследования изображены на рис. 15, где в зависимости от диаметра форсунки представлены: диаметр когерентной части струи Øк, мм; расход в когерентной части Q_к, л/мин; фактическое  давление удара Р_к ,МПа.

Рисунок 15 Характеристики когерентной части сопла:
Ø – диаметр, Рк – давление удара, Qк – расход

Аналогичное устройство гидросбива поставлено в 1996 г. фирмой Mannesman Demag для совмещенного литейно-прокатного агрегата минизавода № 1 фирмы Posco в Кваньяне, Ю. Корея [7]. Система удаления первичной окалины работает при давлении 50 бар и имеет сопла, дающие полную струю, которые расположены на коллекторе, совершающем колебательное движение поперек направления прокатки. Этим достигается оптимальное удаление окалины с поверхности при минимальных тепловых потерях.
Согласно вышеприведенному материалу в мировой практике гидравлической очистки металла от печной окалины активно ищутся способы гидросбива, удовлетворяющие с одной стороны возросшим требованиям рынка относительно качества очистки, а с другой – условиям экономного расходования энергоресурсов – воды, тепла и электроэнергии. Разнообразие этих способов свидетельствует об отсутствии в мире в настоящее время универсальной технологии, полностью отвечающей условиям соблюдения высокого качества и экономичности на всем сортаменте широкополосных и листовых станов горячей прокатки, в том числе – на минизаводах с непрерывнолитыми слябами. Очевидно, трудности создания такой общей технологии обусловлены значительной разницей в прочности и клейкости окалины на разных марках стали, прокатываемых на одном и том же стане (углеродистые, высоколегированные и кремнистые стали), и невозможностью обеспечить требования экономичности и качества на базе одного типоразмера сопла. Косвенным подтверждением этого факта является установка на стане Columbus в Ю. Африке двух типов гидросбива – традиционного и роторного фирмы VOEST Alpine, обрабатывающих слябы разных марок стали раздельно. Однако, поставка фирмой Mаnnesmann Demag в конце 90-х годов трех широкополосных станов, оборудованных системами HPLF, служит доказательством сохранения позиций за традиционными, несколько модернизированными в части оптимизации соотношения давление/расход системами. По-видимому, в течение ближайших нескольких лет поиски оптимальной конструкции гидросбива печной окалины будут продолжаться.

Литература

• Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., Чистопьянов О.Ф. Принципы расчета параметров настройки АСУ гидросбива с роторными головками.// К. Автоматизація виробничих процесів. №2. 2004 р.
• Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., Чистопьянов О.Ф., Шевченко Т.Г. Физические основы систем гидросбива окалины // К. Автоматизація виробничих процесів. №1. 2004 р., с.100-108.
• Silk N. J. The practical aspects of hydraulic de-scaling // Steel Times Int. 2001. 25. N7, с. 38.
• Robbins J.L., Schaming E.I., Michalski W.I. Recent Developments in Hydraulc Descaling. // Iron and Steel Engineer. 1965. №6, с. 167-173.
• 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.
• Чжан Лю, Майерль Й., Пихлер Р., Зильберман У. Модернизация широкополосного стана горячей прокатки на заводе Shagang // Черные металлы. 2003. №7, с. 27-33.
• Гензер Б., Шмиц П., Шкода-Допп У., Вернер Ф. Четыре оптимальные конфигурации агрегатов для производства горячекатаной полосы //Черные металлы. 1999. №9, с. 36-45.
• Silk N. J. The impact energy concept for primary descaling // Steel Times. 1999. с. 185,186.
• Schweighofer A., Shaun Tyas VAI’s solutions on hydraulic descaling.
• Asakawa H., Hashimoto T., Kioi Y. и др. Research on higher pressure descaling nozzles // Conference: “Hydraulic De–scaling in Rolling Mills”, London 9–10th October 1995, Institute of Materials.
• Бердичевский Ю.Е. Пути повышения эффективности систем гидромеханического удаления окалины станов горячей прокатки // Сталь №7 2004г., с. 44-48.
•  Boehmert A., Hoormann W., Goddar H. и др. Einrichtung zum Entzundern von warmen Walzgut//Патент ФРГ DE 43 28 303 A1.
• Байкалов В. А. Пристрiй для водоструминноi обробки матерiалiв. Опис до патенту на винахiд UA 3416 C1.
• Simon P., Hougardy A. Nouvelle methode de decalaminage//La Revue de Metallurgie. 1994. №4. с. 557-562.