Теоретический анализ механизмов гидравлического разрушения окалины на станах горячей прокатки |
\\ Статьи
19/06/2014 4:39pm
В работе представлен первичный теоретический анализ действия различных механизмов разрушения окалины, для упрощения рассматриваемых независимо друг от друга, без учета возможного взаимодействия между ними. УДК 621.7.024.2 Г.Г. Грабовский Н.Г. Иевлев О.Ф. Чистопьянов В.Б. Корбут
|
Наименование параметра |
Обозначение |
Размерность |
Значение |
Плотность окалины |
ρok |
кг/куб.м |
5500 |
Удельная теплоемкость окалины |
cok |
Дж/кг·ºС |
878 |
Коэффициент теплопроводности окалины |
λok, |
Дж/ м·с·ºС |
355 |
Коэффициент температурного расширения окалины |
αok |
1/ºС |
13.5·10-6 |
Модуль упругости (Юнга) окалины |
Eok |
МН/кв.м |
18·104 |
Предельное относительное удлинение окалины |
εрст.пр |
|
2.3·10-4 |
Предельное относительное сжатие окалины |
εсж.пр |
|
40·10-4 |
Предел прочности на срез по границе о/м |
τср.пр |
МН/кв.м |
20 |
Ширина струи гидросбива |
bстр |
м |
5·10-3 |
Скорость заготовки |
v |
м/с |
1 |
Согласно (1) для разрушения окалины необходимо выполнение неравенства
ΔТok> ε pст.пр/ λok (12)
С учетом значений параметров согласно табл. 1 требуемое снижение температуры по этому условию должно составлять более 17ºС. На рис. 4 представлены расчетные значения перепада температуры в зоне действия струи гидросбива [6], согласующиеся с известными экспериментальными данными [1], согласно которым скорость снижения температуры поверхности сляба составляет ΔТ/Δt= 400 єС/с или 140ºС за 0.1с, т.е. условие (12) в общем выполняется.
Рисунок 4 Падение температуры на поверхности сляба при гидросбиве
Принимая толщину окалины равной 1 мм, расстояние между двумя соседними трещинами (рис. 2) равным 10 мм и снижение температуры под струей из сопла ΔТ=200єС, согласно (7) с учетом данных табл. 1 получим для напряжения среза величину τmax= 194MH/кв.м , что значительно превышает предел прочности на срез по границе о/м τср.пр = 20MH/кв.м, т.е. подрыв окалины охлаждающим воздействием струи гидросбива вполне может быть осуществлен.
Выражение (11) дает глубину окалины, на которой ощущается охлаждение от воздействия водяной струи. По этой формуле и с учетом параметров табл. 1 эта глубина составит hохл = 0.61 мм. При этом предполагается, что эффект охлаждения продолжается только то время, пока сляб находится непосредственно под струей. Понятно, что охлаждение будет продолжаться непрерывно, пока вода находится на поверхности окалины. Однако если толщина окалины составляет более чем несколько миллиметров, то промежуток о/м может не охладиться за это время, и в этом случае рассматриваемый механизм удаления окалины не может зависеть от равномерности охлаждения окисла. Растягивающие напряжения в поверхности окалины, происходящие от охлаждения наружного слоя окалины, должны, однако, привести к возникновению напряжений сжатия в нижних слоях окалины, вызывая напряжения среза в промежутке о/м. Кроме того, в окалине появляются изгибающие усилия, которые приведут к возникновению растягивающих напряжений в промежутке, увеличивая возможность разрушения промежутка.
Установлено, что этот механизм в основном не зависит от давления удара воды, хотя охлаждающий эффект ΔТ конечно зависит от расхода, который может изменяться с изменением давления удара.
Вода, проникающая в поры и трещины в окалине, особенно в промежутке о/м может испаряться от тепла металла и формировать пузырьки пара, расширяющиеся при дальнейшем нагреве. Таким образом, образование пузырьков может разрывать окалину, отрывая ее от поверхности стали.
Согласно первому закону термодинамики, энергия и , возникающая при испарении воды и отрыве окалины, равна сумме скрытой (удельной) энергии парообразования wn и работы, производимой при расширении пузырьков пара, т.е. энергия на килограмм испарившейся воды равна [1,5]:
,
(13)
где R – газовая постоянная, ΔТ– температура пароводяной смеси в зоне промежутка о/м, μ – молекулярный вес воды.
Объем воды на единицу поверхности заготовки (объемный удельный расход)vв. уд равен:
,
где Q - объемный расход воды, B - ширина заготовки,v– скорость заготовки.
Рисунок 5 Эффект испарения воды
Масса испарившейся воды на единицу поверхности металла (массовый удельный расход)mв.уд составит:
,
где β – доля испарившейся воды, ρ – плотность воды.
Из уравнения (13) с учетом двух последних зависимостей получим выражение для полной удельной энергии, испарившейся на поверхности металла (под слоем окалины) воды
.
(14)
Условие удаления окалины этим механизмом имеет вид
и в.уд >и раз (15)
где и раз– удельная энергия на единицу площади металла, потребная для разрушения промежутка о/м. Возможная схема удаления окалины этим механизмом показана на рис. 5. Численные значения параметров, входящих в (14), представлены в табл. 2.
Расчет полной удельной энергии, испарившейся на поверхности металла воды, по формуле (14) с учетом данных табл. 2 дает значение и в.уд= 250кДж/кв.м , что значительно превышает экспериментально установленное значение энергииразрушения окалины и раз = 17-35 кДж/кв.м даже без учета динамического давления струи, т.е. энергия парообразования вполне может подорвать и отделить окалину. При этом следует отметить, что пар должен быть образован внутри окалины. Тем не менее, понятно, что формирование пара является возможным механизмом разрушения окалины.
Таблица 2
Наименование параметра |
Обозначение |
Размерность |
Значение |
Скрытая энергия парообразования |
wn |
кДж/кг |
2256 |
Температура пароводяной смеси |
ΔТ |
ºС (К) |
200 (437) |
Молекулярный вес воды |
μ |
кг/моль |
18∙10-3 |
Доля испарившейся воды |
β |
|
0.05 |
Плотность воды |
ρвд |
кг/куб.м |
1000 |
Расход воды |
Q |
куб.м/с |
1∙10-3 |
Потребная энергия разрушения промежутка о/м |
и раз |
кДж/кв.м |
17-35 |
Газовая постоянная |
R |
Дж/моль ∙К |
8.31 |
Ширина заготовки |
B |
м |
0.1 |
Скорость заготовки |
v |
м/с |
1 |
Эффект механического воздействия определяется динамическим давлением струи, т.е. удельным давлением удара по слою окалины, который ломает и крошит окалину, после чего она смывается последующими потоками воды. Этот механизм иллюстрируется на рис. 6.
Вертикальная составляющая удара создает в окалине напряжение сжатия
σсж= Pудcosα
что в свою очередь вызовет в окалине относительную деформацию сжатия
(16)
где Pуд – удельное давление удара струи,Eok – модуль упругости окалины, α – угол наклона струи.
Рисунок 6 Эффект механического воздействия струи
Условие очистки окалины этим механизмом имеет вид
εсж >εсж.пр (17)
где εсж.пр – значение предельного (разрушающего) относительного сжатия окалины.
Это условие предполагает, что давление, производимое струей, равномерно по всей площади удара.
С учетом данных табл. 1 при α=15 согласно (16) получим , что значительно меньше предполагаемой величины предельного относительного сжатия окалины ( Это означает, что очистка окалины по этому механизму не может быть осуществлена. Тем не менее, нарушения прочности, производимые повышением напряжения внутри слоя окалины, представляют этот механизм довольно существенным.
1. Представлен предварительный теоретический анализ трех механизмов гидравлического разрушения окалины на станах горячей прокатки: термический удар, взрывное парообразование, механическое воздействие (динамический удар). В связи со значительными математическими и физическими сложностями описания процесса гидросбива в целом в предлагаемом материале отдельные составляющие общей картины рассмотрены по отдельности – независимо друг от друга, хотя в реальности все они действуют, конечно, совместно и одновременно.
2. Три рассмотренных механизма теоретически дают достаточно вероятное объяснение гидравлическому удалению окалины. Однако, математическая модель для оценки механизмов довольно упрощена. Окалина не является непрерывной средой – она включает в себя различные слои со случайно распределенными раковинами, порами, горизонтальными и вертикальными трещинами и разрывами. Предложенная математическая модель процесса не учитывает эту неравномерность. Тем не менее, два типа из рассмотренных механизмов теоретически представляются способными по-отдельности осуществить разрушение окалины, подготовив ее к дальнейшему удалению смывом. Не очень понятным является невыполнение условия (17) относительно механического механизма. В то же время экспериментальные исследования показывают, что сила удара водяной струи является важным фактором в общей картине разрушения окалины и должна обязательно учитываться при расчете эффективности работы гидросбива.
3. Рассмотренные модели могут быть использованы для ориентировочной оценки основных конструктивных и эксплуатационных параметров оборудования устройств гидросбива, а именно – типа и объемной производительности насосов и системного давления.
НАШІ КОНТАКТИ:
м. Дніпро
ISSN 20760507
Керівник проекту - Гриньов Володимир Анатолійович