Теоретический анализ механизмов гидравлического разрушения окалины на станах горячей прокатки

19/06/2014 4:39pm

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

Категории: прокатное производство

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
доктор техн. наук

Н.Г. Иевлев
кандидат техн. наук

О.Ф. Чистопьянов
кандидат техн. наук

В.Б. Корбут


Теоретический анализ механизмов гидравлического разрушения окалины на станах горячей прокатки


Исследования процесса формирования окалины при нагреве заготовок в методических печах, проведенные в мире в течение последних двадцати лет показали, что по мере протекания окисления окалина осаживается под действием сжатия. С изменением содержания кислорода в массе окалины величина результирующего сжатия изменяется и в полностью образованной и осажденной окалине уже в печи создаются растягивающие напряжения и остаточный изгибающий момент – это подтверждается тем, что частицы окалины при удалении имеют остаточную кривизну (изогнуты наружу по кромкам и внутрь в середине). Эти напряжения создают в окалине первоначальные трещины, способствующие при дальнейшем охлаждении в зоне действия устройств высоконапорной гидравлической очистки металла от окалины (гидросбив) образованию начальных очагов отслоения окалины, при этом участки окалины между трещинами остаются связанными с поверхностью нижележащего слоя металла с силой сцепления, определяемой физическими свойствами окисла.
Гипотетически считается, что общее напряжение, производимое в окалине гидросбивом и приводящее, в конечном счете, к очистке поверхности металла, осуществляется благодаря ряду термомеханических воздействий. В процессе гидросбива как правило имеют место две фазы – предварительное разрушение и раздробление слоя окалины и дальнейшее удаление разрушенной массы окисла с поверхностей заготовки последующими струями воды. В свою очередь механизм гидравлического разрушения окалины представляет собой комплекс, включающий в себя два физически различных эффекта:

  • термический эффект, который с одной стороны является следствием резкого снижения температуры (термический удар) окалины, приводящего к созданию температурного градиента в слое окалины и дальнейшему короблению и отслоению ее от поверхности заготовки под действием напряжений, создающихся вследствие разницы термической усадки окалины по сравнению с основным металлом, а с другой стороны порождающий пневматическое воздействие, возникающее в результате взрывного парообразования под слоем окалины, что дополнительно подрывает и дробит окалину;
  • эффект механического воздействия, определяемый динамическим давлением удара струи по слою окалины, ломающий и крошащий окалину.

Расчет всех этих напряжений, необходимый для выбора динамических и конструктивных параметров установки гидросбива (расход воды, характеристики рабочей струи), в комплексе в настоящее время представляет собой трудно разрешимую проблему. Сложности, связанные с созданием математической модели процесса, заключаются в следующем:

  • контроль макроструктуры окалины труден. Окалина может быть пористой или сплошной и может иметь различную силу сцепления с основным металлом, при этом пористость может быть переменной;
  • окалина может быть неоднородной в разных направлениях;
  •  недостаток данных о термических и механических характеристиках окалины и о силах связи окалины с основным металлом;
  • отсутствие данных о величине сил сжатия в свежем осадочном слое и при охлаждении.

В настоящей статье представлен первичный теоретический анализ действия вышеупомянутых механизмов разрушения окалины, для упрощения рассматриваемых независимо друг от друга, без учета возможного взаимодействия между ними [1].

 

Эффект термического удара

Поскольку, в общем, толщина окалины не велика, предполагают, что нормальное напряжение σz в направлении толщины z везде равно нулю. Тоже самое при отсутствии охлаждения, т.е. при температуре нагрева металла, имеет место в окалине в направлениях, параллельных плоскости металла x и y, т. е. при tok=t мвт


σхгуг=0,


где σхг и σуг,  – нормальные напряжения в направлениях х и у в «горячей окалине» (рис. 1 [2]).
Предполагается, что в первый момент при ударе воды в камере гидросбива по слою окалины она остается целой (без учета механического воздействия) и это вызывает ее равномерное охлаждение, что создает появление нормальных растягивающих напряжений в слое окисла, тогда как основной металл не охлаждается вообще. Вследствие этого в слое окалины, сцепленным с металлом, т.е. на границе окалина/металл (о/м) возникают касательные напряжения среза, которые могут привести к разрушению этого промежутка и отслоению окалины.
При охлаждении участка окалины единичной длины и ширины на ΔТ, єС (изменение температуры в градусах Цельсия) его размеры должны сократиться на величину

ε =αΔТ (1)


в каждом направлении, параллельном плоскости заготовки. Вследствие связи такого участка с окружающей окалиной в ней возникают деформации растяжения ε xy , которые устанавливаются в направлениях x, y.

модель процесса гидросбива

Рисунок 1 Общая механическая модель процесса гидросбива

напряжения в слое окалины
Рисунок 2 Схема напряжений в слое окалины

Обозначения на рис.2: h– толщина окалины,l - расстояние между соседними трещинами,σok σ м - нормальные напряженияв окалине и металле, τ – касательные напряжения на границе окалина/металл.
Предполагая вышеупомянутые нормальные напряжения упругими, при сохранении связи рассматриваемого элемента окалины с соседними участками в направлениях x, y  и полностью защемленного по границе о/м, при равномерном охлаждении окисла деформации ε x и ε y до отрыва равны нулю, вследствие чего в рассматриваемом участке существуют напряжения растяжения


σху = αε окΔТ  (2)


где  α коэффициент температурного расширения, аε ок - модуль упругости (Юнга) для окалины.
Окалина будет разрушена по толщине, если


σх (и/или σу)≥ σраз (3)


где σраз– значение разрушающего напряжения (предел текучести) окалины.
Сила, действующая на элемент окалины единичной глубины в направлении, например, х, с высотой h ok под воздействием нормального растягивающего напряжения σx будет равна


Fσ= σxh ok(4)


Кроме того, на элементе окалины на промежутке между двумя соседними трещинами на границе о/м возникают напряжения среза τx(x), τy(y), и вызванная ими сила среза Fτ(рис.2 [3]). Предполагая, что эти напряжения (например, в направлении по оси x) в пределах промежутка длиной l между какими-либо двумя трещинами на границе возрастают линейно от нуля в средней части промежутка (точка x=0 на рис. 2) до величины τx - τmax (в точке x=l/2), выражение для силы среза на границе имеет вид [4]
.

(5)

Для линейного случая согласно рис.2,.
тогда

(6)


С некоторой долей вероятности можно предположить равенство этих сил, т.е.Fσ=Fτ.Приравнивая (4) и (6) с учетом (2) получим

(7)


Отделение этого элемента при равномерном охлаждении окалины струей воды осуществляется при выполнении условия

 

τmaxср  (8)

 


где τср – предельное напряжение среза на границе о/м.
Глубина внутри окалины, на которой ощущается охлаждающее действие воды, может быть вычислена по периоду времени, затрачиваемому струей на достижение поверхности металла. Время, которое затрачивается для пересечения заготовкой при ее движении ширины следа струи (вдоль сляба) равно
,

(9)

где bстр – ширина следа струи гидросбива на поверхности заготовки,v– скорость заготовки в камере гидросбива.
Это минимальное время, в течение которого окалина могла бы испытывать воздействие охлаждения от струи воды; фактическое время будет больше вследствие распространения воды по окалине. Поэтому толщина окалины hохл, которая могла бы быть охлаждена, может быть определена как hохл = √at , где a – коэффициент температуропроводности окалины [1, 5]:
,

(10)

в свою очередь: λok, cokok  коэффициенты теплопроводности, теплоемкости и плотность окалины соответственно. Таким образом, толщина окалины, которая может быть охлаждена струей воды за промежуток времени, в течение которого металл проходит расстояние, равное ширине струи, может быть определена как
.

(11)

Если это расстояние меньше общей толщины окалины, то промежуток о/м не будет охлажден струей воды по всей толщине. Однако, в зоне действия струи возникает температурный градиент, порождающий сжимающие напряжения во внешнем слое окалины и вызывающий изгиб и коробление участков окалины в этом месте. Комбинация эффектов сжатия и коробления приводят к силам растяжения и отслоения окалины в этой зоне и ее дальнейшее удаление. Схематично этот эффект изображен на рис. 3.

 

температурный градиента

Рисунок 3 Схема действия температурного градиента

Количественные значения параметров в вышеприведенных выражениях представлены в табл. 1.
Таблица 1


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.

Падение температуры

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.

Эффект испарения воды

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.

испарение воды

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.удраз (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

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.

 

механического воздействие струи

Рисунок 6 Эффект механического воздействия струи

Условие очистки окалины этим механизмом имеет вид


εсжсж.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.

Выводы

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.

Литература

  • Bagshaw P.A., Marston H.F., “Descaling of Steels in Rolling Mills” // ECSC Final Report on Project №7210. EA/818, 1992.
  • Sheppard T., Steen W.M. “Hydraulic Descaling of Steel” // Journal of the Iron and Steel Institute. Sept. 1970 , p.797.
  • Schutze M.// Materials Science & Technology, 1988 (5), 4, p.407.
  • TienJ.K.,DavidsonJ.M.:“Stress effects and the oxidation of metals”//200;1974, Warrendale, PA,The Metallurgical Society of AIME.
  • Ландау Л.Д., Ахиезер А.И., Лифшиц Е.М. Курс общей физики, М. 1965 г.
  • Hojas H., Rheindt R.// Berg-und Huttenmanische Monatshefte:112 1967 11 р.372.


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