авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Разработка и внедрение в производство устройств термоупрочнения проката регулируемым охлаждением на основе анализа процессов теплообмена

На правах рукописи

ЭЙСМОНДТ КОНСТАНТИН ЮРЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО УСТРОЙСТВ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ ПРОКАТА РЕГУЛИРУЕМЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА Специальность 05.16.01– Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург – 2011

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт метал лургической теплотехники» (ОАО ВНИИМТ) и на кафедре «Теплофизика и информатика в металлургии» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» Научные руководители: – доктор технических наук, профессор ТЕЛЕГИН Александр Семенович – Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор ЯРОШЕНКО Юрий Гаврилович

Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор КАБАКОВ Зотей Константинович Череповецкий государственный университет – кандидат технических наук, БЕЛЕНЬКИЙ Борис Зиновьевич, ОАО «Уральский институт металлов» Ведущее предприятие – Открытое акционерное общество «Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности» г. Челябинск

Защита состоится 20 мая 2011 г. в 15-00 часов на заседании диссертаци онного совета Д 212.285.04 при ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный уни верситет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в ауд. Мт-329 (зал Ученого совета) по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, корпус 3.

Тел./факс: (343) 374-38-84;

e-mail: center@cso.vniimt.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Ураль ский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» Автореферат разослан 15 апреля 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета, Шилов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стратегией развития металлургической промыш ленности России на период до 2020 года1 в качестве основных тенденций разви тия предусматривается освоение производство широкоформатного проката для толстостенных труб большого диаметра, и повышение качественных характери стик толстолистового проката, производимого для нужд оборонно промышленного комплекса, судостроения, атомного машиностроения.

При решении задач освоения производства высококачественного толсто листового проката широкое применение находит регулируемое охлаждение, прежде всего при термомеханической обработке. При этом повышение служеб ных свойств стального проката обеспечивается без увеличения количества до рогостоящих легирующих элементов.

Особенностью современного этапа развития процессов термоупрочнения является широкое применение охлаждающих устройств, устанавливаемых в потоке прокатных станов. Согласно опубликованным данным, по оснащению прокатных станов охлаждающими устройствами Россия значительно отстала от мировых лидеров металлургии. В условиях имеющегося дефицита воды на ме таллургических предприятиях России и Украины, а так же ограниченности дли ны отводящих рольгангов действующих прокатных станов, становится актуаль ной задача обеспечения тепловой экономичности охлаждающих устройств.

Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научно практической деятельности «Центра новых систем охлаждения и технологии термоупрочнения металлов» (до 2004 г. – лаборатория теплотехники регламен тированного охлаждения проката) ОАО «ВНИИМТ» в рамках хоздоговорных работ и контрактов с МК «Азовсталь» (г. Мариуполь, Украина) и ЧерМК – ОАО «Северсталь», а также Государственного контракта с Минобрнауки Рос сии по теме № 02.740.11.0152. Согласно им проведены промышленные и стен довые исследования, разработаны технические задания и проектно конструкторская документация, изготовлено и поставлено оборудование, вы полнены пуско-наладочные работы на устройствах для регулируемого охлаж дения толстолистового проката и определены их режимные параметры при термоупрочнении реального сортамента обоих предприятий.

Цель работы: разработка режимных и конструктивных параметров уст ройств регулируемого охлаждения толстолистового проката различного мароч ного и размерного сортамента для реализации широкого спектра технологиче ских процессов термического упрочнения и внедрение их в условиях дейст вующих предприятий: МК «Азовсталь» и ЧерМК–ОАО «Северсталь».

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определение технологических и технических требований к устройст вам регулируемого охлаждения толстолистового проката с прокатного нагрева (в потоке стана) и после специального нагрева.

Приказ Минпромторга РФ от 18 марта 2009 г. № 150 «Об утверждении стратегии развития металлургической промышленности России на период до 2020 года» 2. Использование результатов численного моделирования процессов теп лообмена, протекающих при ускоренном охлаждении толстого листа, для опре деления параметров устройств ускоренного охлаждения.

3. Разработка раздающих коллекторов с плоскофакельными насадками, обеспечивающих равномерное распределение неразрывных потоков воды по ширине листа в широком диапазоне регулирования расходов, в том числе при работе на оборотной воде прокатного цеха с низким давлением.

4. Внедрение в эксплуатацию промышленных устройств регулируемого охлаждения с прокатного нагрева (в потоке стана) и после специального печно го нагрева. Разработка режимов работы охлаждающих устройств, обеспечи вающих реализацию различных технологий термоупрочнения.

5. Анализ опыта промышленной эксплуатации АСУ ТП устройства кон тролируемого охлаждения в потоке стана 5000 ЧерМК-ОАО «Северсталь».

Научная новизна:

1. На основе физического и математического моделирования процессов теплообмена разработаны принципы построения систем регулируемого охлаж дения толстолистового проката, позволяющие реализовать в одном агрегате различные технологии термоупрочнения – прерванное ускоренное охлажде ние, закалку и закалку с самоотпуском.

2. Разработаны конструкции раздающих коллекторов с плоскофакель ными насадками, обеспечивающие высокую равномерность охлаждения по ширине и длине листа, и существенно более высокие, чем в зарубежных агре гатах, пределы регулирования скорости охлаждения – одного из главных па раметров для обеспечения высокого уровня механических свойств.

3. Получены теплофизические характеристики устройств в виде зависи мости плотности теплового потока q от плотности орошения W (q=f(W)), на ос новании которых проведена адаптация математической модели для каждого конкретного агрегата с последующим определением оптимальных режимов работы устройств для термоупрочнения проката промышленного сортамента.

Получены данные о высокой равномерности охлаждения по ширине и длине толстолистового проката (штрипса) для труб большого диаметра, удовлетво ряющей требования международных стандартов.

Достоверность полученных результатов диссертации обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик исследования в производственных и стендовых условиях, статистической обработкой экспери ментальных и расчетных данных, воспроизводимостью полученных результа тов и непротиворечивостью их литературным данным.

Практическая значимость. Разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию устройства ускоренного охлаждения за нормализационными пе чами в потоке стана 3600 МК «Азовсталь» и устройство контролируемого ох лаждения в потоке стана 5000 ЧерМК–ОАО «Северсталь». Разработаны опти мальные с теплофизической точки зрения режимы охлаждения толстолистового проката в данных устройствах термоупрочнения. Разработана и реализована система управления УКО стана 5000, обеспечивающая в режиме реального времени достижение высоких показателей качества толстолистового проката различного назначения, включая магистральные трубы большого диаметра и судосталь. Математическая модель ускоренного охлаждения, разработанная во ВНИИМТ и реализованная в АСУ ТП для выбора и управления режимами тер моупрочнения листов различного марочного и размерного сортамента, обеспе чивает получение температуры конца охлаждения с отклонением от заданной не более 3%.

На защиту выносится:

1. Комплекс требований к устройствам регулируемого охлаждения тол столистового проката и особенности функционирования АСУ ТП многосекци онных устройств ускоренного охлаждения.

2. Теплофизические особенности организации процесса термоупрочнения толстолистового проката с постоянной и переменной во времени интенсивно стью охлаждения, обеспечивающего заданные технологические ограничения.

3. Конструкции раздающих коллекторов с плоскофакельными насадками, обеспечивающие равномерную раздачу воды, в том числе «грязного» оборотно го цикла низкого давления (до 0,04 МПа), определяющие геометрические раз меры плоскофакельныых насадков и величина расходного коэффициента кол лектора.

4. Определяющие теплофизические зависимости плотности теплового по тока q от плотности орошения W (q=f(W)) для разработанных и внедренных в промышленную эксплуатацию устройств.

5. Результаты комплексного исследования равномерности охлаждения толстолистового проката для труб большого диаметра.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до ложены на: 9-й научно-технической конференции молодых специалистов и ученых Урала «Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрега тов», Свердловск, г.;

II Всесоюзной научно-технической конференции «Повы шение качества металлопроката путем термической и термомеханической об работки», Днепропетровск, 1985 г.;

семинаре «Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических ма териалов», Москва, МДНТП, 1986 г.;

конференции «Проблемы качества и со вершенствования оборудования тяжелого, энергетического, транспортного и химического машиностроения», Свердловск, НИИТяжМаш, 1986 г.;

10-й науч но-технической конференции молодых ученых и специалистов Урала «Пробле мы теплотехники металлургических процессов и агрегатов, Свердловск, 1987 г.;

Всесоюзной научно-технической конференции молодых металлургов исследователей «Проблемы повышения технического уровня производства черных металлов и сплавов», Донецк, 1987 г.;

Всесоюзном научно-техническом семинаре «Совершенствование технологии производства толстолистового про ката с целью повышения качества готовой продукции», Донецк, 1987 г.;

XI на учно-технической конференции молодых ученых «Проблемы теплотехники ме таллургических процессов и агрегатов», Свердловск, 1988 г.;

Всесоюзной науч но-технической конференции «Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической обработки», Днепропетровск, 1988 г.;

Все союзной научно-технической конференции «Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии», Свердловск, 1990 г.;

II-й научно технической конференции «Штрипс и трубы – обеспечение качества», Нижний Тагил, 2002 г.;

Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов», РГАТА, Рыбинск, 2005 г.;

на международной на учно-практической конференции «Топливно-металлургический комплекс» АИН им. А.М. Прохорова, г. Екатеринбург, 2007г. и на VIII международном конгрессе прокатчиков, ММК, г. Магнитогорск, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, из них: 8 статей в рецензируемых журналах по перечню ВАК, 8 статей в других журналах и сборниках научных трудов и докладов всероссийских и междуна родных конференций. По теме диссертации получено авторское свидетельство и патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изло жена на 170 страницах, содержит 72 рисунка, 31 таблицу, 2 приложения и биб лиографический список из 216 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность работы, обоснована цель работы, на учная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведен аналитический обзор научно-технической ли тературы, касающейся вопросов термоупрочнения толстолистового проката, особенностей теплообмена при струйном водяном охлаждении и действующих устройств регулируемого охлаждения толстого листа.

Проанализированы современные способы упрочнения толстого широко полосного проката, который находит широкое применение для изготовления магистральных трубопроводов и емкостей для хранения нефтепродуктов и га зов, включая сжиженные, а также в судо- и мостостроении и других отраслях промышленности. Требования по прочности и вязкости толстолистового про ката постоянно повышаются при одновременном снижении металлоемкости изделий, что видно на примере труб большого диаметра, используемых при строительстве магистральных газо- и нефтепроводов.

Отмечено, что быстрое охлаждение изделий, сопровождаемое структур ными превращениями в металле, в условиях неравномерного распределения интенсивности теплоотвода приводит к возникновению термических и струк турных напряжений, которые, в свою очередь, могут вызвать деформацию про ката.

В условиях ускоренного охлаждения особым своеобразием отличается протекание кризисов теплообмена при кипении воды. В связи с особенностями гидродинамических процессов и существованием кризисов теплообмена в мес тах натекания струй интенсивность теплообмена может достигать величины 10…30 МВт/м2, тогда как на периферийных участках между струями интенсив ность теплообмена ниже на порядок и более. Теплофизические процессы, про текающие в охлаждающих устройствах, существенно отличаются от процессов, протекающих при нагреве и кипении жидкостей в теплоэнергетических агрега тах, в частности вследствие резко выраженной их нестационарности, поскольку данные процессы протекают за несколько секунд или даже за доли секунды. Это не позволяет в полной мере использовать при разработке охлаждающих уст ройств методы теплового расчета, разработанные в энергетике.

Приведен сравнительный анализ действующих в мире и России устройств ускоренного контролируемого охлаждения в потоке толстолистовых прокатных станов и роликовых закалочных машин. Отмечено, что большинство из них имеют весьма ограниченную область применения, большую протяженность и очень высокий расход воды, для обеспечения которого требуется многоступен чатая система глубокой очистки,.

На основании анализа приведённых в литературе данных сформулирова ны задачи исследования.

Во второй главе сформулирован комплекс технологических и техниче ских требований к устройствам регулируемого охлаждения толстого листа.

На основе опыта работ, проведённых во ВНИИМТ по изучению и со вершенствованию режимных и конструктивных параметров устройств ус коренного охлаждения толстолистового проката на металлургических предприятиях СССР, обобщения данных по зарубежным охлаждающим устройствам сформулированы основополагающие требования, предъявляемые к разрабатываемым и реконструируемым устройствам регулируемого охлажде ния.

В процессе регулируемого охлаждения для реализации заданной техноло гии термоупрочнения и требуемой планшетности толстолистового проката не обходимо обеспечить требуемую траекторию охлаждения (скорость охлажде ния) металла в заданных температурных интервалах, симметричность охлажде ния верхней и нижней поверхностей и минимальный перепад температур по толщине в момент завершения ускоренного охлаждения.

В третьей главе описана методика численного моделирования процесса ускоренного охлаждения, приведено описание математической модели, описана методика проведения и обработки результатов промышленных экспериментов.

Показана целесообразность применения усреднённых теплофизических характеристик секций при анализе теплообменных процессов при ускоренном охлаждении, которые, в свою очередь, можно связать с конструктивными и ре жимными параметрами секций охлаждающего устройства.

Для обоснования режимных и конструктивных параметров устройств термоупрочнения толстого листа с прокатного и специального нагрева при про ведении пуско-наладочных работ и определении режимов охлаждения в про цессе освоения технологии термоупрочнения конкретных видов продукции ис пользована математическая модель, ранее разработанная во ВНИИМТе, адап тированная автором к анализу теплофизических задач, рассматриваемых в дис сертации. В соответствии с этой моделью температурное состояние толстого листа в процессе охлаждения в общем случае определяется посредством реше ния одномерного уравнения теплопроводности для неограниченной пластины в граничных условиях 2-го рода (при tп 100 0С) и 3-го рода (при tп 100 0С):

t t с( t ) = ( t ), (1) x x где c(t) - теплоемкость при температуре t, Дж/(кгград);

- плотность ме талла, кг/м3;

t - температура, 0С;

- время, с;

x – расстояние от поверхности, м;

(t) - коэффициент теплопроводности при температуре t, Вт/ (мград) с начальными условиями:

t(x,0) = f(x) (2) и граничными условиями:

- при ускоренном охлаждении в УКО:

qi при tп 100 0С t (t ) ={, (3) x x=± i (tп – tо.с.) при tп 100 0С где - толщина листа, м;

q - плотность теплового потока на поверхности листа, Вт/ м2;

tп – температура поверхности листа, 0С;

- коэффициент тепло отдачи, Вт/ (м2град);

tо.с. – температура окружающей среды, 0С qi i = (4) t п.к t о.с - при естественном охлаждении на воздухе:

t (t ) = (t п t о.с. ) (5) x x=± Суммарный коэффициент теплообмена при охлаждении в интервале температур tн.охл – tизм или tк.охл – tизм:

= л + к (6) Особенностью данной расчетной методики является то, что граничные условия задаются отдельно для верхней и нижней поверхностей листа через за висимость:

qвi = f (Wвi) для x= /2 и qнi = f (Wнi) для x= – /2, (7) где W – плотность орошения, м3/(м2 ч).

Плотность орошения (удельный расход воды на 1 м2 поверхности лис та) определяется по зависимостям:

Qвi Wвi = (8) S i Li Qнi Wнi =, (9) S i Li где Qвi, Qнi – соответственно расход воды на верх, низ i – той секции;

Si и L– ширина и длина i – той секции, м.

Зависимости вида q=f(W) связывают характеристики теплообмена в сек ции устройства с контролируемыми параметрами, учитывают гидродинамиче ские и теплообменные процессы на высоконагретой поверхности, сглаживая ло кальные неоднородности в пределах секции. На основании данных зависимо стей, определяемых экспериментально, производится адаптация математиче ской модели для каждого конкретного охлаждающего устройства.

При обработке результатов промышленных экспериментов средняя за пе риод охлаждения одного раската плотность теплового потока, отведенного от конкретного листа в охлаждающем устройстве, определялась по балансовой за висимости:

q = ( cн.охл t м.н.охл cк.охл t м.к.охл ), (10) охл где tм.н.охл, tм.к.охл – средние по массе температуры начала и конца охлажде о ния, С;

сн.охл, ск.охл – средняя теплоемкость металла при значениях температуры tм.н.охл, tм.к.охл, Дж/кгград.

При включении нескольких секций с различным расходом (плотностью орошения) на каждую принималось, что средний тепловой поток составляет:

n qciWci q= i = (11) n Wi i = Описана методика проведения промышленных экспериментов.

В четвертой главе приведены результаты работ по созданию и внедре нию устройств ускоренного охлаждения после специального нагрева на участке термообработки в потоке стана 3600 МК «Азовсталь». В начале 80-х годов пе ред комбинатом «Азовсталь» остро стояла проблема повышения уровня проч ностных свойств листов, подвергнутых нормализации с тёплого посада, так как для ряда партий конструкционного проката не обеспечивались требования ГОСТа. Такой металл приходилось подвергать повторной термообработке со специального нагрева с ускоренным охлаждением в закалочной машине, что значительно повышало себестоимость производства.

На участке термообработки в потоке стана 3600 МК «Азовсталь» распо ложены три роликовые проходные печи, предназначенные для нагрева с тёплого посада листов толщиной 10...50 мм. В состав участка входили душирующие устройства конструкции концерна «Skoda», которые не удалось ввести в экс плуатации ввиду сильного коробления листов.

При участии автора путём численного моделирования процессов термоуп рочнения проведен анализ закономерностей ускоренного охлаждения в диапазоне среднемассовых температур 930…600 0С листов толщиной 10...50 мм из угле родистых и низколегированных сталей. Для задания граничных условий в ма тематической модели, описанной в главе 3, использованы данные по тепло обмену, полученные с участием автора при исследовании роликовых закалоч ных машин.

Установлено (рисунок 1), что для листов толщиной 10...25 мм варьируя интенсивность внешнего теплообмена можно в широких пределах изменять ско рость охлаждения по всему сечению листа. Для листов толщиной более 25 мм (рисунок 2) увеличение интенсивности внешнего теплообмена приводит к увели чению средней скорости охлаждения (рисунок 3) за счет поверхностных слоев глубиной 6... 10 мм, а для срединных слоев (рисунок 4) скорость охлаждения ме няется слабо.

Рисунок 1. Расчетные кривые двух стороннего ускоренного охлаждения листов толщиной 0,01 м из низколе гированной стали Рисунок 2. Расчетные кривые двух стороннего ускоренного охлаждения листов толщиной 0,05 м из низколегированной стали Рисунок 3. Среднемассовая скорость охлаждения листов при ускоренном охлаждении от 930 0С до среднемассо вой температуры 600 0С 1- q = 4,6 МВт/м2;

2- q = 2,9 МВт/м2;

3- q = 2,1 МВт/м2;

4 - q = 2,9 МВт/м2 – I секция, q = 1,16 МВт/м2 - II-III секции 5 - q = 1,0 МВт/м2;

6 – охлаждение на воздухе Рисунок 4. Скорость охлаждения се редины листа при ускоренном охла ждении от 930 0С до среднемассовой температуры 600 0С 1 - q = 4,6 МВт/м2;

2 - q = 2,9 МВт/м2;

3 - q = 2,1 МВт/м2;

4 - q = 2,9 МВт/м2 – I секция, q = 1,16 МВт/м2 - II-III секции;

5 - q = 1,0 МВт/м2;

6 - охлаждение на воздухе Рассчитаны рациональные режимы устройств, обеспечивающие прерванное охлаждение до среднемассовой температуры 600 °С толстых стальных листов по сле нагрева под аустенизацию (рисунок 5). Охлаждение с высокой интенсивно стью вначале и с пониженной в конце позволяет обеспечить достаточно высокую скорость охлаждения и уменьшить конечный перепад температур по толщине листа.

Рисунок 6. Перепад температуры между серединой и поверхностью листа при ускоренном охлажде нии от 930 0С до среднемассовой температуры 600 0С 1 - q = 4,6 МВт/м2;

2 - q = 2,9 МВт/м2;

3 - q = 2,1 МВт/м2;

4 - q = 2,9 МВт/м2 – I секция, q = 1,16 МВт/м2;

- II- III секции;

5 - q = 1,0 МВт/м На основании результатов моделирования принята концепция секциони рованного устройства ускоренного охлаждения с переменной интенсивностью охлаждения, обеспечивающая получение необходимой структуры металла пу тем сочетания заданной динамики температур (скорости охлаждения) с миними зированным перепадом температуры по сечению листа.

По результатам численного моделирования установлена требуемая дли тельность охлаждения, длина и количество секций, расходы воды как в целом на устройство, так и на каждую секцию (таблица 1). Автором разработана конст рукторская документация и введено в промышленную эксплуатацию устрой ство для термоупрочнения со специального нагрева толстых стальных листов в незажатом положении за печью № 2 (рисунок 6).

Таблица 1 Основные параметры секций устройства ускоренного охлаждения за нормализационной печью МК «Азовсталь» Q, м3/с № n, шт B, L, W, Lрол, Lкол, сек. м м сумма верх низ м /м ч м м верх низ 1 3,2 2 0,25 0,1 0,15 140 1,0 8 8 0, 2,3 3,2 2 0,125 0,05 0,075 72 1,0 4 4 0, УУО в 3,2 6 0,5 0,2 0,3 — 1,0 16 16 — целом где № – номера секций;

B – ширина зоны орошения, м;

L – длина секции, м;

n – число кол лекторов;

Q – расход воды, м3/ч;

W – плотность орошения, м3/м2 ч;

Lрол – шаг между ролика ми, м;

n – количество коллекторов в секции;

Lкол – шаг между коллекторами в межроликовом пространстве;

h – расстояние от насадка коллектора до листа, м.

Рисунок 6. Схема устройства ускоренного охлаждения за нормализационной печью № 1, 3 –верхние и нижние раздающие коллекторы с плоскофакельнымие насадками, 2, 4 – подводящие коллекторы верхней и нижней системы охлаждения;

5 – ролики рольганга С учетом опыта эксплуатации данного устройства было принято решение о совершенствовании конструкции устройств, предназначенных для установки за печами 1 и 3. Основная идея модернизации - разбивка зоны интенсивного ох лаждения на две секции (рисунок 7), что значительно улучшило управляемость процессом ускоренного охлаждения. В таблице 2 приведена техническая харак теристика устройств.

Рисунок 7. Схема устройств ускоренного охлаждения за печами №№ 1, 1, 3 – верхние и нижние раздающие коллекторы с плоскофакельными насадками, 2, 4 – под водящие коллекторы верхней и нижней системы охлаждения;

5 – воздушные коллекторы;

6 ролики рольганга.

Таблица 2 Техническая характеристика устройств ускоренного охлажде ния за печами №1 и № Зона интенсивного Зона пониженной Суммарный Параметр охлаждения интенсивности общий № секции I II III IV I…IV длина, м 1,2 1,0 2,0 2,0 6, верх Р, 0,05 0,05 0,05 0,05 низ МПа 0,05 0,05 0,04 0,04 верх 180 135 115 115 Q, низ 350 265 230 230 м3/ч сумма 530 400 345 345 верх 40 37 15 15 W, низ м /м ч 80 73 30 30 На основании стендовых экспериментов для обеспечения работоспособно сти устройств при использовании «грязной» воды оборотного цикла автором разработана конструкция коллекторов (рисунок 8 ) на базе успешно зарекомен довавших себя плоскофакельных форсунок ВНИИМТ.

Их конструкция обеспечивает:

- стабильные характеристики факела при работе на оборотной воде высо кой загрязненности давлением от 0.02 до 0,12 МПа;

- равномерное распределение воды, как по ширине отдельного факела, так и по всей поверхности широкого листа;

- сохранение неразрывности потока жидкости, в том числе вследствие исключения аэрации, что в свою очередь обеспечивает «пробивание» слоя во ды, накопившегося на верхней поверхности листа. Пробившийся поток разру шает паровую плёнку на поверхности металла, интенсифицируя теплообмен.

Определен расходный коэффициент коллектора, равный 0,72.

1 – коллектор;

2 – сопло цилиндрическое;

3 - опора насадка;

4 - подушка клиновая;

5 – клин;

6 – пластина 100х10;

7 - пластина 60х Рисунок 8. Коллектор с плоскофакельными насадками В устройствах обеспечивается высокая интенсивность и равномерность ох лаждения и удовлетворительная планшетность упрочняемых листов при любой степени переохлаждения. Плотность суммарного теплового потока на рабочих ре жимах в зоне интенсивного охлаждения составляет 3,95 МВт/м2, в зоне понижен ной интенсивности – 1,8 МВт/м2, что не уступает показателям современных зака лочных машин.

По результатам пуско-наладочных работ и последующей эксплуатации ав тором определены теплофизические характеристики секций устройств, на осно вании которых проведена адаптации математической модели:

qв = 0,042 + 0,066 WВ, МВт/м2 (12) qн = 0,029 + 0,035 WН, МВт/м2 (13) Численным моделированием разработаны оптимальные теплофизические режимы работы устройств для термоупрочнения проката промышленного сор тамента. Установлен диапазон возможного изменения среднемассовой скорости охлаждения для листов различной толщины - одного из важнейших параметров, характеризующих технологические возможности агрегата. Режимные парамет ры разработанных устройств позволяют в широком диапазоне регулировать скорости охлаждения в различных температурных интервалах, значительно превышая показатели зарубежных роликовых закалочных машин (рисунок 10).

Следовательно, при правильном выборе технологии охлаждения обеспечена возможность получения проката с требуемым комплексом свойств.

Использование разработанных устройств для прерванного охлаждения сталей типа 10…15ХСНД, 14…16Г2АФ согласно исследований, проведённых Рисунок 10. Среднемассовые скорости охлаждения листов при обработке в устройствах ускоренного охлаждения 1 – устройства за печью № 2 (основной тех нологический режим);

2 - устройства за печами № 1 и (основной технологический режим);

3 – область возможного диапазона регулиро вания скорости охлаждения в устройст вах за печами № 1 и 3;

4 – Роликовая закалочная машина (DQD) MAСS (Япония) Институтом черной металлургии, позволило обеспечить для 95% обрабатывае мого металла соответствие требованиям ГОСТ по основным показателям – временному сопротивлению, пределу текучести, относительному удлинению и значительный рост показателей ударной вязкости (таблица 3).

Таблица 3 Результаты испытаний механических свойств листов3, поставляемых по ГОСТ 19282-73 «Сталь низколегированная толстолистовая и широкополос ная универсальная. Технические условия» Механические свойства*) Марка Толщина стали в, KCU-60, KCU-40, т, МПа листов, мм 5, % Дж/см Дж/см МПа 517 – 545 362 – 382 23,0 - 24,7 84 – 15ХСНД 10- 490 345 21 540 – 555 400 – 420 24,5 - 26,5 56 – 10- 530 390 19 10ХСНД 530 – 540 395 – 400 25,0 - 26,0 106 – 34- 510 390 19 565 – 600 410 – 460 21,0 - 23,0 52 – 14Г2АФ 10- 540 390 20 600 – 620 485 – 500 20,0 - 22,5 56 – 10- 590 440 20 16Г2АФ 600 – 610 465 – 485 20,5 - 21,0 62 – 34- 570 410 20 *) – в числителе – результаты сдаточных испытаний, в знаменателе – требования ГОСТ Ускоренное охлаждение толстого листа. Сер. «Прокатное производство», вып. 2. М.: Чер метинформация, ЦНИИИТЭИЧМ. 1984. С. 5…6.

Разработка и опытно-промышленная проверка технологии и устройств для ускоренного ох лаждения листов за нормализационными печами: Отчет о НИР. Гос. рег. № 01860015642 / Рук. В.Я Савенков. Днепропетровск: ИЧМ, 1987. 88 с.

В пятой главе приведены результаты исследования устройства контро лируемого охлаждения в потоке стана 5000 ЧерМК-ОАО «Северсталь».

В 2002 г. в потоке стана 5000 запущено в промышленную эксплуатацию многофункциональное устройство контролируемого охлаждения (далее УКО).

Автор принимал участие в освоении устройства, разработке режимов термоуп рочнения проката различного марочного и размерного сортамента, проведению исследований по равномерности охлаждения широкоформатного штрипса.

В таблице 4 приведена основная техническая характеристика устройства, на рисунке 11 - схема головных секций устройства, в таблице 5 - параметры сек ций охлаждения.

Определена единая теплофизическая характеристика секций интенсивного охлаждения и пониженной интенсивности:

qВ = 0,08 + 0,054 WВ, МВт/м2 (14) qН = 0,08 + 0,026 WН, МВт/м2. (15) Таблица 4 Техническая характеристика УКО стана Размеры раскатов после толщина, мм 10… прокатки ширина, мм 1500… длина, м 8… Размеры зоны охлаждения длина, м 21, ширина, м 5, Количество секций, шт. Расход воды (общий на УКО), м3/ч до Номинальное давление воды в коллекторах, МПа 0,10…0, (0,2…4,5) ±1,5% Скорость транспортировки раската через устройство, м/с Рисунок 11. Схема общего вида УКО стана 5000 (секции 6…8 не показаны) 1 – гибкий рукав;

2 – привод подъема подвижной рамы;

3 –подвижная рама;

4 – верхние кол лекторы;

5 – ролики рольганга;

6 – нижние коллекторы;

7 – воздушный коллектор;

8 – за дающая проводка.

Таблица 5 Параметры секций охлаждения Расход воды (номинальный), м3/ч Максимальная № сек- Длина, плотность оро- Верх Низ ции м Общий шения, м3/м2 ч центр/края центр/края до 1 1,4 1760 340/230 715/ до 2 1,1 830 160/110 335/ до 3 3,3 1580 305/205 640/ до 4 2,2 1035 200/135 420/ до 5 3,3 1550 300/200 630/ до 6 3,3 1550 300/200 630/ до 7 3,3 1550 300/200 630/ до 8 3,3 1550 300/200 630/ На основании полученных зависимостей (14, 15) проведена адаптация ма тематической модели.

Численным моделированием определены и реализованы оптимальные ре жимные параметры работы устройств для термоупрочнения проката промыш ленного сортамента. На рисунке 12 приведены данные для скорости изменения среднемассовой температуры раскатов при их охлаждении в УКО (область I).

Максимальное значение скорости охлаждения обеспечивается при включении в работу секций зоны интенсивного охлаждения на максимально возможных рас ходах воды, минимальное - при работе секций зоны пониженной интенсивности с давлением воды в коллекторах ~ 0,1 МПа. При технологической необходимо сти параметры системы охлаждения позволяют обеспечить еще более низкие скорости охлаждения (область II).

Рисунок 12. Скорость изменения среднемассовой температуры лис тов при охлаждении от 800 до 5000С - УКО стана 5000, эксперимен I тальные данные;

II - область возможного расшире ния диапазона скорости охлаждения в УКО стана 5000;

система MACS, в т.ч.:

1- - ACC;

2- - DQD;

- устройство ОLAC4;

3 - максимально возможная 4 теоретически.

Application of on-line Accelerated Cooling (OLAC) to Steel Plate / K. Tsukada, K. Matsumoto, K. Hirabe, K. Takeshige // Iron and Steelmaker. 1982. v. 9. N 7. P. 21…28.

Таким образом, при включении в работу секций зон различной охлаж дающей способности раздельно и в различных сочетаниях работающих и не работающих секций можно обеспечить в одном агрегате охлаждение со скоро стями изменения среднемассовой температуры от минимально возможных при струйном водяном охлаждении до близких к предельным теоретически возмож ным. Для сравнения отметим, что для реализации значительно более узкого диапазона регулирования среднемассовых скоростей охлаждения в технологи ческом потоке лучших зарубежных толстолистовых станов применяются два независимо используемых агрегата - устройство регулируемого охлаждения и роликовая закалочная машина.

Совместно с листопрокатным цехом № 3 ЧерМК-ОАО «Северсталь» про ведено комплексное исследование равномерности охлаждения по площади штрипса для труб большого диаметра.

Установлено (таблица 6), что плоскофакельные форсунки конструкции ВНИИМТ обеспечивают высокую равномерность распределения воды по ши рине листа, особенно на рабочих расстояниях 395…645 мм от форсунок до верхней поверхности раската. Для форсунок фирмы «Spraying Systems», кото рые по решению цеха были установлены на 6…8 секциях, величина средне квадратичных отклонений в 1,6 раза больше.

Таблица 6 Результаты статистической обработки исследований равномерности распределения расходов воды по ширине секций УКО Среднее значение расхода воды, м3/час до измерительного среднеквадратичное отклонение значений устройства, мм от форсунок Форсунки "Spraying Расстояние секций № 4, 5*) Форсунки ВНИИМТ Секций № 6, 7, Среднее для Среднее для № 6,7, Systems" № 4, Номер секции Номер секции 3 4 5 6 7 3,11 2,52 2,73 2,86 2,18 3, 395 0,12 0,19 1, 0,12 0,13 0,11 0,15 0,19 0, 3,09 2,44 2,86 2,85 2,36 2, 645 0,12 0,20 1, 0,09 0,13 0,11 0,18 0,21 0, 1,89 2, 0,18 0, 2, 0,15 0,18 1, 0, 3,11 3,07 2, 0,09 0,16 0, *) Данные по секции № 3 в усреднении не использованы ввиду другой схемы расположения форсунок, обусловленной конфигурацией коллекторов данной секции.

Для анализа разброса механических свойств были сопоставлены два лис та, прокатанных по одной технологии, и с последующим охлаждением естест венным путём на воздухе или ускоренно в УКО. Каждый лист был разрезан по определённой схеме на 201 образец.

Статистический анализ (таблица 7) показал, что разброс механических свойств по ширине листа, ускоренно охлаждённого в УКО, в 1,2...2 раза ниже, чем у горячекатаного листа, охлаждённого на воздухе. По равномерности рас пределения прочностных свойств штрипс, термоупрочнённый в УКО стана 5000, не уступает зарубежным аналогам, а так же соответствует требованиям API (институт нефти Америки) – мирового законодателя в области стандартов на трубную сталь, согласно которым разброс значений временного сопротивле ния не должен превышать 50 МПа.

Таблица 7 Среднеквадратичное отклонение прочностных свойств по площади раската после термоупрочнения в УКО в сравнении с охлаждением на воздухе т, МПа в, МПа Местонахождение Среднее Среднеквад- Среднее Среднеквад проб значение ратичное от- значение ратичное от клонение клонение при охлаждении в УКО по ширине раската - начало раската 509 7,41 575 6, - середина раската 500 6,35 567 5, - конец раската 504 7,54 572 7, по длине раската 540 8,67 603 7, при охлаждении на воздухе по ширине раската 461 12,78 521 10, по длине раската 492 12,48 546 11, Разработаны принципы управления процессом охлаждения и система АСУ ТП устройства контролируемого охлаждения, позволяющая как управ лять процессом в режиме реального времени, так и моделировать и сразу реа лизовывать новые технологические режимы охлаждения. Установлено, что раз работанная во ОАО «ВНИИМТ» математическая модель, адаптированная к данному устройству, позволяет с достаточно высокой точностью (до 3%) осуществлять оперативное управление процессом термоупрочнения и высокую точность обеспечения требований технологических карт.

Выявлены особенности, учет которых обязателен при разработке АСУ ох лаждающих устройств для термоупрочнения проката:

- особенности процессов регулирования расходов воды в многоконтурной системе с учетом инерционности измерительных приборов;

- определение мест установки пирометров после устройства ускоренно го охлаждения, учитывающее процессы внутреннего теплообмена при вырав нивании температуры по сечению проката;

- необходимость при разработке программного обеспечения АСУ уст ройства ускоренного охлаждения обращать особое внимание на статистиче скую обработку массивов текущих значений температуры проката, позволяю щую достоверно определить значение температуры поверхности и построить распределение температуры по длине раската.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Сформулированы требования к устройствам регулируемого (ускорен ного контролируемого) охлаждения толстолистового проката. Показано, что одним из важнейших параметров, характеризующих технологические возмож ности охлаждающего устройства, является диапазон регулирования среднемас совой скорости охлаждения для листов различной толщины.

2. Определены с применением численного моделирования параметры и разработана конструкция устройств ускоренного охлаждения после нормализа ционных печей стана 3600 МК «Азовсталь».

3. Разработана конструкция коллекторов плоскофакельного охлаждения, обеспечивающих равномерное распределение охладителя (воды) по всей по верхности широкого листа при работе на оборотной воде прокатного цеха (вы сокая загрязненность, давление в интервале 0,02…0.3 МПа), определен расход ный коэффициент для коллекторов данной конструкции.

4. Введены в промышленную эксплуатацию устройства ускоренного ох лаждения после нормализационных печей стана 3600 МК «Азовсталь» и уст ройство контролируемого охлаждения в потоке стана 5000 ЧерМК-ОАО «Се версталь». Определены фактические теплофизические параметры (q=f(W)) вы шеуказанных охлаждающих устройств, на основании которых проведена адап тация математической модели для каждого устройства. Построена номограмма определения расхода воды на секции УКО по заданным температуре конца ох лаждения и скорости охлаждения. Разработаны режимы работы устройств для термоупрочнения толстолистового проката различного марочного и размерного сортамента.

5. Установлено, что по возможности регулирования среднемассовой ско рости охлаждения каждое из разработанных устройств обеспечивает реализа цию различных технологических процессов (термоупрочнение, закалка с само отпуском и без него, контролируемая прокатка и т. п.), в то время как за рубе жом для реализации указанного комплекса технологических процессов в линии стана устанавливаются два агрегата – устройство регулируемого охлаждения и роликовая закалочная машина.

6. По результатам комплексного исследования установлено, что плоско факельные форсунки ВНИИМТ обеспечивают равномерность распределения воды по ширине листа в 1,6 раза лучше, чем форсунки Quick FlatJet фирмы «Spraying Systems». Равномерность распределения механических свойств по площади листа, термоупрочнённого в УКО стана 5000, не уступает результа там, достигнутым на зарубежных устройствах регулируемого охлаждения.

7. Проведён анализ работы АСУ устройства контролируемого охлажде ния в потоке стана 5000, позволяющей моделировать и сразу реализовывать но вые технологические режимы охлаждения широкого толстолистового проката.

Выявлены особенности, учет которых обязателен при разработке АСУ охлаж дающих устройств для термоупрочнения проката. Установлено, что разрабо танная во ОАО «ВНИИМТ» математическая модель процесса охлаждения, адаптированная к устройству контролируемого охлаждения, позволяет с доста точно высокой точностью (до 3%) осуществлять оперативное управление про цессом термоупрочнения и обеспечивать высокую точность обеспечения требо ваний стандартов на готовый прокат.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

– В рекомендованных ВАК изданиях:

1. Липунов Ю.И. Устройства ускоренного охлаждения металлопроката / Ю.И. Липунов, К. Ю. Эйсмондт [и др.]. // Металлург. 1989. № 5. С.37…38.

2. Эйсмондт К.Ю. Выбор параметров устройств термоупрочнения толсто го листа после нормализационного нагрева на основе расчетного анализа про цесса охлаждения / К.Ю. Эйсмондт, Ю.И. Липунов, А.С. Телегин // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1989. № 6. С. 154…155.

3. Липунов Ю.И. Освоение устройств контролируемого охлаждения листа в потоке стана 5000 ОАО «Северсталь» / Ю.И. Липунов, К.Ю. Эйсмондт, Г.Г.

Траянов [и др.] // Сталь. 2005. № 3. С. 56…61.

4. Эйсмондт К.Ю., Автоматизированная система управления устройством контролируемого охлаждения на стане 5000 / К.Ю. Эйсмондт, Ю.И. Липунов, Д.В. Завгороднев, [и др.] // Сталь. 2005. № 3. С. 61…65.

5. Матросов М.Ю. Использование ускоренного охлаждения для повыше ния механических и технологических свойств толстолистового проката для из готовления газопроводных труб большого диаметра / М.Ю. Матросов, Л.И. Эф рон, … К.Ю. Эйсмондт // Металлург. 2005. № 6. С. 49…54.

6. Эйсмондт К.Ю. Исследование процессов охлаждения при термоупроч нении арматуры / К.Ю. Эйсмондт, Ю.И. Липунов, Ю.Г. Ярошенко [и др.] // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2007.№ 2. С. 54…57.

7. Липунов Ю.И. Разработка систем автоматизированного управления технологическим процессом термического упрочнения проката в потоке стана / Ю.И. Липунов, К.Ю. Эйсмондт [и др.] // Известия ВУЗов. Черная металлургия.

2009. № 12. С. 68…72.

8. Липунов Ю.И. Разработка систем регулируемого охлаждения и техно логий термоупрочнения / Ю.И. Липунов, Г.Г. Траянов, К.Ю. Эйсмондт // Сталь.

2010. № 3. С. 86…89.

– В других статьях:

1. Липунов Ю.И. Разработка и освоение устройств ускоренного охлажде ния толстых стальных листов после нормализации / Ю.И. Липунов, К. Ю. Эйс мондт, Л.С. Тихонюк // Материалы семинара «Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических ма териалов». М.: МДНТП, 1986. С. 122…126.

2. Липунов Ю.И. Изучение закономерностей охлаждения толстых сталь ных листов в закалочных баках с барботажем / Ю.И. Липунов, К.Ю. Эйсмондт [и др.] // Исследование тепловых процессов и агрегатов основных переделов черной металлургии. Тематический сборник научных трудов ВНИИМТ, М.:

Металлургия, 1987. С. 90…95.

3. Липунов Ю.И. Теплотехнические основы ускоренного охлаждения проката и разработка охлаждающих устройств / Ю.И. Липунов, К.Ю. Эйсмондт [и др.] // Теплотехника металлургических процессов и агрегатов. Тематический сборник научных трудов ВНИИМТ. М.: Металлургия, 1990. С. 68…72.

4. Липунов Ю.И. Устройство контролируемого охлаждения (УКО) тол столистового проката в потоке стана «5000» ОАО «НТМК» / Ю.И. Липунов, К.Ю. Эйсмондт // Труды II научно-техн. конференции «Штрипс и трубы – обеспечение качества». Нижний Тагил: изд-во ОАО «НТМК», 2002. С.

101…104.

5. Эйсмондт К.Ю. Методика теплотехнического расчета параметров уст ройств контролируемого охлаждения толстого листа / Эйсмондт К.Ю., Липунов Ю.И., Ярошенко Ю.Г. // Теплофизика технологических процессов. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Рыбинск: РГАТА, 2005. С.

135…136.

– Патентные документы:

1. Устройство для охлаждения проката: а. с. № 1405915 СССР: МКИ4 В В 45/02 / Л.М. Замараев, Н.М. Пермяков, К.Ю. Эйсмондт, В.И. Карлов (СССР).

- № 4162189/23-02;

заявл – 15.12.1986;

опубл. 30.06.88, Бюл. N 24. - 3 с.: ил. 2.

2. Устройство для регулируемого охлаждения проката: пат. 2409436 Рос.

Федерация: МПК8 В 21 В 45/02 / Пшенин С.А., Клопов В.И., Эйсмондт К.Ю.;

заявитель и патентообладатель ОАО «Колпинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения» (ОАО «КО ВНИИМЕТМАШ»). - № 2009126897/02;

заявл. 13.07.2009, опубл.

20.01.2011, Бюл. N 2. - 3 с.: ил. 9.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.