Исследование и совершенствование технологии и оборудования подготовки катанки к волочению в поточных лининях производства стальной проволоки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.04, кандидат технических наук Виноградов, Алексей Иванович

• Виноградов, Алексей Иванович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Виноградов, Алексей Иванович

Оглавление

Введение

1. Современное состояние теории и технологии подготовки катанки к волочению

1.1. Анализ существующих методов очистки катанки от окалины

1.2. Традиционные подсмазочные покрытия и способы их нанесения

1.3. Современное состояние совмещенной технологии очистки и

волочения проволоки

1.4. Обзор известных математических моделей процесса абразивно-порошковой очистки

1.5. Анализ математических моделей состояния сыпучей среды в

камерах АПО первого поколения

Выводы по главе 1

2. Теоретический анализ процесса АПО цилиндрического проката и его технические приложения

2.1. Решение задач о состоянии сыпучей среды на основе методов

теории пластичности

2.1.1. Решение плоской задачи о движении сыпучего материала в клиновой камере

2.1.2. Решение задачи о движении сыпучего материала в конической камере

2.2. Расчет напряжений и скоростей при движении цилиндрического

проката через коническую камеру, заполненную сыпучим абразивным материалом

2.2.1. Постановка и решение задачи-аналога в теории пластичности

2.2.2. Решение задачи о течении сыпучего материала, увлекаемого движением прутка через коническую камеру АПО

2.3. Исследование процесса АПО с помощью разработанной

математической модели

2.4. Постановка задачи объемного трения сыпучей среды в камере с

осевой симметрией

2.5. Экспериментальная проверка математической модели процесса

абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины

2.6. Прикладные результаты анализа математической модели

2.6.1.Разработка камеры с переменной конусностью

2.6.2.Уточнение требований к абразивным порошкам

2.6.3.Разработка конструкции дозатора свежего абразивного порошка

2.6.4.Разработка конструкции дозатора порошка-пластификатора

Выводы по главе 2

3. Разработка технологии и устройства для нанесения подсмазочного покрытия в едином технологическом потоке с механической очисткой и волочением проволоки

3.1. Роль подсмазочного слоя на поверхности металла

3.2. Теоретические основы новой технологии создания подсмазочного

слоя

3.2.1.Адсорбционная теория адгезии

3.2.2.Механическая теория адгезии

3.2.3.Электронная теория адгезии

3.2.4.Химическая теория адгезии

3.2.5.Подготовка поверхности субстрата

3.3.Выбор способа нанесения и вещества для подсмазочного покрытия

3.4.Расчет удельных затрат материала подсмазочного покрытия

3.5.Устройства для нанесения подсмазочного покрытия в потоке с механической очисткой и волочением

Выводы по главе 3

4. Исследования параметров совмещенной технологии

4.1.Исследования коэффициентов внешнего и внутреннего трения

абразивного порошка

4.2.Исследования количества канифоли на поверхности заготовки в

лабораторных условиях

4.3.Определение количества канифоли на поверхности катанки в

промышленных условиях

Выводы по главе 4

5.Реализация и исследование эффективности новых технических решений

5.1. Исследование влияния новой конструкции установки АПО на

показатели шероховатости катанки и проволоки

5.2. Исследование эффективности оборудования и технологии для

нанесения подсмазочного покрытия

5.2.1.Исследования эффективности подсмазочного покрытия по обрывности проволоки

5.2.2.Сравнительные исследования микрогеометрии образцов проволоки с нанесением подсмазочного слоя

5.3. Реализация новых технических решений и перспективы

дальнейшего развития совмещенной линии

Выводы по главе 5

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и совершенствование технологии и оборудования подготовки катанки к волочению в поточных лининях производства стальной проволоки»

Введение

Повышение экологической безопасности производства и совмещение нескольких процессов в единый технологический поток - фундаментальные проблемы современной металлургии, в том числе - волочильно-калибровочного производства.

Основным способом удаления окалины с поверхности катанки на метизных предприятиях России и за рубежом является метод химического травления окалины в растворах различных кислот. Этот способ является экологически вредным, наносящим ущерб здоровью обслуживающего персонала и чистоте окружающей среды. Пары кислот, выделяющиеся с поверхности травильных ванн, приводят к коррозии оборудования и разрушению строительных конструкций зданий. Для нейтрализации и утилизации вредных отходов травильных отделений используются дорогостоящие улавливающие, нейтрализационные и регенерационные установки. Кроме того, кислотный способ не поддается совмещению с операциями волочения в едином технологическом потоке из-за дискретного характера операций окунания бунтов, а также из-за возможности попадания остатков растворов в зону деформирования.

Совмещению в единый технологический поток операций подготовки катанки к волочению и самого волочения препятствует также общепринятый метод нанесения на поверхность травленой катанки подсмазочного покрытия окунанием в ванны с известковым молоком или раствором буры.

Одной из перспективных отечественных технологий экологически чистого удаления окалины является процесс абразивно-порошковой очистки поверхности горячекатаного металла (АПО - процесс), разработанный на кафедре «Машин и агрегатов металлургических заводов» Череповецкого государственного университета в сотрудничестве со специалистами промышленных предприятий г. Череповца. В состав поточной линии, реализующей этот процесс, входит компактная установка бескислотного удаления окалины с поверхности катанки, включающая окалиноломатель и блок абразивно-порошковой очистки (АПО) катанки, а также волочильный стан.

В связи с тем, что в переходный период российской экономики временно снизились экологические требования к промышленным предприятиям, крупные специализированные метизные заводы пока не идут на полный отказ от технологии травления. В то же время, крупные европейские фирмы, например, металлургическая фирма «Азсоте1а1», еще в 80-х годах полностью перешли на бескислотную технологию подготовки металла к волочению, даже несколько поступившись при этом производительностью и показателями качества продукции [1].

Интерес, проявляемый вновь создаваемыми российскими предприятиями к приобретению совмещенной технологии, показал, что при необходимости производства проволоки в объеме, обеспечиваемом 2-мя - 3-мя волочильными станами, иной альтернативы, кроме использования подобных поточных линий, нет, так как в этих условиях ввод в действие и содержание оборудования для химического травления катанки не могут быть рентабельными. Малые предприятия, приобретя совмещенную технологию, смогут производить с меньшими затратами изделия из собственной проволоки, на которую крупными предприятиями-монополистами поддерживаются высокие цены, а в дальнейшем получат возможность освоить новые виды сталепроволочной и метизной продукции.

Изложенные в ряде работ [1,2,3] результаты исследований поточной технологии очистки катанки от окалины и волочения проволоки позволили решить в 1992-95 гг. ряд конструкторских задач и создать работоспособное оборудование, которое было поставлено нескольким предприятиям России и стран СНГ. Однако более широкое промышленное использование этой технологии сдерживалось тем, что качество поверхности катанки, очищаемой механическим способом в потоке, несколько уступало качеству травленой катанки, вызывая более интенсивный износ волочильного инструмента. Поэтому в данной работе была поставлена задача разработать оборудование нового поколения, обеспечив тем самым коренное улучшение качества поверхности очищенной катанки и повышение износостойкости волочильного инструмента.

Для решения этой задачи необходимо было усовершенствовать процесс абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины и решить проблему нанесения на поверхность катанки в потоке с волочением подсмазочного покрытия.

В диссертации изложены методики и результаты разработок и исследований по указанным проблемам, которые затрагивают два основных направления:

1) Теоретические исследования: развитие и усовершенствование математической модели процесса абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины, разработка на этой основе новых технических решений и конструкций оборудования для абразивно-порошковой очистки катанки от окалины.

2) Разработка принципиально новой технологии и оборудования для нанесения на поверхность катанки подсмазочного покрытия в едином технологическом потоке абразивно-порошковой очистки от окалины и волочения проволоки.

В работе также приводятся результаты лабораторных и промышленных исследований новой технологии и оборудования.

1. Современное состояние теории и технологии подготовки катанки к волочению

1.1. Анализ существующих методов очистки катанки от окалины

На большинстве метизных предприятий процесс подготовки металла к волочению включает следующие технологические операции [4,5]:

- травление металла в кислотном растворе;

- промывка в горячей воде;

- промывка в холодной воде душированием;

- нейтрализация остатков кислоты;

- нанесение подсмазочного покрытия (известкование, покрытие бурой и др.);

- сушка.

В традиционной технологии кислотного удаления окалины наиболее широко применяется травление в растворе серной кислоты Н28С>4. Травление в соляной кислоте НС1 позволяет увеличить скорость и качество травления, но себестоимость солянокислотного травления в 1,5...2 раза выше, чем сернокислотного. Для удаления окалины с поверхности катанки из легированных, нержавеющих сталей применяются смеси кислот, а также электрохимические методы, при этом резко увеличиваются производственные затраты.

Высокие удельные затраты и значительная экологическая опасность применения химической технологии травления заставляют предприятия искать альтернативные методы удаления окалины с поверхности проката. Новые методы преимущественно относятся к различным механическим способам очистки от окалины; это, например, такие, как иглофрезерный, дробеметный, дробеструйный, обточка резцами, шлифовка различными абразивными материалами и др., в том числе различные комбинации этих способов.

Все эти способы и устройства делятся на две большие группы: устройства грубого удаления окалины - окалиноломатели и устройства тонкой очистки. Взламывание окалины в окалиноломателях [6, 7, 11... 13, 22...24] происходит за

счет деформации поверхностного слоя материала катанки. Как правило, отслаивается только часть окалины, наиболее хрупкий внешний ее слой.

Окалиноломатели могут отличаться по виду используемой деформации, например, изгиб, растяжение, кручение и их комбинации. Наиболее широко используется деформация изгиба катанки на свободно вращающихся роликах, расположенных в одной или нескольких плоскостях [11,13].

Иногда роликовый узел, изгибающий катанку, выполняют в блоке, имеющем ось вращения, совпадающую с направлением протяжки, и соединенным с приводом. В таких окалиноломателях, помимо изгибной деформации, катанка подвергается скручиванию [22...24], что повышает эффективность отслаивания окалины, улучшает процесс последующего волочения.

Для эффективного отслаивания окалины необходимо, чтобы величина относительного растяжения поверхностных слоев катанки распространялась в область пластической деформации, достигающей нескольких процентов. По этой причине роликовые окалиноломатели обладают двумя существенными общими свойствами:

- помимо грубого удаления окалины, они осуществляют правку (рихтовку)

катанки, так как значительные по величине знакопеременные пластические изгибы устраняют все исходные деформации и их следы в виде остаточных напряжений;

- пластическая деформация требует затрат энергии, подводимой за счет

усилия протягивания, поэтому такое устройство всегда является средством, обеспечивающим натяжение катанки, равное усилию протягивания.

На многих предприятиях окалиноломатели применяются в комплексе операций по подготовке металла к волочению в качестве предварительной стадии, с последующим окончательным удалением окалины путем травления или тонкой механической очистки.

Механические способы окончательной очистки различаются по видам воздействий, приводящих к удалению окалины. Прежде всего, это обработка резанием и воздействие абразивными материалами.

Обработка резанием может выполняться специально изготавливаемым инструментом, имеющим режущие кромки, приводимым в движение относительно проката специальным приводом, и сопровождается снятием стружки. Низкая производительность, большие потери металла и проблемы с центровкой обрабатываемого участка позволяют применять данный способ только для прямолинейного пруткового металла ответственного назначения с особыми свойствами поверхностного слоя (например, калиброванная подшипниковая сталь).

Для обработки резанием широко используются устройства и способы, основанные на применении проволочных щеток и иглофрез [19, 20, 21], представляющих собой инструмент с эластичной рабочей поверхностью, образованной многочисленными упругими режущими элементами. Вращающиеся проволочные щетки и иглофрезы обладают свойством самозатачиваться при их реверсировании. Основное различие между проволочными щетками и иглофрезами состоит в различной плотности и жесткости проволочного ворса. Быстрый износ щеток является основным недостатком машин, использующих их для удаления окалины.

Виды абразивной обработки отличаются друг от друга родом среды, несущей абразивные частицы. Это, например, может быть твердая среда (шлифование абразивными кругами различных видов, в том числе эластичными [26], обработка наждачными ремнями и пр.), жидкая (гидроабразивная обработка [27]), газообразная (различные виды дробеструйной обработки) и сыпучая, в качестве которой используется сам абразивный порошок или смесь различных составляющих на его основе (абразивно-порошковая очистка - АПО) [8-10,14,15].

Шлифование наждачными кругами [26] применяется, главным образом, для обработки пруткового материала как один из видов окончательной отделки поверхности. Применение подобной технологии для катанки имеет недостатки, выраженные в низкой производительности, потерях металла, опасности искажения формы поперечного сечения. Прогрессивным является применение недорогих кругов, выполненных из эластичного материала типа "Скочбрайт" (США) [28]. На предприятиях Nippon Steel Corp. (Япония) применяется чистовая отделка

поверхности катанки абразивными ремнями. Оборудование таких линий громоздко, малопроизводительно, отличается высоким уровнем затрат и используется только для очистки катанки из нержавеющих сталей.

Гидроабразивная обработка [27] также мало подходит к очистке такого материала, как стальная катанка. Поверхность катанки является выпуклой с / большой величиной кривизны, и при обтекании ее жидкостью, несущей абразивные частицы, возникают значительные центробежные силы, направленные от поверхности катанки, что снижает степень воздействия абразива на окалину.

Струйная очистка катанки [16, 18] сопровождается значительным износом ограждающих конструкций (экранов, зеркал) и сопел, поверхность катанки может насыщаться мелкими частицами абразива, внедренными под действием кинетической энергии удара; эти машины имеют большие габариты и создают сильный шум.

Кроме того, механические способы очистки катанки по способу достижения необходимого для очистки воздействия можно условно разделить на активные и пассивные. К активным воздействиям относятся те, которые осуществляются независимо от протяжки катанки (например, обточка резцами, иглофрезерование, струйная, гидроабразивная обработка, все виды шлифовки и пр.). Как правило, протяжка катанки через устройства активных видов очистки производится со сравнительно небольшими усилиями, но существенно ограниченной скоростью и требуют большого предварительного натяжения и центровки обрабатываемого участка катанки. Поэтому такие виды очистки сложны и не могут сравниться по производительности с травлением. Кроме того, обработка резанием выполняется специальным инструментом, предполагающим высокие затраты на изготовление, и сопровождается ощутимыми отходами металла в стружку.

К пассивным способам относятся те, которые осуществляются только при протяжке катанки через соответствующие устройства, причем очистка происходит за счет этой протяжки. Это относится практически ко всем видам окалиноломателей и к абразивно-порошковой очистке. Такие устройства производят очистку за счет значительных усилий протягивания, сами

обеспечивают центровку катанки и ограничены в скорости обработки только возможностями тянущих устройств.

Помимо описанных технологии химического травления катанки и различных способов механической очистки, существуют и разрабатываются способы удаления окалины за счет иных физических и физико-химических воздействий: плазменной струи [29], дугового разряда [17], электролитического удаления окалины [25], теплового удара [30] и других. Такие виды обработки технически сложны, требуют дорогостоящей аппаратуры контроля, поддержания вакуума, весьма энергоемки и пока не нашли применения в массовом производстве.

Многообразие разработок по очистке проката от окалины, альтернативных традиционному травлению, говорит о поиске предприятиями, фирмами и лабораториями всего мира безопасных способов удаления окалины с поверхности катанки, которые позволили бы создать совмещенную технологическую линию очистки и волочения проволоки.

1.2. Традиционные под смазочные покрытия и способы их нанесения

На метизных предприятиях нанесение подсмазочного покрытия, обеспечивающего эффективный захват смазки перед волочением и удержание её в очаге деформации, осуществляют методом окунания в ванны с соответствующими растворами.

Существует несколько видов подсмазочных покрытий [30-33]:

1) Гидроокись железа на поверхности получают "потомлением" или "желтением". Технология получения покрытия гидроокиси железа следующая. Бунты проволоки помещают (после удаления окалины с ее поверхности кислотным травлением) в ванну, где обрызгивают теплой, возможно более чистой водой. В процессе желтения не допускается высыхание проволоки в течение 15-45 минут. Гидрат окиси железа является удовлетворительными покрытием для углеродистой и малолегированной сталей в том случае, если скорости волочения сравнительно невелики и в качестве смазки применен мыльный порошок или масло высокого качества.

2) Известковое покрытие более совершенно и распространено значительно шире. Известковые растворы представляют собой водный раствор гидроокиси кальция (извести). Качество известкового покрытия в большой степени зависит от качественного состава обожженной извести и методов подготовки растворов для обработки металла. Скорость осаждения извести в растворе также влияет на возможную суммарную вытяжку при волочении. Медленно осаждаемые мелкодисперсные частицы извести обеспечивают наибольшую вытяжку. Известкование осуществляют погружением предварительно протравленного металла в ванну с горячим раствором гашеной извести Са(ОН)2 с последующей сушкой на складе подката. В настоящее время известкование применяют для углеродистых легированных сталей и сплавов, а также цветных металлов и сплавов. Главными недостатками являются гигроскопичность покрытия, способствующая коррозии, а также его непрочность, являющаяся следствием отсутствия химической связи с металлом, что приводит к образованию известковой пыли в цехах.

3) Эффективным покрытием для волочения стальной углеродистой проволоки является бура (Ка2В407), которую широко применяют как в нашей стране, так и за рубежом. Покрытие наносят на поверхность металла, погружая его после травления в водный раствор концентрацией 7-12%,

нагретый до 80-90°С, затем сушат. Покрытие металла бурой способствует стабилизации параметров процесса волочения. Абсолютное значение усилия волочения на покрытой бурой проволоке ниже, в сравнении с другими покрытиями при прочих равных условиях. Гигроскопичность буры незначительна, металл, покрытый бурой, может долго находиться в сухом помещении, не теряя способности к обработке волочением. Использование подсмазочного покрытия из буры, по сравнению с известковым, предоставляет удобство ведения технологического процесса, улучшение антикоррозийных свойств подсмазочного покрытия, увеличение коэффициента торможения коррозии в 2,68-5,02 раза, повышение прочности сцепления (адгезии) подсмазочного состава с поверхностью металла в 9,4-

12,2 раза, увеличение захвата мыльной смазки в 1,5 раза при волочении и снижение в 18,5 раза стоимости подсмазочного покрытия [31].

4) Для волочения нержавеющих и высоколегированных сталей широко применяют покрытия хлористым натрием (ЫаС1). Чаще всего №С1 комбинируют с известью, что позволяет совмещать нанесение покрытия с нейтрализацией металла после травления. Так как известково-солевые покрытия применяют для нержавеющих сталей, сопротивление коррозии которых и так повышено благодаря их составу, возможно применение покрытия хлористого натрия без извести, однако такие варианты технологии применяются реже. Так же редко используют известковое покрытие нержавеющей стали без хлористого натрия. Известково-солевое покрытие характеризуется высокой экранирующей способностью и эффективно при волочении всех сталей и сплавов, а также многих цветных металлов и сплавов. Его высокая эффективность и универсальность связана с агрессивностью хлористого натрия по отношению к металлам.

5) В США предложили использовать в качестве смазконосителя вещество 37151 типа буры, под названием «Новая бура». Это вещество можно наносить на катанку после удаления с поверхности окалины, после чего ее можно сразу же направлять на волочение в одном потоке с волочильным станом, т.к. этот смазконоситель после его мокрого нанесения сохнет значительно быстрее, чем «старая бура».

6) Для волочения стальной проволоки широко применяют покрытия водорастворимым стеклом. Нанесение его осуществляется обработкой протравленного металла в водном растворе силиката натрия, концентрацией

около 10г/дмЗ, нагретого до 60-80° С с последующей сушкой стеклянной

пленки при, приблизительно, 150°С до полного высыхания. Обычный период сушки составляет 15-30 мин. Основным преимуществом стеклянного покрытия является его способность задерживать коррозию протянутого металла в атмосферных условиях, а также отсутствие запыленности

волочильных цехов. Однако для нержавеющих сталей такое покрытие непригодно.

7) В качестве покрытия углеродистых и нержавеющих сталей могут быть использованы пленки сернистого железа, сернистого никеля и гидроокиси хрома, которые создают хорошие условия волочения. Эти пленки темного, с зеленоватым оттенком цвета, могут быть получены обработкой предварительно протравленного металла в горячем растворе щавелевой кислоты, содержащей растворимые сульфиды или сероводород.

8) Большое распространение в волочильном производстве получило фосфатирование с применением фосфатов цинка для последующего волочения с использованием в качестве смазки как индустриального масла, так и сухого мыльного порошка. Фосфатное покрытие позволяет при волочении достичь суммарной деформации 80% при хорошем качестве поверхности. Проволока, вытянутая с фосфатным покрытием, отличается повышенной коррозийной стойкостью. Фосфатирование нашло широкое применение при волочении проволоки из углеродистых и легированных сталей с содержанием Сг до 10%.

9) В качестве покрытий можно применять кремнекислый и фосфорнокислый натрий. Смесь кремнекислого (71%) и фосфорнокислого (29%) натрия уменьшает усилие волочения по сравнению с известью и бурой.

10) Металлические мягкие покрытия применяют чаще всего в комплексе с минеральными, описанными выше. Наиболее распространенным металлическим покрытием является медное покрытие (применяется при значительных суммарных обжатиях проволоки средней и высокой прочности). Для нержавеющих сталей можно применять покрытие свинцом, цинком.

В качестве покрытий в последнее время стали применять смолы и пластики, которые затвердевают при комнатной и при более высоких температурах. Применяются также неорганические керамические и некерамические связующие. Они должны иметь относительно высокую термостойкость и эластичность, чтобы

не оказывать отрицательного влияния на смазывающие свойства смазки. Для получения пленок, прочно прилипающих к поверхности, применяют такие процессы, как плазменное напыление, электрофорез, гальваностегия, гальваноплакирование и катодное распыление.

Хорошие высокотемпературные и противоизносные свойства достигаются при использовании фенольных, силоксановых, акриловых, алкидных и эпоксидных смол, а также полиамидов, полибензимидазолов и полибензотиолов в качестве связующих [30]. В этом случае в качестве рабочего материала используется готовый полимер большой молекулярной массы, однако процесс его нанесения на поверхность заготовки достаточно трудоемок, т.к. требует предварительного перевода полимерного материала в жидкое вязкотекучее состояние путем нагрева, затем нанесения его в этом состоянии на поверхность заготовки и, наконец, охлаждения заготовки с нанесенным подсмазочным слоем до температуры, при которой полимер переходит вновь в эластичное пастообразное состояние, но полного его стеклования еще не происходит. Условие использования полимера достаточно большой молекулярной массы вызвано именно требованием иметь некоторую разницу в температурах плавления и стеклования, которая проявляется, начиная с некоторого критического значения молекулярной массы, особого для каждого вида полимера.

Учитывая необходимость поддержания температуры заготовки перед нанесением порошкообразной смазки выше температуры стеклования, а также сложность сохранения целостности и чистоты подсмазочного покрытия при хранении и повторном нагреве, описанный способ предназначен преимущественно для использования в потоке с волочением. И хотя в итоге описанный способ позволяет стабилизировать процесс волочения и улучшить качество поверхности заготовки, недостатком его является большой расход полимера. Учитывая, что даже при температуре выше температуры плавления подобные вещества находятся в вязкотекучем состоянии, сходном с состоянием краски или клея, фактический расход полимера будет сравним с расходом при покрытии поверхностей краской или клеем, например, для обычного расхода краски 100 мл/м толщина покрытия, даже при нанесении в один слой кистью, составит 100

мкм, при этом без специальных технологий или приспособлений получить меньшую толщину покрытия невозможно. К тому же, большая толщина остаточного слоя смазочной пленки на заготовке далеко не всегда является признаком высокого качества поверхности: часто перед последующим использованием такую пленку приходится смывать.

Кроме того, излишнее количество смолы, покрывающей проволоку, будет нагреваться от теплоты волочения и отгоняться из зоны формирования смазочного клина в волоке в зону нанесения смазочного порошка, где вскоре образуется остывающая эластичная масса из смеси полимера и смазочного порошка, препятствующая поступлению смазки в волоку, что также снизит эффективность процесса волочения.

Наконец, при весьма высоких обжатиях или при волочении высокопрочных металлов, даже при использовании полимерного подсмазочного слоя, эффективность способа может оказаться недостаточной из-за малых сил сцепления такого покрытия с металлом.

Что касается устройства, то оно, хотя и позволяет нагревать непосредственно в технологической линии жидкое покрытие, наносимое на поверхность заготовки перед волочением, однако, сам процесс нанесения подсмазочного покрытия в этом устройстве проводится традиционно, т.е. погружением заготовки в большой объем (ванну) жидкого материала, что предопределяет опять-таки большой расход этого материала при малом коэффициенте его реального использования.

Известна также технология нанесения подсмазочного покрытия в потоке с механической очисткой [52]. Достигается это методом гидросбива окалины известковым молоком. При этом для непрерывности процесса предусмотрена сушка катанки с помощью различных дополнительных устройств, что неизбежно приводит к усложнению и удорожанию технологии и снижению качества готовой проволоки.

Таким образом, в волочильно-калибровочном производстве большинство технологических операций по подготовке поверхности к волочению носят дискретный характер и представляют собой попеременное окунание бунтов в ванны с различными растворами.

Замена окунания бунтов на непрерывное протягивание проволоки через ванны с растворами подсмазочных веществ не обеспечивает совмещение этих операций в едином потоке с волочением из-за медленного высыхания поверхности металла и попадания остатков жидкости в смазку, что нарушает стабильность процесса волочения. Для создания непрерывного технологического потока необходимо отказаться от использования водных растворов при очистке катанки от окалины и нанесения на её поверхность подсмазочного покрытия, применив «сухие» технологии.

Таким образом, замена кислотной технологии травления окалины на механическое удаление окалины оправдана при условии создания на базе существующих волочильных станов совмещенных технологических линий, производящих одновременно в потоке следующие операции: грубая очистка (взламывание окалины), окончательная очистка (АПО), нанесение подсмазочного слоя, одно-, или многократное волочение.

1.3. Современное состояние совмещенной технологии очистки и волочения проволоки

Одним из перспективных механических способов удаления окалины является технология абразивно-порошковой очистки (АПО-процесс), разрабатываемая Научно-исследовательской лабораторией абразивно-порошковой очистки проката от окалины (НИЛ АПО РАН) [1,2]. Технология является пассивной и характеризуется принципиальной технической простотой: она не требует изготовления и использования специального инструмента типа иглофрез, резцов, абразивных кругов. Катанка протягивается через рабочую камеру, в которую непрерывно подается абразивный порошок, уплотняемый специальным механизмом до заданного давления (рис. 1.1.).

Острыми гранями своих частиц порошок счищает окалину с поверхности катанки, и под действием сил трения выносится из рабочей камеры вместе с движущейся катанкой. После отделения окалины от абразивных частиц порошок вновь подается к механизму нагнетания в рабочую камеру, и, таким образом, используется многократно. Используемый в АПО-процессе абразивный порошок

(например, колотая чугунная дробь) недорог и выпускается многими предприятиями.

К пылевентиляционному агрегату

Рис. 1.1. Эскиз установки АПО: 1 - рабочая камера, 2 - шнековый механизм, 3 - загрузочный бункер, 4 - сепаратор абразивного порошка.

Существенными достоинствами такой технологии являются возможность ее совмещения с волочением в едином поточном процессе (рис. 1.2.).

Линия очистки и волочения проволоки состоит из разматывателя 1, окалиноломателя 2, установки для абразивно-порошковой очистки проволоки 3 и волочильного стана 5 с находящейся на нем волокой и мыльницей 4.

1

2

3

4

5

£Н

00

Рис. 1.2. Существующая линия очистки и волочения проволоки.

Оборудование АПО является экономичным и неметаллоемким, несложно в управлении и обслуживании, и при встраивании в линии действующих волочильных станов не требует дополнительного персонала. К достоинствам АПО-технологии следует также отнести то, что полное удаление окалины с поверхности проволоки не наносит вреда окружающей среде и обслуживающему персоналу, т.е. производство стальной проволоки становится экологически чистым.

Скорость и производительность оборудования АПО составляет несколько сотен метров в минуту и сопоставима с производительностью травильных ванн, волочильных станов и моталок. Этим способ выгодно отличается от большинства механических способов удаления окалины.

Суммарная относительная эффективность абразивно-порошковой очистки углеродистых сталей на установках АПО первого поколения составляла около 99% [1], и по этому показателю соответствовала технологии травления.

Математический аппарат процесса АПО разрабатывался в 1987-94 гг. и был апробирован в ряде работ [1-3, 34,35,37]. Были даны общая постановка, основные уравнения и граничные условия математической модели процесса абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката на основе положений механики

сыпучих сред, при этом была учтена динамика сыпучей среды и специфический характер внутреннего трения. Математическая модель дала представление о скрытых проявлениях процессов пластичного течения абразивного порошка в рабочей камере и указала на возможность стабилизации и контроля энергосиловых параметров очистки [34]. В результате моделирования были получены поля скоростей порошка в рабочей камере очистки и разработана методика энергосилового расчета процесса абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката.

При энергосиловом расчете процесса АПО использовались [3] методы механики сыпучих сред и рассматривались механизмы взаимодействия конкретных абразивных частиц со слоем окалины. Это позволило преодолеть противоречие между дискретностью сыпучей среды и непрерывностью ее в дифференциальных уравнениях и избавиться от эмпирических коэффициентов в формулах для расчета напряжений на границах абразивного порошка с очищаемым изделием, стенкой рабочей камеры и механизмом уплотнения. На этой основе была разработана методика инженерного расчета энергосиловых параметров [35]. Теория процесса АПО рассматривала сыпучее тело в состоянии, соответствующем потере устойчивости, т.е. как бы в состоянии непрерывного разрушения. При этом не учитывались возникающие инерционные силы, ввиду их малости по сравнению с действующими давлениями, и также не рассматривались явления разрывов сплошности, которые предполагают появление свободной поверхности.

Сыпучее тело принималось за сплошную среду, в которой размеры отдельной частички пренебрежимо малы по сравнению с рассматриваемыми областями пространства [36]. Особенность взаимодействия абразивного порошка с поверхностью очищаемого проката состояла в дискретном характере этого взаимодействия - разрушение окалины происходит не сразу по всему фронту, а в результате внедрения отдельных (активных) абразивных частиц, имеющих конечные размеры и зажатых между неконтактирующими с окалиной, пассивными частицами, напряженное состояние которых неадекватно напряженному состоянию активных частиц [37].

Было доказано, что на процесс АПО катанки от окалины существенное влияние оказывают следующие характеристики абразивного порошка: его средняя крупность; дисперсность; форма абразивных частиц; твердость и прочность частиц [38]. Признано целесообразным снижение крупности применяемого порошка, прежде всего, в целях улучшения качества поверхности очищенной от окалины катанки, и, в конечном счете, повышения качества продукции за счет уменьшения числа поверхностных дефектов. С другой стороны, уменьшение величины частиц порошка ведет к некоторому повышению энергосиловых параметров - усилия протяжки и давления шнека, а также к возрастанию трудностей при отделении окалины от порошка в процессе его циркуляции.

В процессе АПО было предложено использовать рассевы порошков определенной крупности (монофракцию), так как такой порошок обладает наибольшей пористостью и, следовательно, способен удерживать в порах наибольшее количество счищенной окалины без потери абразивных свойств.

Таким образом, разработка на базе существующих волочильных станов совмещенных технологических линий, производящих одновременно в потоке три операции: грубое удаление окалины (окалиноломатель), тонкая очистка (АПО) и волочение, (одно-, или многократное) позволила создать технологию и работоспособное оборудование альтернативное химическому травлению, применяемому на большинстве метизных предприятий.

В тоже время промышленная эксплуатация поточных линий с АПО установками выявила ряд нерешенных проблем, мешающих широкому использованию такой технологии.

1.4. Обзор известных математических моделей процесса абразивно-порошковой очистки

Уравнения пластического течения абразивного порошка, представляемого как квазисплошная среда в цилиндрической системе координат (рис. 1.3.) в дифференциальной форме выражаются в следующем виде [3]: -отсутствие источников и несжимаемость среды:

дч V

дг дг г

(1.1)

Рис. 1.3. Принятые обозначения напряжений в цилиндрической системе

координат

-отсутствие массовых (инерциальных) сил, которыми пренебрегаем в виду их малости по сравнению с действующими давлениями:

да„ дт„ сг„ - ап

дг дг

= 0.

(1.2)

доп. дет х„ л "■ + —^■ + — = 0:

дг дг

(1.3)

- связь напряжений и скоростей деформации (основанная на постулатах локализации и линеаризации):

дч.

дг

(1.4)

М

дг дг

(1.5)

+ (1-6)

г

ог^-р+2//^-, (1.7)

аг

гдер = ~^(агг + оов + сг22)=-^(сг, + сг2 + сг3) - среднее давление среды в точке; ¡л -

коэффициент вязкости среды, в теории пластичности представляющий собой коэффициент пропорциональности между сдвиговыми напряжениями и соответствующими составляющими градиента скорости V.

Преобразованная система уравнений (1.1-1.7) принимает вид:

М^-§ = 0; (1.8)

= (1.9)

где ЛГ2 = " оператор Лапласа в цилиндрических координатах.

Известна [53] математическая модель АПО-процесса для очистки листового проката. Эта модель, хотя и основана на тех же принципах, мало применима для анализа состояния сыпучей среды при очистке цилиндрического проката, из-за различия способов создания рабочих давлений. В установке для очистки листового проката давление, создаваемое порошком, определяется в основном параметрами и условиями работы шнекового механизма, в то время как при очистке цилиндрического проката давление порошка в значительной степени зависит от параметров самой камеры АПО. Особенности принципа действия обуславливают и неравномерность давления порошка по ширине листового проката, в то время как давление порошка по цилиндрической поверхности катанки распределяется равномерно, что дает возможность корректно использовать цилиндрическую и сферическую системы координат. Эти различия предполагают и различные подходы к теории АПО-процессов, к формированию краевых условий, и к

решению поставленных задач. Все это предопределило особый подход к анализу математической модели АПО-процесса при очистке катанки.

1.5. Анализ математических моделей состояния сыпучей среды в камерах АПО первого поколения

В математической модели, применявшейся при расчетах установок первого поколения [64], рассматривали рабочую камеру простого конического вида, в которой длинномерное цилиндрическое изделие двигалось по оси конуса. Воплощение такой камеры (рис. 1.3.) представляло собой конус, широким своим основанием соединенный со шнековым механизмом подачи абразивного порошка.

I

Рис. 1.3. Камера АПО с постоянной конусностью.

Диаметр И этого основания приравнивали к диаметру корпуса шнека, рассчитываемому из условия обеспечения требуемой подачи порошка. Например, для очистки катанки диаметром 6,5 мм этот диаметр составляет 90 мм. Диаметр выходного отверстия с1 конической камеры выбирали из условия достижения рабочих давлений абразивного порошка. Угол наклона а конической стенки к ее оси также не мог быть произвольным, так как при больших углах (короткая рабочая камера) рабочее давление частиц порошка на поверхность катанки, в основном зависело от давления нагнетания шнека, которое необходимо было

поддерживать высоким, что вызывало его ускоренный износ. При уменьшении угла (удлинении камеры) среднее рабочее давление внутри камеры возрастает вследствие "клинового" эффекта, вплоть до полного заклинивания массы порошка. При этом режим очистки перестает быть управляемым, так как не зависит от давления нагнетания, что, как правило, приводит к обрыву катанки.

На практике использовали компромиссные значения угла а , лежащие в пределах 5 - 10°, что соответствовало длине (Ь) рабочей камеры 300 - 400 мм, обеспечивающей достаточное повышение рабочих давлений по сравнению с начальным, задаваемым шнеком, но, при этом, управляемость процессом очистки была недостаточной: объем сжатого порошка в камере недостаточно быстро реагировал на изменения давления нагнетания, что не исключало обрывов, например при случайном увеличении шероховатости изделия, а также делало неэффективным применение систем автоматического контроля степени очистки. К тому же увеличенная длина зоны очистки, вследствие большой поверхности контакта изделия с порошком, вызывала увеличение сил трения и, тем самым, усилия протягивания в волочильном стане, установленном после устройства АПО.

Предпринимались попытки укорочения рабочей камеры путем уменьшения (до 60 мм) диаметра шнека, но подающая способность такого механизма при этом значительно уменьшалась, шнек работал с угловыми скоростями, близкими к предельным, и возможности регулирования процесса за счет изменения мощности оказывались исчерпанными.

Требует существенного уточнения принятое в моделях [3,64] допущение об отсутствии движения порошка вдоль стенки рабочей камеры, поскольку экспериментальные данные свидетельствуют о его возможности. Кроме того, в известной модели скорость порошка, прилегающего к поверхности на выходе из рабочей камеры, принимали равной скорости протягивания полосы, однако исследования баллистических параметров траекторий частиц выносимого из камеры порошка показали, что при очистке круглого профиля средняя скорость выхода частиц порошка из камеры составляет примерно 2/3 скорости протягивания катанки.

Таким образом, для оптимизации конструкции рабочей камеры, с учетом описанных особенностей ее работы, необходимо усовершенствовать математическую модель АПО-процесса в следующих направлениях:

• уточнение уравнений состояния сыпучей среды;

• уточнение граничных условий, приближение их к реальным условиям в зонах контакта порошка со стенками рабочей камеры;

• корректировка методики численного исследования полученного решения.

Кроме того, в процессе очистки абразивный порошок многократно проходит фазы нагнетания, взаимодействия с очищаемым прокатом и стенками камеры АПО под давлением, переноса с воздушным потоком, пневмосепарации и возвращения в рабочую камеру, при этом форма и размеры частиц порошка скругляются, а абсолютные размеры уменьшаются, что приводит к изменению механических свойств сыпучей среды. Как оказалось, такие изменения существенно влияют на процесс очистки, и должны быть учтены при совершенствовании установок АПО.

Теоретический анализ процесса АПО на новом понимании этого метода и прикладные результаты такого анализа приведены во второй главе диссертации.

В первой модификации поточной линии на поверхности очищенной катанки присутствовали остатки пылевидной окалины, которые, попадая вместе со смазкой в инструмент, снижали ресурс работы волоки. Кроме того, в поточной линии отсутствовало оборудование для нанесения на поверхность протягиваемой «в нитку» катанки подсмазочного покрытия, так как пропускание катанки через водный раствор поверхностно-активного вещества неприемлемо из-за медленного высыхания остатков воды и неизбежного попадания их в смазку, что нарушает режим волочения. Микрорельеф катанки после механического удаления окалины имеет преимущественно продольный характер, поэтому при ее волочении без подсмазочного покрытия затруднялся захват смазки, возрастали контактные напряжения в очаге деформации, нарушая стабильность процесса и, обуславливая повышенный износ волоки, что увеличивало вероятность задира волоки и обрыва проволоки. Какая-либо иная технология нанесения подсмазочного покрытия,

достаточно дешевая и пригодная для использования в поточной линии в промышленных условиях, отсутствовала.

Для решения данной проблемы предложена «сухая» технология нанесения подсмазочного покрытия, подробно описанная в третьей главе настоящего исследования.

Выводы по главе 1

1. Изучены и проанализированы известные и описанные в литературе способы подготовки стальной катанки к волочению.

2. Показано, что на основе существующих методов математического моделирования невозможно оптимизировать процесс абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката.

3. Доказано, что создание экологически чистого оборудования и технологии поточных линий очистки стальной катанки и волочения из неё высококачественной заготовки сдерживает также отсутствие поточной технологии нанесения на поверхность катанки перед волочением подсмазочного покрытия.

2. Теоретический анализ процесса АПО цилиндрического проката и его технические приложения

2.1. Решение задач о состоянии сыпучей среды на основе методов теории пластичности

Как отмечено в п.1.5., использовавшиеся ранее модели АПО-процесса цилиндрического проката, основанные на методах механики сыпучей среды, не позволяют ответить на ряд важных вопросов, решение которых необходимо для создания установки АПО нового поколения. Следует искать новые постановки указанной задачи.

Учитывая, что теория состояния сыпучей среды и теория пластичности имеют ряд аналогичных положений, причем в теории пластичности изучен широкий спектр задач и получены решения для многих частных случаев пластической деформации, рассмотрим возможность применения аппарата теории пластичности для решения задач о состоянии сыпучей среды.

Как известно [40, 41], сдвиги являются основным механизмом пластической деформации, причем пластический сдвиг на некоторой площадке происходит тогда, когда касательное напряжение хп на площадке, направленной под углом 7г/4 к главной площадке, равно по модулю некоторой предельной величине к, (называемой «сопротивлением чистому сдвигу»), т.е. условие пластичности можно представить в виде:

\тп\ = к. (2.1)

Аналогом условия пластичности (2.1) для характеристики подвижности сыпучей среды является выражение [39]:

\ти\ = к + сгп \%р, (2.2)

где к -сопротивление сдвигу для сыпучей среды, ап -нормальное сжимающее напряжение, р - угол внутреннего трения сыпучей среды.

Выполнение условия (2.2) означает, что сыпучая среда из неподвижного состояния перешла в подвижное, выражающееся в сдвигах одних частиц относительно других, поэтому условие (2.2) назовем условием подвижности сыпучей среды.

Сыпучая среда остается неподвижной, если:

Ы<сгпЧР + к.

В механике сыпучих сред принято считать сжимающее нормальное напряжение положительным, а растягивающее - отрицательным. Наглядное представление напряженного состояния сыпучей среды можно получить, используя диаграмму Мора [39] (рис 2.1.).

Рис. 2.1. Диаграмма Мора

По оси абсцисс отложены нормальные напряжения (сжимающие приняты положительными), а по оси ординат - касательные. Точки Рь Р2, Рз соответствуют главным напряжениям аь о2, а3, а точки Оь 02, 03 - центрам окружностей с

~ кз — кз ~ 1-т -Г» -1-.

радиусами J—-—^—-—1; 1—-—Прямая Р0К, графически изображающая уравнение (2.2), представляет собой предельную границу, разделяющую области

неподвижного и подвижного состояния сыпучей среды. При <тп = О, согласно (2.2.), |г„| = &, величина "к" показана в виде отрезка на оси ординат. Здесь же, на оси абсцисс, показан отрезок Н = к ■ ctg р («сопротивление растяжению сыпучей среды»).

Выражения (2.1) и (2.2 ) применимы при линейном напряженном состоянии. При плоском предельном равновесии система включает три компоненты напряжений <тХ) <7у, тху. Если можно пренебречь объёмными силами, то (Тх, оу и тху должны удовлетворять двум уравнениям равновесия:

= о; ^ + ^ = (2.3)

дх ду ду дх

Условие подвижности сыпучей среды в этом случае, вместо (2.2 ) будет иметь вид:

(ах-сту)2 +4 т2у = [(<JX + ст у + 2Н) sin р]2. (2.4)

Преобразовав (2.4), получим:

(ах -ау)2+ 4т2ху = [(ах +cry)smp + 2kcospf. (2.5)

Для идеально пластичной среды (р =0) условие пластичности при плоском напряженном состоянии имеет вид:

(стх-сту)2+4т2ху=(2к)2, (2.6)

где к - либо постоянная величина, либо известная функция координат.

Сопоставив выражения (2.5 ) и (2.6), можно представить условие (2.5 ) в виде, аналогичном (2.6 ):

(<7х-<7у)2+4т2ху=(2к0)2, (2.7)

где

2k0=(crx+cry)smp + 2kcosp. (2.8)

Допустив, что сумма (ах +сту) постоянная или известная функция координат,

и назвав величину к0 приведенным сопротивлением сдвигу сыпучей среды, получаем возможность применить известные методы и решения теории

пластичности для задач теории сыпучих сред. Единственным отличием указанных решений будет только то, что в теории пластичности используется величина сопротивления сдвигу к, а в теории сыпучей среды приведенное сопротивление сдвигу к0, связанное с фактическим её сопротивлением сдвигу зависимостью (2.8). Согласно этой зависимости, величина к0 определяется в функции величин к, р, характеризующих абразивные и прочностные свойства сыпучего материала и определяемых экспериментально, а также величины первого инварианта тензора напряжений (<тх+сгу), которая определяется граничными условиями конкретной

задачи.

Предлагаемый метод решения задач о напряженном состоянии сыпучей среды будет эффективным, если первый инвариант тензора напряжений, для объемной задачи равный

^ = ^1+^2+^3 byta+OV+O-J,

будет либо постоянным, либо в каждой конкретной задаче будет изменяться незначительно, чтобы допущение a* const не приводило к существенным погрешностям результатов расчетов. Аналогичные допущения широко используется и в теории ОМД, где, как правило, сопротивление сдвигу определяется в функции степени и скорости деформации, которые усредняются по деформируемому объёму. Даже при очень сильном изменении в зоне деформации степени деформации е и скорости деформации s =ds/dx (например, при прокатке s убывает по дуге захвата от максимума до нуля ) сопротивление сдвигу (предел текучести) находится по средним величинам ё ср и еср. Для сыпучих сред в описываемом способе предлагается, аналогично усреднять значение напряжений

Далее излагаются конкретные приложения предлагаемого метода к решениям сначала более простых задач, а затем и реальной задачи поведения абразивного порошка в камере АПО.

2.1.1.Решение плоской задачи о движении сыпучего материала в клиновой камере

Рассмотрим движение сыпучей среды в клиновой камере с плоскими стенками, приняв в качестве допущения отсутствие внешнего трения между средой и стенками. В теории пластичности аналогичная задача решена в полярных координатах г, в (ось ъ направлена перпендикулярно плоскости чертежа) (рис. 2.2) [63], причем г=а - радиус, определяющий ширину выходного отверстия, а г=Я -радиус, определяющий границу среды на которой приложено внешнее давление (Т,.=р

Рис. 2.2. Схема течения сыпучего материала в клиновой камере

Согласно решению теории пластичности, при внешнем давлении р, направленном по радиусу, деформация является плоской и <тг ов являются главными напряжениями, поэтому тгд = твг= 0, и уравнение равновесия имеют вид:

^ + = (2.9)

дг г

а условие пластичности:

аг-ав=2к. (2.10)

При этом компоненты напряжений не зависят от угла в и являются только функцией радиуса г.

Подставив в (2.10), вместо к, значение к0 из (2.8), условие подвижности сыпучей среды получим в виде:

<уг -ств = 2 к0 = 2 к

eos p-^t^ov+o,)). (2.11)

2 к

В выражении (2.11) сжимающие напряжения, как обычно в теории пластичности, приняты отрицательными, т.е. аг<0; &&<().

Из (2.11) можно выразить величину а в через ау.

или

=oy(l + sin/7) eos р (2\2)

2к 2А:(1 — sin yo) 1-sinp

Подставив а в в уравнение равновесия (2.9), после несложных преобразований получим:

d<jr 2sinp-ur | 2kcosp (2 13)

dr r( 1 - sin p) r( 1 - sin p)

Частное решение этого уравнения <т* = к ctg р, а общее решение однородного

darí Adr .

уравнения ——--= 0:

ал г

ал=Сг\

где

А =

2 sin р 1 - sin р

(2.14)

С - постоянная интегрирования, определяемая граничными условиями.

Следовательно, общее решение уравнения (2.13):

аг=огХл-а*-СгА+к й\%р.

Постоянную интегрирования С легко найти из граничного условия при г = а: <тг = 0, откуда:

С = -ксгёр-а~А.

Следовательно, окончательное выражение для аг имеет вид

сг г=-кс\%р

-1

(2.15)

Это выражение позволяет определить внешнее давление р, необходимое для обеспечения движения сыпучей среды через клиновую камеру при г = Я:

р = Уг\ = к^р

Я

= кс1ёр(лА-1),

(2.16)

где X = К/а -параметр, аналогичный коэффициенту обжатия при пластической деформации (прессовании) материала через клиновую камеру. Для сыпучей среды этот параметр назовем «коэффициентом поперечного сужения».

Подставив в (2.12) окончательное выражение для аг (2.15), получим:

(1 - эт р)

1-

Заключение диссертации по теме «Машины и агрегаты металлургического производства», Виноградов, Алексей Иванович

Выводы по главе 5

1. На основе результатов новой математической модели АПО-процесса создана новая установка, отличающаяся от ранее существовавшего аналога принципиальными новшествами, к которым относятся:

• камера с переменной конусностью, позволившая снизить параметры шероховатости поверхности очищаемой катанки и усилие трения при очистке, исключить внедрение абразивных частиц в поверхность катанки, и, тем самым, создать условия для более эффективного процесса волочения.

• устройство для дозировки свежего абразивного порошка, позволившее стабилизировать состав и свойства абразивной среды в установке АПО.

• устройство для дозировки добавляемого в абразивный порошок пластификатора, позволившее уменьшить коэффициенты внутреннего и внешнего трения абразивной среды при сохранении абразивных свойств этой среды.

В совокупности эти устройства позволяют добиться более качественной очистки цилиндрического проката, при существенном снижении параметров шероховатости, которые отрицательно воздействуют на работоспособность и стойкость волок.

2. Реализована в поточной линии новая технология нанесения под смазочного покрытия методом возгонки и седиментации смолистых веществ, позволившая существенно повысить эффективность волочения.

3. Использовавшаяся в качестве подсмазочного покрытия канифоль проявила себя с наилучшей стороны как по влиянию на эффективность волочения, так и по физическим свойствам поверхностно-активного вещества.

4. Новое покрытие и технология его нанесения решают задачу совмещения в потоке операций механической очистки и волочения катанки, при этом канифоль относится к экологически безопасным природным веществам, и её применение при волочении, как минимум, не ухудшает атмосферу рабочего места.

5. Совокупность новых устройств, технических и технологических решений позволяют создать качественно новую совмещенную линию для очистки и волочения проволоки в потоке.

Заключение

1. Выполненный в работе анализ проблемы создания экологически чистого оборудования и технологии поточных линий очистки стальной катанки от окалины и волочения из неё высококачественной проволоки показал, что основные факторы, сдерживающие её решение - невозможность оптимизировать процесс абразивно-порошковой очистки катанки на базе существующих методов его математического моделирования и отсутствие поточной технологии нанесения на поверхность катанки перед волочением подсмазочного покрытия.

2. Для создания новой математической модели напряжений и скоростей абразивного порошка в рабочей камере АПО-процесса цилиндрического проката предложено использовать аналогию между дифференциальными уравнениями равновесия пластически деформируемого тела и сыпучей среды, а также между уравнениями их предельного состояния.

Это предложение, реализованное в диссертации, позволило использовать для описания поведения абразивного порошка в рабочей камере ряд классических решений теории пластичности, модифицировав их к особенностям АПО-процесса.

3. Созданная и реализованная на основе нового подхода, указанного в п.2, математическая модель АПО-процесса, дала возможность, в отличие от ранее опубликованных моделей, рассчитывать поля напряжений и скоростей абразивного порошка при переменной конфигурации рабочей камеры, при варьировании коэффициентов внутреннего и внешнего трения сыпучей среды и ряда других конструктивных технологических параметров, в результате был создан теоретический инструмент для оптимизации АПО-процесса.

4. Сопоставление результатов измерения интегральных характеристик АПО-процесса - усилия протягивания катанки через камеру АПО и расхода абразивного порошка - с результатами их расчета по старой и новой моделям, показало, что погрешность расчета по новой модели находится в диапазоне 3,7 - 14%, что по расходам соответствует диапазону погрешностей расчета по старой модели, а по усилию обеспечивает повышение точности расчета в 1,2 -2,5 раза.

5. С использованием новой модели АПО-процесса разработан и проверен экспериментально ряд новых патентоспособных технических решений по конструкции камер АПО и технологии очистки катанки от окалины, позволивших существенно улучшить качество её поверхности и создать условия для эффективного её волочения в поточной линии.

6. На основе теоретической проработки альтернативных методов нанесения подсмазочного покрытия на поверхности катанки перед волочением, предложен новый способ нанесения подсмазочного покрытия путем возгонки и седиментации смолистого вещества - канифоли. Новый способ запатентован в виде ряда устройств, реализация которых в действующей поточной линии позволила существенно повысить эффективность волочения и улучшить качество поверхности проволоки, решив тем самым проблему нанесения подсмазочного покрытия в потоке перед волочением.

7. Совокупность представленных в диссертации технических решений достаточно полно охватывает предмет разработки и защищена патентами Российской Федерации. По материалам диссертации получено 4 патента РФ и опубликовано 8 статей. Результаты работы реализованы в промышленной линии абразивно-порошковой очистки катанки и волочения проволоки на базе волочильного стана ВСМ - 1/650 АЗТМ, действующего в лаборатории Череповецкого государственного университета.

8. Материалы диссертации обсуждены:

• на заседании метизной секции Второго Международного конгресса прокатчиков, октябрь 1997 г.

• на заседании секции прокатного производства Первой Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства», март 1998 г.

• на расширенном заседании кафедры «Машины и агрегаты металлургических заводов» ЧГУ, март 1999 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Виноградов, Алексей Иванович, 1999 год

Литература

1. Гарбер Э.А. Кузнецов С.А. Оборудование и технология для совмещенного экологически чистого процесса удаления окалины с катанки с ее волочением в автоматизированной поточной линии // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже 21 века: сб. тр. межгосуд. научно-технич. конф. -Екатеринбург. 1996. с. 45-47.

2. Гарбер Э.А. Кузнецов С.А. Поточная линия бескислотной очистки стальной проволоки от окалины и волочения проволоки // Технология -96: сб. тр. международ, конф. - Новгород. 1996. с. 33-36.

3. Гарбер Э.А., Летавин М.И., Касаткин В.А. и др. Теория энергосилового расчёта процесса абразивно-порошковой очистки проката от окалины // Сталь. 1990. № 10. с. 56-60.

4. A.c. СССР № 419276, МКИ В21В 45/04, опубл. 03.04.1972.

5. A.c. СССР № 422494, МКИ В21С 43/04, В21В 45/04, опубл. 05.04.1974.

6. A.c. СССР № 428807, МКИ В32С 43/00, В21В 45/04, опубл. 25.05.1974.

7. A.c. СССР № 485800, МКИ В21С 43/04, опубл. 01.03.75.

8. A.c. СССР № 492329, МКИ В21С 43/04, В21В 45/04, опубл. 25.11.1975.

9. A.c. СССР № 564028, МКИ В21В 45/04, опубл. 05.07.1977.

10. A.c. СССР № 608576, МКИ В21С 43/04, опубл. 1977.

1 l.A.c. СССР № 638393, МКИ В21В 45/04, опубл. 09.03.1977.

12.A.c. СССР № 787131, МКИ В21С 43/04, В21В 45/04, опубл. 15.12.1980.

13.A.c. СССР № 869898, МКИ В21В 45/04, В21С 43/04, опубл. 07.10.1981.

14. A.c. СССР № 1113196, МКИ В32С 43/04, опубл. 1984.

15.A.c. СССР № 1191136, МКИ В21С 43/04, опубл. 15.11.1985.

16.Заявка США № 4399677, МКИ В21С 43/04, опубл. 1983.

17.Заявка Великобритании № 15599221, МКИ В21С 43/04, опубл. 1980,

18. Заявка ФРГ № 2810319, МКИ В21С 43/04, опубл. 1980.

19.Заявка Франции № 2429051, МКИ В21С 43/04, опубл. 1980.

20.Заявка Японии № 53-4806, МКИ В21С 43/04, опубл. 21.02.1978.

21. Заявка Японии №53-13171, МКИ В21С 43/04, опубл. 08.05.1978.

22.Заявка Японии № 54-21304, МКИ В21С 43/04, 3/14, опубл. 30.07.1979.

23.Заявка Японии № 55- 3050, МКИ В21С 43/04, опубл. 1980.

24. Заявка Японии № 56- 7442, МКИ В21С 43/04, опубл. 1981.

25.Заявка Японии № 58-53163, МКИ В21С 43/04, опубл. 26.09.1983.

26.Заявка Японии № 59-18133, МКИ В21С 43/04, опубл.25.04.1984.

27.Барон Ю.М. Магнито-абразивная и магнитная обработка изделий и режущих инструментов - JL: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986 125 с.

28.Использование нетканых абразивных кругов - один из способов удаления окалины и окончательной отделки поверхности проволоки и прутков. М. ЛаМар Луз - ЗМ Ко., США - Проспект.

29.Гарбер Э.А., Козлов Г.С., Кузнецов С.А., Яшин А.И., Виноградов А.И., Синицын H.H. Постановка задачи расчета теплового воздействия плазменной струи на поверхность цилиндрического проката при его технологической обработке // Тепловые процессы в технологических системах: Сб. научных трудов. Череповец, 1996. с. 20-22.

30.Коковихин Ю.И. Технология сталепроволочного производства - Киев: Наукова думка, 1995. 608 с.

31.Шахпазов Х.С. и др. Производство метизов - М.: Металлургия, 1977. 390 с.

32.Юхвиц И.А. Волочильное производство - М.: Металлургиздат, 1960. 286 с.

33.Шефтель Н.И. Производство стальных калиброванных прутков - М.: Металлургия, 1970. 432 с.

34.Гарбер Э.А., Летавин М.И., Субботин А.П. и др. Анализ взаимодействия абразивного порошка с окалиной на поверхности проката // Металлы: изд-во АН СССР, 1987, № 4, с. 67-70.

35.Гарбер Э.А., Касаткин В.А., Кузнецов С.А., Пименов А.Ф. Энергосиловые параметры осесимметричного процесса абразивно-порошковой очистки от окалины цилиндрического проката // Известия АН СССР. Металлы. 1991. №6. с. 67-71.

36.Ильюшин A.A. Механика сплошной среды - М.: изд-во Московского университета, 1971, 247 с.

37.Гарбер Э.А., Делюсто Л.Г., Пименов А.Ф., Жуков Ю.К. Энергосиловые параметры и тепловой режим процесса абразивно-порошковой очистки

проката от окалины // Повышение эффективности металлургического производства: Межвузовский сб., Л.: Изд-во СЗПИ, 1983.

38.А.С. СССР № 933250, В22¥ 3/02; С10М 3/16, Пластификатор для прессования порошков, опубл. 07.06.82, бюлл. №.21.

39. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды - М.: Госфизматгиз, 1960. 243 с.

40.Хаар А., Карман Т. К теории напряженного состояния в пластических и сыпучих средах // Теория пластичности: сб. статей - М.: Издательство иностранной литературы, 1948 с. 41-56.

41.Ивлев Д.Д. Теория идеальной пластичности - М.: Наука, 1966, 231 с.

42.Прандтль Л. О твёрдости пластических материалов и сопротивление резанью // Теория пластичности: сб. статей - М.: Издательство иностранной литературы, 1948. с. 70-79.

43.Бровман М.Я. О линиях тока при плоской пластической деформации // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1989. №2. с. 185-187.

44.Бровман М.Я. Применение теории пластичности в прокатке - М.: Металлургия, 1991. 265 с.

45.Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности./Учебное пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1987. 352 с.

46.А.С. СССР № 1640869. В21Ь 45/04 Порошок для удаления окалины с поверхности проката. Липухин Ю.В., Гарбер Э.А., Кузнецов С.А. и Касаткин В.А.

47.Патент РФ № 2108177 от 10.4.98. В21в 45/04, В21с 43/04. Устройство для очистки длинномерного цилиндрического проката от окалины / Кузнецов С.А., Гарбер Э.А., Виноградов А.И. и Семенов С.Ю.

48.Кокрофт М.Т. Смазка в процессах обработки металлов давлением - М.: Металлургия, 1979. 101 с.

49.Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением - М.: Металлургия, 1986. 688 с.

50.Патент РФ № 2118212 от 10.04.98. В21в 45/04. Способ подготовки поверхности заготовки к волочению и устройства для его осуществления. Гарбер Э.А., Кузнецов С.А., Виноградов А.И., Семенов С.Ю.

51.Носков Е.П., Бахманов Ю.Ф., Полякова М.А., Курочкин Д.В. Исследования микрогеометрии катанки после удаления окалины // Обработка сплошных и слоистых материалов: сб. науч. тр. Магнитогорск: Издание МГМА, 1995. с. 73-77.

52.Недовизий И.Н., Петрухин С.И., Комаров А.Г. Совмещение процессов производства проволоки - М.: Металлургия, 1979. 148 с.

53.Гарбер Э.А., Румянцев В.В. Исследование процесса абразивно-порошковой очистки листового проката от окалины и совершенствование оборудования для его осуществления // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства: материалы первой Международной научно-технической конференции. Череповец: Из-во ЧТУ, 1998. с. 97-103.

54.Кузнецов С.А., Гарбер Э.А., Виноградов А.И. Конструирование рабочих камер установок абразивно-порошковой очистки катанки от окалины с использованием математической модели // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства: материалы первой Международной научно-технической конференции. Череповец: Из-во ЧТУ, 1998. с. 109-116.

55.Кинлок Э. Адгезия и адгезивы - М.: Мир, 1991. 458 с.

56.Вакула В.Л. Притыкин Л.М. Физическая химия адгезии полимеров - М.: Химия, 1984. 204 с.

57. Лебедев Е.В. Физикохимия многокомпонентных полимерных систем -Киев: Наукова думка, 1986. 157 с.

58.Веселовский Р.А. Регулирование адгезионной прочности полимеров -Киев: Наукова думка, 1988. 58 с.

59.Анищенко Л.М., Кузнецов С.Е., Лавренюк С.Ю. Прочность адгезионных соединений // Физика и химия обработки материалов 1985 №6 с. 124-126.

60.Еременко В.Н., Марценюк П.С. Капиллярные и адгезионные свойства расплавов - Киев: Наукова думка, 1987. 40 с.

61.Емельянов Ю.В., Кармазин В.Б., Вакула В.П. Адгезионные соединения в машиностроении - Рига: изд. Политехи, инст., 1989 с. 36-38.

62. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твердых тел - М.: Наука, 1973 240 с.

63.Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением - М.: Металлургия, 1973 496 с.

64.Кузнецов С.А. Разработка, исследование и промышленная реализация процесса и установок абразивно-порошковой очистки стальной катанки от окалины в потоке с волочением: дис. канд тех. наук. - Череповец, 1994 166 с.

65.Виноградов А.И., Бровман М.Я., Кузнецов С.А. Моделирование закономерностей поведения сыпучей среды с использованием положений теории пластичности // деп. 18.12.98, № 3775-В98.