Разработка и исследование процесса абразивно-порошковой очистки от окалины катанки из легированной стали для последующей калибровки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Земсков, Александр Владимирович

• Земсков, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Земсков, Александр Владимирович

Введение.

Глава 1. Состояние технологии подготовки катанки к волочению.

1.1. Анализ существующих методов очистки катанки от окалины.

1.2. Анализ существующих математических моделей процесса абразивно-порошковой очистки проката от окалины.

1.3. Выбор материала порошка для абразивно-порошковой очистки проката от окалины.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Теоретический анализ процесса АПО цилиндрического проката от окалины.

2.1. Разработка новой конструкции бесшнекового варианта установки АПО.

2.2. Решение задачи о состоянии сыпучего материала в сужающейся конической полости.

2.3. Решение задачи объемного течения сыпучей среды в конической камере АПО.

2.4. Граничные условия объемной задачи течения сыпучей среды в условиях АПО-процесса.

2.5. Экспериментальная проверка достоверности математической модели процесса абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование параметров совмещенной технологии очистки и волочения катанки.

3.1. Исследование коэффициентов внешнего и внутреннего трения абразивного порошка.

3.2. Исследование влияния конструкции установки АЛО на показатели шероховатости катанки и проката.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка, практическое использование и исследование эффективности новых технических решений.

4.1. Определение основных геометрических параметров новой рабочей камеры для бесшнековой установки АЛО.

4.2. Исследование и испытание устройства для удаления пылевидных остатков окалины с поверхности изделия в едином технологическом потоке с механической очисткой и волочением катанки.

4.3. Промышленная эксплуатация совмещенной линии.

4.4. Реализация новых технических решений и перспективы дальнейшего развития конструкций установок АЛО.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование процесса абразивно-порошковой очистки от окалины катанки из легированной стали для последующей калибровки»

Совмещение дискретных производственных процессов в непрерывные технологические потоки и повышение экологической безопасности промышленного производства являются фундаментальными проблемами современной металлургии, они актуальны и для волочильно-калибровочного производства. Здесь многие операции получения проволоки и калиброванного проката носят дискретный характер, опасны для окружающей среды и здоровья обслуживающего персонала.

На металлургических предприятиях России и за рубежом основным методом удаления окалины с поверхности катанки является способ химического травления окалины в растворах серной и соляной кислот. Использование химических веществ, особенно кислоты, при травлении катанки не отвечает современным требованиям промышленной экологии, а также не позволяет совместить эти операции с процессом волочения в едином технологическом потоке.

Высокие удельные затраты и значительная экологическая опасность применения химической технологии травления окалины заставляют предприятия и лаборатории во всем мире искать альтернативные методы удаления окалины. Новые методы преимущественно представляют различные способы механической очистки от окалины. Это, например, иглофрезерный, дробеметный, дробеструйный, обточка резцами, шлифовка различными абразивными материалами (эластичными кругами, абразивными ремнями и др.), в т.ч. и их различными комбинациями. Большое разнообразие способов и конструкций для механического удаления окалины говорит о том, что в мире не существует достаточно отработанной, надежной и широко применяемой технологии механической очистки катанки от окалины.

Учитывая это, в 1992-1999 годах в Череповце была разработана и испытана в промышленных условиях экологически чистая поточная линия, в которой катанка подвергалась непрерывному удалению окалины механическим способом - путем пропуска ее через роликовый окалиноломатель и установку абразивно-порошковой очистки (АПО), а затем поступала в волочильный стан [1,2].

В значительной мере возможность механического или химического удаления окалины зависит от ее количества, состава и структуры. Окалина представляет собой комплекс многих химических соединений железа и других элементов в стали (окислов, гидратов, силикатов, сульфитов и др.). Основными составляющими частями окалины углеродистой стали являются окислы железа: гематит (РегОз), магнетит (РегО,») и вюстит (РеО). В окалине легированной стали присутствуют также сложные соединения других элементов, которые попадают в сталь при легировании (например, хрома, марганца, вольфрама, никеля и др.). Эти соединения образуют промежуточный слой, располагающийся между основным металлом и вюститом. В этом случае соединения хрома, кремния, алюминия и других элементов придают стали особенно высокую окалиностойкость.

Особую актуальность представляет подшипниковая сталь марки ШХ15, так как ее окалина, состоящая на 90 % из Сг20з, пластична, хорошо сцепляется с металлом и трудно удаляется механическими способами. Время травления такой окалины в растворах серной и соляной кислот достигает 1,5 ч, что в свою очередь приводит к большим потерям металла от перетрава, а также - к снижению качества продукции. В связи с этим разработка нового оборудования для АПО-процесса, пригодного для зачистки катанки из легированной стали, является актуальной задачей.

Использование установок АПО в составе поточных технологических линий сдерживалось, т.к. многие научно-технические и конструкторско-технологические вопросы не были до конца проработаны. В частности, в последние годы была разработана и испытана новая бесшнековая конструкция рабочей камеры АПО.

Однако известная математическая модель АПО-процесса описывала напряженное состояние абразивного порошка в рабочей камере, в которой внешнее давление на порошок создается шнековым механизмом. Математическая модель для определения энергосиловых параметров процесса очистки проката от окалины для бесшнекового модуля АЛО отсутствовала.

Кроме того, известный метод расчета энергосиловых параметров очистки с помощью созданной ранее плоской математической модели не в полной мере соответствовал поведению абразивного порошка в камере АЛО в трехмерном пространстве.

Установка АПО цилиндрического проката от окалины первого поколения также имела ряд недостатков:

• Сложность конструкции привода модуля АПО, состоящего из электродвигателя, 2-х-ступенчагого редуктора и цепной передачи, препятствующая проведению профилактических осмотров и замене неисправных подшипников, шнека и других деталей.

• Повышенный износ шнека, особенно его последнего, рабочего витка, на который действует высокое давление.

• Повышенный износ волочильного инструмента, вызванный наличием на поверхности катанки пылевидной окалины, остающейся на ней после модуля АПО.

В связи с этим, решение объемной осесимметричной задачи напряженного состояния сыпучей среды, пригодной для расчета энергосиловых параметров процесса очистки сортового проката от окалины, оптимизация конструкции бесшнековой установки АПО для очистки катанки из легированной стали, являются актуальными задачами.

Для дальнейшего совершенствования технологии и оборудования АПО-процесса в работе были поставлены следующие задачи: 1. Разработать и реализовать новую математическую модель, пригодную для описания поведения сыпучей среды в рабочей камере АПО при отсутствии непрерывного уплотнения в ней абразивного порошка шнековым механизмом.

2. Разработать уточненную математическую модель АПО-процесса с учетом объемного осесимметричного движения сыпучей среды, уточнить граничные условия и получить новые выражения для определения энергосиловых параметров процесса очистки от окалины катанки из легированных сталей.

3. Рассчитать оптимальные геометрические параметры устройства для удаления пылевидной окалины с поверхности катанки, а также испытать его в составе поточной линии.

В работе использованы методы математического моделирования состояния сыпучей среды с использованием компьютерных технологий.

Адекватность математической модели реальному АПО-процессу оценивалась путем сравнения экспериментальных данных с данными, рассчитанными по модели.

При обработке данных измерений использовались методы математической статистики.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель напряженного состояния абразивного порошка в рабочей камере АПО при отсутствии шнекового механизма для его нагнетания и уплотнения. Получены выражения для определения компонентов тензора напряжений.

2. Разработана математическая модель энергосиловых параметров АПО-процесса для случая трехмерного осесимметричного движения сыпучей среды, на основе которой рассчитано усилие протягивания катанки через рабочую камеру.

Практическая ценность данной работы заключается в следующем: 1. На основе новой математической модели разработана конструкция бесшнековой установки АПО для очистки катанки из легированной стали, позволяющая снизить материальные затраты на эксплуатационные расходы, электроэнергию, а также уменьшить металлоемкость конструкции в целом.

2. По результатам выполненных исследований успешно испытано новое оборудование АПО-процесса, включая устройство удаления пылевидной окалины, существенно повышающее качество очистки катанки от окалины.

3. Вышеуказанные технические решения защищены двумя патентами Российской Федерации.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на пятой Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства», г. Череповец, октябрь 2005 г.; были представлены на «Региональной выставке-презентации научных инновационных проектов», Череповец, ЧТУ, 2006 г.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, получено 2 патента Российской Федерации.

В результате выполненной работы изготовлено и введено в эксплуатацию новое оборудование для АПО-процесса, входящее в состав промышленной поточной линии очистки и волочения катанки, находящейся в лаборатории новых процессов производства проката Череповецкого государственного университета.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 95 с. машинописного текста, 21 рис., 12 табл., список литературы из 56 наименований и приложения.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Земсков, Александр Владимирович

Выводы по главе 4

Разработана новая конструкция камеры АПО, активная длина которой в 2,4 раза меньше, чем длина рабочей камеры базового варианта установки АПО. Такая конструкция облегчает заправку очистного узла перед последующей очисткой катанки от окалины и позволяет сократить длину всей поточной технологической линии, а также повысить качество очистки поверхности проката.

Проведено исследование новой камеры АПО, показавшее, что ее применение позволяет снизить усилие протягивания катанки через рабочую камеру и уменьшить расход абразивного порошка на АПО-процесс.

Испытана новая конструкция устройства для удаления пылевидных остатков окалины, которая позволяет значительно уменьшить их содержание на поверхности очищенной катанки.

Предложены перспективы развития конструкций установок АПО нового поколения.

Заключение

1. Созданная и реализованная на основе аналогии между сыпучей и сплошной средами математическая модель АПО-процесса дала возможность, в отличие от ранее опубликованных моделей, рассчитывать поля напряжений абразивного порошка при трехмерном осесимметричном движении сыпучей среды в бесшнековой рабочей камере. В результате создан усовершенствованный математический аппарат для расчета энергосиловых параметров процесса очистки от окалины катанки из легированных сталей.

2. Достоверность математический модели обоснована сравнением расчетных данных и данных, полученных при экспериментальных исследованиях на промышленном оборудовании, а также подтверждена результативностью технических и конструкторских решений, разработанных на основе научных положений.

3. Сопоставление результатов измерения усилия протягивания катанки через камеру АПО с результатами расчета по новой модели, показало, что погрешность не превышает 8 %.

4. Разработан и проверен экспериментально ряд новых патентоспособных технических решений по бесшнековой конструкции установки АПО для очистки катанки из легированной стали и устройства для удаления остатков пылевидной окалины, позволивших существенно улучшить качество поверхности катанки, а также создать условия для эффективного ее волочения в поточной линии.

5. Совокупность представленных в диссертации технических решений достаточно полно охватывает предмет разработки и защищена патентами Российской Федерации. Результаты работы реализованы в линии абразивно-порошковой очистки катанки и волочения проволоки на базе волочильного стана ВСМ - 1/650 АЗТМ, действующего в лаборатории Череповецкого государственного университета.

6. Материалы диссертации представлены и обсуждены:

• на заседании секции прокатного производства 5-й Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» в октябре 2005 г

• на «Региональной выставке-презентации научных инновационных проектов» в 2006 г.

• на расширенном заседании кафедры «Машины и агрегаты металлургических заводов» Института металлургии и химии ЧТУ в апреле 2007 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Земсков, Александр Владимирович, 2007 год

1. Гарбер Э. А., Кузнецов С. А. Совмещение процессов очистки от окалины катанки и волочения проволоки в единой технической линии. Череповец, 1996.-96 с.

2. ШахпазовХ. С. и др. Производство метизов М.: Металлургия, 1977.-390 с.

3. ГарберЭ. А. Кузнецове. А. Поточная линия бескислотной очистки стальной катанки от окалины и волочения проволоки// Технология-96: сборник трудов Международной конференции Новгород, 1996. С. 33-36.

4. Владимиров Ю. В. Механическое удаление окалины с поверхности мелкосортной стали, катанки и проволоки за рубежом М.: Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований черной металлургии, 1970. - 98 с.

5. A.c. СССР № 485800, МКИВ21С 43/04, опубл. 01.03.75.

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

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

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

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

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

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

12. A.c. СССР № 1 . 13196, МКИ В32С 43/04, опубл. 1984.

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

14. Заявка США № 4399677, МКИ В21С 43/04, опубл. 1983.16.3аявка Великобритании № 15599221, МКИ В21С 43/04, опубл. 1980.

15. Заявка ФРГ № 2810319, МКИ В21С 43/04, опубл. 1980.18.3аявка Франции № 2429051, МКИ В21С 43/04, опубл. 1980.19.3аявка Японии № 53- 4806, МКИ В21С 43/04, опубл. 21.02.1978.20.3аявка Японии № 53-13171, МКИ В21С 43/04, опубл. 08.05.1978.

16. Заявка Японии № 54.21304, МКИ В21С 43/04,3/14, опубл. 30.07.1979.22.3аявка Японии № 55- 3050, МКИ В21С 43/04, опубл. 1980.23.3аявка Японии № 56- 7442, МКИ В21С 43/04, опубл. 1981.

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

18. ЖетвинН. П., РоховскаяФ. С., Ушаков В. И. Удаление окалины с поверхности металла-М.: Металлургия, 1964. -195 с.26.3аявка Японии № 59-18133, МКИ В21С 43/04, опубл. 25.04.1984.

19. M. JlaMap Луз. Использование нетканых абразивных кругов один из способов удаления окалины и окончательной отделки поверхности проволоки и прутков. - ЗМ Ко., США - Проспект.

20. Ильюшин А. А. Механика сплошной среды. М.: Изд-во Московского университета, 1971.-247 с.

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

22. 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.

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

24. Соколовский В. В. Статика сыпучей среды. М.: Госфизмаггиз, 1960. -243 с.

25. Прандтль Л. О твердости пластических материалов и сопротивлении резанию: Сб. статей «Теория пластичности». М.: Изд-во иностранной литературы, 1948. С. 70-79.

26. Бровман М. Я. О линиях тока при плоской пластической деформации // Изв. АН СССР. Маханика твердого тела. 1989. № 2. С. 185 - 187.

27. Чугун, ферросплавы, лигатуры, порошки, порошковые материалы. -М.: Черметинформация, 1975.

28. Березанцев В. Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия сыпучей среды. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952. -120 с.41 .Цытович Н. А. Механика грунтов. М.: высшая школа, 1979. - 272 с.

29. Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971.-424 с.

30. Громов Н. П Теория обработки металлов давлением. М: Металлургия, 1978.-360 с.

31. Воронцов А. Л. Теория малоотходной штамповки. М.: Машиностроение, 2005.-859 с.

32. Смирнов В. С. Теория обработки металлов давлением. М: Металлургия, 1973.- 496 с.

33. Соболевский Ю. А. Механика грунтов. Минск: Вышейшая школа, 1986.- 176 с.

34. Кузнецов С. А., Земсков А. В., Климушкина Л. А., Сафронов А. В. Математическое моделирование процесса АПО и конструирование бесшнековой установки // Сталь. 2006. № 4. С. 58 60.

35. Виноградов А. И., Кузнецов С. А., Земсков А. В. Анализ состояния сыпучей среды при абразивно-порошковой очистке цилиндрического проката во вращающейся рабочей камере // Сборник трудов молодых ученых ЧТУ: 2005. №2. С. 110-113.

36. Кузнецов С. А., Земсков А. В., Климушкина Л. А., Сафронов А. В. Моделирование поведения сыпучей среды в установке абразивно-порошковой очистки катанки от окалины // Сталь. 2005. № 9. С. 56 58.

37. Кузнецов С. А., Земсков А. В., Сафронов А. В., Климушкина Л. А. Новая конструкция установки абразивно-порошковой очистки // Сталь. 2006. №2. С. 52-53.

38. Патент № 2268802 от 27.1.2006 Устройство для очистки длинномерных цилиндрических изделий от окалины / Кузнецов С. А., Земсков А. В., Сафронов А. В.

39. Кузнецов С. А., Виноградов А. И., Земсков А. В. Напряженное состояние абразивного порошка и силовые параметры процесса очистки сортового проката от окалины // Производство проката 2007. № 5. С. 58 69.

40. Патент № 2273538 от 10.4.2006 Устройство для удаления пылевидных остатков окалины с поверхности металлического изделия / Кузнецов С. А., Земсков А. В., Сафронов А. В.

41. ГОСТ 1051-73. Сталь калиброванная. -М.: Изд-во стандартов, 1988.

42. ГОСТ 7417-75. Сталь калиброванная. -М.: Изд-во стандартов, 1976.

43. Северсталь-метиз Приложение 1

44. ОАО «Череповецкий сталепрокатный завод» Лаборатория экспресс-анализа калибровочного производства1. Протокол № 1химического анализа Определение массы остаточной окалины на катанке и термообработанной проволоке25» ноября 2004 г.1. Среднее

45. Марка стали 0 Состояние продукции К-во содержание окалины, кг/т

46. ШХ 15 6,5 Исходная катанка 1 5,75

47. ШХ 15 6,5 После окалиноломателя 1 1,54

48. ШХ 15 6,5 После АПО 1 1,35

49. ШХ 15 6,5 После волочения 1 0,48

50. Начальник лаборатории / ./т^.( ¿/ ЪА и- МЦ ^1. Лаборант (инженер ТО КП)

51. Протокол касается только образцов, подвергнутых испытанию. Частичной перепечатке без согласования с лабораторией не подлежит.

52. УТВЕРЖДАЮ»: начальник технологического отдела калибровочнокрепёжного производства (Климушкина Л.А.)

53. России, 162600, Воююдаая область, г Череломц, уя 50-пет» Октября, 1Ш тел *7 (8202) 539 191/фаис «7 (8202) 538 520 ечм4 гбоОьечечМт&ихт

54. Северсталь-метиз Приложение 2

55. ОАО «Череповецкий сталепрокатный завод» Лаборатория экспресс-анализа калибровочного производства1. Протокол № 2химического анализа Определение массы остаточной окалины на катанке и термообработанной проволоке26» июня 2006 г.1. Среднее

56. Марка стали 0 Состояние продукции К-во содержание окалины, кг/т

57. ШХ 15 6,5 Исходная катанка 1 5,77

58. ШХ 15 6,5 После окалиноломателя 1 1,551. ШХ15 6,5 После АПО 1 0,521ИХ15 6,5 После устройства для удаления пылевидных остатков окалины 1 0,311X1X15 6,5 После волочения 1 0,17

59. Начальник лаборатории ( ^ )

60. Лаборант (инженер ТО КП) ( Ж^СЯМоЗа )

61. Протокол касается только образцов, подвергнутых испытанию. Частичной перепечатке без согласования с лабораторией не подлежит.

62. УТВЕРЖДАЮ»: начальник технологического отдела калибровочно-крепёжного производства /уу(Климуижина Л.А.)

63. России, 162600, Вопогодсная область, г Череповец, уш 50-вети« Опабра. 1Ш тек *7 (3302) 5Э9151/фале »7 (8202)533 520 e-mai [e-mail]