Актуальность работы. Стратегией развития металлургической промышленности России на период до 2020 года в качестве основных тенденций развития предусматривается освоение производство широкоформатного проката для толстостенных труб большого диаметра, и повышение качественных характеристик 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 служебных свойств стального проката обеспечивается без увеличения количества дорогостоящих 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 металлургических предприятиях России и Украины, а так же ограниченности длины отводящих рольгангов действующих прокатных станов, становится актуальной 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 регламентированного 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 России по теме № 02.740.11.0152. Согласно им проведены промышленные и стендовые исследования, разработаны технические задания и проектно-конструкторская документация, изготовлено и поставлено оборудование, выполнены пуско-наладочные работы на устройствах для регулируемого охлаждения толстолистового проката и определены их режимные параметры при термоупрочнении реального сортамента обоих предприятий.
Цель работы: разработка режимных и конструктивных параметров устройств регулируемого охлаждения толстолистового проката различного марочного и размерного сортамента для реализации широкого спектра технологических процессов термического упрочнения и внедрение их в условиях действующих предприятий: МК «Азовсталь» и ЧерМК-ОАО «Северсталь».
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определение технологических и технических требований к устройствам регулируемого охлаждения толстолистового проката с прокатного нагрева (в потоке стана) и после специального нагрева.
2. Использование результатов численного моделирования процессов теплообмена, протекающих при ускоренном охлаждении толстого листа, для определения 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 печного нагрева. Разработка режимов работы охлаждающих устройств, обеспечивающих реализацию различных технологий термоупрочнения.
5. Анализ опыта промышленной эксплуатации АСУ ТП устройства контролируемого охлаждения в потоке стана 5000 ЧерМК-ОАО «Северсталь».
Научная новизна:
1. На основе физического и математического моделирования процессов теплообмена разработаны принципы построения систем регулируемого охлаждения толстолистового проката, позволяющие реализовать в одном агрегате различные технологии термоупрочнения - прерванное ускоренное охлаждение, закалку и закалку с самоотпуском.
2. Разработаны конструкции раздающих коллекторов с плоскофакельными насадками, обеспечивающие высокую равномерность охлаждения по ширине и длине листа, и существенно более высокие, чем в зарубежных агрегатах, пределы регулирования скорости охлаждения - одного из главных параметров для обеспечения высокого уровня механических свойств.
3. Получены теплофизические характеристики устройств в виде зависимости плотности теплового потока ц от плотности орошения W (ц=£(^)), на основании 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, удовлетворяющей требования международных стандартов.
Достоверность полученных результатов диссертации обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик исследования в производственных и стендовых условиях, статистической обработкой экспериментальных и расчетных данных, воспроизводимостью полученных результатов и непротиворечивостью их литературным данным.
Практическая значимость. Разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию устройства ускоренного охлаждения за нормализационными печами в потоке стана 3600 МК «Азовсталь» и устройство контролируемого охлаждения в потоке стана 5000 ЧерМК-ОАО «Северсталь». Разработаны оптимальные 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 термоупрочнения листов различного марочного и размерного сортамента, обеспечивает получение температуры конца охлаждения с отклонением от заданной не более 3%.
На защиту выносится:
1. Комплекс требований к устройствам регулируемого охлаждения толстолистового проката и особенности функционирования АСУ ТП многосекционных устройств ускоренного охлаждения.
2. Теплофизические особенности организации процесса термоупрочнения толстолистового проката с постоянной и переменной во времени интенсивностью охлаждения, обеспечивающего заданные технологические ограничения.
3. Конструкции раздающих коллекторов с плоскофакельными насадками, обеспечивающие равномерную раздачу воды, в том числе «грязного» оборотного цикла низкого давления (до 0,04 МПа), определяющие геометрические размеры плоскофакельныых насадков и величина расходного коэффициента коллектора ц.
4. Определяющие теплофизические зависимости плотности теплового потока с] от плотности орошения W (ц=1?(’^) 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 доложены на: 9-й научно-технической конференции молодых специалистов и ученых Урала «Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов», Свердловск, г.; II Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества металлопроката путем термической и термомеханической об-работки», Днепропетровск, 1985 г.; семинаре «Современное оборудование и технология термической и химико-термической обработки металлических материалов», Москва, МДНТП, 1986 г.; конференции «Проблемы качества и совершенствования оборудования тяжелого, энергетического, транспортного и химического машиностроения», Свердловск, НИИТяжМаш, 1986 г.; 10-й научно-технической конференции молодых ученых и специалистов Урала «Проблемы 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 научно-технической конференции молодых ученых «Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов», Свердловск, 1988 г.; Всесоюзной научно-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 научно-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 международных 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 изложена на 170 страницах, содержит 72 рисунка, 31 таблицу, 2 приложения и библиографический список из 216 источников.
1. Сформулированы требования к устройствам регулируемого (ускоренного контролируемого) охлаждения толстолистового проката. Показано, что одним из важнейших параметров, характеризующих технологические возможности охлаждающего устройства, является диапазон регулирования среднемассовой скорости охлаждения для листов различной толщины.
2. Определены с применением численного моделирования параметры и разработана конструкция устройств ускоренного охлаждения после нормализационных печей стана 3600 МК «Азовсталь».
3. Разработана конструкция коллекторов плоскофакельного охлаждения, обеспечивающих равномерное распределение охладителя (воды) по всей поверхности широкого листа при работе на оборотной воде прокатного цеха (высокая загрязненность, давление в интервале 0,02...0.3 МПа), определен расходный коэффициент ц для коллекторов данной конструкции.
4. Введены в промышленную эксплуатацию устройства ускоренного охлаждения после нормализационных печей стана 3600 МК «Азовсталь» и устройство контролируемого охлаждения в потоке стана 5000 ЧерМК-ОАО «Северсталь». Определены фактические теплофизические параметры (q=f(W)) вышеуказанных охлаждающих устройств, на основании которых проведена адаптация математической модели для каждого устройства. Построена номограмма определения расхода воды на секции УКО по заданным температуре конца охлаждения и скорости охлаждения. Разработаны режимы работы устройств для термоупрочнения толстолистового проката различного марочного и размерного сортамента.
5. Установлено, что по возможности регулирования среднемассовой скорости охлаждения каждое из разработанных устройств обеспечивает реализацию различных технологических процессов (термоупрочнение, закалка с само-отпуском и без него, контролируемая прокатка и т. п.), в то время как за рубежом 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 Flat Jet фирмы «Spraying Systems». Равномерность распределения механических свойств по площади листа, термоупрочнённого в УКО стана 5000, не уступает результатам, достигнутым на зарубежных устройствах регулируемого охлаждения.
7. Проведён анализ работы АСУ устройства контролируемого охлаждения в потоке стана 5000, позволяющей моделировать и сразу реализовывать новые технологические режимы охлаждения широкого толстолистового проката. Выявлены особенности, учет которых обязателен при разработке АСУ охлаждающих устройств для термоупрочнения проката. Установлено, что разработанная во ОАО «ВНИИМТ» математическая модель процесса охлаждения, адаптированная к устройству контролируемого охлаждения, позволяет с достаточно высокой точностью (до 3%) осуществлять оперативное управление процессом термоупрочнения и обеспечивать высокую точность обеспечения требований стандартов на готовый прокат.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
