Актуальность темы. В 2008 году Правительством Российской Федерации была утверждена Стратегия развития железнодорожного транспорта в России до 2030 года, которая предусматривает расширение сети железных дорог. Рельсы и рельсовые скрепления являются основными элементами верхнего строения пути, которые в значительной степени определяют безопасность и скорость движения составов по железной дороге. В свою очередь, одним из ответственных элементов рельсового стыка является рельсовая накладка. Российскими стандартами предъявляются высокие требования к механическим свойствам накладок, для обеспечения которых необходима термическая обработка. В соответствии с ГОСТ 4133-73 рельсовые накладки подвергают объёмной закалке в масле, что является неуправляемым, неэкологичным и дорогостоящим процессом. Эта технология требует не только сложного сопутствующего оборудования, но и оборудования по утилизации отработанного масла, а работа персонала происходит в тяжёлых условиях. Невозможность регулирования скорости охлаждения в различных температурных интервалах не всегда позволяет обеспечить после термообработки оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств изделий, минимизировать напряжения. Существуют технологии ускоренного охлаждения, где в качестве охлаждающего агента используются струи воды, что делает технологический процесс экологически чистым и экономичным. Применением технологий ускоренного охлаждения можно успешно заменить закалку изделий в масляных, щелочных, селитровых баках, таким образом, устранить пожароопасность, загрязнение окружающей среды, вредность для здоровья персонала, проблемы старения и утилизации охладителей, существенно можно понизить себестоимость готовых изделий за счёт уменьшения процентного содержания легирующих добавок. Возможность управления скоростью охлаждения за счёт изменения плотности орошения т позволяет получить требуемую структуру металла, а, следовательно, стабильные значения механических свойств и служебных характеристик, что недостижимо для изделий, закаливаемых погружением в бак. Особенно актуальна возможность управления процессом охлаждения для несимметричных разномассивных изделий, к которым относится рельсовая накладка. Технологии ускоренного водяного охлаждения реализованы для ряда изделий простой формы: пруток, толстый лист и др., а также опробованы для изделий сложной формы - рельсовая подкладка, головка рельса, насосная штанга. Таким образом, разработка тепловых режимов (технологии) ускоренного охлаждения рельсовой накладки и конструкции охлаждающего устройства является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка технологии и конструктивных параметров работы устройства ускоренного струйного водяного охлаждения рельсовой накладки Р50 и Р65 из рельсовой полосы различного химического состава и внедрение этой технологии и устройства на участке производства рельсовых накладок филиала ОАО «ЕВРАЗ НТМК» - Нижнесалдинский металлургический завод (НСМЗ).
Задачи исследования:
1. Провести математическое моделирование процесса охлаждения рельсовой накладки как в баке с маслом, так и струями воды с учётом специфики закономерностей теплообмена на поверхности изделия при объёмном охлаждении в масле и струйном водяном.
2. Определить на основе математического моделирования процесса струйного водяного охлаждения основные конструктивные и режимные параметры устройства.
3. Провести экспериментальное исследование процесса струйного водяного охлаждения накладки в стендовых условиях для получения экспериментальных зависимостей динамики температуры поверхности накладки от режимных параметров работы устройства, для адаптации математической модели, определения режимов работы устройства, при которых достигаются требования к механическим свойствам и прямолинейности накладки, для уточнения конструктивных параметров устройства.
4. Внедрить в эксплуатацию промышленное устройство струйного водяного охлаждения рельсовой накладки. Определить технологические режимы работы устройства в условиях производства, при которых достигаются требования к качеству накладок, изготовленных из полосы различного химического состава.
5. На основе экспериментальных данных охлаждения накладки в промышленном устройстве адаптировать математическую модель для расчёта процесса струйного водяного охлаждения несимметричных изделий с разномассивными элементами.
Для решения поставленных задач:
1. Проведено математическое моделирование охлаждения накладки в объёме масла на основе зависимости среднего коэффициента теплоотдачи от температуры поверхности изделия, полученной по данным разных авторов. Моделирование осуществлялось с применением ранее разработанной в ОАО «Научно-исследовательском институте металлургической теплотехники» - ОАО «ВНИИМТ» математической модели, в основе которой - решение двумерного уравнения нестационарной теплопроводности с учётом зависимости теплофизических характеристик материала от температуры.
2. Проведено математическое моделирование процесса струйного охлаждения рельсовой накладки с учётом зависимости плотности теплового потока на её поверхности от плотности орошения водой, полученной при охлаждении плоского раската.
3. Проведены исследования процесса охлаждения накладки на экспериментальной установке Центра новых систем охлаждения и термоупрочнения металлов ОАО «ВНИИМТ». Установка оснащена современным измерительным комплексом, предел погрешности которого не превышает значений, допустимых для инженерных экспериментов. При анализе результатов были использованы методы расчётно-статистического анализа.
4. Проведены исследования процесса охлаждения накладки на промышленном устройстве, смонтированном на участке производства накладок цеха рельсовых скреплений филиала ОАО «ЕВРАЗ НТМК» - Нижнесалдинский металлургический завод.
5. Получены экспериментальные данные, на основании которых была адаптирована математическая модель охлаждения накладки струями воды.
Научная новизна
1. Получены экспериментальные и расчётные данные по изменению температурного поля накладки в процессе её струйного водяного охлаждения.
2. Определены конструктивные характеристики и технологические параметры устройства охлаждения, установлены соотношения расходов на поверхности элементов рельсовой накладки (верхняя, нижняя, боковая поверхности) разной массивности, при которых обеспечиваются прямолинейность изделия и требуемые механические свойства.
3. Получены зависимости плотности теплового потока от плотности орошения при струйном водяном охлаждении рельсовой накладки для адаптации математической модели.
Практическая значимость
1. Разработано и внедрено в промышленную эксплуатацию в цехе филиала ОАО «ЕВРАЗ НТМК» - Нижнесалдинский металлургический завод устройство ускоренного струйного водяного охлаждения рельсовой накладки, в котором реализована экологически чистая технология.
2. На промышленном устройстве обработаны партии накладок из накладочной полосы производства ОАО «Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» и ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», отличающиеся содержанием углерода. Получены механические свойства накладок, соответствующие требованиям нормативной документации.
3. Математическая модель адаптирована для расчёта струйного водяного охлаждения тела несимметричного профиля с разномассивными элементами и может быть использована для прогнозного расчёта конструкции устройства ускоренного охлаждения фасонного проката.
На защиту диссертации выносятся следующие положения:
1. Результаты математического моделирования процесса охлаждения накладки как в масляном баке, так и струями воды.
2. Конструкция устройства струйного водяного охлаждения и технология охлаждения в нём, обеспечивающие получение требуемых механических свойств и прямолинейность рельсовой накладки.
3. Аналитические зависимости плотности теплового потока от плотности орошения в промышленном устройстве струйного водяного охлаждения рельсовой накладки.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на XVI Уральской международной конференции молодых учёных. Секция «Металлургия» (Екатеринбург, 2009 г.); I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2012 г.); на IX Конгрессе прокатчиков (Череповец, 2013 г.); II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2013 г.); научно-практической конференции с международным участием и элементами школы для молодых учёных «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершённых фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2013 г.); the first International Conference «Energy Production and Management in the 21st Century - the Quest for Sustainable Energy» (Yekaterinburg, 2014); международной научно-практической конференции «Творческое наследие В.Е. Грум-Гржимайло» (Екатеринбург, 2014 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатской диссертации.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, и 11 приложений, содержит 136 страниц, 49 рисунков и 24 таблицы по тексту, 17 формул.
Исследование процесса ускоренного струйного водяного охлаждения рельсовой накладки определило перспективность данной технологии для проката, элементы которого обладают различной массивностью. Основными доводами для такого заключения являются результаты выполненной работы.
На основе анализа данных научно-технической литературы показано, что управляемость процессом охлаждения проката несимметричного профиля можно обеспечить применением дифференцированного струйного охлаждения. Существующий традиционный способ закалки рельсовой накладки в объёме масла не способен обеспечить одинаковые условия охлаждения разномассивных элементов накладки, поэтому разработка конструкции устройства ускоренного струйного водяного охлаждения и определение тепловых режимов его работы представляло актуальную инженерную задачу.
Проведено математическое моделирование процесса охлаждения накладки в объёме масла на основе анализа результатов экспериментальных данных по охлаждению изделий в масляном баке ряда авторов. Определено, что по причине разномассивности профиля изделия охлаждение головок и шейки происходит с разной интенсивностью. Полученные результаты среднемассовых скоростей охлаждения послужили основой предварительного математического моделирования технологии ускоренного струйного охлаждения рельсовой накладки и разработки конструкции устройства и основных тепловых режимов его работы.
Проведено математическое моделирование процесса охлаждения накладки при струйном водяном охлаждении, для задания граничных условий использованы зависимости плотности теплового потока от плотности орошения, полученные при ускоренном охлаждении плоского раската. Определены плотности тепловых потоков для разномассивных элементов накладки, уточнены конструктивные параметры экспериментального устройства ускоренного охлаждения.
Проведённые экспериментальные исследования процесса охлаждения накладки в опытном устройстве позволили адаптировать математическую модель, т.е. уточнить граничные условия процесса. В дальнейшем это позволяет использовать модель при охлаждении накладки в устройствах подобного вида без проведения экспериментов.
Экспериментальное устройство явилось прототипом промышленного, установленного на участке производства рельсовых накладок цеха рельсовых скреплений филиала ОАО «ЕВРАЗ НТМК»-НСМЗ в рамках договора ДГНТ 3.00.3063/661 от 15.01.2011 г. на проведение промышленных и экспериментальных исследований, разработку технических заданий и проектно-конструкторской документации, изготовления и поставки оборудования, выполнения пуско¬наладочных работ на линии производства рельсовых накладок. Таким образом, при строительстве нового участка внедрена технология ускоренного струйного водяного охлаждения взамен традиционной - охлаждение в объёме масла.
Также были уточнены конструктивные параметры и определены тепловые режимы работы промышленного устройства, на которых обеспечиваются требования к механическим свойствам накладки и её прямолинейности. В процессе проведения пуско-наладочных работ на промышленном устройстве были экспериментально определены аналитические зависимости плотности теплового потока от плотности орошения для каждой поверхности элемента накладки с различным химическим составом металла. Эти зависимости использованы при установлении тепловых режимов охлаждения рельсовых накладок в устройстве закалки накладок. В результате промышленного освоения системы ускоренного охлаждения, выпускаемые предприятием рельсовые накладки удовлетворяют требованиям нормативной документации к механическим свойствам и прямолинейности.
Опыт эксплуатации устройства закалки накладок с использованием ускоренного струйного водяного охлаждения подтвердил достоинства этой технологии по энергоэффективности, ресурсосбережению и экологичности.
Полученные аналитические зависимости плотности теплового потока от плотности орошения водой, методика подхода к выбору параметров тепловых режимов охлаждения на завершающих стадиях выпуска проката, подтвержденные промышленным опытом освоения технологии струйного водяного охлаждения рельсовых накладок, могут успешно применяться при проектировании устройств ускоренного охлаждения проката несимметричного профиля, имеющего разномассивные элементы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
