CC BY
42
https://orcid.org/0000-0003-4657-9006 https://orcid.org/0000-0002-9364-9495
УДК 621.771.23.024.2
Г.Г. ГРАБОВСКИЙ*, Н.Г. ИЕВЛЕВ**
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ГИДРОСБИВА ОКАЛИНЫ ДЛЯ СТАНА ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ
ГНПК «Киевский институт автоматики», г. Киев, Украина
Институт проблем математических машин и систем НАН Украины, г. Киев, Украина_
Анотаця. Одним i3 найважливших показниюв якост1 прокату е чистота його поверхт, яка, у свою чергу, визначаеться наявтстю або вiдсутнiстю поверхневих дефектiв. До^дження, проведет на рядi товстолистових статв, показали, що лише невелика частина прокатаног продукцп (близько 10%) не вимагае зачистки з використанням абразивних iнструментiв. У даний час най-бшьш ефективним i економiчним способом видалення первинног окалини е гiдравлiчний, реалiзова-ний струменем води, що б'е з сопла тд високим тиском. У статтiрозглянутi принципирозрахун-ку параметрiв пристрою гiдрозбивання окалини з роторними головками. Використано експериме-нтальн дан для наближеного вибору параметрiв струменя гiдрозбивання. Показано, що ефекти-втсть видалення окалини iстотно пов'язана з маркою сталi, що протюстровано вiдповiдними графтами, а також зi швидюстю рiдини на виходi обертових роторних головок. Розглянуто фун-кцИ' автоматизованог системи гiдрозбивання окалини для стану гарячог прокатки, наведено стру-ктурну схему комплексу техтчних засобiв, проаналiзовано основн принципи побудови системи. Описан вище техтчн ршення, що включають нову високоефективну енерго- i ресурсозберiгаючу технологт гiдроочищення поверхн металу, техтчю засоби високого тиску води i автоматизова-ну систему управлтня обладнанням високого тиску, яка реалiзуе розроблену технологт, викорис-тан в автоматизоватй системi гiдрозбивання окалини (АС ГЗО), впроваджетй у промислову експлуатацю на товстолистовому стан 2800. Ця розробка може бути впроваджена практично на вах металургтних комбтатах Украгни та крагн ближнього зарубiжжя.
Ключов1 слова: прокатний стан, гiдрозбивання, роторн головки, параметри струменя, автома-тизована система гiдрозбивання окалини, економiчна ефективтсть.
Аннотация. Одним из важнейших показателей качества проката является чистота его поверхности, которая, в свою очередь, определяется наличием или отсутствием поверхностных дефектов. Исследования, проведенные на ряде толстолистовых станов, показали, что лишь небольшая часть прокатанной продукции (около 10%) не требует зачистки с использованием абразивных инструментов. В настоящее время наиболее эффективным и экономичным способом удаления первичной окалины является гидравлический, реализуемый струёй воды, бьющей из сопла под высоким давлением. В статье рассмотрены принципы расчета параметров устройства гидросбива окалины с роторными головками. Использованы экспериментальные данные для приближенного выбора параметров струи гидросбива. Показано, что эффективность удаления окалины существенно связана с маркой стали, что проиллюстрировано соответствующими графиками, а также со скоростью жидкости на выходе вращающихся роторных головок. Рассмотрены функции автоматизированной системы гидросбива окалины для стана горячей прокатки, приведена структурная схема комплекса технических средств, проанализированы основные принципы построения системы. Описанные выше технические решения, включающие новую высокоэффективную энерго-и ресурсосберегающую технологию гидроочистки поверхности металла, технические средства высокого давления воды и автоматизированную систему управления оборудованием высокого давления, реализующую разработанную технологию, использованы в автоматизированной системе гидросбива окалины (АС ГСО), которая внедрена в промышленную эксплуатацию на стане толстолистовом 2800. Эта разработка может быть внедрена практически на всех металлургических комбинатах Украины и стран ближнего зарубежья.
Ключевые слова: прокатный стан, гидросбив, роторные головки, параметры струи, автоматизированная система гидросбива окалины, экономическая эффективность.
© Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., 2020
ISSN 1028-9763. Математичш машини i системи, 2020, № 1
Abstract. One of the most important indicators of the rolling quality is the cleanliness of its surface, which in turn is determined by the presence or absence of surface defects. Studies conducted on a number of rolling mills have shown that only a small part of the rolled products (about 10%) do not require stripping using abrasive tools. Currently, the most effective and economical way to remove primary scale is hydraulic, realized by a jet of water, beating from a nozzle under high pressure. The paper discusses the principles of calculating the parameters of the descaling device with rotor heads. The experimental data are used for an approximate choice of the hydroblow jet parameters. It is shown that the efficiency of descaling is significantly related to the grade of steel, which is illustrated by the corresponding graphs, as well as with the fluid velocity at the outlet of the rolling rotor heads. The functions of an automated descaling system for a hot rolling mill are considered, a block diagram of a set of technical equipment is given, and the basic principles of building a system are analyzed. The technical solutions described above, including a new highly efficient energy and resource-saving technology for hydrotreating a metal surface, high-pressure water technology and an automated control system for high-pressure equipment that implements the developed technology, were used in an automated hydrodescaling system (AHDS), which was put into commercial operation on a rolling mill 2800. This development can be implemented in almost all metallurgical plants in Ukraine and neighboring countries.
Keywords: rolling mill, hydrodescaling, rotor heads, jet parameters, automated hydrodescaling system, economic efficiency.
DOI: 10.34121/1028-9763-2020-1-110-127
1. Введение
Одним из важнейших показателей качества проката является чистота его поверхности, которая, в свою очередь, определяется наличием или отсутствием поверхностных дефектов. Исследования, проведенные на ряде толстолистовых станов, показали, что лишь небольшая часть прокатанной продукции (около 10%) не требует зачистки с использованием абразивных инструментов.
В настоящее время в основном применяют следующие способы удаления первичной печной окалины: механический - с применением окалиноломателей; фрезерный; огневой; паровзрывной - с использованием лунчатых валков; гидравлический [1, 2].
Как показала практика, наиболее эффективным и экономичным способом удаления первичной окалины является гидравлический, реализуемый струёй воды, бьющей из сопла под высоким давлением. В работах [1, 2] сформулирован комплексный механизм гидравлического удаления окалины, состоящий из 4-х компонент:
- механическая компонента струи, определяемая давлением удара, приводящего к взламыванию корки окалины;
- термическая компонента, которая является следствием резкого снижения температуры (термический удар), приводящая к растрескиванию окалины вследствие разницы термической усадки с основным металлом;
- пневматическая компонента, возникающая в результате взрывного парообразования, что дополнительно дробит и удаляет окалину;
- гидравлическая компонента, то есть смыв окалины горизонтальной составляющей струи, образовавшейся вследствие преломления о поверхность металла струи из сопел и которая также является функцией ударного давления струи.
При гидравлическом способе очистки в качестве рабочей среды используют воду под большим давлением, а непосредственно исполнительным устройством является сопло, назначение которого состоит в создании струи воды, и подвод её в определённой форме с высокой скоростью к раскалённой поверхности, чтобы не только взорвать слой окалины, но и быстро удалить её с поверхности заготовки.
В большинстве применяемых в Украине и странах ближнего зарубежья системах гидросбива окалины струя воды подается под сравнительно низким давлением - в диапазоне 8-15 МПа. Эти системы не обеспечивают создание необходимого скоростного напора
струи воды, способного эффективно очищать заготовки от окалины. На слябах остаются зоны с неполной очисткой от окалины, что снижает качество проката и допускает брак. Сопла, используемые в этих системах, имеют относительно большие диаметры выходных отверстий (5-8 мм) и устанавливаются на специальные траверсы. На каждой из них несколько десятков сопел (20-40 в зависимости от ширины прокатываемого раската). Вдоль линии прокатки имеется несколько мест установки таких траверс, чем обусловлен большой расход воды (до 5000 м /ч), что, в свою очередь, требует установки соответствующих электродвигателей, мощность которых достигает нескольких тысяч киловатт. Также следует отметить, что из-за отсутствия современных систем и средств автоматики затраты электроэнергии при работе существующих систем гидросбива окалины в несколько раз превышают необходимые [3].
Над созданием эффективных и менее энергоемких систем гидросбива окалины работают многие зарубежные фирмы. Например, японской фирмой «Сумитомо Кендзеку Коту К.К.» предложена система с регулировкой расхода жидкости на основе предварительно установленного соотношения между маркой стали, толщиной полосы, температурой смотки, скоростью транспортировки полосы и расхода жидкости на единицу поверхности, очищаемой от окалины полосы. Западные фирмы разработали систему гидросбива с рабочим давлением 20-50 МПа и уменьшенным расходом воды [3].
Применение аналогичных систем гидроcбива в Украине и странах ближнего зарубежья сдерживалось до недавнего времени из-за отсутствия надежной водоструйной техники с плунжерными насосами и роторными головками на давление 60 МПа и выше. Сейчас такая техника создана и успешно применена в Украине на толстолистовом стане 2800 при создании автоматизированной системы гидросбива окалины (АС ГСО) [4]. Полученные результаты очистки слябов от окалины позволили проверить теоретические зависимости, описывающие технологические параметры гидроочистки проката [5, 6].
2. Принципы расчета технологических параметров устройства гидросбива с центро-
бежными роторными головками
Рассмотрим принципы расчета технологических параметров устройства гидросбива с центробежными роторными головками для автоматической настройки системы на каждый конкретный сляб [6].
Эффективность работы системы оценим критерием качества
К, =
'S - S Л
слг о.зад!
V
V
— к
зад! '
Фактическая реализация критерия качества выразится аналогично:
к
факт1
rS -S Л
слг о. факт!
V $ cm
Тогда математически задача ставится следующим образом. Определить параметры настройки автоматизированной системы управления устройством гидравлического удаления окалины - P, Q, vCJI, h, обеспечивающие минимум целевой функции F,
mm F4 = гшо[ст(Кфакт1 - K:aoi)]
с соблюдением ограничений:
Q<Q^ ,Р< Л ,h<h . ,v <v At <A t . ,
zl, xL-ôon ' don ' min5 сл сл.min, пов пов.ооп5
где Рц - целевая функция качества процесса управления (показатель качества), характеризующая степень очистки поверхности сляба от окалины; Бсл,80 - площади поверхностей сляба - полная и очищенная от окалины; с - среднеквадратичное отклонение показателя качества; Р, Рдоп - давление воды в системе гидросбива и его допустимое значение; Q, Qдon - полный расход жидкости в системе и его допустимое значение; усл, ^лтт - скорость движения сляба в камере гидросбива и ее минимально допустимое значение; к, к^т - расстояние от сопла до поверхности сляба в камере гидросбива и его минимально допустимое значение; &пов, &пов доп - фактическое и допустимое снижение температуры поверхности
металла в камере гидросбива; / = \ ...пп, где / - номер сляба; пП - количество слябов в каждой данной партии.
В существующем стандарте на качество поверхности горячекатаного металла отсутствуют количественные требования к чистоте поверхности листов. Это обстоятельство следует понимать так, что вся поверхность каждого листа (заготовки) не должна содержать пороков прокатного процесса. Таким образом, должно выполняться условие 8а зад = 8су и
КзаЫ = 0. Тогда целевая функция Р принимает вид
К =тт[а(Кфп:т)] = тт
а
Ч -V л
(1)
$слг
С другой стороны, Рц представляет собой функцию с векторным аргументом
Рц=КРуд,<2уд,ч>ок,°ок), (2)
компоненты которого являются технологическими параметрами системы и физическими свойствами окалины: Руд - удельное давление удара струи гидросбива на единицу площади поверхности сляба; О д - удельный расход жидкости на единицу площади поверхности сляба; \\!ог - количество окалины на поверхности сляба; о0К - прочность сцепления окалины с поверхностью сляба.
Зависимости для определения параметров Руо. О д, мгок, о0К приведены в [6]. Удельное давление струи гидросбива
Р - -
уд~ 8 ~ 8 ' ( } где Р д - полная сила удара струи на поверхности сляба в зоне следа сопла, £ - площадь следа сопла, ^ - расход жидкости через сопло:
<2сп = , (4)
где // - коэффициент рас хода, - сечение выходного отверстия сопла, V - скорость
струи, р - плотность воды, ¡л- ал- .—, а, В — константы, Яе - число Рейнольдса.
уЯе
Удельный расход жидкости
(5>
В V В V
сл сл сл сл
где п - количество сопел гидросбива, 5СЛ - ширина сляба. Количество окалины на поверхности сляба:
= £(1>/г ехр
ЯТ
где к() - коэффициент пропорциональности, т - время пребывания сляба в печи, Оэ - энергия активации, Я - газовая постоянная, Т - температура нагрева сляба. Прочность сцепления окалины с металлом:
(Т.
■аОК{С,81,М,Тсг).
(7)
где С, 8г, N - процентное содержание в стали углерода, кремния, никеля и т.п., Тг - тем
пература поверхности сляба в зоне гидросбива.
Потери тепла в камере гидросбива определяются согласно выражению [7]
к 0(Т -ТА
сг во'
М =
пов
1;слЯсл
(8)
где ^ - коэффициент пропорциональности, Твй - температура воды в системе гидросбива, Нсл - толщина сляба.
Решение системы уравнений (2)-(8) дает значения вышеупомянутых параметров устройства управления гидросбивом печной окалины для любой, наперед заданной марки стали с учетом окисляющих характеристик применяемого топлива и времени нагрева заготовки в печи. Основная трудность при решении такой математической задачи состоит в том, что в настоящее время отсутствуют аналитические зависимости, связывающие прочность сцепления окалины конкретной марки стали с поверхностью горячего металла, а также зависимости, характеризующие необходимую силу удара струи о поверхность заготовки и гарантирующие полное удаление данного вида окалины с очищаемой поверхности.
Однако в течение последних лет в мире накоплено достаточное количество экспериментальных данных, дающих такие связи для довольно широкого набора марок сталей как углеродистых, так и легированных, которые могут быть использованы в качестве первого приближения для выбора необходимых параметров струи устройства гидравлического удаления окалины. На рис. 1 представлены характеристики взаимозависимости удельного удара струи и удельного расхода жидкости на единицу поверхности очищаемой заготовки (ограничительные характеристики), гарантирующие полное удаление окалины для ряда сталей [8]. Область справа от прямых определяет необходимые параметры струи, обеспечивающие полную очистку окалины. Результаты этих исследований показывают, что слябы из нелегированных (углеродистых) марок стали легко очищаются от окалины. Удельное давление удара, равное 0,1 МПа, бывает достаточным даже при низком расходе воды. Практически при высоте
1 80ч
О 60_
о яЗ
& 40
ж
3 и
5 20
о
^ —
0 10,5 И 11,5 Удельный удар (МПа)
Рисунок 1 - Условия полной очистки для
разных сталей: 1 - раскисленной алюминием с 0,04%С; 2 - нелегированной углеродистой стали с 0,2%С; 3 - кремниево-марганцевой стали; 4 - низколегированной стали с 0,5%№,Сг,Мо; 5 - стали с 3%№,Сг; 6 - автоматной стали
сопел 100 мм давление в системе должно составить 4 МПа. Раскисленные стали при содержании 0,04% С для уверенной очистки требуют удельное давление удара 0,2 МПа. Низколегированная сталь с 0,5% №, Мо требует большего количества воды, чем чисто углеродистая сталь. Стали с содержанием 3%№,Сг имеют липкую окалину, требующую давления удара около 0,4 МПа и небольшого количества воды для ее удаления. При ударе 0,4 МПа и скорости движения заготовки 0,5 м/с возможно удаление основного слоя окалины, но остается шероховатый слой остаточной окалины толщиной около 0,2 мм.
Однако кремнисто-марганцевые стали формируют чрезвычайно липкую окалину, требующую для своего удаления удельного удара свыше 1,5 МПа при удельном расходе воды 25 л/м2. При скорости заготовки 1 м/с и давлении в системе 21 МПа полного удаления не получается даже при высоте установки сопел 75 мм. Гарантированная очистка может быть обеспечена при высоте установки сопел 50 мм, что практически невыполнимо, и системном давлении 30 МПа. При высоте установки сопел 100 мм и выше системное давление должно быть значительно увеличено, в то же время на упомянутых сталях, как правило, остается слой остаточной окалины, который не может быть удален даже в ходе вторичного пропуска через гидросбив.
Представленные на рис. 1 характеристики аппроксимируются уравнением прямой в отрезках на осях, которое в нашем случае будет иметь вид
Руд О-уд
+ -=^- = 1,
PРуд max Оуб max
где P д, Q д - искомые параметры струи гидросбива, рйпих, Qydmia - константы, характерные для конкретной марки стали.
Для гарантированного удаления окалины на данной марке стали, согласно этому уравнению, при некотором заданном значении расхода воды Q д и скорости сляба Усл необходимое значение удельного удара определяется условием
р <р
уд yd max
<2,
(9)
уд max J
Связь давления удара с площадью следа струи на поверхности стали и с высотой установки сопла осуществляется зависимостью (3) и формулой (13).
В табл. 1 приведены химический состав сталей, соответствующих представленным на рис. 1 характеристикам, а также константы уравнения (9) ^йпих, ^ для этих сталей.
Таблица 1 - Химический состав сталей, соответствующих рис. 1
Обозначение стали Химический состав Константы уравнения (9)
C Si Mn P S Cr Mo Ni Al P уд макс Qyd макс
0,04%С 0,04 0,02 0,36 0,008 0,019 0,06 0,01 0,04 0,11 0,2 130
0,15%C 0,15 0,28 0,57 0,017 0,020 0,11 0,03 0,12 0,02 0,15 80
SiMn 0,59 1,81 0,86 0,014 0,014 0,20 0,02 0,10 0,02 1,8 135
0,5%NiCrMo 0,18 0,22 0,83 0,012 0,015 0,56 0,22 0,65 0,024 0,3 45
3%NiCr 0,14 0,25 0,54 0,011 0,030 0,85 0,03 3,24 0,04 0,5 160
Необходимый для качественной очистки сляба удельный объем воды Q3yaдд является функцией количества окалины , образовавшейся при нагреве,
Q3f=Q3f(w ).
г^уд Z^vo \ OK У
уд
В свою очередь, эта величина является функцией конкретных условий нагрева металла в печи и химсостава стали. В простейшем случае она определяется формулой (6). В общем виде представляет собой сложную функцию с векторным аргументом
м>ок=м>ок(т,02Т,СЖСгМХ
где г - время нагрева заготовки, 02 - содержание кислорода в атмосфере печи, Т - температура сляба на выходе из печи, С, Сг, N - процентное содержание углерода, кремния, хрома и никеля в стали.
В связи с отсутствием в настоящее время аналитических связей между этими переменными, вышеупомянутые зависимости могут быть представлены в виде регрессионного полинома:
к к к
Qg = Q3yt ) = ?о + Е + z +1 wi
(10)
где i/o,£/,,,i/„ - коэффициенты регрессии, л*,,!*,,(/, / = 1 ...к) - аргументы полинома х = (т,02,Т,С, Si,Cr, Ni).
Коэффициенты регрессии определяются с применением известных статистических методов планирования эксперимента [9].
Уравнения (9) и (10) позволяют в первом приближении задать удельный расход и давление удара (удельную силу удара) на слябе данного типоразмера и марки стали. Для круглого неподвижного сопла, расположенного на расстоянии (высоте) h от поверхности и под углом р относительно нормали к поверхности сляба (угол атаки), полная сила удара определяется согласно выражению [ 10]
Fyd - pQvcosfi - pscnv2 cosp = 2//scnPcosp, (11)
где p - плотность жидкости, /л - коэффициент расхода сопла, scn - выходное сечение сопла, v - скорость струи на выходе из сопла, Р - давление жидкости на входе в сопло.
Из последнего выражения с учетом (3) определяется необходимое рабочее давление
в системе:
Р = -
FydS
2/л scncosP
(12)
Здесь площадь следа струи сопла на поверхности сляба вычисляется по формуле
(рис. 2)
S - 7th7
sin
а 2
Г а>
COS Р COS Р -
V 2
(13)
J J
где а - угол расхождения струи на выходе сопла.
Полное значение расхода воды всей установкой гидросбива определяется из зависимости
2
С?поля п<2с„ '
где п - полное количество сопел, 02сп - см. формулу (4). Из этого выражения определяется необходимое количество работающих насосов:
Фполн
где Q
Q.
номинальная производительность одно-
^нас
го насоса.
Из выражения (5) определяется необходимая скорость сляба в камере гидросбива:
Рисунок 2 - К определению площади следа сопла на поверхности сляба
должна удовлетворять условию
At =
пов
1;сл =
£?vA
(14)
Величина поверхностных теплопотерь в камере гидросбива согласно выражению (8)
кmQnonn (^сг ^во ) ^ л +доп
VcnHcn
< к.
(15)
В случае превышения теплопотерь по сравнению с этим неравенством осуществляется корректировка либо расхода воды, либо скорости сляба.
Для гидросбива с неподвижными соплами выражения (9)-(15) позволяют определить все вышеупомянутые технологические параметры настройки системы.
В устройстве гидросбива, оборудованном вращающимися центробежными роторными головками, сопла расположены на горизонтальных подводящих трубках и, кроме угла атаки ¡3, предназначенного для подрыва и смыва окалины с плоскости металла, повернуты относительно вертикальной оси головки на угол разгона у, обеспечивающий создание реактивного вращающего момента (рис. 3). Рабочая (очищающая) составляющая струи формируется проекцией вектора абсолютной скорости струи на плоскость атаки ПА. При этом выражение для силы удара (11) приобретает вид
(16)
проекция абсолютной
/\Г" = pQ* cos Рcos с=рО*р >
где v - абсолютная скорость струи относительно сляба, vp скорости на плоскость атаки ПА, s - угол между V и V р .
С другой стороны, необходимый удельный расход жидкости, определяемый для неподвижных сопел по формуле (5) в случае вращающихся сопел Qp,°m, следует обеспечить на дуге поверхности сляба соплами, расположенными на роторной головке,
Q
0рот _
уд ~
Ъ (OR
сп г г
(17)
где Ъсп - ширина следа струи вращающегося сопла на поверхности сляба, Яг - средний радиус следа струи при вращении головки, Яг = Яконст + htg/3, Яконст - конструктивный
радиус головки, со - угловая скорость вращения головки.
Искомая скорость движения сляба при работе гидросбива на роторных головках определяется из сравнения уравнений (5) и (17) при условии В = 2Яг (рис. 4).
VB
V
W(P)
Рисунок 3 - Кинематическая схема скоростей жидкости для вращающейся центробежной роторной головки
Рисунок 4 - К определению удельного расхода жидкости при роторном гидросбиве
(18)
Таким образом, в случае гидросбива с вращающимися центробежными роторными головками сила удара и скорость сляба определяются по формулам (16) и (18), учитывающим эффект вращения канала с жидкостью.
Входящая в (18) угловая скорость сог определяется из уравнения с момента количества движения для вращающегося сопла [10]:
М . - -рО R v ,
ко I z-scn г ги'
(19)
где 2СИ - расход жидкости на сопло, ^ - окружная составляющая абсолютной скорости жидкости V на выходе из сопла в плоскости вращения ПВ (рис. 3).
Согласно кинематической схеме скоростей роторной головки (рис. 3), в плоскости вращения ПВ имеет место векторное соотношение:
V, = М'г +иг,
(20)
где v - вектор проекции абсолютной скорости струи v на плоскость вращения, (горизонтальная составляющая v ), ws - вектор проекции относительной скорости струи w на плоскость вращения (горизонтальная составляющая w ), иг - окружная скорость сопла.
Из схемы скоростей в плоскости ПВ содержащаяся в уравнении (19) окружная составляющая Vu равна
vai = иг - и;, cos I// = co ll - и;, cos ///. (21)
Из (19) и (21) получаем
мкд = Р(1ЛЬ\\. соэу/ — Здесь значение расхода определяется из выражения
О = ш м> .
г^ сп г
(23)
Входящая в (21) и (23) горизонтальная составляющая относительной скорости wг определяется из уравнения Бернулли для сечений на входе и выходе вращающегося канала, в нашем случае - в коллекторе и на выходе вращающегося сопла:
w,
2„2
2 р
2
0)11
2Х
2 р
2
(24)
где w, - проекции относительной скорости струи на входе и выходе из сопла на плоскость вращения, а>1,сог - угловая скорость струи на входе и выходе канала, то есть на входе в трубку и на выходном срезе сопла, г, Яг - радиус вращательного движения в контрольных сечениях - на входе в трубку и на срезе сопла, р, Р2 - давление жидкости на входе в
трубку и на выходе из сопла.
В рассматриваемом случае
м;1=0,ео1=0 ,Рг = Рг = Р$Ш8,Р2 = О,
где Рг - горизонтальная составляющая вектора давления жидкости в сопле в плоскости вращения ПВ,
б = аг^^^Т^у. В результате уравнение (24) принимает вид
2Р=ри--роК/<% (25)
откуда получается выражение для проекции относительной скорости струи
=
I?
(26)
Подстановка (26) в (22) и (23) приводит к следующему выражению для момента количества движения:
мп> = РМ\Л
Г2 Р Л
о>2Х
V Р ;
С 051//-М?гКг
Согласно общему уравнению моментов вращающейся системы,
М, =М .
ко с
Входящий сюда момент сопротивления Ыс
М =М +М
пд ?
(27)
(28)
(29)
где Ытв - момент трения трубки с соплом о воздух, Мид - момент трения в подшипниках роторной головки.
Момент трения о воздух может быть рассчитан с применением формулы для силы лобового сопротивления, возникающей при обтекании цилиндрических тел (подводящей трубки головки и сопла) потоком воздуха [11]:
Рте=-СхРв8три\ (30)
где С - коэффициент лобового сопротивления, £ - площадь продольного сечения трубки, 8тр=1трс1тр,1тр,с1тр - длина и диаметр трубки, ре - плотность воздуха, и скорость потока.
Момент трения для элемента трубки роторной головки Д/ (или для элемента радиуса Аг) будет равен
т = /•' /• = (' /7 Д/ с/ и2г = С р Ш г3о)2, (31)
те те хге тр тр г хге тр г' 1 /
где с/ - диаметр трубки, г - текущий радиус соответствующего элемента Аг, и , - линейная скорость этого элемента.
Коэффициент лобового сопротивления Сх зависит от числа Рейнольдса. Для цилиндрической трубки
= (32)
V
где V - вязкость воздуха при температуре в камере гидросбива. В нашем случае Сх является степенной функцией скорости потока с показателем р « — 1.
Сх-Кх
f я Ур
тр , V V
V V ) USdmP ^rdmP
где ксх - коэффициент при степенной функции.
Тогда момент сопротивления на элементарной длине горизонтальной части трубки будет равен
ттег=ксх^РвГ2АгСОг. (34)
Полный момент сопротивления трения горизонтальной части вращающейся трубки
Мтвг = \{щтвг)dr =kcxvpno), \r2dr = -кс,ур,;0)Ж. (35)
о о
Вертикальная часть головки, образуемая соплом длиной /с, повернутым под углом атаки в сторону сляба, создает момент сопротивления
^твв=ка:Рву1Л>г- (36)
Суммарный момент сопротивления трения о воздух равен
1 9
М =М +М =-к р vR (R +31 )со (37)
те тег mee ^ сх^е г V г с-7 г- \ ' /
Момент трения в опорных подшипниках вычисляется по формуле [12]
Mnd=0,05Fedncp, (38)
где F - вертикальная составляющая реакции в подшипниках, J - средний диаметр подшипника.
С учетом (27), (37) и (38) уравнение моментов (28) принимает вид
Р^спК
Гпп Л \2Р ГТ
соб у/ - а>гЯг — + сог Яг
V
2 т-»2
— + (02Л р
р
= + ЮЧ +0,05/.,б/к/,. (39)
Пренебрегая моментом в подшипниках, простыми преобразованиями (возведение в квадрат, приведение подобных) это уравнение приводится к биквадратному уравнению относительно угловой скорости вращения а>г типа
а со4 + Ьог, = с, имеющему известные формулы для корней
^1,2,3,4 —'
-Ь±ф2-4ае
2а
Решение этого уравнения дает значение угловой скорости вращения роторной головки о>г и окружной скорости сопла иг, а по формуле (18) вычисляется необходимая скорость сляба в камере гидросбива.
Из схемы скоростей на рис. 4, согласно уравнению (20), определяется значение горизонтальной проекции абсолютной скорости V, модуль которого равен
V
л/^^^^со^^^. (40)
Искомая абсолютная скорость струи вращающейся головки V определяется из соотношения
V = ■
с оъ<р
к
где ср — агс!^ —. По выражениям (16) и (3) с учетом последнего соотношения определяются фактические значения силы полного ^ и удельного Р д ударов на поверхности сляба.
В случае отклонения значения удельного удара от необходимого по зависимостям (3), (9), (13) осуществляется корректировка либо высоты установки сопла к, либо давления жидкости в системе Р .
Описанные выше принципы расчета параметров настройки реализованы в АС ГСО, которая предназначена для контроля и управления технологическим процессом очистки от окалины поверхностей горячих заготовок (слябов) после нагрева в методических печах стана 2800 [13].
Система обеспечивает получение высококачественной поверхности листов после прокатки горячих заготовок (слябов) в черновой клети стана 2800 при минимизации трудовых, материальных и энергетических затрат. Минимизация материальных затрат обеспечивается за счет увеличения выхода кондиционной продукции и снижения расхода материалов, энергоносителей и т.п. [14]. Технико-экономические показатели эффективности АС ГСО приведены на рис. 5.
Рисунок 5 - Показатели эффективности
Рисунок 6 - Комплекс технических средств АС ГСО
Монитор и клавиатура
Промышленный компьютер верхнего уровня
Пульт оператора
Станция управления
Л
ч
Л V
aZ
lz
Промышленный контроллер нижнего уровня
Оборудование высокого давления _г
1
N
I/
Датчики технологической информации
Технологическая линия
Рисунок 7 - Двухуровневая система управления процессом гидросбива окалины на стане 2800
Комплекс технических средств АС ГСО включает как оборудование водоструйное высокого давления (ОВВД), так и технические средства сбора технологической информации, измерения параметров и управления (рис. 6).
На рис. 7 представлена структурная схема двухуровневой системы с распределенными функциями, предназначенная для управления процессом гидросбива окалины на стане 2800 [15]. На нижнем уровне применен IBM PC-совместимый программируемый контроллер, обеспечивающий сбор и обработку технологической информации от первичных преобразователей (датчиков), расположенных как на технологической линии стана, так и на входящих в состав ОВВД, расчет и выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы, а также обмен информацией с промышленным компьютером верхнего уровня и пультом оператора. Этот компьютер обеспечивает обмен информацией с системой управления тепловым режимом печей и контроллером нижнего уровня, частично выполняет расчет управляющих воздействий, решает задачи накопления, обработки и архивирования статистических данных. ОВВД включает в себя [13]:
• насосную станцию высокого давления (ВД);
• устройство пневматического управления насосной станцией;
• магистраль высокого давления;
• верхний и нижний коллекторы с пятью сопловыми роторными головками на каждом (рис. 8);
• фильтры высокого и низкого давления.
Включение - выключение насосов осуществляется в моменты времени, определяемые алгоритмом управления, по сигналам от программируемого контроллера. ОВВД имеет следующие технические характеристики:
• количество агрегатов насосных ВД - 5 (один резервный);
• номинальная производительность одного насоса - 100 л/мин (6 м3/ч);
• мощность приводного электродвигателя одного агрегата - 132 кВт;
• общая мощность - 660 кВт;
• наибольшее рабочее давление коллекторов 60 МПа;
• наибольший расход воды на каждый коллектор - 200 л/мин (12 м3/ч);
• расстояние от сопел головок до поверхности слябов - 100-200 мм.
Роторные головки системы на стане 2800 приводятся во вращение реактивным моментом рабочей струи. Головка формирует водяной конус из струй воды с частотой вращения около 1000 об/мин, обрабатывающих полосу сляба шириной около 300 мм. Пять головок каждого из двух коллекторов обеспечивают сплошную очистку сляба на верхней и
нижней поверхностях. Конструктивно роторная головка выполнена в виде пары ось -втулка; на оси установлен корпус с удлинителями, на концах которых под углом к оси расположены сменные сопла с круглыми рабочими отверстиями диаметром 1-2 мм. Со стороны оси, прикрепленной накидной гайкой к соответствующему патрубку коллектора, имеется канал подвода воды, соединенный через отверстия в корпусе с каналами удлинителей и сопел. Сопла расположены на горизонтальных подводящих трубках, крепятся к удлинителям накидными гайками и, кроме угла атаки, предназначенного для подрыва и смыва окалины с плоскости металла, повёрнуты относительно вертикальной оси головки на угол разгона, обеспечивающий создание реактивного вращающего момента. Пара ось-втулка образует радиальный и упорный гидроподшипники. Угол атаки составляет около 15о, что соответствует принятым углам атаки действующих устройств гидросбива на прокатных станах.
Рисунок 8 - Схема устройства гидросбива окалины
Верхний коллектор смонтирован на подвижной раме - траверсе, при этом расстояние от среза сопел до обрабатываемой поверхности сляба устанавливается автоматически в зависимости от толщины сляба. С помощью регуляторов - байпасов осуществляется также автоматическое регулирование рабочего давления в системе в зависимости от марки стали и режима печного нагрева.
Промышленный компьютер верхнего уровня комплектуется монитором и стандартной клавиатурой, а контроллер нижнего уровня связан с оператором с помощью специального пульта, оборудованного жидкокристаллическим дисплеем и набором необходимых органов управления. Архивирование информации ведется на компакт-дисках, для чего промышленный компьютер верхнего уровня комплектуется пишущим приводом CD-RW. В дальнейшем эта информация может быть пересмотрена и распечатана на любом ПК, имеющем привод CD.
Источниками технологической информации для системы являются датчики, установленные на линии стана 2800 на участке гидросбива, датчики давления воды и положение верхней траверсы ОВВД.
В состав комплекта датчиков технологической информации входят фотореле, вихревые датчики наличия металла, датчик давления воды, пирометр, датчик импульсов и датчики интегральной яркости, которые служат для косвенной оценки плотности и коли-
чества окалины на поверхности сляба, что вышел из печи. Выходной сигнал датчиков интегральной яркости вместе с данными о марке стали служит для расчета давления воды и скорости перемещения сляба в камере гидросбива.
АС ГСО реализует следующие функции:
1) двунаправленный обмен данными с АСУ ТП печей по стандартному сетевому интерфейсу:
- прием информации о слябе, который вышел из печи на прокатку, от АСУ ТП печей;
- передача массива измеренных температур в АСУ ТП печей для корректировки режима нагрева;
2) наблюдение за движением слябов от печей через камеру гидросбива к пирометру;
3) расчет режимов управления гидросбивом:
- положение верхней траверсы с коллектором камеры гидросбива;
- давление гидросбива;
- скорость продвижения металла через камеру гидросбива к пирометру;
4) управление гидросбивом в соответствии с рассчитанными управляющими воздействиями:
- установка расчетного давления гидросбива;
- установка верхней траверсы в заданное положение (позиционирование);
- управление скоростью рольганга;
- управление подачей воды;
5) коррекция режима гидросбива по заданию оператора;
6) определение температуры поверхности сляба и ее распределение по длине сляба;
7) корректировка библиотеки управляющих воздействий гидросбива по данным измерения температуры поверхности сляба;
8) архивирование и протоколирование работы системы.
Функциональная структура АС ГСО приведена на рис. 9.
Алгоритм системы функционирует в циклическом режиме, то есть в каждом цикле производится анализ необходимости выполнения каждой ветви алгоритма, и если такая необходимость существует, то соответствующий алгоритм запускается в работу. В общем алгоритм функционирования АС ГСО можно представить состоящим из трех частей: расчетной, управляющей и статистической. Алгоритмы определения ситуаций, в том числе аварийных и нестандартных, входят в управляющую часть главного алгоритма и реализуются по мере слежения за продвижением сляба и хода технологического процесса.
Расчетная часть алгоритма начинает действовать с момента поступления информации от АСУ ТП печей и продолжает работать по мере прохождения сляба по технологической линии. По коду марки стали определяется вязкость окалины, на основании которой выбирается одно из трех давлений гидросбива, а также скорость прохождения сляба под камерой гидросбива. Эти уставки корректируются в зависимости от температуры нагрева сляба в печи. Если металл «перележал» в печи, что означает большую плотность окалины, то требуется увеличить давление гидросбива или уменьшить скорость прохождения сляба под гидросбивом, либо то и другое одновременно. По толщине сляба выбирается положение верхней траверсы камеры гидросбива. Интегральная яркость металла необходима для оценки качества работы гидросбива. Эти данные используются для расчета уставок на следующий сляб, а также для записи в массив уставок.
Рисунок 9 - Функциональная структура АС ГСО
3. Выводы
Проведен анализ физических процессов гидроочистки окалины. Рассмотрены принципы расчета параметров устройства гидросбива окалины с роторными головками. Показано, что эффективность удаления окалины существенно связана с маркой стали, а также со скоростью жидкости на выходе вращающихся роторных головок. Проанализированы некоторые математические модели расчета удара и расхода воды. Представленные в статье технические решения, включающие новую высокоэффективную энерго- и ресурсосберегающую технологию гидроочистки поверхности металла, технические средства высокого давления воды, математические зависимости и характеристики использованы в автоматизированной системе гидросбива окалины (АС ГСО), которая внедрена в промышленную эксплуатацию на стане 2800. Эта разработка может быть внедрена практически на всех металлургических комбинатах Украины и стран ближнего зарубежья.
Экономическая эффективность АС ГСО достигается за счет повышения качества проката, экономии расхода электроэнергии, воды, топлива при нагреве металла в печах, экономии угара металла в печах, а также ресурсосбережения.
Применение АС ГСО в значительной степени способствует ресурсосбережению за счет увеличения срока службы агрегатов и исполнительных механизмов. Этот фактор, а также простота обслуживания, высокая надежность автоматизированной системы и способность работы в тяжелых условиях обеспечат снижение затрат на ремонт гидравлического и электрического оборудования.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Кролль А. Гидромеханическое удаление окалины на широкополосных станах горячей прокатки. Черные металлы. 2000. № 3. С. 48-52.
2. Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., Чистопьянов О.Ф., Корбут В.Б. Физические принципы гидравлического удаления печной окалины на стане горячей прокатки. Интернет-издание «Metaljournal». 2014. Май. URL: https://www.metaljournal.com.ua/some-problems-of-energy-and-resource-saving-and-modern-technologies-of-hydraulic-scale.
3. Шевченко Т.Г. Системи керування прокатним устаткуванням з використанням енергоресурсоз-
берпаючих технологш: дис..... канд. техн. наук. Кшв, 2004. URL: http://dissertation.com.ua/
node/654996.
4. Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., Корбут В.Б. Принципы алгоритмической реализации автоматизированной системы гидросбива окалины. Результаты промышленного внедрения. Автоматизация производственных процессов. 2006. № 1 (22). С.65-68.
5. Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., Чистопьянов О.Ф., Корбут В.Б. Теоретический анализ механизмов разрушения окалины при гидросбиве. Интернет-издание «Metaljournal». 2014. Июнь. URL: http://www.metaljournal.com.ua/theoretical-study-of-devices-for-scale-hydraulic-fragmentation-on-hot-roiling-mill/.
6. Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., Чистопьянов О.Ф., Корбут В.Б. Принципы расчета параметров настройки АСУ гидросбивом окалины с центробежными роторными головками. Интернет-издание «Metaljournal». 2014. Май. URL: https://www.metaljournal.com.ua/design-principals-of-settings-of-ACS-by-water-descaling-with-cerebrifugal-rotatory.
7. Silk N.J. The practical aspects of hydraulic de-scaling. Steel Times Int. 2001. N 7. P. 38.
8. Sheridan A.T., Simon P. Descaling of Steels in Rolling Mills. European Steel-making Developments & Perspectives in Rolling & Reheating: conf. (Luxembourg, 1-2 nd Feb. 1995). Luxembourg, 1995. 224 р.
9. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965. 338 с.
10. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1978. 454 с.
11. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1978. 582 с.
12. Краткий технический справочник. М.: Наука, 1952. 531 с.
13. Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., Чистопьянов О.Ф., Корбут В.Б. Некоторые проблемы энергоресурсосбережения и современные энергоресурсосберегающие технологии гидравлического удаления окалины на станах горячей прокатки. Интернет-издание «Metaljournal». 2014. Май. URL: https://www.metaljournal.com.ua/some-problems-of-energy-and-resource-saving-and-modern-technologies-of-hydraulic-scale.
14. Грабовский Г.Г., Иевлев Н.Г., Евдоксин А.В., Корбут В.Б. Энергосбережение в системах гидросбива окалины на станах горячей прокатки. Промышленная электроэнергетика и электротехника. 2005. № 4. С. 59-63.
15. 1евлев М.Г., Корбут В.Б. Енергозберпаюча автоматизована система пдрозбивання окалини для стана гарячо! прокатки. Науково-техтчна ¡нформащя. 2012. № 1 (51). С. 44-48.
Стаття над1йшла до редакцИ' 27.01.2020
