Окалина. Виды и строение

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Общие сведения  об окалине

1.2 Агрегат гидравлического  удаления окалины

1.2.1 Общее описание  агрегата 

1.2.2 Описание работы  агрегата гидросбива  окалины 

2. Расчетная часть

2.1 Определение геометрических  размеров коллектора

Вывод

Список  литературы 

Введение 

     В современных экономических условиях возросшей конкуренции на рынке  металлопродукции решающим фактором является качество проката. Одним из направлений, обеспечивающим выпуск качественной прокатной  продукции, является эффективное удаление окалины с поверхности заготовок и готового проката при прокатке.

     В металлургической промышленности окалина, образующаяся на поверхности горячего металла создает довольно серьезные  проблемы. Она образуется на литых  заготовках, а также в процессе прокатки, в результате взаимодействия при нагреве поверхности продукции с окружающей средой (в основном кислород из воздуха). Окалина по своим физическим свойствам отличается от основного металла, и поэтому она затрудняет дальнейшую обработку изделия, а также снижает его качества и устойчивость при использовании готовой продукции. Например, при прокатки листовой продукции на станах горячей прокатки листа при наличии участков с не удаленной окалины, окалина вкатывается в лист, и лист уже не получается требуемой формы и качества, т. е. образуется больше брака, что снижает эффективность прокатного стана.

     На  сегодняшний день известно большое  количество способов удаления окалины  с помощью струй жидкости, подаваемых на поверхность проката под давлением, и конструкций устройств для их осуществления. Но эти методы обладают довольно серьезными недостатками, так как удаление окалины при помощи воды ведется по усредненным параметрам окалины, что приводит к образованию участков с не удаленной окалиной и переохлажденных участков.

     В связи с этим особую актуальность в настоящее время несут исследования и разработки новых методов удаления окалины, которые позволят уменьшить  площади участков с не удаленной  окалиной и переохлажденных участков. 

1.Теоретическая  часть

1.1 Общие сведения об окалине 

     Окалина представляет собой продукт окисления  железа. В зависимости от марки  стали, в ней содержится незначительное количество окислов других элементов. Согласно исследованиям, в окалине  содержится от 55 до 80% FeO и от 20 до 50% Fe2O3, что соответствует содержанию 66-69% чистого железа в окалине [1]. В сталях, легированных хромом, окалина содержит до 1% Cr2О3, а в сталях, легированных небольшим количеством никеля, окалина содержит от нескольких сотых до нескольких десятых процента NiO. Соотношение между количествами этих окислов в окалине может быть различно в зависимости от условий, при которых происходит окисление металла.

     Окисление стали происходит при двух одновременно протекающих процессах: диффузии кислорода  от поверхности к внутренним слоям металла и встречной диффузии металла через слой окалины на ее наружную поверхность.

     В нагреваемой стали, железо растворяется в окалине и диффундирует наружу. Скорость диффузии железа обычно превышает  скорость диффузии кислорода, поэтому  между окалиной и металлом нет сплошного контакта, а в слое окалины, прилегающем к металлу и состоящем из FeO, образуются поры.

     Наличие окалины на поверхности прокатываемого материала имеет негативное влияние, которое проявляется в следующих  фактах. Наличие окалины на заготовке при недостаточно эффективном ее удалении ведет к ее развальцовке и получению после прокатки проката с поверхностными дефектами, что снижает качество (сорт и внешний вид) поверхности конечного изделия. А ее удаление вызывает значительные дополнительные затраты труда и повышает себестоимость продукции. Окалина, развальцованная во внутренней структуре готового проката, снижает его механические свойства. Вторичная окалина обладает значительно большей твердостью и прочностью, чем материал прокатных валков, что приводит к их абразивному изнашиванию и снижению долговечности прокатного оборудования. Кроме того, наличие развальцованной на поверхности проката окалины ухудшает условия для последующих технологических операций, таких как лакировка, оцинковка или др. покрытие.

Возникновение окалины на поверхности прокатываемого материала (заготовок, полуфабрикатов, готового проката) происходит в течение  всего производственного процесса. По месту образования в технологическом  процессе различают первичную и вторичную окалину[1]. Первичная (или печная) окалина возникает на поверхности заготовки при ее нагреве в печи. Характер и количество образуемой окалины зависит от типа печной атмосферы, температуры и длительности нагрева заготовки. Вторичная окалина возникает при задержках между технологическими операциями. Ее характер и количество зависит от качества материала, температуры и длительности задержки между технологическими операциями. Следует отметить, что особенно вредна первичная окалина, полученная при нагревании заготовок в окислительной атмосфере.

     При нагреве металла необходимо стремиться к тому, чтобы первичная окалина  как можно меньше прилипала к  основному металлу для обеспечения  наиболее легкого ее удаления с металла, что достигается соответствующими режимами нагрева.

     Окалина углеродистой стали держится на поверхности  непрочно, и лучше всего очищается  при нагреве в окислительной  атмосфере с содержанием кислорода 5-10%. Она легко отделяется при  ударах, которые получают слитки при  выдаче их из колодцев или печей и при укладке на рольганги.

     Гораздо сложнее удалить окалину с  малоуглеродистых легированных сталей типа 12ХНЗА, на поверхности которых  она наиболее прочна.

     Некоторые сорта нержавеющей стали хорошо очищаются только при нагреве  в слегка окисленной печной атмосфере и плохо при нагреве в восстановительной или нейтральной. Но в то же время существуют сорта нержавеющей стали, хорошо очищающиеся при нагреве в восстановительной или нейтральной атмосферах.

     На  рисунке 1 изображено строение слоев  окалины. Как видно из этого рисунка, наиболее прочно связан с металлической поверхностью третий слой из так называемой липкой окалины.

 

Рисунок 1 - Строение слоев окалины

 
При работе печей в окислительном  режиме образуется толстая и сухая  окалина, которая легко удаляется  с поверхности при охлаждении слоя струей воды за счет различной  усадки окалины и основного металла [3]. На высоколегированных и низкоуглеродистых сталях возникает тонкая и прочная клейкая окалина, при которой не действует эффект неодинаковой усадки [3]. Такая окалина удаляется путем ее дробления и последующего смыва.

Если  первые два слоя окалины (равно как и окалина с обычной углеродистой стали) удаляется с заготовки при воздействии на нее энергии 17 кДж/м2, то липкая окалина удаляется при значении этой энергии в 42 кДж/м2 [2]. Это согласуется с мнением авторов [3] о том, что для удаления окалины легированной стали, требуется большая сила удара, чем для окалины углеродистой стали.

Таким, образом, для более эффективного удаления окалины следует учитывать  ее различия и соответственно, при  нагреве заготовок следует стремиться к получению более толстого слоя окалины, который легче отделить, а вторичную окалину необходимо удалять в тот момент, когда она минимально прилипает к металлу в измельченном состоянии. 

1.2 Агрегат гидравлического  удаления окалины

 
1.2.1 Общее описание  агрегата

 
 
Образование окалины при нагреве  заготовок и ее последующее удаление являются важными проблемами в общем, комплексе технологических вопросов производства колес. Угар металла при  нагреве должен быть минимальным, и  образующаяся окалина должна легко  отделяться от поверхности заготовки. Такая постановка задачи имеет известную сложность, так как нередко попытки снизить угар металла путем мало окислительного нагрева приводят к значительному увеличению бракованных колес по запрессованной окалине.

 

Рис. 9 Камера устройства для гидросбива окалины  с колесной заготовки

 
 
 
В колесопрокатном цехе успешно  используют гидросбив окалины водой  высокого давления (18— 20 МН/м2), поступающей на торец заготовки, когда она при транспортировании по рольгангу от нагревательных печей к прессо-прокатному участку проходит через специальную камеру гидросбива окалины. Камера (рис. 9) представляет собой сварной кожух 5, установленный над роликами рольганга 3, в передней и задней стенках которого сделаны проемы для прохода заготовки б.

Проемы  перекрыты цепными занавесами 2. Внутри камеры над и под рольгангом установлено по два коллектора 1 и 4 со специальными соплами, развернутыми под углом к торцам заготовки. Положение верхнего коллектора относительно торца заготовки меняется при настройке камеры. Конструкция сопел (рис. 10) и их расположение были отработаны в процессе освоения установки. Указанная конструкция сопла обеспечивает достаточную жесткость струи, угол раскрытия ее, а также уменьшает до минимума возможность засорения отверстий окалиной и другими взвесями. Расстояние от сопла до заготовки составляет 275 мм, расход воды через каждое сопло 2,5 л/с. На каждом из коллекторов имеются вверху по 13 и внизу по 11 сопел. Щель каждого сопла при настройке выставляют под углом 5—7 град к оси коллектора. Коллекторы включаются последовательно, по мере продвижения заготовки через камеру продолжительность передвижения заготовки в камере находится в пределах 5 с, что обеспечивает эффективное удаление окалины без заметных потерь тепла заготовки. Вода подается и отключается автоматически.

 Время  прохождения заготовки через  камеру регулируется за счет  изменения скорости вращения  роликов секции рольганга.

 

Рис. 10 Сопло устройства для гидросбива окалины

 

1.2.2 Описание работы  агрегата гидросбива  окалины

 
 
Управление работой устройства для  гидросбива окалины осуществляется при помощи электрогидромеханической системы управления (рис. 11). Как только заготовка полностью подана рольгангом в кожух камеры гидросбива, засвечивается фотореле (на рисунке не показано) и вторичный прибор реле подает напряжение на катушку 7 пиевмораспределителя 6 пневмоцилиндра 5. Последний, перемещаясь вверх, переключает клапаны гидрораспределителя 3 так, что полость а клапана 2 сообщается со сливной магистралью. При этом под давлением жидкости, поданной из насосно-аккумуляторной станции, плунжер 1 клапана поднимается и жидкость высокого давления поступает к соплам 4 устройства для гидросбива окалины. Как только заготовка пройдет зону действия фотореле, катушка 7 обесточивается. Клапаны пневмораспределителя 6 занимают исходное положение и пневмоцилиндр 5, перемещаясь вниз, переключает клапаны гидрораспределителя 3 так, чтобы в полость а было подано давление из насосно-аккумуляторной станции. При этом вследствие некоторой разности давлений в полости а и под плунжером последний закрывается, и подача воды к соплам прекращается. В таком положении система остается до подачи очередной заготовки, затем цикл повторяется.

 

Рис. 11 Гидравлическая схема управления запорным клапаном устройства гидросбива окалины с колесной заготовки.

 

2. Расчетная часть

 
2.1 Определение геометрических  размеров коллектора.

 
 
При разработке конструкции устройства для гидравлического удаления окалины  необходимо учитывать важные факторы: характеристики распыления; параметры удельного давления; конструктивные параметры оптимального расположения устройств гидросбива; особенности окалины и др. Игнорирование указанных факторов приводит к значительному снижению качества очистки поверхности проката от окалины, которое выражается в виде появления на поверхности проката участков с неудаленной окалиной, переохлажденных участков, а также к перерасходу жидкости, используемой для очистки.

В настоящее  время отсутствуют четкие методики расчета основных параметров устройств для удаления окалины с помощью струй жидкости, а фирмы-производители и эксплуатационный персонал основываются на опытных данных и эмпирических зависимостях, что тоже снижает качество очистки поверхности проката от окалины.