Исследование и совершенствование технологии и оборудования подготовки катанки к волочению в поточных лининях производства стальной проволоки

Повышение экологической безопасности производства и совмещение нескольких процессов в единый технологический поток — фундаментальные проблемы современной металлургии, в том числе — волочильно-калибровочного производства.

Основным способом удаления окалины с поверхности катанки на метизных предприятиях России и за рубежом является метод химического травления окалины в растворах различных кислот. Этот способ является экологически вредным, наносящим ущерб здоровью обслуживающего персонала и чистоте окружающей среды. Пары кислот, выделяющиеся с поверхности травильных ванн, приводят к коррозии оборудования и разрушению строительных конструкций зданий. Для нейтрализации и утилизации вредных отходов травильных отделений используются дорогостоящие улавливающие, нейтрализационные и регенерационные установки. Кроме того, кислотный способ не поддается совмещению с операциями волочения в едином технологическом потоке из-за дискретного характера операций окунания бунтов, а также из-за возможности попадания остатков растворов в зону деформирования.

Совмещению в единый технологический поток операций подготовки катанки к волочению и самого волочения препятствует также общепринятый метод нанесения на поверхность травленой катанки подсмазочного покрытия окунанием в ванны с известковым молоком или раствором буры.

Одной из перспективных отечественных технологий экологически чистого удаления окалины является процесс абразивно-порошковой очистки поверхности горячекатаного металла (АПО — процесс), разработанный на кафедре «Машин и агрегатов металлургических заводов» Череповецкого государственного университета в сотрудничестве со специалистами промышленных предприятий г. Череповца. В состав поточной линии, реализующей этот процесс, входит компактная установка бескислотного удаления окалины с поверхности катанки, включающая окалиноломатель и блок абразивно-порошковой очистки (АПО) катанки, а также волочильный стан.

В связи с тем, что в переходный период российской экономики временно снизились экологические требования к промышленным предприятиям, крупные специализированные метизные заводы пока не идут на полный отказ от технологии травления. В то же время, крупные европейские фирмы, например, металлургическая фирма «Азсоте1а1», еще в 80-х годах полностью перешли на бескислотную технологию подготовки металла к волочению, даже несколько поступившись при этом производительностью и показателями качества продукции [1].

Интерес, проявляемый вновь создаваемыми российскими предприятиями к приобретению совмещенной технологии, показал, что при необходимости производства проволоки в объеме, обеспечиваемом 2-мя — 3-мя волочильными станами, иной альтернативы, кроме использования подобных поточных линий, нет, так как в этих условиях ввод в действие и содержание оборудования для химического травления катанки не могут быть рентабельными. Малые предприятия, приобретя совмещенную технологию, смогут производить с меньшими затратами изделия из собственной проволоки, на которую крупными предприятиями-монополистами поддерживаются высокие цены, а в дальнейшем получат возможность освоить новые виды сталепроволочной и метизной продукции.

Изложенные в ряде работ [1,2,3] результаты исследований поточной технологии очистки катанки от окалины и волочения проволоки позволили решить в 1992;95 гг. ряд конструкторских задач и создать работоспособное оборудование, которое было поставлено нескольким предприятиям России и стран СНГ. Однако более широкое промышленное использование этой технологии сдерживалось тем, что качество поверхности катанки, очищаемой механическим способом в потоке, несколько уступало качеству травленой катанки, вызывая более интенсивный износ волочильного инструмента. Поэтому в данной работе была поставлена задача разработать оборудование нового поколения, обеспечив тем самым коренное улучшение качества поверхности очищенной катанки и повышение износостойкости волочильного инструмента.

Для решения этой задачи необходимо было усовершенствовать процесс абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины и решить проблему нанесения на поверхность катанки в потоке с волочением подсмазочного покрытия.

В диссертации изложены методики и результаты разработок и исследований по указанным проблемам, которые затрагивают два основных направления:

1) Теоретические исследования: развитие и усовершенствование математической модели процесса абразивно-порошковой очистки цилиндрического проката от окалины, разработка на этой основе новых технических решений и конструкций оборудования для абразивно-порошковой очистки катанки от окалины.

2) Разработка принципиально новой технологии и оборудования для нанесения на поверхность катанки подсмазочного покрытия в едином технологическом потоке абразивно-порошковой очистки от окалины и волочения проволоки.

В работе также приводятся результаты лабораторных и промышленных исследований новой технологии и оборудования.

Выводы по главе 5.

1. На основе результатов новой математической модели АПО-процесса создана новая установка, отличающаяся от ранее существовавшего аналога принципиальными новшествами, к которым относятся:

• камера с переменной конусностью, позволившая снизить параметры шероховатости поверхности очищаемой катанки и усилие трения при очистке, исключить внедрение абразивных частиц в поверхность катанки, и, тем самым, создать условия для более эффективного процесса волочения.

• устройство для дозировки свежего абразивного порошка, позволившее стабилизировать состав и свойства абразивной среды в установке АПО.

• устройство для дозировки добавляемого в абразивный порошок пластификатора, позволившее уменьшить коэффициенты внутреннего и внешнего трения абразивной среды при сохранении абразивных свойств этой среды.

В совокупности эти устройства позволяют добиться более качественной очистки цилиндрического проката, при существенном снижении параметров шероховатости, которые отрицательно воздействуют на работоспособность и стойкость волок.

2. Реализована в поточной линии новая технология нанесения под смазочного покрытия методом возгонки и седиментации смолистых веществ, позволившая существенно повысить эффективность волочения.

3. Использовавшаяся в качестве подсмазочного покрытия канифоль проявила себя с наилучшей стороны как по влиянию на эффективность волочения, так и по физическим свойствам поверхностно-активного вещества.

4. Новое покрытие и технология его нанесения решают задачу совмещения в потоке операций механической очистки и волочения катанки, при этом канифоль относится к экологически безопасным природным веществам, и её применение при волочении, как минимум, не ухудшает атмосферу рабочего места.

5. Совокупность новых устройств, технических и технологических решений позволяют создать качественно новую совмещенную линию для очистки и волочения проволоки в потоке.

Заключение

.

1. Выполненный в работе анализ проблемы создания экологически чистого оборудования и технологии поточных линий очистки стальной катанки от окалины и волочения из неё высококачественной проволоки показал, что основные факторы, сдерживающие её решение — невозможность оптимизировать процесс абразивно-порошковой очистки катанки на базе существующих методов его математического моделирования и отсутствие поточной технологии нанесения на поверхность катанки перед волочением подсмазочного покрытия.

2. Для создания новой математической модели напряжений и скоростей абразивного порошка в рабочей камере АПО-процесса цилиндрического проката предложено использовать аналогию между дифференциальными уравнениями равновесия пластически деформируемого тела и сыпучей среды, а также между уравнениями их предельного состояния.

Это предложение, реализованное в диссертации, позволило использовать для описания поведения абразивного порошка в рабочей камере ряд классических решений теории пластичности, модифицировав их к особенностям АПО-процесса.

3. Созданная и реализованная на основе нового подхода, указанного в п. 2, математическая модель АПО-процесса, дала возможность, в отличие от ранее опубликованных моделей, рассчитывать поля напряжений и скоростей абразивного порошка при переменной конфигурации рабочей камеры, при варьировании коэффициентов внутреннего и внешнего трения сыпучей среды и ряда других конструктивных технологических параметров, в результате был создан теоретический инструмент для оптимизации АПО-процесса.

4. Сопоставление результатов измерения интегральных характеристик АПО-процесса — усилия протягивания катанки через камеру АПО и расхода абразивного порошка — с результатами их расчета по старой и новой моделям, показало, что погрешность расчета по новой модели находится в диапазоне 3,7 — 14%, что по расходам соответствует диапазону погрешностей расчета по старой модели, а по усилию обеспечивает повышение точности расчета в 1,2 -2,5 раза.

5. С использованием новой модели АПО-процесса разработан и проверен экспериментально ряд новых патентоспособных технических решений по конструкции камер АПО и технологии очистки катанки от окалины, позволивших существенно улучшить качество её поверхности и создать условия для эффективного её волочения в поточной линии.

6. На основе теоретической проработки альтернативных методов нанесения подсмазочного покрытия на поверхности катанки перед волочением, предложен новый способ нанесения подсмазочного покрытия путем возгонки и седиментации смолистого вещества — канифоли. Новый способ запатентован в виде ряда устройств, реализация которых в действующей поточной линии позволила существенно повысить эффективность волочения и улучшить качество поверхности проволоки, решив тем самым проблему нанесения подсмазочного покрытия в потоке перед волочением.

7. Совокупность представленных в диссертации технических решений достаточно полно охватывает предмет разработки и защищена патентами Российской Федерации. По материалам диссертации получено 4 патента РФ и опубликовано 8 статей. Результаты работы реализованы в промышленной линии абразивно-порошковой очистки катанки и волочения проволоки на базе волочильного стана ВСМ — 1/650 АЗТМ, действующего в лаборатории Череповецкого государственного университета.

8. Материалы диссертации обсуждены:

• на заседании метизной секции Второго Международного конгресса прокатчиков, октябрь 1997 г.

• на заседании секции прокатного производства Первой Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства», март 1998 г.

• на расширенном заседании кафедры «Машины и агрегаты металлургических заводов» ЧГУ, март 1999 г.