Термист Термомеханическое упрочнение арматурного проката технология, средства, разработка

УДК 536.2, 621.78

Ускоренное охлаждение арматурного проката в нескольких камерах

В.А.Шеремет, И.М.Любимов, И.Н.Смияненко, И.А.Гунькин, В.Т.Худик, И.И.Журавлев

Криворожский горно-металлургический комбинат “Криворожсталь”

Рассматривается ускоренное охлаждение проката в камерах проходного типа. При использовании нескольких камер, возникает ряд технологических особенностей. Рассчитаны параметры, обеспечивающие равномерное охлаждение проката или минимальную длину линии ускоренного охлаждения.

Дослiджено прискорене охолодження прокату у камерах прохiдного типу. При використаннi декiлькох камер, виникає ряд технологiчних особливостей. Визначенi умови, якi забезпечують рiвномiрне охолодження прокату або найменшу довжину лiнiї прискореного охолодження.

The accelerated cooling of rolled metal in devices has been considered in the paper. There are some technological differences if used several devices. This article contains some parameters which ensure uniform cooling or minimal total length of the device.

Версия для печати (doc)

Задача 1

Температура конца прокатки арматурного профиля диаметром 2R=20 мм составляет tº=1100 ºС. Прокат движется со скоростью V=14.8 м/с в камере ускоренного охлаждения проходного типа длиной L (рис. 1). Температура охлаждающей воды t_п=30 ºC. Средняя по сечению температура раската после ускоренного охлаждения t_ср=600 ºC. Определить длину камеры ускоренного охлаждения L. Коэффициент температуропроводности принять равным a=5.5 мм²/с.

Рисунок 1. Охлаждение раската в камере проходного типа

В работе [1] предлагается для решения поставленной задачи использовать три допущения:

• коэффициент температуропроводности a считать постоянной величиной;

• температура поверхности раската в начальный момент практически мгновенно снижается до температуры охлаждающей воды t_п и сохраняется постоянной на протяжении всего процесса ускоренного охлаждения;

• раскат можно рассматривать как бесконечный цилиндр диаметром 2R.

Описанную задачу удобно решать в критериальной форме. Для этого введем понятие средней относительной температуры и числа Фурье , где τ - время охлаждения. Тогда зависимость средней относительной температуры от числа Фурье будет выглядеть как [2]
,                          (1)
где μ_n - n-ное решение уравнения Бесселя первого рода нулевого порядка.

Обратной к зависимости (1) будет зависимость, характеризующая время, необходимое для охлаждения цилиндра до заданной средней по сечению температуры:
.                            (2)

Рисунок 2. Ускоренное охлаждение бесконечного цилиндра при выполнении условий первого рода

Решим задачу 1:

Таким образом, длина камеры ускоренного охлаждения должна составлять 14.5 м.

Задача 2

Пусть, в отличие от задачи 1, охлаждение осуществляется не в одной, а в двух камерах ускоренного охлаждения (рис. 3). Необходимо рассчитать длины обеих камер таким образом, чтобы теплосъем (снижение средней по сечению температуры раската) в каждой камере был одинаков. В этом случае в каждую камеру можно будет подавать одинаковое количество охлаждающей воды.

Рисунок 3. Непрерывное охлаждение раската в двух последовательно расположенных камерах

Общее снижение температуры в двух камерах:
.

Снижение температуры в каждой камере:
.

Средняя по сечению температура после первой камеры:
.

Далее имеем:

Поскольку общая длина обеих камер (пример 1) L_Σ=14.5 м, имеем:
.

На рисунке 4а показана обобщенная зависимость отношения длины первой камеры охлаждения к общей длине линии ускоренного охлаждения от средней по сечению относительной температуры металла. При проведении настоящей работы авторы надеялись, что отношение L₁/L_Σ не будет зависеть от температуры охлаждения, то есть можно будет порекомендовать универсальные отношения, удобные для проектирования линий ускоренного охлаждения. Однако, таких универсальных отношений не оказалось. Однако, с другой стороны, реальная температура прокатки составляет t₀=1000  ¸ 1100 °C; температура конца ускоренного охлаждения t_ср=400 ÷ 650 °C; температура охлаждающей воды t_п=20 ÷ 40 °C. Тогда средняя относительная температура ускоренного охлаждения арматурного проката будет находиться в интервале 0,36 ÷ 0,61. Для этого интервала, в первом приближении, можно порекомендовать отношение L₁/L₂=20/80 %.

	Рисунок 4. Непрерывное охлаждение. Отношение длины каждой камеры охлаждения к общей длине установки. Зависимость от степени охлаждения. а) две камеры охлаждения
	б) три камеры охлаждения
	в) четыре камеры охлаждения
	г) пять камер охлаждения

На рисунках 4б, 4в и 4г приведены аналогичные зависимости для случаев 3‑х, 4‑х и 5‑ти камер ускоренного охлаждения. Рекомендации относительно длин камер: L₁/L₂/L₃=7/30/63 %, L₁/L₂/L₃/L₄=5/10/31/54 % и L₁/L₂/L₃/L₄/L₅=3/10/18/26/43 %.

Задача 3

Пусть, в отличие от условий задачи 2, охлаждение осуществляется в камерах, расположенных на значительном расстоянии одна от другой, то есть после первой стадии охлаждения температура металла по сечению успевает выровняться. Таким образом, если при непрерывном охлаждении мы рассматривали последовательные участки одного процесса, то при прерывистом охлаждении каждую стадию охлаждения необходимо рассматривать как отдельный процесс. Постановка задачи та же: найти такие длины каждой камеры охлаждения, чтобы теплосъем в каждой камере был бы одинаков.

Рисунок 5. Прерывистое охлаждение проката. Температура металла на участке Lвыр выравнивается но сечению.

Отметим, что расстояние между камерами должно быть достаточно большим. В работе [3] показано, что выравнивание температуры по сечению раската практически заканчивается при Fo=0.25. Для нашего случая это

В реальных процессах таких разрывов между стадиями охлаждения практически не встречается.

Общее снижение температуры в двух камерах Δt_Σ, снижение температуры в каждой камере Δt₁=Δt₂ и средняя по сечению температура после первой камеры рассчитаны в предыдущей задаче. Далее имеем:

В качестве L_Σ примем общую длину установки при непрерывном охлаждении. Отметим, что при прерывистом охлаждении L₁ + L₂ ≠ L_Σ (подробнее этот эффект будет рассмотрен в следующей задаче). Исходя из принятого значения L_Σ, получим:

На рисунках 6 показаны обобщенные зависимости отношений длин камер при непрерывном охлаждении к общей длине линии при непрерывном охлаждении. Как видно из рисунков, при прерывистом охлаждении, в первом приближении можно порекомендовать отношения L₁/L_Σ=22 % для дух камер, L₁/L₂/L_Σ=9/14 % для трех, L₁/L₂/L₃/L_Σ=5/7/10 % для четырех и L₁/L₂/L₃/L₄/L_Σ=3/4/5/7 % для пяти камер. Значение длины последней камеры ускоренного охлаждения сильно изменяется в зависимости от степени охлаждения. Поэтому это значение необходимо определять для каждого конкретного случая.

	Рисунок 6. Отношение длины каждой камеры при прерывистом охлаждении к общей длине установки при непрерывном охлаждении. а) две камеры охлаждения
	б) три камеры охлаждения
	в) четыре камеры охлаждения
	г) пять камер охлаждения

Задача 4

Как видно из рисунка 6, сумма длин камер при прерывистом охлаждении меньше, чем общая длина линии при непрерывном охлаждении. Это объясняется тем, что скорость охлаждения постоянно снижается. Т.е., чем короче длина камеры, тем выше отношение величины теплосъема к длине камеры. Рассмотрим предыдущую задачу в следующем ракурсе: при каких длинах камер их суммарная длина будет минимальной?

Как показали исследования, минимальная суммарная длина камер наблюдается в случае равенства длин камер (L₁=L₂). Результат получен путем численного моделирования. Доказать аналитически это утверждение авторам не удалось. Определим эти длины.

Поскольку L₁=L₂, имеем Fo₁ = Fo₂, Θ_ср1 = Θ_ср2,

Значение Θ_ср = 0.533 определено в задаче 1.

При этом температура металла после первой камеры будет составлять
t₁ = Θ_ср1(t₀-t_п)+t_п = 0.730•(1100-30)+30 = 811 ºC,
после второй (проверка) ‑
t₂ = Θ_ср2(t₁-t_п)+t_п = 0.730•(811-30)+30 = 630 ºC.

Отношение суммы длин обеих камер L₁+L₂ к длине линии при непрерывном охлаждении L_Σ (L из задачи 1):
.

На рисунке 7 показаны обобщенные зависимости отношения минимально возможной суммарной длины линии при прерывистом охлаждении к длине линии при непрерывном охлаждении.

Рисунок 7. Отношение суммарной длины линии при прерывистом охлаждении к длине линии при непрерывном охлаждении для двух, трех, четырех и пяти камер

Выводы

При проектировании линий ускоренного охлаждения проката в потоке станов целесообразно выбирать определенные отношения длин отдельных камер. Так, при непрерывном охлаждении (камеры расположены друг за другом без разрывов), можно добиться одинакового снижения температуры проката в каждой камере. В этом случае в каждую камеру можно будет подавать одинаковое количество охлаждающей воды.

Аналогичным образом можно организовать и прерывистое охлаждение (разрывы между камерами обеспечивают выравнивание температуры по сечению проката).

При прерывистом охлаждении суммарная длина охлаждающих камер меньше, чем аналогичная длина при непрерывном охлаждении. Рассмотрен случай, обеспечивающий получение минимальной суммарной длины охлаждающих камер.

Литература

1. Расчет длины устройств для охлаждения проката сплошным потоком воды. Худик В.Т., Черненко В.Т., Сиухин А.Ф., Литовченко Ю.К. - Металлургия и коксохимия, вып. 36. Киев: Технiка, 1973, с. 68‑72.

2. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., Высшая школа, 1967. 600 с.

3. Губинский В.И., Минаев А.Н., Гончаров Ю.В. Уменьшение окалинообразования при производстве проката. К.: Технiка, 1981. 135 с.

Опубликовано:

Ускоренное охлаждение арматурного проката в нескольких камерах. Шеремет В.А., Любимов И.М., Смияненко И.Н. и др. // Теория и практика металлургии (г. Днепропетровск), 2001 г., ‑ С. 37 ‑ 40.

К началу страницы

Web-сайт “Термист” (termist.com)
Термомеханическое упрочнение арматурного проката

Отсутствие ссылки на использованный материал является нарушением заповеди "Не укради"

Редактор сайта: Гунькин И.А. (termist.com@gmail.com)